电子设计竞赛复试题波形发生器

1、WORD格式.波形发生器徐威XX大学信息科学与工程学院，XXXX315211 摘要：使用题目指定的综合测试板上的NE555 芯片和一片四运放LM324 芯片制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、一次和三次正弦波。进展方案设计， 制作出实际电路使其到达实验要求的各项指标。专业资料整理WORD格式一、设计任务与要求使用题目指定的综合测试板上的 NE555 芯片和一片四运放 LM324 芯片，设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、 锯齿波、正弦波、 正弦波的波形产生电路。给出方案设计、 详细电路图和现场自测数据及波形。设计制作要求如下：1、同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波

2、中的一种波形，每通道输出的负载电阻均为600 欧姆。2、四种波形的频率关系为1:1:1:3 3次谐波；脉冲波、锯齿波、正弦波输出频率X围为 8KHz 10KHz ，输出电压幅度峰峰值为 1V ；正弦波输出频率X围为 24KHz 30KHz ，输出电压幅度峰峰值为9V 。脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真使用示波器测量时 。频率误差不大于 10% ；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。脉冲波占空比可调整。3、电源只能选用+10V 单电源，由稳压电源供应，不得使用额外电源。4、要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波和电源的测试端子。5、每通道输出的负载电阻600 欧姆应标清楚、至于明

3、显位置，便于检查。6、翻译： NE555 和 LM324的数据手册器件描述、特点、应用、绝对参数、电参数。二、方案设计与论证1. 原始方案：在使用 Multisim 进展仿真设计的阶段，我想出了两种原始方案，两种方案的大体思路如下。方案一：使用NE555 芯片构成多谐振荡器，输出方波，通过锯齿波发生电路产生锯齿波，然后通过一个fH10 KHz 的低通滤波器， 通过滤波产生一次， 8KHz 到 10KHz 的正弦波，然后再让锯齿波通过一个 24KHz30KHz 的带通滤波器，输出三次正弦波。 其中滤出三次谐波的理论依据是，由于锯齿波是一个关于 t 的周期函数，并且满足狄里赫莱条件：在一个周期内具

4、有有限个连续点， 且在这些连续点上， 函数是有限值； 在一个周期内具有有限个极值点；绝对可积。那么有如专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.专业资料整理WORD格式下公式 1成立。称为积分运算f t 的傅里叶变换F wf t e jwt dt根据欧拉公式cosw0 tejw0 tejw 0t2就可以方案二：使用功放构成文森桥式震荡电路，产生出 8KHz10KHz 的正弦波。接着是用 NE555 芯片，搭建出施密特触发电路，产生脉冲波输出； 将脉冲波分别输入一个fH10 KHz 的低通滤波器和 24KHz30KHz 的带通滤波器电路中，产生一次和三次正弦波。由于有

5、600 负载电阻的限制， 输出波形的峰峰值不能简单的通过电阻的分压来实现。鉴于方案二存在的问题能以解决，我们就确定选择方案一的整体思路进展方案的设计。3. 单元电路的设计与论证： 1脉冲波产生电路脉冲波由 NE555 芯片搭建的多稳态谐振器振动产生，频率 可调，为8KHz 10KHz参考 NE555 芯片使用手册可知，芯片输出波形的峰峰值为 10V 左右。使用 Multisim 仿真的脉冲波产生电路如下列图 1 所示。专业资料整理WORD格式2.总体方案设计与论证：专业资料整理WORD格式最初方案设计的大体思路在方案一和方案二之间犹豫不决，于是将两个电路的大体电路都进展了简单的设计，发现方案二

6、存在很多的问题很难解决。问题一：如果使用文森桥式震荡器产生正弦波， 改变震荡频率就需要改变RC 常数，要同时改变两个R在实际电路中，同时改变两个电容的值是很复杂的，而且这样也无法得到一个8KHZ10KHz的连续的频率 ，需要双图 1 脉冲波发生电路专业资料整理WORD格式滑动变阻器并且要保证滑动变阻器改利用软件进展波形的仿真，得到脉变的值完全一样，有一定困难。冲波的图形如图2 所示问题二：NE555 芯片搭建出来的是一个简单的施密特触发器，输入正弦波之后，输出的脉冲波的占空比是不可以调整的，不满足实验要求的占空比可调的条件。要是施密特触发器产生的脉冲波的占空比可调会是该电路进一步复杂化。问题三

