电子技术课程设计报告-波形产生及变换.docx
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河南理工大学《电子技术》课程设计
电子技术课程设计报告
——波形产生及变换
姓名：
Frege
专业班级：
电气合1402
所属学院：
电气工程与自动化学院
指导老师：
王允建
2016年7月1日
波形产生与变换电路的设计
摘要
波形发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。
随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求。
本文利用555定时器构成多谐振荡器产生方波，然后分别通过积分、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，以积分、傅立叶分解等为理论基础，通过运放构成的各种滤波电路对方波进行各种波形变换。
它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源，具有实际的应用价值。
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。
关键词：
555定时器；LM324N四路放大器；Multisim仿真；面包板接线
Thedesignofthesignalandconversioncircuit
Abstract
Waveformgeneratorsarewidelyusedinmajoruniversitiesandresearchestablishments.Withadvancesintechnology,socialdevelopment,asinglewaveformgeneratoralreadycannotsatisfypeople'sneeds.Inthispaperconstitutesa555timermultivibratorgeneratingasquarewave,thenrespectivelythroughintegral,filtercircuitandoutputtrianglewave,sinewave,triplefrequencysinewave.AmplifyingdeviceisLM324N,basedonthetheoryofintegral,Fourierdecompositionandsoon,throughtheop-ampcompositionofvariousfiltercircuitwaveforthevariouswaveformtransformation.Itsproductioncostisnothigh,thecircuitissimple,easytouse,effectivelysavingmanpower,materialresources,havepracticalvalue.Experimentsincludesimulationandactualconnectionstep,simulationusingMultisimsimulationsoftware,connectusingbreadboard.
Keywords:
555timer;LM324Nfour-wayamplifier;Multisimsimulation;
breadboardconnection
目录
1设计指标及要求 1
2设计思路及系统框图 1
2.1设计思路 1
2.2系统框图 1
3各单元硬件电路设计 2
3.1555定时器 2
3.1.1555定时器电路组成：
2
3.1.2555定时器引脚的作用：
2
3.1.3555定时器基本功能 3
3.2方波产生电路 4
3.3三角波产生电路 5
3.4正弦波产生电路 6
3.5三次正弦波发生电路 7
4完整电路图及其仿真 7
5面包板接线图及实验结果分析 9
6元器件清单 11
7心得体会 11
1设计指标及要求
设计一波形产生变换电路，输出方波、三角波、正弦基波和正弦三次谐波。
要求：
1、频率范围1k——10k。
2、输出信号峰峰值不小于1V。
3、信号失真要小。
4、使用集成模块555定时器和LM324运放，在面包板上实现设计功能。
5、用面包板插接电路，示波器显示波形。
2设计思路及系统框图
2.1设计思路
本次设计的基本思路是采用555定时器构成多谐振荡器产生方波，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。
对555定时器输出的波形进行积分运算可以得到三角波，所以三角波可以通过将555定时器产生的方波通过无源RC积分电路得到的，但是无源积分电路对于信号的衰减比较严重，因此需要在RC积分电路的输出端接一个反相放大器，把波形放大到合适的幅值。
对方波进行傅立叶变换，可以把方波分解为一系列频率是基波频率奇数倍的正弦函数，采用低通滤波器可以得到的正弦波。
将方波中的基波和三次以上的谐波滤除，只保留三次谐波部分，即可得到相应的正弦三次谐波。
2.2系统框图
系统设计框图如图2-1所示：
图2-1系统框图
3各单元硬件电路设计
3.1555定时器
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。
本实验通过将555接成自激多谐振荡器产生方波。
3.1.1555定时器电路组成：
（1）图3-1为555集成定时器555定时器的内部逻辑图，其由五个组成；
（2）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；
（3）两个电压比较器C1和C2：
v+＞v－时vo=1；v+＜v－时vo=0。
（4）基本RS触发器；
（5）放电三极管T及缓冲器G。
T
vo
vIC
vI1
vI2
vo’
C1
C2
+
-
-
+
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
R
S
&
5kW
5kW
5kW
&
&
1
RD
VCC
（8）
G
图3-1555定时器的内部逻辑图
3.1.2555定时器引脚的作用：
1引脚：
接地端，与地相接；
2引脚：
低触发输入端；
3引脚：
电压输出端Vo；
4引脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、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:
：
VC为控制电压端。
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：
TH高输入端；
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。
3.1.3555定时器基本功能
当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31
