课程设计——基于NE555 函数信号发生器1

1、××大学××学院××课程设计基于NE555 函数信号发生器 学生姓名学 号所 在 系专业名称班 级指导教师成 绩 ××大学××学院二一一年六月摘要：各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。这种能够产生多种波形，如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器产生的各种波形能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。例如

2、设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。关键字：正弦波，矩形波，三角波，函数信号发生器Abstract: A variety of electrical equipment to work properly, which often need the support from a variety of wave form signals. Electrical equipment commonly used in signal sine wave, square wave, triangle wave. In electrical equi

3、pment, these signals are generated by the waveform and the conversion circuit to provide. This can produce a variety of waveforms such as triangular wave, rectangular wave (including square), the sine wave signal generator circuit is called a function. Function generator for a variety of waveforms t

4、o meet the modern measurement, communications, automatic control and thermal processing, audio and video equipment and digital systems, the demand for a variety of sources, such as design and testing, automotive, biomedical, sensor simulation, manufacturing model. Production practices and technology

5、 in the field has a wide range of applications. Key words: Sine wave, Square wave, Triangle wave, The function signal generator 目 录前言1. 总体设计方案12. 电路的基本组成及工作原理12.1 系统组成框图12.2 方波的产生2 2.3 由方波输出为三角波4 2.4 由三角波输出正弦波43. 单元模块设计63.1 电源方框图63.2 单元电路63.2.1 整流电路6 3.2.2 滤波电路8 3.2.3 稳压电路83.2.4 电源电路原理及电路图93.3 555定时

6、器的介绍 10 3.3.1 电路组成10 3.3.2 引脚的作用10 3.3.3 基本功能114. 电路工作原理分析125. 设计总结136. 参考文献147. 附录15前言函数信号发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。我们为了方便电子爱好者或学生用示波器来做观察信号波形实验，动手做了该函数信号发生器。该信号发生器电路简单、成本低廉、调整方便。它是基于ne555计时器接成振荡器工作形式和电容积分而产生的波形。其工作频率为1010000Hz，调节滑动变阻器可改变振荡器的频率

7、。波形发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。 1. 总体设计方案正弦波、方波、三角波，这三种波形都是比较简单且常见的波形，产生的方法由很多种，可以先产生方波，然后得到三角波和正弦波，也可以先得到正弦波，然后翻过来再输出另外两种波形;可以用集成芯片，同时也可以用运用各种元器件来实现振荡电路。第一，利用专用直接数字合成芯片的函数发生器。第二，可以选用专门的函数信号发生

8、器，如8038。 第三，由555定时器所构成的多谐振动器产生方波, 方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。比较以上几种方案：第一，方案比较简单同时也能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。第二，它们虽然能够甚好的实现波形的产生但是功能较少，太单一。第三，过程相对来说比较繁琐，但是思路很明亮，同时，555定时器所构成的多谐振动器产生方波是一种和常用的信号产生器，很具有实用价值，同时，也很容易买到，同时选用改进的555多谐振荡形式产生方波可以通过调节可调电阻的阻值来调节产生方波的频率，产生的方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性

9、转换为正弦波。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，可以有效地抑制零点漂移因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。因此，就我个人而言，选择第三种方案。用改进过的555多谐振荡形式产生方波，经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。2. 电路的基本组成及工作原理由原理图可知该店路由三部分组成，555定时器构成多谐振动器、积分器、差分放大电路。2.1 系统组成框图 三角波方波正弦波555定时器积分网络差分放大电路图2.1-1 总体框图2.2 方波的产生有555定时器构成多谐振动器产生方波如下图所示： 图2.2-1 方波产生电路当电容c2被充电时，2和6

10、引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通+12V电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。 电容器C经R2，R23，R21他们此时说分的总阻值设为R1放电,放电所需的时间为： tPL=R1C ln20.7 R1C；当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R22、R21所分得的阻值为R2向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为    tPH=R2C ln2

