数字电子技术课程设计-多种波形发生器.doc

电气工程学院课程设计报告多 种 波 形 发 生 器波形发生器被广泛用于各大院校的教学和科研场所的研究。我们通过对实验的认识和对资料的查询，选择利用脉冲数字电路原理设计了多种波形发生器，该发生器通过555数字芯片构成多级振荡器，组成RC积分电路来 分别实现方波、三角波和正弦波的输出。它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源，具有实际的应用价值。一、总体方案的选择对于设计我们的思路是应用555定时器,组成RC振荡电路,从而使直流信号变成所需要的振荡信号，从而实现多种波形的转化和输出。1拟定系统方案框图（1）方案一： 实验原理：用555定时器组成振荡器形成方波信号，以方波作为输入信号进入积分电路产生并输出三角波，然后，将三角波作为一个输入信号，进入另外一个积分电路，产生并输出一个正弦波。原理框架图： 方波输出 三角波输出 正弦波输出555 定时器组成方 波 产 生 电 路频 率 选 择控 制 器积 分电 路积 分电 路设计指标：正弦波输出振荡频率为500HZ，三角波方波输出频率为500HZ1000HZ，三角波幅值范围2V2V。（2）方案二： 实验原理：用555定时器组成振荡器形成方波信号，以此方波信号作为积分电路的输入信号，通过积分电路输出三角波信号；而另一条路径的方波信号作为滤波电路的输入信号，通过输入滤波电路产生并输出正弦波。原理框架图： 方波信号 三角波信号 正弦波信号555 定时器组成方波产 生电路 频 率 选 择 控 制 器积 分电 路滤 波电 路设计指标：正弦波输出振荡频率为500HZ，三角波方波输出频率为500HZ1000HZ，三角波幅值范围2V2V。2方案的分析和比较（1）方案一：方案一所涉及的电路主要是集中于555定时器所发出的方波信号，555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。因此该方案比较稳定，同时，该电路的设计思路使输出的波形比较稳定，同时，便于安装和检查。虽然多了一个积分电路，但使其性能和稳定性增加。同时，通过方案一的电路可以很方便的输出三个波形的电路，实用效率高，同时，整体性和集成性强。经济性更好。（2）方案二：与方案一很相似，但其使用的是滤波电路来实现方波转化成正弦波。比较后这种电路比较经济实用，但由于滤波电路的使用取决于很多外部条件，同时，滤波电路的使用是整套方案不易于构成整体，相对方案一其稳定性和整体性集成性较低。 通过比较，我选择方案一。二、单元电路的设计1.方波发生电路（1）核心元件的选择 555定时器： 由于使用了比较常见，但我们还没有接触到的555定时器，特做以说明 555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制等许多领域中都得到了应用。555定时器电路架构图：图1 555定时器电路结构图它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5 Kohm的等值电阻串联而成。VI1是比较器C1的输入端，VI2是比较器C2输入端。C1和C2的参考VR1和VR2由VCC经三个5k的电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后， 其结果作为基本R-S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后， 其结果作为基本RS触发器端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态受比较器 、 的输出端控制。如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=1/2VCO。RD是置零端。只要在RD端加上低电平，输出端VCO边立即被置成低电平， 不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使RD处于高电平。 表1 CB555的功能表输 入输 出RdVI1VI2V0TD0XX低导通12/3VCC1/3 VCC低导通12/3 VCC1/3 VCC不变不变12/3 VCC1/3 VCC高截止12/3VCC1/3 VCC高截止图2 555定时器的管脚图1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8电源电压Vcc（2）方波电路的计算设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波。图3 方波振荡周期参照图振荡周期计算：由图 3 可知，振荡周期 。 为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比。(式1)（3）方波电路原理图及其波形图4 方波电路原理图图5 方波电路输入输出信号波形图（4）设计效果分析由上图可看出起时间周期T=1.971s2.00s,频率f=500HZ。基本符合设计的要求。2.三角波发生电路（1）核心元件的选择741运算放大器的电路：图6 LM741运算放大电路结构图1.调零端 2.反相端3.同相端 4.负电源端5调零端 6.输出端7.正电源端 8.