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.docx

1、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

2、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2V

3、cc/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

4、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

5、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：

6、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

7、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步骤下，完全由自己决定参数，决定实现方式的实验，对我们来说还是挺有挑战的。不过通过本次实验也让我们认识到理论与实际的差异，以及自己对知识理解的不深入，对自身优势与缺点也有了更深刻的认识，实际收获无疑也是巨大的。