11、0.7R2C；当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为 f=1 / (tPL+tPH) 1.43 / (R1+R2) C稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲

12、的来到作好准备。波形图见图2.2-2。 图2.2-2 方波产生波形图同时电路的频率可以通过调节电阻R21、R22、R23来改变电路的频率，从而使得电路的频率可以在一定的范围内进行调节。2.3 由方波输出为三角波（利用积分器来实现） 图2.3-1 波形发生器及图形如上图是一个由方波转换为三角波的电路图及其输出波形当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

13、电压与输入电压成积分关系。 当 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 为矩形波时， 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。2.4 由三角波输出正弦波 图2.4-1 波形转换分析表明，传输特性曲线的表达式为：iC=aI/1+exp(-Uid/UT) I 差分放大器的恒定电流； UT 温度的电压当量，当室温为25oc时， 26mV。如果Uid为三角波，设表达式为Uid(t)=4*Um*(t-T/4)/T (0<=t<=T/2)Uid

14、(t)=-4*Um*(t-3*T/4)/T (T/2<=t<=T) 式中 Um三角波的幅度； T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波， 第一，传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。第二，三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。第三，图为实现三角波正弦波变换的电路。其中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C6,C7为隔直电容，C7为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。隔直电容C6、C7要取得较大，因为输出频率很低，取 ，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多， 可取得较小， 一般为几十皮法至0.1微法。

15、RE13=100欧与R25=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。 3. 单元模块设计3.1 电源方框图小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图3.1-1、图3.1-2 所示。+电源 + 整流 + 滤波 + 稳压 + u1 u2 u3 uI U0- 电路 - 电路 - 电路 - 电路 -图3.1-1 小功率稳压电源电路图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t图3.1-2 小功率稳压电源波形图3.2 单元电路 3.2.1 整流电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压

16、u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： 流过每只二极管的平均电流为： 其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。桥式整流电路原理图,如图3.2.1-1所示,变压器的次级只有一组线圈。但用四只二极管互相接成桥式形式，整流桥后并联了滤波电容故称为桥式整流电路。图3.2.1-2所示： 图3.2.1-1 桥式整流原理图 图3.2.1-2 桥式整流电路图 整流过

17、程中，四个二极管两两轮流导通，正负半周内都有电流流过RL。例如，当u2为正半周是（如图中所示极性），二极管VD1和VD2因加正相电压而导通，VD3和VD4因加反向电压而截止。电流i（如图中实线所示）从变压器端出发流经二极管VD1、负载电阻RL和二极管VD2，最后流入变压器端，并在负载RL上产生电压降u0;反之，当u2为负半周时，二极管VD3、VD4因加正向电压导通，而二极管VD1和VD2因加反向电压而截止，电流i(如图中虚线所示)流经VD3、RL和VD4，并同样在RL上产生电压降u0。由于i和i流过RL的电流方向是一致的，所示RL上的电压u0为两者之和，即u0= u0+ u0。桥式整流电路，其

18、输出电压为：U0=0.9U2而二极管反向峰值电压是全波整流电路的一半，即：URM=1.414 U23.2.2 滤波电路无论哪种整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分。为了减少这种脉动成分，在整流后都加上滤波电路。所谓滤波就是滤掉输出电压中的脉动成分，而尽量保留其中的直流成分，使输出接近理想的直流电压。如图3.2.2-1所示，这里给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在 时刻，即达到u2 90°峰值时，u2开始以正弦规律下降，此时二极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电

19、压。先设达到90°后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90°后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，uC 的下降速率越来越慢。所以在超过90°后的某一点，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，u2再次超过uC，二极管重又导电。 图3.2.2-1 滤波电路图3.2.3 稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，

20、滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。故障特点：稳压二极管的

21、故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。 集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。此电路在变压、整流、滤波的基础上加上三端固定式集成稳压器及辅助稳压的电容方可达到目的，稳压器常见的有CW78 （LM78 ）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79 （LM79 ）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V