（1）当vI1>2/3VCC，vI2>1/3VCC时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。
（2）当vI1<2/3VCC，vI2<1/3VCC时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器置1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。
（3）当vI1<2/3VCC，vI2>1/3VCC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（>2/3VCC）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（<1/3VCC）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL）。
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。
555定时器功能表如图3-2：
图3-2555定时器功能表
3.2方波产生电路
方波电路如图3-3所示：
图3-3方波电路
当电容C1被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通电源后，电容C1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C1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C1经R2，R3，他们此时所分的总阻值为R1向电容C1放电,放电所需的时间为：
tPL=R1*C1*ln2≈0.7*R1*C1；
当C1放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2所分得的阻值为R3向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为：
tPH=R3*C2*ln2≈0.7*R3*C2；
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）*C1]
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，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形如图3-4所示：
图3-4方波波形
3.3三角波产生电路
三角波电路如图3-5所示：
图3-5三角波电路
基本原理是利用无源RC积分电路将产生的方波变成三角波。
令输入电压为输出为，流过电容C的电流为，则由公式（3-1）得：
（3-1）
即输出电压与输入电压成积分关系。
当为固定值时，表明输出电压斜率固定的直线，变化，输出电压也随着发生变化。
因而当为矩形波时，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，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。
该部分的电路主要是一个无源积分电路加一个反相放大器，R2与C5构成积分电路，其大小的选取主要是要保证RC积分电路的时间常数要小于方波的周期，这样才能保证RC电路对方波的有效积分，不会出现失真的情况。
放大电路的放大倍数是由R18与R19决定的，方波信号经过无源RC积分电路大约衰减16倍左右，这里将三角波放大5倍即可满足幅值大于500mV的要求。
因为放大器采取的是单电源供电，所以要在同相输入端接一个偏置电压，这样才能保证对信号完整的放大。
3.4正弦波产生电路
正弦波电路如图3-6所示：
图3-6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如公式（3-2）：
（3-2）
其传递函数公式（3-3）为：
（3-3）
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。
3.5三次正弦波发生电路
三次正弦波电路如图3-7所示：
图3-7三次正弦波电路
基本原理是采用带通滤波方法对输入的方波滤波，提取出三次谐波，经放大后输出为3倍频率正弦波。
原理与3.4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。
4完整电路图及其仿真
整体电路图如图4-1所示：
图4-1整体电路
Multisim中仿真波形如下图4-2：
图4-2仿真波形
从仿真的结果来看，结果基本与预期一致。
但是，正弦三次谐波的存在一定的误差。
分析其原因，可能是耦合电容选取不当，对输入信号产生了一定的影响；也可能是同相输入端的电阻选得有点小，并且没有并联电容，有干扰电流流入运放。
5面包板接线图及实验结果分析
面包板接线图如图5-1所示：
图5-1面包板接线图
实验结果如下：
方波波形如图5-2所示：
图5-2方波波形
三角波波形如图5-3所示：
图5-3三角波波形
正弦波波形如图5-4所示：
图5-4正弦波波形
三次正弦波波形如图5-5所示：
图5-5三次正弦波波形
由图可见，方波、三角波、正弦波的波形比较标准，但三次谐波效果并不是太好。
实物连接的过程中也不顺利，不是波形不出现，毛刺太多，就是波形抖动失真不规则。
最头疼的三次谐波，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电容后也无法与理想结果接近。
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。
6元器件清单
芯片：
LM555CM；LM324N；
电阻：
若干；
电容：
若干；
5V电源；示波器；面包板
7心得体会
整个课程设计让我们深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性，让我们感触颇深。
在波形的产生设计过程中，我们对抽象的理论有了具体的认识，掌握了不少常用元件的识别和测试，熟悉了各种仪器仪表的使用。
通过此次课程的设计，我不但了解了我对电子技术这门课知识的掌握有多么薄弱，也巩固强化了课本中的知识。
最重要的是在实践中理解了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
其次，这次课程设计让我体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。
在实验过程中，我们遇到了不少的问题。
比如：
不出波形，波形失真等等。
但最终经过我们的努力解决后，那种成功的心境是我们一生的财富。
实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，这次课程设计让我们更加认识到认真学习专业课的重要性，收获颇丰。
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