7、： LM324 芯片的功放不够，专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.图 2 脉冲波仿真波形（ 2锯齿波发生电路在锯齿波发生电路的设计中， 原始方案是采用教材中的锯齿波发生电路，是通过调整积分电路的正向和反向时间常数的不同， 对输入信号的脉冲波进行积分产生锯齿波 该电路是需要二极管的。开场是按照这个思路进展仿真的。因为要同时调整正向和反向积分的时间常数， 于是我们就想可以在调整脉冲波的输出频率的时候，只改变高电平或者低电平的持续时间，然后在锯齿波发生电路中选取适宜的电容值，然后就可以讲正向或者反向的电阻值固定，只改变另一方向的电阻值就可以了。见图3 是该方案的仿真

8、电路。图 3锯齿波产生电路.见图 1 ，是用 NE555 产生出脉冲波，然后通过锯齿波产生电路，这里仿真没有选择功放为LM324 ，未考虑600 的负载电阻以及输出的峰峰值。脉冲波和锯齿波发生电路的参数取值如下R112.0KR21KR39KR410KR5R65KR73K(电位器 )R8700R204K(电位器 )C1C 2C30.01uf根据 NE555 芯片的使用手册，有以下有用公式：tH0.693( RARB )CtL0.693( RB )CperiodtHt L0.693(RA2RB )Cfrequency1.44(RA2RB )COutput _ waveform _ duty _ c

9、ycletH1tLRAtH根据以上的公式， 就可以计算出理论上的各种参数：fmin1.448KHz(124)1032 1 103)0.01 10 6fmax1.4410.29KHz(1210321103 ) 0.01 10 6tH min0.693(121031 103)0.0110 690.1uStHmax0.693(124)1031103 )0.0110 6117.8uStL 0.6931 1030.0110 66.9uS在对锯齿波进展仿真的时候，发现专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.波形有些失真， 上网查阅资料后得知要是 RC 常数跟脉冲波的时间相匹配才

10、行。RCt H (或 tL )去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下：取C0.01uf由R1C tHR1min90.110-69K0.01-610117.8 10-6R1max0.01 10-611.8KR26.9 10-66900.01 10-6如图 1所示， R1为一个 9K电阻和一个 3K电位器组成， R2取 700仿真结果见图4 的锯齿波。图 4 锯齿波仿真波形从图 4 的波形中算出锯齿波的峰峰值为2V / Div2.2Div4.4V由于要求负载电阻为600，不能.直接进展分压来控制峰峰值为 1V ,再用功放来满足峰峰值的要 求的话， LM324 的四功放无法满足整个电路的需求，因此

11、这种锯齿波的单元电路就被放弃了，需要进展改良。在教师的提醒下，我发现了在 NE555 芯片构成的脉冲波发生电路中就有锯齿波， 只需要在该处输出， 然后调整峰峰值便可以得到要求的锯齿波。改良后的电路仿真图如下列图5。图 5 改良后的脉冲波和锯齿波发生电路改良后的电路对脉冲波发生电路的参数也进展了调整，让脉冲波的占空比接近一半。 锯齿波发生电路是一个反向比例运算电路，由公式RfuouR参数的选择如下：由uo1V取Rf10KR35K对该电路进展软件仿真得到理论上的锯齿波波形，见图6。图中另一个波形是 NE555 芯片的输出波形。专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.确定

12、电容的标称值专业资料整理WORD格式图 6 改良电路后的脉冲波和锯齿波的仿真波形得到的锯齿波的峰峰值约为 1V ，频率与 NE555 芯片产生的脉冲波频率保持一致，满足实验要求，就完成了锯齿波波形发生电路的理论设计。Av 3正弦波发生电路R1R1在电路的设计初期，一次正弦波R，1也就是 8KHz 10KHz 的正弦波发生R1电路是采用的是截止频率为Rfc 10 KHz 的二阶压控电压源低通滤1波器，电路图见下列图图 7 二阶压控电压源低通滤波器原理图根据截至频率f c10 KHz ，查图图 8二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图取 C 3.3nF查表确定电容 C1的值，以及K1时对应的电阻

13、。12468101.4221.1260.8240.6170.5210.4625.3992.2501.5372.0512.4292.742开路6.7523.1483.2033.3723.56006.7529.44416.01223.6032.03820.33CC2C2C2C2C表 1二阶压控电压源低通滤波器参数表因为低通滤波器的输入直接从锯齿波发生电路的输出端引入，峰峰值为1V ，所Av1R11.422KR25.399KC10.33C0.333.3nF1nF将上列阻值乘以计算出来的K 值。专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.R11.42234KR25.399 31

