方波发生器.doc

武汉理工大学 基础强化训练 说明书 I 方波 三角波发生器设计方波 三角波发生器设计 本设计介绍了波形发生器的制作和设计过程 并根据输出波形特性研究该电路的可行性 在此基础上设计了一种能产生矩形波 三角波的模块电路 包括了原理图 该电路有主要 由 LM324 集成运算放大器 比较器 振荡器 通过用双踪示波器来确定波形的幅值及可 调占空比的上限及下限 重点阐述了矩形波发生器 宽度可调的矩形波发生器及三角波发生器的电路结构及 工作原理 分析了单元电路的制作和工作过程并进行了调试 调试结果表明设计的电路 是可行的 关键字 信号发生器 宽度可调 矩形波 锯齿波 时间常数 1 Proteus 简介 有了 protel Multisim proteus psice 等一系列的软件的存在 就此便可以以虚代 实 以软代硬 独立建立一个完善的虚拟实验室 代替了在实验室和教室里的以实物 进行实践的方式 可以在计算机上学习电工基础 模拟电路 数字电路 单片机应用 系统等课程 并进行电路设计 仿真 调试等 因此这一系列的软件受到广大电子 设计爱好者的青睐 是他们工作 学习上难得的工具软件 也因此它们在全球得到了广 泛应用 其中 Proteus 软件提供多达 30 多个元件库 元件涉及到数字和模拟 交流和直 流等 有 RAM ROM 键盘 马达 LED LCD AD DA 部分 SPI 器件 部分 IIC 器件 编译方面支持 Keil 和 MPLAB 等编译器 它的功能强大 集电路设计 制 版及仿真等多种功能于一身 不仅能够对电工 电子技术学科涉及的电路进行设计与分 析 还能够对微处理器进行设计和仿真 也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的 其它电路的工作情况 它还提供多种现实存在的虚拟仪器 这些仪表有极高的输入阻 抗 极低的输出阻抗 尽可能减少仪器对测量结果的影响 此外 Proteus 软件还有图形显示功能 可以将线路上变化的信号 以图形的方式 实时地显示出来 对于单片机硬件电路和软件的调试 Proteus 提供了两种方法 系 统总体执行效果和对软件的分步调试 它还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 1 试 这些测试信号包括模拟信号和数字信号 在用Proteus 进行仿真和程序调试时 只要关心从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果 它还提供 Schematic Drawing SPICE 仿真与 PCB 设计功能 同时可以仿真单片机和周边设备 可以仿真 PIC AVR 51 系列等常用的 MCU 并提供周边设备的仿真 例如示波器 373 led 等 2 电路原理及设计 2 1 方波发生电路 2 1 1 整体电路原理 由集成运放构成的方波发生器 包括迟滞比较电路和 RC 积分电路两大部分 电路原理图如 下所示 RC 振荡 电路 方波发生 三角波产 生 比较电路 积分电 路 图 2 1 1 方波发生电路原理框图 因为矩形波电压只有两种状态 不是高电平 就是低电平 所以电压比较器是它的 重要组成部分 因为产生振荡 就是要求输出的两种状态自动地相互转换 所以电路中 必须引入反馈 因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化 即产生周期性变化 所以 电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间 即 RC 积分电路 2 1 2 电路的设计 因为矩形波电压只有两种状态 不是高电平 就是低电平 所以电压比较器是它的 重要组成部分 因为产生振荡 就是要求输出的两种状态自动地相互转换 所以电路中 必须引入反馈 因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化 即产生周期性变化 所以 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 2 电路中要有延迟环节来切丁每种状态维持的时间 图示为矩形波发生电路 它由反相输 入的滞回比较器和 RC 电路组成 RC 