制作多波形发生器.doc

第章引言第1章 引言1.1本课题的研究现状信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在军事技术中，都有着广泛的使用。因此，从理论到工程对信号的发生进行深入研究，不论是从教学科研角度，还是从社会实际应用角度出发都有着积极的意义。随着科学技术的发展和测量技术的进步，对信号源的要求越来越高，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需要信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为1Hz80MHz，而输出幅度为10mVpp10Vpp；该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz4GHz。国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1Hz60MHz；国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz1024MHz能精确地分辨到100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是信号发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。1.2选题目的及意义信号发生器是一种经常使用的设备，由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端，如：体积较大、重量较沉、移动不够方便、信号失真较大、波形种类过于单一、波形形状调节过于死板，无法满足用户对精度、便携性、稳定性等的要求，研究设计出一种具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点的波形发生器具有较好的市场前景，以满足军事和民用领域对信号源的要求。波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只能发出一些简单的波形，不能满足需要。本课题设计一个以555定时器为核心系统的多波形发生器，产生方波、锯齿波、三角波三种波形信号。通过该课题的设计掌握555定时器的开发过程和基本信号的产生原理、测量及误差分析方法，同时掌握嵌入式系统的设计流程；培养自身综合运用所学的基本知识、基本理论和基本技能的能力，学习解决一般工程技术和有关专业问题的能力，学习工程设计和科学研究的基本方法。1.3本文的主要工作本文将介绍波形发生器设计的方案选择与软硬件的设计、调试。全文共分为六章，本章介绍本课题的研究现状和选题目的意义等；第二章介绍555时基集成电路原理与工作模式；第三章介绍波形发生器各个单元模块电路的设计与实现；第四章介绍波形发生器的总体电路设计；第五章介绍了电路的仿真。第六章介绍了系统的调试过程和调试结果，并对系统调试过程中出现的问题进行了分析，给出了相应的解决方案。1.4波形发生器的发展前景波形发生器是电子系统的心脏，随着科学技术的发展，现代雷达系统和电子对抗系统对信号源的要求越来越高，提高信号源性能已经成为国内和国外工程师的主要方向。555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。本文在研究555时基电路基本原理的基础上，利用其完成了多波形发生器的电路设计。1972年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555双极型时基电路，设计原意是用来取代体积大,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域，需求量极大。限于本毕业设计课题，本文将着重讲解将555时基电路应用于波形发生器。35第章555时基集成电路原理与工作模式第2章 555时基集成电路原理与工作模式2.1最终波形发生器的设计方法通过使用555定时器能构成施密特触发器和多谐振荡器的功能来进行波形信号产生的设计，通过改变其外围电路的参数来改变波形与频率。由于本次设计所选用的555定时器芯片来进行简单的多波形信号发生器的设计，以及其较低的花费成本是本次设计选择用这个方案的原因，根据改变555定时器外围电路的参数来产生方波、锯齿波、三角波等规律的波形或改变输出信号的频率，且该种电路的设计对目标信号进行数字化操作比较方便，所以综合考虑各方面的因素，最终选择本方案来进行本次设计。2.2 555定时器基本结构及封装形式555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，能很方便地构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器等多功能电路的实现。 555 定时器成本低，性能可靠，用它来构成多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.1 和图2.2所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压1/3VCC 和 2/3VCC 。其内部电路结构图如下所示。图2.1 555定时器内部电路结构图C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经过三个分压电阻给出。在控制电压VCO悬空时，VR12/3VCC，VR21/3VCC。如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR21/3VCO。