波形变换电路.doc

目录摘要1概述12设计原理22.1 555定时器简介22.2用555定时器构成的施密特触发器32.3电路原理图53 Proteus仿真64调试过程及结论95心得体会17参考文献18武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书摘要施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。因此，施密特触发器有三个大的特点：1、 波形变换。可将三角波、正弦波等变成矩形波；2、脉冲波的整形，数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲；3、脉冲鉴幅。幅度不同、不规则的脉冲信号时加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于欲设值的脉冲信号进行输出。主要功能和特色简介：1、 将给定频率的三角波变成脉冲波，脉冲波占空比不是50%2、 将给定频率的三角波变成脉冲波，脉冲波占空比是50%3、 将给定频率的正弦波变成脉冲波，脉冲波占空比是50%4、 将给定频率的三角波（正弦波）转换成间断式方波 5、 将给定频率的三角波（正弦波）进行分频关键词：Proteus仿真，施密特触发器，555定时器，波形变换201概述1 Protues简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 其功能特点如下: Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真具有3大功能模块:（1）个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；（2）PROSPICE混合模型SPICE仿真;（3） ARES PCB设计. Protues提供了丰富的资源: （1）Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。（2）Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。 （4）Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 软件仿真:支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。（1）提供软件调试功能（2）提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。这样很接近实际。在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。（3） 提供丰富的虚拟仪器利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。（4） 具有强大的原理图绘制功能电路功能仿真:在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 本次多功能数字秒表课程设计就是基于PROTEUS仿真软件进行仿真的设计与制作的。2基本设计原理与仿真2.1 555定时器简介图2.1 555定时器555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器的反相输入端的电压为， 的同相输入端的电压为。若触发输入端 TR 的电压小于，则比较器的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于，同时 TR 端的电压大于，则的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。其工作原理如下：当5脚悬空时，比较器和的比较电压分别为和。(1)当 ， 时，比较器输出低电平，输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端为低电平。(2)当，时，比较器 输出高电平，输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端为高电平。(3)当时，比较器输出高电平，也输出高电平，即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。由于阈值输入端() 为高电平（）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。因为触发输入端()为低电平（）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL）。如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。另外，为复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出为低电平，即的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。表2.1 555定时器功能表阈值输入（）触发输入（）复位输出放电管TXX00导通 11截止10导通 1不变不变2.2用555定时器构成的施密特触发器 将555定时器的两个输入端2和6并联连接后作为电路的输入端，就可以构成施密特触发器，另外在5和7之间加一个电容，是为了提高比较电容的稳定性，消除工作过程中由输入信号突变引起的干扰而设置的退耦合电容，其电路如图2.2所示。 当输入信号从足够小到足够大变化时，开始必定出现6端输入电压小于,2端输入电压小于，集成运算放大器的输出值为输出高电平，输出低电平，将使基本RS触发器处于置1工作状态，晶体管截止，输出信号为高电平。随着输入电压的升高，将会出现6端输入电压小于，2端的输入电压大于，RS触发器置1工作状态，晶体管截止，输出信号为高电平。此后，输入电压信号继续上升，将出现6端输入电压大于，2端输入电压小于的情况，RS触发器出现清零的工作状态，晶体管导通，输出信号为由高电平跳转为低电平。对应的跳转输入电压值为=。如下图所示的电压传输特性： 图2.2 用555定时器构成的施密特触发器 图2.3 电压的传输特性若输入的电压从足够高的到低变化，则电路信号的变化跟上述过程相反，开始必定6端输入电压大于，2端输入电压大于，此时RS触发器处于清零的状态，晶体管导通，输出电压为低电平。