回路既作为延迟环节 又作为反馈网络 通过 RC 充放电实现输出状态的自动转换 方波发生电路图如下图所示 它由反相输入的滞回比较器和 RC 积分电路组成 其中 RC 回路既作为延迟环节 又作为反馈网络 通过 RC 充 放电实现输出状态的自动转换 而输出端引入的限流电阻 和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的作用 图 2 1 1 1 方波发生电路图 图 2 1 1 2 滞回比较曲线 工作原理 设某一时刻输出电压 uO UZ 则同相输入端电位 uc UT uO 通过 R 对电容 C 正向充电 反相输入端电位 uc 随时间 t 增长而逐渐升高 当 t 趋近于无穷时 uc 趋于 UZ 一旦 uc UT 再稍增大 uO 就从 UZ 跃变为 UZ 与此同时 uc 从 UT 跃 变为 UT 随后 uO 又通过 R 对电容 C 放电 反相输入端电位 uc 随时间 t 增长而逐渐降 低 当 t 趋近于无穷时 uc 趋于 UZ 一旦 uc UT 再稍减小 uO 就从 UZ 跃变为 UZ 与此同时 uc 从 UT 跃变为 UT 电容又开始反向充电 而上述过程周而复始 电 路产生了输出状态的自动转换 便输出方波 2 1 3 波形分析及主要参数 由于图中所示电路电筒正向充电和反向充电的时间常数均为 RC 而且充电的总幅值 也相等 因而在一个周期内 Uo Uz 的时间与 Uo Uz 的时间相等 Uo 为对称的方波 所以也称为该电路为方波发生电路 电容上电压 Uc 即集成运放反相输入端电位 Un 和 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 3 电路输出电压 Uo 波形如图所示 矩形波的宽度 Tk 与周期 T 之比称为占空比 因此 Uo 是占空比为 1 2 的矩形波 根据电容上电压波形可知 在 1 2 周期内 电容充电的起始值俄日 Ut 终了值为 Ut 时间常数为 R3C 时间 t 趋于无穷时 Uc 趋于 Uz 利用一阶 RC 电路的三要素法 可列出方程上述电路输出状态发生跳变的临界条件为 U U 其中 当输出 U0 为高电平时 当输出 U0 为低电平时 刚开始振荡建立时 由于电路中的电扰动 并通过正反馈 使输出很快变为高电平或低电 平 振荡周期为 图 2 1 3 而方波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为 RC 而且充电的总幅值 也相等 因而在一个周期内 uO UZ 的时间与 uO UZ 的时间相等 即方波 T1 T2 对 T1 由暂态过程公式 对充电过程 t 时 t 0 时 即 得 HOHO FUU RR R U 32 2 OO FUU RR R U 32 2 LOLO FUU RR R U 32 2 21 TTT t CCCC eUUUtu 0 ZoHC UUU ZOLC FUFUU 0 t ZZZC eUFUUtu 2 1ln 2 1 1 ln22 3 2 1 R R RC F F TT 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 4 则振荡频率 可知 调整电压比较器的电路参数 R1 R2 和 UZ 可以改变方波发生电路的振荡幅值 调整电阻 R1 R2 R3 和电容 C 的数值可以改变电路的振荡频率 2 2 宽度可调的矩形波发生电路 通过对方波发生电路的分析 可以想象 欲改变输出电压的占空比 就必须使电容 正向和反向充电的时间常数不同 即两个充电回路的参数不同 利用二极管的单向导电 性可以引导电流流经不同的通路 占空比可调的矩形波发生电路如图所示 电容上电压 和输出电压波形如图所示 当 Uo Uz 时 Uo 通过 Rw1 D1 和 R3 对电容 C 正向充电 若忽略二极管导通时的等 效电阻 则时间常数 CRRw311 当 Uo Uz 时 Uo 通过 Rw2 D2 和 R3 对电容 C 反向充电 若忽略二极管导通时的等 效电阻 则时间常数 CRRw322 利用一阶 RC 电路的三要素法可以解出 T 2 Cln1T2TwR3R 上式表明改变电位器的滑动端可以改变占空比 但周期不变 占空比为 2 3 发挥部分 三角波发生电路 由矩形波经积分电路得出 如图所 