555定时器内部有二个比较器C1和C2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。VI1是比较器C1的输入端（也成为阀值端，用TH标注），VI2是比较器C2的输入端（也称触发端）。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管TD是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得2/3VCC 和1/3VCC两个分压值，一般称为阈值。图2.2双列直插式封装 图2.3 圆形封装我国目前广泛使用的555时基电路的统一型号是：双极型为CB555，CMOS型为CB7555。这两种电路每个集成片内只有一个时基电路，称为单时基电路。此外还有一种双时基电路，在一个集成片内包含有两个完全相同、又各自独立的时基电路。它们的型号分别是CB556和CB7556。555单时基电路的封装有8脚双列直插型（如图2.2所示）和8脚圆形（如图2.3所示）两种。圆形集成电路引脚的编号方法是把引脚朝下，带标志的引脚置于上倒，从带标志的引脚左边开始按逆时针方向顺序编号。双列直插型单时基电路的引脚编号方法是把集成片平放，从带标志的引脚开始按逆时针方向顺序编号。556双时基电路的封装只有14脚双列直插型一种。引脚按双列直插型集成电路的统一方法编号。 CB555（CB7555）单时基电路各引脚的作用如下，555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TL，3脚是输出端OUT，4脚是清除端Rd，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DIS，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。对双时基电路CB556（CB7556)来讲，两个时基电路共用一个电源端（14）一个地端（7），其余12个脚按左右分开，各为一个独立的时基电路。为了便于应用，用圆圈内的数码表示出单时基电路的引脚号。在小方框内用斜线隔开的2个数码表示出双时基电路左右两个时基电路的引脚号。例如 59表示左边时基电路输出端V01的引脚号是5，右边时基电路输出端V02的引脚号是9。为防止干扰，控制电压端悬空时，应接一滤波电容到地。555定时器的逻辑功能如下表所示。表2.1 555定时器功能表当TH高触发端6脚加入的电平大于2/3VCC，TL低触发端2脚的电平大于1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，触发器置“0”，放电管饱和，7脚为低电平。 当TH高触发端加入的电平小于2/3VCC，TL低触发端的电平大于1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。 当TH高触发端6脚加入的电平小于2/3VCC，TL低触发端的电平小于 1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。 当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。 2.3 555定时器的基本工作原理555电路的内部电路方框图如图2.1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器C1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。2.4 555定时器时基电路的主要参数为了正确使用555时基电路，必须对它的基本特性有所了解。双极型和CMOS型时基电路在电特性上是有差别的，应该分别给出。至于双时基电路和单时基电路，除了静态电流，双时基电路应该是单时基电路的一倍以外，其余参数是完全相同的。所以只要列出 CB 555和 CB 7555的主要参数并予以说明就可以了。对于其功能与管脚使用则没有多少区别，其功能与外部引脚排列是完全相同的,具体分析如下：1电源电压和静态电流 CB 555使用的电源电压是 4516伏，CB 7555的电压范围比较宽，可以从318伏。静态电流也叫电源电流，是空载时消耗的电流。在电源电压是15伏是，CB 555的静态电流典型值是10mA，CB 7555是0.12mA。电源电压和静态电流的乘积就是静态功耗。可见CMOS型时基电路的静态功耗远小于双极型时基电路。2定时精度555电路在作定时器使用时，CB555和CB7555的定时精度分别是l和2。3阈值电压和阈值电流当555电路阈值输入端所加的电压大于或者等于2/3Vcc（或*VDD）时，能使它的输出从高电平1翻转成低电平0。电压值2/3VCC就是它的阈值电压VTH。促使它翻转所需的电流称为阈值电流ITH。 CB555的ITH值约为01mA；而 CB 7555的ITH值只需50pA（1pA=106mA）。4触发电压触发电流 当555电路触发输入端所加的电压小于或者等于1/3Vcc（或VDD）时，能使它的输出从0 翻转成1。电压值1/3Vcc就是它的触发电压VTR。促使它翻转所需的电流称为触发电流ITR。CB555的ITR值约为05mA；而CB7555的ITR值只需50pA。 5复位电压和复位电流 在555电路的主复使端 上加低电平可以使输出复位，即 V0=0。所加的复位电压VMR应低于1伏。复位端所需的电流称为复位电流IMR。CB555的IMR约为400mA；而CB7555的IMR只需0.1mA。 