22、、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo 2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 24V时，UI的最大值UImax = 40V。这里采用了LM7812。3.2.4 电源电路原理及原理图电源电路原理图，如图3.2.4-1所示图3.2.4-1 电源电路图原理分析：220V的电压经过变压器次级降压，变为15V的交流电压，经过整流桥整流过后变为脉动直流，再经过滤波电容滤波和三端稳压器LM7812的稳压后输出本设计所需的+12V的直流稳压源其中有关电解电容的选择要满足:其中

23、T = 20ms是50Hz交流电压的周期，R=U2/I,又因为7812的静态电流为8毫安，输出电流为300毫安。所以I=300毫安+8毫安=308毫安又因为 : U=1.2*15V=18V 可得：R约为45欧姆 。由此可得：C约为800多微法。所以选择1000UF恰到好处。 另外: 整流桥承受的最高反向电压U为1.414*15V,所以应选择耐压值25V及以上的电容。3.3 555定时器的介绍 555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。   

24、; 目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为516V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为318V，最大负载电流在4mA以下。3.3.1 电路组成555集成定时器555定时器的电气原理图和电路符号由四个部分组成：第一，由三个阻值为5k的电阻组成的分压器；第二，两个电压比较器C1和C2： v+v，vo=1； v+

25、v，vo=0。第三，基本RS触发器；第四，放电三极管T及缓冲器G3.3.2 引脚的作用1引脚：接地端，与地相接；2引脚：触发输入端；3引脚: 电压输出端；4引脚：RD复位端：当 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5引脚: 电压控制端；若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6引脚: 阈值输入端；7引脚：放电端；8引脚： 电源输入端。外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3.3.

26、3 基本功能当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为和第一，当vI1>，vI2>时，比较器 C1输出低电平，C2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vO为低电平。第二，当vI1<，vI2<时，比较器 C1输出高电平，C2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vO为高电平。第三，当vI1<，vI2>时，比较器 C1输出高电平，C2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。因为触发输入端(vI2)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

27、果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0VCC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，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平，即RD的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。4. 电路工作原理分析电路图如图4-1所示, NE555与R1、R2、R3组成典型的555多谐振荡电路，由于R1的电阻远小于R2，所以输出的波形基本为方波。该方波信号由3号脚输出，通过分压电阻R7、R8的分压后的输出波形选择开关的a点，经选择开关将方波信号加至射极输出器VT2的基极通过VT2缓冲变换后，由

28、发射极输出，再经C8耦合，加至调节电位器RP,经过调节在输出端得到方波信号.由NE555的3脚输出的方波信号，经过C8的耦合，加至有R4C5组成的第一节积分变换电路经积分变换后将方波变换为钟形波，并加至选择开关的b点，经VT2缓冲后输出钟形波信号。将钟形波信号通过R5、C6组成第二节积分变换电路，变换为三角波并加至选择开关的c点经VT2缓冲输出三角波信号。由R5、R6形成的三角波，经R6耦合至VT1与C2组成的放大电路进行放大和变换，在放大电路中，由于C2的反馈作用，输入的三角波变换为正弦波由VT1的集电极输出正弦波信号。其中，波形的幅度可通过RP调节大至在0-2V之间。频率恒定不可调,在1K

29、HZ左右。图4-1 设计原理图5. 设计总结经过这些天的课程设计，让我明白课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，更是对自己综合实践能力及团队协作能力的一种锻炼。通过这次课程设计让我明白了自己原来知识还比较欠缺。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。总之，在这次设计中我学到了不少新知识，了解了很多的设计思想与方法，我也将继续努力，不断地完善和充实自己。在本次课程设计中，我作为组长，组织并和大家一起努力完成这次设计，让我学会了如何增加团队之间的沟通，如何让大家更紧密的联系在一起。也学习到了怎样调动组员的积极性。在整个过程中统一调配，也参加了PBC图的绘制