简易波形产生器.docx
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简易波形产生器
简易波形产生器
摘要
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由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。
差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器时，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。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
关键词：
函数发生器555定时器积分器差动放大电路
摘要1
1.方案的选择2
1.1方案一2
1.2方案二2
1.3方案三2
2.系统方案设计2
2.1系统组成框图2
2.2方波的产生2
2.3由方波输出为三角波2
2.4由三角波输出正弦波2
2.5结论2
3.总结2
致谢2
参考文献2
附录一：
总原理图2
附录二：
元器件选型2
附录三：
555定时器的介绍2
1.方案的选择
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，同时也可以运用各种元器件来实现振荡电路。
1.1方案一
采用集成片ICL8038做函数信号发生器
图1ICL8038原理图
ICL8038是一种集成度很高的芯片,只需要外加少量调整电路即可以获得完美的方波-三角波-正弦波的波形
1.2方案二
采用振荡电路获得正弦波,再由比较器获得方波,最后通过积分电路获得三角波
图2函数发生器原理一
1.3方案三
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。
波形变换的原理是利用差分放大传输特性的非线性,传输特性曲线越对称,并且线性区间越窄越好.三角波的幅值应该接近晶体管的截止电压值。
图3函数发生器原理二框图
（1）方案比较简单只需要购买一片ICL8038和少量电阻和电容即可，但成本较高。
（2）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。
（3）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很常用的信号产生器，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.系统方案设计
由原理图可知该电路由三部分组成，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
图4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（如图5）
当电容C2被充电时，2和6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BJTT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他们此时的总阻值设为
放电,放电所需的时间为：
=
*C*ln2≈0.7*
*C
（1）
当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R22、R21所分得的阻值为
向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间
=
*C*ln2≈0.7*
*C
（2）
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/（
+
）≈1.43/[（
+
）*C]（3）
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Vcc/3，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2Vcc/3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，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图见图6。
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。
图5方波产生电路
图6
2.3由方波输出为三角波（利用积分器来实现）
图7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
（4）
即输出电压与输入电压成积分关系。
当
为固定值时
（5）
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。
图8正弦波发生器
2.4由三角波输出正弦波
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
（6）
（7）
式中
——差分放大器的恒定电流；
——温度的电压当量，当室温为25
时，UT≈26mV。
如果
为三角波，设表达式为
（8）
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，由图9可见：
传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
图8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R2用来减小差分放大器的线性区。
电容C6,C8为隔直电容，C7为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。
图9正弦波发生器的工作波形
2.5结论
该简易波形产生器是由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。
并满足以下三个要求：
1.电路能够产生正弦波方波和三角波三种波形；2.电路能够调节输出波形的频率，范围为2300—6500Hz；3.电路能够显示输出波形的类型。
3总结
为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、过程中我感触颇深。
这次课程设计,让我学会了如何选择、设计电路。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计，使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还很多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都容易懂，有点眼高手低。
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。
在这次的设计中虽然遇到了很多的问题，认识了一些以前不了解或者不知道的元件，有些虽然没有用到，但是学习是无限的，虽然第一次做课程设计有很多困难，但是，当自己搞成的时候有无比的喜悦，一种很自豪的感觉。
我感觉设计是对学习知识的运用和个人自己的能力的全面体现，体现了一个人学以致用的能力。
只有在真正的运用中才能更好的掌握知识，这样的学习才会有效率，才能长久的记忆。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
通过这次对函数信号发生器的设计,更加让我明白了理论联系实际的重要性.明白了动手实践的重要性.因为理论与实际毕竟有一定的距离.同时这次设计加深了我对所学知识的理解.
总之，“实践是检验真理的唯一标准”。
致谢
我能顺利的完成这次课程设计要感谢老师的悉心指导和同学的热心帮助，没有你们的点拨我不可能搞成这次设计，是你们的指导才让我的设计更加完善合理，并让我从中学到很多实践知识，谢谢你们！
参考文献
[1].何小艇，《电子系统设计》，浙江大学出版社，2001年6月
[2].姚福安，《电子电路设计与实践》，山东科学技术出版社，2001年10月
[3].王澄非，《电路与数学逻辑设计实践》，东南大学出版社，1999年10月
[4].李银华，《电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
[5].康华光，《电子技术基础》，高教出版社，2003年
[6].刘祖刚，《模拟电路分析与设计基础》，机械工业出版社，2008年1月.
[7].刘征宇，《电子线路设计与制作》，福建科学技术出版社，2004年4月
[8].胡宴如，《模拟电子技术》（第二版），高等教育出版社2006年
附录一：
总原理图
附录二：
元器件选型
符号
类型
数目
R22R23
可调电阻
2
R1,R2,R3
电阻
3
R4
可调电阻
1
R6,R7
电阻
2
R12
电阻
1
RP1
滑动电阻
1
RP2
滑动电阻
1
R8，R9
电阻
2
R10,R11
电阻
2
D1，D2
二极管
2
A
运放
1
Q1,Q2,Q3,Q4
三极管
4
C1,C2
电容
2
C3,C4,C5
电容
3
C6,C7,C8
电容
3
NE555D
555计时器
1
S1
开关
1
附录三：
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。
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5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。
第一节电路组成
图9为555集成定时器555定时器的电气原理图和电路符号，其由五个部分组成：
（1）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；
（2）两个电压比较器C1和C2：
v+＞v－，vo=1；
v+＜v－，vo=0。
（3）基本RS触发器；
（4）放电三极管T及缓冲器G
图9555定时器的电气原理图和电路符号
（a）原理图（b）电路符号
第二节引脚的作用
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0.01μF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。
第三节基本功能
当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为
和
（1）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
为低电平。
（2）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
为高电平。
（3）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。
由于阈值输入端（vI1）为高电平（>
）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。
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）。
如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～VCC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。
表3.3.3555定时器功能表
阈值输入（vI1）触发输入（vI2）复位（RD）输出（
）放电管T
××00导通
<
<
11截止
>
>
10导通
<
>
1不变不变
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