6放电电流 555电路在作定时器或多谐振荡器使用时，常常利用放电端给外接电容一个接地放电的通路。从图2.1看到，放电电流要通过放电管VT1，因此它的电流要受到限制，电流太大会把放电管烧坏。规定 CB 555的放电电流IDIS不大于200mA。CB7555因为受MOS管几何尺寸的限制，放电电流IDIS的值比较小，约在10 50mA之间，而且是随电源电压VDD的数值变化的；使用的电源电压越高，放电电流值越大。7驱动电流驱动电流是指555电路向负载提供的电流，也叫负载电流IL。根据555电路的输出状态和负载的接法可以分成拉出电流和吸入电流两种。当输出是高电平而负载的一端接地时，负载电流从555电路内部流出经过负载入地，因此称为拉出电流。当输出是低电平而负载的一端接在电源正极时，负载电流从电源正极通过负载流入555内部后入地，因此称为吸入电流。这两种电流都起到驱动负载的作用，因此统称为负载电流或驱动电流。对 CB 555来讲，这两种电流的最大值都是 200mA。对CB 7555来讲，吸入电流稍大，大约是520mA；拉出电流较小，约是15mA。而且它们的数值也是随着电源电压的提高而增大的。 8最高工作频率 555电路在作振荡器使用时，输出脉冲的最高频率可达500kHz。2.5 555时基电路几种基本工作模式555时基电路的应用十分广泛，只要改变555集成电路的外部附加电路，就可以构成几百种应用电路，很容易地组成各式性能稳定的高、低频振荡器单稳态触发器双稳态RS触发器以及各种电子开关电路等，但无论其电路如何变化，其基本工作模式不外乎于555单稳态、555双稳态及555无稳态三类。2.5.1 555单稳电路 作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。单稳电路有一个稳态和一个暂稳态，是利用电容的充放电形成暂稳态的，因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容。 （1）人工启动型 将555电路的6、2脚并接起来接在RC定时电路上，在定时电容CT上面两端接按钮开关SB，就成为人工启动型555单稳电路，如图2.4(a)所示，用等效触发器替代555，并略去与单稳工作无关的部分后见图2.4(b)所示，下面分析它的工作原理： 稳态：接上电源后，电容CT很快充电到VDD，从图2.4(b)看到，触发器输入R=1，S=1，输出Vo=0，这是它的稳态。暂稳态：按下开关SB，CT上电荷很快放到零，相当于触发器输入R=0，S=0，输出立即翻转成Vo=l，暂稳态开始。开关放开后，电源又向CT充电，经过时间TD后，CT上电压上升到大于2/3VDD时，输出又翻转成Vo=O，暂稳态结束。TD就是单稳电路的定时时间或延时时间，它和定时电阻RT和定时电容CT的值有关：TD=1.1RTCT。图2.4 人工启动型555单稳电路(2)脉冲启动型 将555电路的6、7脚并接起来接在定时电容CT上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路，如图2.5(a)所示，电路的2脚平时接高电平，当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路，用等效触发器替代555后见图2.5(b)所示，下面分析它的工作原理： 稳态：接上电源后，R=1，S=1，输出Vo=0，DIS端接地，CT上的电压为0即R=0，输出仍保持Vo=0，这是它的稳态。 暂稳态：输入负脉冲后，输入S=0，输出立即翻转成Vo=1，DIS端开路，电源通过RT向CT充电，暂稳态开始。经过时间TD后，CT上电压上升到大于2/3VDD时，输入又成为R=1，S=1，这时负脉冲已经消失，输出又翻转成Vo=0，暂稳态结束。这时内部放电开关接通，DIS端接地，CT上电荷很快放到零，为下一次定时控制作准备。电路的定时时间TD=1.1RTCT。 这两种单稳电路常用作定时延时控制。 图2.5脉冲启动型单稳态(3)压控振荡器单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。不带任何辅助器件的电路为图2.6(a)所示；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为图2.6(b)所示。图中列出了2个常用的压控振荡器电路。如下图所示。 (a)(b)图2.6单稳型压控振荡器电路2.5.2 555双稳电路作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。这里我们将对555双稳电路工作方式进行总结、归纳。555双稳电路可分成2种。（1）R-S触发器型双稳 将555电路的6、2脚作为两个控制输入端，7端不用，就成为一个R-S触发器。注意两个输入端的触发电平和阈值电压不同，如图2.7(a)所示，有时可能只有一个控制端，这时另外一个控制端要设法接死，根据电路要求可以把R端接到电源端，如图2.7(b)所示，也可以把S接地，用R端作输入。（a） (b)图2.7 555构成的R-S触发器有两个输入端的双稳电路常用作电机调速、电源上下限告警等用途。有一个输入端的双稳电路作为单端比较器用于各种检测电路。（2）施密特触发器型双稳将555电路的6、2脚并接起来接成只有一个输入端的触发器，如图2.8.1(a)所示，这个触发器输出电压和输入电压的关系是一个长方形的回线形，如图2.8.1(b)所示，从曲线可知，当输入V1=0时输出Vo=1，当输入电压从0上升到大于2/3VDD后，Vo翻转成0，当输入电压从最高值下降到小于1/3VDD后，Vo又翻转成1。由于它的输入有两个不同的阈值电压，所以，这种电路常用于电子开关，各种控制电路、波形的变换和整形，如图2.8.2所示。 （a） (b)图2.8.1 555构成施密特触发器 (a) (b) (c)图2.8.2 波形的变换和整形2.5.3 555无稳电路(振荡器)作用：方波输出 ，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。由555定时器构成的多谐振荡器如图9(a)所示，其工作波形见图9(b)。图2.9 555构成多谐振荡器接通电源后，电源VDD通过R1和R2对电容C充电，当Ucrbe时，Kv=1,通常Kv1.4、电流放大倍数根据上图（b）等效电路求得：KI=Io/Ii=(1+)RsbRe/(Rsb+Ri)(Re+RL) （公式：4-4-5）式中：Rsb=Rs/Rb,Ri=rbc+(1+)Relo 通常，射随器具有电流和功率放大作用。4.4.2反相放大器首先分析反相放大器的理想特性，利用理想集成运放的条件：虚短和虚断，即u_u，iB+iB_可得出此电路的闭环增益为 即 （公式：4-4-6）此电路输入电压与输入电压之间的关系为 或 （公式：4-4-7）由于输出电压与输入电压的相位相反，由此而得名为反相放大器，又因为放大倍数为两个电阻的比值，则称其为比例放大器。而当两个电阻的比值为1时，则称其为倒相器。类似于这种电路的结构形式，若将其电阻R1，R2改为Z1,Z2则可以实现其他方面的应用电路，如积分器、微分器、滤波器等。此电路的等效电阻 即 （公式：4-4-8）图4.7基本反响放大器电路4.5电源设计电源本系统采用9V层叠电池供电因此需要为系统添加一个降压型稳压电路。本设计中采用三端稳压器LM7805为系统供电。电路图如图图4.8线性稳压电源第章电路仿真与制作第5章 电路仿真与制作5.1仿真在实际制作电路之前应先通过计算机仿真，验证电路原理设计是否正确。并测出电路中各关键点信号波形。5.1.1仿真软件介绍Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。5.1.2取用零件和仪表Multisim 将所有的零件分门别类地放在14个零件箱（包括电源），每个零件箱就放置同一类的零件；而开启这14个零件箱的按钮，通常是放置在工作平台的左边（如下图所示），不过，我们可以任意搬动这一列按钮，也可以关闭它。如果屏幕上找不到这一列按钮，可按即可开启（或关闭）此列按钮。图5.1零件箱当我们要开启零件箱时，只要指向其中的按钮（按不按鼠标左键都没关系），即可打开的零件箱，以电源类零件箱为例，指向钮不一会儿即出现该零件箱，如下所示： 图5.2电源类零件箱仪表：图5.3仪表其中的钮就是取用示波器的按钮，按下此钮，即可取出一个浮动的示波器，接下来与前述的操作一样。5.1.3零件操作快取菜单零件放置好后，可以改变其放置的方向，只要指向所要转向的零件上，再按鼠标右键，即可开启其快取菜单，如下所示：图5.4快取菜单其中各项命令如下说明：Cut:：本命令的功能是剪下该零件，将它放入剪贴薄里，以做为贴上（Paste）之用。Copy：本命令的功能事剪下该零件，将它放入剪贴板里，以做为贴上（Paste）之用。Flip Horizontal ： 本命令的功能是将该领奖左右翻转。Flip Vertical ：本命令的功能是将该零件上下翻转。90 Clockwise ：本命令的功能是将该零件顺时针旋转90度。90 CounterCW ：本命令的功能是将该零件逆时针旋转90度。Color ：本命令的功能是设定该零件的颜色，选择本命令后，屏幕出现对话盒。Help ：本命令的功能是开启电阻器之说明窗口。这个说明窗口与一般窗口软件的说明窗口一样，而其中对于电阻器的说明非常详细，宝库考虑电阻温度系数，电阻值的计算方式，以及相关参数。5.1.4连接线路在Multisim里连接线路是操作很简单的事情。不必按任何按钮，也不必启动任何命令，只要指向所要连接的零件接脚上，光标将变成圆圈状，按一下鼠标左键，然后移动鼠标，几克拉出一条虚线，如果要从那点转弯，则可以按一下鼠标左键，固定住该点，再移动鼠标。同样地，如要从乃但转弯，则可先按一下鼠标左键，固定住该点，再移动鼠标。到达目的地后，再按鼠标左键即可。没完成一条走线，程序将自动为该线编制一个网络编号，并显示出来。如果要删除某一条处，则先指向所要删除的走线，按鼠标左键，该走线的端点及转角处，将出现白色小方块（称之为空点）。这时候，只要按键即可删除之。如果要改变走线得走法，还要先点取该走线，然后指向线条中间，则光标变成双箭头状。紧接着，按住鼠标左键，即可平移该走线。此外，线路的颜色也可以指定，只要指向所要改变颜色的线路上，按鼠标右键，即可拉出快捷菜单。如下图所示 ：图5.5快取菜单其中的Delete命令可以删除该线路；Color命令则是设定该线路的颜色，选取此命令。特别是连接仪表的线路，以示波器为例，连接到示波器的走线颜色，将直接反映到示波器里的波形。5.1.5快速模拟根据以上操作完成电路图后，存盘然后就可以进行模拟了。首先打开示波器，只要指向示波器，快按鼠标左键两下，即可开启示波器，如下图所示 ：图5.6示波器再按开关，示波器里的显示屏就动起来了，得到仿真波形图。5.2仿真波形图5.7 三角波图5.8上升沿下降沿不同的三角波图5.9锯齿波图5.10占空比为75%的矩形波5.3 PCB设计5.3.1 PROTEL99简介Protel 99是应用最广泛的电子线路设计软件，使用简单、易于学习、功能强大。 该软件采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。5.3.2 PCB设计A器件封装选择整个系统工作电流只有几十毫安因此可以选用TO92封装的小功率LM780为了便于走线和焊接三极管，IC