河南理工数电课程设计-555方波三角波正弦波三次谐波-谢贝贝要点

数字电子技术课程设计信号产生与变换电路的设计自动化XX-XX班 XXX，自动化XX-XX班 XXX摘要：通过555定时器构成多谐振荡器产生占空比为0.5的方波，然后分别通过积分、低通滤波、带通滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。放大器件为LM324N四路放大器。实验包括仿真与实际连线两步，仿真采用Multisim仿真软件，连线采用面包板。1、设计思路与整体框图 根据题目要求，本次设计的基本完成思路是采用555定时器构成多谐振荡器产生占空比为0.5的方波，然后分别通过积分、低通滤波、带通滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。整体框图如下： 图1 整体框图2、硬件电路设计2.1 方波发生电路的设计与计算 图2 方波产生电路 利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。用555定时器组成的多谐振荡器如图1所示。接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容器C2放电所需的时间为： tpL= 0.7R2C2当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp 向电容器C2充电，Vc由Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的时间为： tpH=0.7R1C2当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图2，其震荡频率为： f=1/（tpL+tpH） 图3 方波波形2.2 三角波发生电路的设计与计算 图4 三角波产生电路 图5 三角波仿真波形图 如上图是一个由方波转换为三角波的电路图以及输出波形图，当A很大时，运放两输入端为虚地，忽略流入放大器的电流，令输入电压为Vi输出为Vo，流过电容C的电流为i1，则有： 即输出电压与输入电压成积分关系。 当vi为固定值时： 上式表明：输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。当输入为矩形波时，输出便成为三角波。此外，由于电容和滑动变阻器的存在，使得输出的三角波在输入矩形波频率一定的时候也能适当调整，同时电容的存在，又滤除了其他波的干扰。提高了系统的抗干扰性。2.3 基波正弦波产生电路的设计与计算 图6 正弦波电路基波正弦波产生电路采用有源低通二阶滤波电路构成，二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC环节和反相比例放大电路构成。其通带电压放大倍数： 其传递函数： 其中：Wo=1/RC 为截止角频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 为品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。下图为输入方波，输出正弦波的设计电路及仿真波形。 图7 正弦仿真波形2.4 3次正弦波产生电路的设计与计算3倍频率的正弦波通过带通滤波器对输入的方波滤波，提取出三次谐波，经放大后输出为3倍频率正弦波。原理与2.3类似，但本实验为两RC电路分别构成低通高通滤波电路，级联，构成所谓的带通滤波电路，对电阻R及电容C进行调节，从而实现对实验要求的3次谐波的提取。以下为原理图： 图8 三次谐波电路仿真波形如下： 图9 三次谐波波形通带增益： 品质因数： F=2khz F=0.8KHZ 电压增益： 中心频率： 令则 故而可以得到中心频率的增益为： 而中心频率时有A0取得最大值故而有： 当w=3200p时有 当w=3200p时有 可得到方程组的一组比较合适的解为： =19K,=2.4K,=4.8K,=20nF3、 电路仿真结果分析整体电路图如下： 图10 整体电路图输出波形如下： 图11 输出波形仿真结果分析：经过多次调整后，仿真结果与预期一致，所有波形均可出现，且与理论计算值相差较小，但可能由于软件的原因，在仿真过程中有时会出现假死，或输出波形发散等现象，但通过重启和调试后均得已解决。4、 电路实验结果分析本次实验结果如以下各图所示：方波： 图12 方波实验波形 三角波： 图13 三角波实验波形正弦波： 图14 基波实验波形三次谐波： 图15 三次谐波实验波形结果分析与体会：实物连接的过程中并不顺利，本来在仿真图上完美的结果，放到实物里就是出不来，而且连线的过程中总是出现各种匪夷所思的现象，如方波不出现，毛刺太多，三角波不规则，正弦波不明显等。最头疼的莫过于三次谐波，按照仿真图上怎么调节都无法出现想要的结果，最后经过多次分析，尝试，换了各种大小的电阻后终于与理想结果比较接近。实验过程中，可能由于面包板连线并不牢固，或者示波器出现故障，有时前一秒电路还好好的，下一次再测试时又变成了垃圾值，更有甚者，同时在两个示波器上测试相同的信号，居然出现两种截然不同的结果，这些由于实验材料或实验仪器的不可控错误的出现，无疑令本就不易成功的连线变得更加困难。本次实验是在没有指导书，没有现成的公式和实验