555定时器构成的方波三角波正弦波发生器设计报告.docx
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555定时器构成的方波三角波正弦波发生器设计报告
1设计任务与要求
（1）555定时器构成的方波发生器电路输出频率范围：
10-1KH可调；占空比0-100%连续可调；
输出方波Vp_p<=12v;
输出三角波Vp-p>0.2v;
输出正弦波Vp-p<1v;
（2）写出详细的电路工作原理、参数计算；
（3）画出仿真电路图；
（4）仿真测试并记录结果：
A.输出方波的仿真结果；
B.输出三角波的仿真结果；
C.输出正弦波的仿真结果；
（5）设计以上电路工作电源：
A.画出电源电路图；
B.写出电源电路工作原理、参数计算；
（6）制作实物；
2设计方案
2.1设计思路
2.1.1方案一原理框图
图2-1方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图
首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。
2.1.2方案二原理框图
RC正弦波振荡电路路
积分电路
电压比较器
图2-2正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图
RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。
先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。
此电路具有良好的正弦波和方波信号。
但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。
原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。
若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。
2.2函数发生器的选择方案
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，本课题未采用单片函数发生器模块8038。
方案一的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。
而方案二，关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案一简单方便。
综上所述，我们选择方案一。
2.3实验器材
电阻，555定时器，滑动变阻器，电容，电解电容，二极管，晶体管，示波器，741及导线若干。
主要芯片的作用：
（1）555定时器：
产生方波；
（2）741：
将方波转换成三角波；
3硬件电路设计
3.1555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318V，最大负载电流在4mA以下。
3.2电路组成
（1）图3-2，图3-3为555集成定时器555定时器的内部逻辑图和引脚图，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：
图3-1电气原理图
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3-2555定时器内部逻辑图图3-3引脚图
3.3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。
3.4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>
，vI2>
时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被臵0，放电三极管T导通，输出端vO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触发器被臵1，放电三极管T截止，输出端vO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。
555定时器功能如表3-1
表3-1555定时器功能表
清零端
高触发端
地触发端
Q
放电管
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
×
保持
保持
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
4主要参数计算与分析
4.1由555定时器产生方波
图4-1方波产生电路
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+12V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。
波形图见图4-2。
图4-2电路的电压波形图
4.2由方波输出为三角波
图4-3三角波的产生电路
图4-4输入及输出电压波形
当741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
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。
4.3由三角波输出正弦波
图4-5正弦波的产生电路
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
Ic=I/[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25摄氏度时，UT≈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（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，
（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。
（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中R5调节三角波的幅度，R9调整电路的对称性，其并联电阻R10用来减小差分放大器的线性区。
电容C5为隔直电容，C8为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。
隔直电容C5要取得较大，因为输出频率很低，取c5=500微法，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，c6,c7可取得较小，一般为几十皮法至0.01微法。
R9=100欧与R10=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。
5软件设计
5.1系统组成框图
序号
名称
数量
1
555定时器
1
2
运算放大器
1
3
电阻
13
4
电容
7
5
可调电阻
4
6
三极管
4
7
电解电容
1
8
二极管
2
6调试过程
6.1方波---三角波发生电路的安装与调试
6.1.1按装方波——三角波产生电路
（1）把741集成块插入面包板，注意布局；
（2）分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；
（3）按图接线，注意直流源的正负及接地端。
6.1.2调试方波——三角波产生电路
（1）接入电源后，用示波器进行双踪观察；
（2）调节可调电阻R8，使三角波的幅值满足指标要求；
（3）调节可调电阻R5，微调波形的频率；
8附录
8.1用mulstisim12设计的方波仿真电路图如图8-1
图8-1由555定时器组成的多谐振荡器产生方波
方波仿真结果如图8-2
图8-2方波的仿真图
8.2用mulstisim12设计的三角波仿真电路图如图8-3
图8-3由积分电路将方波转化为三角波
三角波仿真结果如图8-4
图8-4三角波的仿真图
8.3用mulstisim12设计的正弦波仿真电路图如图8-5
图8-5正弦波的仿真
正弦波仿真结果如图8-6
8.4电源参考电路图
图18电源电路
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