示 运算放大器 A1与 R1 R2 R 4 及 Dz1 Dz2组成电压比较器 同向输入的滞回比 2 1ln 2 1 1 3 2 R R RC T f 2 1 22 2 1ln R R T 2 1 11 2 1ln R R T 3 311 2RR RR T T q w w 2 12 1 R R 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 5 较器 运算放大器 A2与 R3 R5 C 组成反相积分器 比较器与积分器首尾相连 形成闭 环电路 构成能自动产生法波 三角波的发生器 图中滞回比较器的输出电压 他的输入 电压时积分电路的输出电压 根据ZUU 010U 叠加原理 图 2 3 1 集成运放同相输入端电位1A ZPU RR R U RR R U RR R U RR R U 21 1 0 12 2 01 21 1 0 21 2 1 令则阈值电压 011 NPUUZTU R R U 2 1 因此 滞回比较器的电压传输特性如图所示 积分电路的输入电压时滞回比较器的输出电压 而且不是 就是 所以输出电01U01UZU ZU 压的表达式为 000101 3 0 1 tUttU CR U 式中 为初态时的输出电压 图 2 3 2 00tU 设初态时正好从 跃变为 则上式应写成 01UZUZU 0001 3 0 1 tUttU CR UZ 积分电路反向积分 随时间的增长线性下降 根据图 2 的电压传输特性一旦0U 再稍减小 将从 跃变为 使得上式变为TUU 001UZU ZU 1012 3 0 1 tUttU CR UZ 为产生跃变时的输出电压 积分电路正 00tU01U 向积分 随时间的增长线性增大 根据图 2 的0U 电压输出特性 一旦 再稍增大 将TUU 001U 从 跃变为 回到初态 积分电路又开ZUZU 始反向积分 电路重复上述过程 因此产生自激 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 6 震振荡 由以上分析可知 是三角波 幅值为 图 2 3 30UTU 是方波 幅值为 如图所示 因此也可称图所示电路为三角波 方波发生电路 01UZU 由于积分电路引入了深度电压负反馈 所以在负载电阻相当大的变化范围里 三角波电 压几乎不变 3 Proteus 仿真的基本流程 3 1 建立设计文件 打开 ISIS 系统 选择文件菜单中的新建 打开图纸窗口 选择合适的图纸类型 确 认后自动建立一个缺省标题 UNTITLED 的文件 再选择文件菜单的另存为 建立自己 名称的设计文件 如 基础强化训练 等 图 3 1 proteus 新建文件界面 3 2 元件的选择与放置 3 2 1 元件的选择 将所需元器件加入到对象选择器窗口 单击对象选择器按钮 如图所示 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 7 图 3 2 1 开启元件选择界面 弹出 Pick Devices 页面 在 Keywords 输入 555 系统在对象库中进行搜索查找 并将搜 索结果显示在 Results 中 如图所示 图 3 2 2 元件选择界面 在 Results 栏中的列表项中 双击 555 则可将 555 添加至对象选择器窗口 接着在 Keywords 栏中重新输入其他元件名称 按同样的方法操作即可将其他元件添加至对象 选择器窗口 单击 OK 按钮 结束对象选择 经过以上操作 在对象选择器窗口中 已有了 555 LED RED RES 等元器件对象 若单击 555 在预览窗口中 见到 555 的实物图 如图所示 若单击 RES 或 LED RED 在预览窗口中 见到 RES 和 LED RED 的实物图 如图所示 此时 可以看到在绘图工 具栏中的元器件按钮处于选中状态 如下图所示 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 8 图 3 2 3 元件选中图示 3 2 2 放置元器件至图形编辑窗口 在对象选择器窗口中 选中 555 将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置 单击 鼠标左键 该对象被完成放置 同理 将 RES 