当6端输入电压小于，2端输入电压小于时，RS触发器处于置1工作状态，晶体管截止，输出信号为由低电平跳转为高电平，对应的跳转输入电压值=。主要静态参数：(1)上限阈值电压-上升过程中，输出电压由高电平-跳变到低电平时，所对应的输入电压值=。(2)下限阈值电压-下降过程中，由低电平跳变到高电平时，所对应的输入电压值，=(3)回差电压回差电压又叫滞回电压，定义为=- =。施密特触发器可以用作波形整形电路使用，当输入的三角波形电压信号从0开始上升时，输出为高电平。只有输入信号电压上升到数值为时，输出电压才从输出高电平转换为低电平。此后，电压继续上升知道最大值，最后转为下降，在下降到数值大于之前，保持输出低电平不变，直到小于之后，输出电压才从输出低电平转换为高电平。此后重复上述过程，达到将三角波转换为矩形波形的目的。2.3基本电路原理图设计流程打开Proteus软件，选择Landscape A4，进入设计页面。设计的电路原理图如图2.4，实际上是一个施密特触发器。图2.4 基本电路原理图2.3.1放置信号发生器信号发生器又称信号源或振荡器能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器，其频率范围可从几个微赫到几十兆赫，除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。脉冲信号发生器能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器。电路原理图中利用信号发生器产生频率固定频率的三角波，作为输入信号，示波器观测输入波形和输出波形。图2.5是查找信号发生器的流程图：图2.5 查找信号发生器的流程图然后将鼠标移到原理图制作区域单击放置信号发生器。同法可以找到示波器，即在上图中不单击SIGNAL GENERATOR,而单击OSCILLOSCOPE。2.3.2放置555芯片与电容图2.6是查找555芯片的流程图 单击在Keywords中输入555单击OK按钮图2.6 查找555芯片的流程图然后将鼠标移到原理图制作区域单击放置555芯片。同法，只需要在Keywords中输入cap即可找到电容。2.3.3放置电源和地放置电源、地的时候，POWER就是电源，如下图所示。一般电源默认的值就是+5V，也可用同样的方法修改电源电压值，选择GROUND就是地。图2.7选择电源、地2.3.4修改元件属性。放置元件之后，双击元件就弹出元件属性对话框，这样就可以修改自己所需的属性。如下图所示，只需要在所属的方框内输入数值即可。图2.8 元件属性对话框连线，在要连线的起始端单击，在连线的末端单击即可。制图时，按照原理图连线。2.4基本设计电路仿真流程单击左下角的控制按键最左边的仿真按钮，再按照自己设置的三角波的频率和幅值来调节示波器，就可以得到仿真的结果了。在仿真时我们假定三角波的频率是f=50Hz,峰峰值为12V。图3.1是信号发生器参数设计值：图2.9信号发生器参数设计值如图3.2是仿真时示波器显示的输入波形与输出波形。图2.10 示波器显示波形。3电路的改进 为了提高电路的质量，因此需要对电路进行改进31 三角波变换成占空比为50%的脉冲波 由施密特触发器组成的电路改进成为三角波装换成占空比为50%的脉冲波的电路，关键在于改变555触发器的上门限和下门限的值。经过电路的改装，需要电路的5脚端外加控制电压，在电路5脚端加零伏电压。当外加输入电压由小于零伏刚好到大于零伏时，电路输出端输出低电；当外加输入电压由大于零伏刚好到小于零伏时，电路输出端输出低电。而三角波的正负半周的时间恰好相等，这样会使电路的输出的高低电平的时间相等。因此电路可以改装成为50%脉冲波的输出电路。 如图3.1为改进后输出为50%脉冲波的电路，该电路和基本电路相比去除了5脚与地相连的电容，将5脚直接与地相接，实现了将5脚的控制电压控制为零伏。 图3.1 改进后输出为50%脉冲波的电路。图3.2为信号发生器参数设计值：图3.2 信号发生器参数设计值 如图3.3为改进后输出为50%脉冲波的电路的仿真波形 图3.3 改进后输出为50%脉冲波的电路的仿真波形32正弦波变换成占空比为50%的脉冲波图3.4为信号发生器参数设计值：图3.4 信号发生器参数设计值图3.5为正弦波变换成占空比为50%脉冲波的电路的仿真波形图3.5 正弦波变换成占空比为50%脉冲波的电路的仿真波形33将给定频率的三角波（正弦波）转换成间断式方波如图3.6为间断式方波电路原理图图3.6 间断式方波电路原理图图3.7为信号发生器参数设计值 图3.7 信号发生器参数设计值图3.8为间断式方波电路仿真图图3.8 间断式方波电路仿真图34 将给定频率的三角波（正弦波）进行分频4调试过程及结论尽管在仿真之前认真看了Proteus的仿真教程的，可是在仿真中仍然遇到了一些问题，最主要的还是方波一直出不来，也不知道到底是什么原因，其错误的仿真结果如图4.1所以。刚开始的时候，一直认为是自己的电路设计方面出了一些问题，于是又去好好看书，上网查资料，但是仍然没有丝毫的发现，很多地方都明确的说明了施密特触发器的输入、输出波形。结果无意中把三角波信号发生器的“-”接地，这才豁然开朗，仿真的结果也随之出来了。想想自己竟然是在这出了问题，实在是不应该。图4.1 错误的仿真结果 总的来说，这次强化训练自己的仿真还是做的比较成功的，通过运用Proteus对电路进行仿真，得到了符合施密特触发器波形变换特点的方波。不过，这次强化训练所要求的电路还是很简单的，没有比较大的拓展，可以直接引用课本中的电路图，主要考究的还是Proteus的运用。幸好在这期间看了比较多的Proteus教程，所以对Proteus运用还是比较熟练地。 同时通过这次强化训练，运用Proteus仿真，也验证了施密特触发器波形变换的特征，巩固了我们对555定时器及其拓展电路的理解。5心得体会对这次强化训练感受最深的一点就是有点不能理解，因为搞这个强化训练时间是在考完试后的一个星期内，而且答辩的时间不能够提前，也不知道什么原因，实际上是不需要这么长的时间的。当然，在这次强化训练中，也遇到了蛮多的问题。主要有以下几点：一、 对课本知识了解的不是很透彻，也是这时本次课程设计中最重要的一点，也是我们关注最多的一点。因为我们要设计的电路的原理就在书上，这次课程设计就是一次书上知识的大综合。它在某种程度上也反映了我们对书上知识的了解程度以及对知识的运用能力，而且还锻炼了我们的动手能力和发现并解决问题的能力。二、 幸运的是这次强化训练不需要我们焊制实物电路板，