空脚741放大器由双路稳压电源供电，打开稳压电源开关，将电源的两组输出电压都调节为15伏，然后关断电源，将一组电源的正极与实验板上“VCC”接线柱相连，另一组电源的负极与“VEE”接线柱相连，前一组电源的负极与后一组电源的正极都和实验板上的“地”相连在实验板上把输入端用一根导线与地短接打开稳压电源开关，用万用表测量输出电压，若，可通过调节调零电位器W，使。（2）积分电路的原理和计算输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。图7 运算放大器构成积分电路及其波形在信号处理电路和有源网络中作模拟运算的积分器常用运算放大器构成（图7）。 如运算放大器工作在理想状况，它的输入端电流i10,输入端电压u10,在电路输入电压ui(t)的作用下，电容器C 的充电电流i=i=ui(t)/R,因此输出电压为 （式1）图2是输入为阶跃电压时的输出电压 uo(t)的波形。当输入为一正弦信号ui(t)=Umcost时，它的输出信号电压为（式2）输出信号的幅度是输入信号的 1/RC倍，其相位则领先90。当输入信号含有不同频率分量时,低频分量将“提升”得较多，而较高频率分量则“提升”得较少。因此积分电路也可以用来抑制频率比有用信号频率高的干扰信号。在间接调频器中，先用积分电路对调制信号积分，使调制信号幅度与它的频率成反比，然后由调相电路对载波进行相位调制，就可以产生调频波,实现调相-调频波的变换。（3）三角波电路原理图及其波形图8 三角波电路原理图图9 三角波电路输入输出波形图（4）设计效果分析由上图可看出起时间周期T=1.971s2.00s,频率f=500HZ。基本符合设计的要求。3.正弦波发生电路（1）核心元件的选择741运算放大器的电路：由于正弦波发生电路与三角波发生电路的原理与实际电路图完全相同，故，不再重复介绍其元件使用原理，详情可参见三角波发生电路的原理分析。（2）积分电路的原理和计算由于正弦波发生电路与三角波发生电路的原理与实际电路图完全相同，故，不再重复介绍其积分电路的原理和计算，详情可参见三角波发生电路的积分计算原理分析（3）正弦波电路原理图及其波形图10 正弦波电路原理图图11 三角波电路输入输出波形图三、总电路图图12 多种波形发生器总电路图四、仿真与调试图13 总电路仿真调试图图14 总电路输入及三种输出波形图表2 元器件明细表：元件名称型号参数数量555定时器LM555CM1741运算放大器LM741CH2电阻9.1K/10K/47K/1M ohm2 / 2 / 2 / 2电容10n/22n F1 / 2二极管1N1202C2交流电源12V4直流电源5V1（1）调试：由于实验室缺少相关器材，我们采用了实验书上的电路进行调试和制作。实验结果良好，信号稳定，波形清晰。五、小结1. 安装和调试问题：（1）在最初的设计中，我们想通过课本中的RC振荡电路来实现直接输出正弦波，然后再通过转化，实现其他信号的输出，但随后我们发现，课本上的电路不容易组合，多次仿真和调试失败后，我们选择了现在的方案。（2）在最初选择现方案时，我们对555定时器的理解不够，仿真中，多次将针脚搞错，设计出来的电路所输出的波形五花八门，不符合要求。（3）在后面的积分电路的设计中，对于电容电阻数据的计算有很多偏差，我们经过长时间的尝试，得到现有数值，但我们感觉还有不完善之处。2. 分析和解决办法：（1）对于一个问题，我们选择避开，只参照课本的主体思想，而重新设计电路，并多方查阅资料，选择了现有方案作为正式方案。（2）对于555定时器，经过在网上和图书馆中查询资料，基本上掌握了其简单用法。（3）由于时间关系，我们并没有进一步修正数据，但我们将在以后通过更好的掌握模电和结合数电的知识，完善我们的设计。3. 设计特点和存在的问题（1）我们小组的设计，充分理解了设计要求，不但能完成设计的要求，同时，设计中输出的信号比较稳定，利于使用。并且我们基本上使用的都是常见元器件，有很好的经济价值，整合度高，利于集成和生产，具有实际的设计和生产意义。（2）但由于时间的关系，我们无法进一步将设计中的数据更一步细化和精确，其输出结构虽然稳定，但还有一些偏差。4.改进意见（1）对于电路，若是想要更稳定，更精确的信号，我们建议使用更加先进和成熟的核心元件来设计。若是想实现更加复杂的功能，也必须要使用更加成熟且复杂的元件。（2）对于电路数据和设计，我们建议，在有充足时间的条件下，可以结合数电的知识，更加精确数据的准确性，减少误差和失真。进一步提高稳定性。5.收获和体会经过一个星期的努力，模拟电子课程设计即将结束，在期间我与我们的小组收获许多。我们认为这次课程设计是理论知识与实践相结合。充分的巩固了大学三年来所学的理论知识。从而，增加了我的信心，明确了我今后的努力方向。在学习理论知识时，经常遇到一些问题似懂非懂，通过一周的课程设计，在老师的指导和自己查阅资料学习下，很多问题已经印入脑中了，同时还接触了许多新的知识。例如，555定时器的使用和其引脚功能。通过自己动手实践，加强了对一些芯片的熟悉认识。通过这次设计，也为我今后的学习奠定了基础，指明了方法。这次课程设计使我懂得了理论联系实际的重要性，从而也提高了我的实践动手能力。在设计的过程中，难免会遇到一些问题，通过不断地翻阅资料，检查电路，最终还是用理论知识解决实际问题，从中也让我受益匪浅。团协作意识非常重要，此次设计三人一组，在设计中我们积极讨论，各