14、6K进展电路仿真后电路图如图图 9 二阶压控电压源低通滤波器仿真电路图 9 下局部就是二阶压控电压源低通滤波器电路一次正弦波产生电路，蓝色的线分别是滤波器的输入和输出端，其中输入端是锯齿波发生电路的输出端，即输入峰峰值为 1V 的锯齿波。.图 10 一次正弦波仿真波形图中，上局部波形是输入的峰峰值为 1V 的锯齿波， 下局部是一次正弦波，频率与锯齿波保持一致， 但是峰峰值没有到达实验要求的 1V ，有所衰减。于是对电路的参数重新选择。Av2R11.12633.3KR22.25036.8KR36.752320 KR46.752320 KC10.33C0.333.3nF1nF修改后的仿真电路图如下

15、专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.图 11 改良后的二阶压控电压源低通滤波电路再次进展波形的仿真，结果如下图：图 12改良后的一次正弦波仿真波形从仿真结果可以发现， 波形的峰峰值又超过了 1V ，对电路进展理论分析，发现因为使用的单电源， 偏置电阻10K影响了原本与地直接只有10K的 R3的阻值， 串上了偏置电阻。根据二阶压控电压源电路的放大倍数公式 Av1 R4进展电阻的调整。取 R3R3100K得到的满足条件的峰峰值为 1V 的一次正弦波。上面的波形是从锯齿波发生电路输出的锯齿波， 下面的是经过低通滤波器之后产生的一次正弦波波形， 两个波形的峰峰值单位都是

16、 5V / Div ， 可 知 波 形 在 8KHz 10KHz 的仿真结果都满足实验要求。该局部的仿真设计就完成了。.图 13 最终的8KH z一次正弦波仿真波形图 14 最终的9KH z一次正弦波仿真波形图 14 最终的10KHz一次正弦波仿真波形 4 三次正弦波发生电路三次正弦波的电路的设计思路是通过一个通带为24KH z 30KH z 的带通滤波器。设计该滤波器是采用的无限增益多路反应 MFB 电路。该电路的电路图如下所示。图 15 无限增益多路反应电路原理图专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.该电路有以下公式方便参数选择w02R1R2R1R2 R3 C

17、2Qw0 或f 0 ( BWw0时)BWBWAvR32R1专业资料整理WORD格式Q 电路元件为了使通带更加平坦，应该尽量使 Q 值大，查二阶无限增益多路反应带通滤波器设计用表表2 无限增益多路反应电路参数选择表归一化电路元件值K增益1246810图 16 无限增益多路反应电路带通滤波器对电路进展波形仿真时发现，当接入一个波形发生器进展测试的时候，输出的波形不会随着输入信号的频率变化而变化，始终为17KH z 左右，于是想到没有接输入信号，直接查看输入端和输出端的波形，结果如下：专业资料整理WORD格式5R1R2R31R1R20R37.9583.9791.9891.3260.9950.7960

18、.1620.1660.1730.1810.1890.19915.91515.91515.91515.91515.91515.91515.9157.9583.0792.6351.9891.5920.0800.0800.0810.0820.0830.084图 17无限增益多路反应电路的自激振荡仿31.83131.83131.83131.83131.83131.831真波形专业资料整理WORD格式参数选择如下：Av8Q10R11.989KR283R331.831K仿真的电路图如下列图所示：仿真的波形图中上面的波形是 A 端，即输入端的波形， 下面的波形是输出端的波形，两个探针A/B 分别放在输入和输

19、出端。这里没有输入的信号， 输出却稳定在将近 18KH z ，可知电路产生了自激震荡。对电路进展改良， 重新选取参数专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.Q5Av10R10.796KR2200R316K图 1924KHz 三次正弦波仿真波形CR1 R28 1032003.6nFR1 R2 R3w028 103 200 16 1032 27 1032对电路的波形进展仿真，发现峰峰值比拟小， 与实验要求差距较图 2027KH z 三次正弦波仿真波形大，由w02R1R22， AvR3，R1R2 R3C2R1可知，缩小R1的值会使放大倍数Av增大，而且对通带的中心频率图

20、2130KH z 三次正弦波仿真波形w0影响也较小。电容值取实验室三、系统测试结果与分析有的电容 C3.3nF 。改良后的电路图如下所示1. 系统测试结果脉冲波波形如下所示，分别是8KH z、9KH z、10KH z 的波形：图 18 改良后的无限增益多路反应电路对电路进展仿真， 查看仿真出的波形结果如下列图，由波形可以知道该电路产生的三次正弦波的频率是满足实验要求的，但是峰峰值没有到达要求的9V 。两个波形的峰 峰 值 单 位 分 别 是 1V / Div 和5V / Div图 228KH z 脉冲波波形专业资料整理WORD格式word 格式资料专业资料整理WORD格式.图 239KHz 脉冲波波形图 258KH z图 24 10KH z脉冲波波形图 269KH z.锯齿波波形锯齿波波形专业资料整理WORD