及其他元件放置到图形编辑窗口中 如图 所示 若对象位置需要移动 将鼠标移到该对象上 单击鼠标右键 此时我们已经注意到 该对象的颜色已变至红色 表明该对象已被选中 按下鼠标左键 拖动鼠标 将对象移 至新位置后 松开鼠标 完成移动操作 图 3 2 4 元件的放置 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 9 3 3 元件之间连线并完成绘图 Proteus 的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测 下面 我们来操作将电阻 R1 的下端连接到 LED 显示器的上端 当鼠标的指针靠近 R1 下端的连接点时 跟着鼠标 的指针就会出现一个 号 表明找到了 R1 的连接点 单击鼠标左键 移动鼠标 不用拖 动鼠标 将鼠标的指针靠近 LED 显示器的上端的连接点时 跟着鼠标的指针就会出现一 个 号 表明找到了 LED 显示器的连接点 同时屏幕上出现了粉红色的连接 单击鼠标 左键 粉红色的连接线变成了深绿色 同时 线形由直线自动变成了 90 的折线 这是因 为我们选中了线路自动路径功能 同理 我们可以完成其它连线 在此过程的任何时刻 都可以按 ESC 键或者单击鼠标的右键来放弃画线 3 4 设置元件属性 在图形编辑窗口内 将鼠标置于 RES 元件上 单击鼠标右键 选中该对象 单击鼠 标左键 进入对象属性编辑页面 如图所示 在 Resistance 栏中输入 5M 单击 OK 按 钮 结束设置 此番操作意味着 电阻值为 5M 其他需要设置的元件进行相同操作 图 3 4 元件属性设置 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 10 4 设计电路仿真图与波形检测 在 proteus 上画出各电路图 检查无误后进行仿真 得出仿真波形图 1 方波发生电路 R1 100k 3 2 1 411 U1 A LM324 R2 2k R3 10k R4 10k C1 0 1uF D1 DIODE ZEN D2 DIODE ZEN U1 A V U1 A V A B C D 图 4 1 方波发生电路图 图 4 2 方波发生电路仿真结果图 2 宽度可调的矩形波发生电路 D2 DIODE D1 DIODE R1 20k R3 2k R2 10k R4 10k D3 DIODE ZEN D4 DIODE ZEN C1 0 1uF U1 A V U1 A V 3 2 1 411 U1 A LM324 RV1 100k A B C D 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 11 图 4 3 宽度可调的矩形波发生电路图 图 4 4 宽度可调的矩形波发生电路仿真结果图 3 三角波发生电路 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 12 3 2 1 411 U1 A LM324 5 6 7 411 U1 B LM324 R1 2k R2 20k R3 10k R4 2 7k RV1 47k C1 0 022uF D1 DIODE ZEN D2 DIODE ZEN U1 A V U1 A V U1 B V U1 B V A B C D 图 4 5 三角波发生电路图 图 4 7 三角波发生电路仿真结果图 5 心得与体会 这是上大学以来的第一个基础强化训练 开始接触时自己感觉很陌生 但还好了解 武汉理工大学 基础强化训练 说明书 13 之后才知道和课程设计差不多 而且我做的题目也不是很难 设计的电路图也是最简单 易行的 所以在仿真过程中也没遇到太大的困难 通过这次对波形发生器的设计与制作 让我了解了设计电路的程序 也让我了解了 关于波形发生器的原理与设计理念 最后的成品却不一定与预期的完全一样 因为在实 际接线中有着各种各样的条件制约 而且由于元器件本身的特性而产生各种各样的误差 所以 在设计时应考虑两者的差异 从中找出最适合的设计方法 在这次实习过程中 让我深入了解运算放大器 比较器 RC振荡回路 积分比较起 等电子电路的原理和使用方法以及将其应用于实际电路中 本次课程设计 我深刻认识 到自己理论知识的不足 各部分的原理图设计