2022年波形发生器设计实验报告 .pdf

一、 实验目的（1）熟悉 555 型集成时基电路结构、工作原理及其特点。（2）掌握 555 型集成时基电路的基本应用。（3）掌握由 555 集成型时基电路组成的占空比可调的方波信号发生器。二、实验基本原理555 电路的工作原理555集成电路开始是作定时器应用的， 所以叫做 555定时器或 555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。555 芯片管脚介绍555集成电路是 8 脚封装，双列直插型，如图2(A)所示，按输入输出的排列可看成如图 2(B)所示。其中 6 脚称阈值端 (TH)，是上比较器的输入； 2 脚称触发端(TR) ，是下比较器的输入； 3 脚是输出端 (Vo)，它有 O 和 1 两种状态，由输入端所加的电平决定； 7 脚是放电端 (DIS) ，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4 脚是复位端 (MR)，加上低电平时可使输出为低电平； 5 脚是控制电压端 (Vc),可用它改变上下触发电平值； 8 脚是电源端，1 脚是地端。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 17 页 - - - - - - - - - 用 555 定时器组成的多谐振荡器如图所示。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 R1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2ln12CRtpL( 1-1) 当放电结束时，T截止， Vcc将通过 R1， R2， R3向电容器 C2充电， Vc由 Vcc/ 3 上升到 2Vcc/ 3 所需的时间为22)321(7 .02ln)321(CRRRCRRRtpH(1-2) 当 Vc上升到 2Vcc/ 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4，其中的震荡频率为 ：f=1/（tpL+tpH）=1.43 /(2R1+R2+R3) C2 (1-3) 三、实验设计目标波形发生器是建立在模拟电子技术基础上的一个设计性实验，它是借助综合测试板上的 555 芯片和一片通用四运放324 芯片，以及各种电阻、 电感、电容等基本元器件，从而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， 其借助于计算机软件multisim 仿真以及电路板硬件调名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 17 页 - - - - - - - - - 试输出来实现的。具体设计目标如下：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、正弦波输出频率范围为8KHz 10KHz ，输出电压幅度峰峰值为1V；正弦波输出频率范围为 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， 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。电源只能选用 +10V单电源，由稳压电源供给，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、至于明显位置，便于检查。四 电路分析内容和方案比较方案一：首先我们想到的设计方案的思路是首先由555 定时器组成的多谐振荡器产生方波，即利用 555 与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波。其电路模块如图1所示，然后由积分电路将方波先转化为三角波，RC 积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。其常用积分电路作为调节环节。此外，RC 积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。图 1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 17 页 - - - - - - - - - 由 555 定时器组成的多谐振荡器输出的方波输出后经RC积分电路，从而输出三角波。其基本原理是电容的充放电原理，采用RC低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。 得到三角波以后， 最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，经过放大器后即可得到我们想要幅值的波形，从而得到方波和正弦波， 得到方波和正弦波的完整电路见图2 所示。图 2 得到两个波形输出后， 再从方波输出端连出一根线作为输入，接到图 3 所示的电路模块的输入端， 利用二极管 D1 连接有电阻 R1时的较慢的充电和D2 的快速放电来实现锯齿波输出的实现。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 17 页 - - - - - - - - - 图 3 得到锯齿波后， 再利用如下图 4 的电路模块，即利用 RC积分电路和 LC滤波电路的组合来实现三次谐波的输出实现。图 4 刚开始设计之前之所以采用此方案，是因为该方案调试容易， 且本方案的电路结构、思路简单，运行时性能稳定，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。但当我们把所有电路模块连接到一起时，由于我们设计的各模块间并没有什么中间隔离回路模块，即方波和正弦波，还有锯齿波和三次谐波各个模块是前后级相互有影响的，此时由于我们在输出锯齿波和三次谐波时还要先用方波输出端作为我们的输入，从而导致各级电路之间的相互影响， 从而使三次谐波出现衰减振荡等比较严重的失真的现象，为了解决这个问题， 我们也采用了射级跟随器等电路模块来试着解决该问题，但这些方法都不是能很好的处理波形失真状况，而且其他的波形质量也不太理想，从而为了更好的使我们的波形输出符合要求，我们采用了方案2 来能较好的符合设计要求。由于方案一无法满足设计的所有要求，所以我们采用方案二， 即方案二就是我们真正电路完全符合电路设计要求的，方案二的具体设计方法， 原理，内容见如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 17 页 - - - - - - - - - 方案二：电路设计：方波发生电路部分：由于方案一种的方波输出比较理想，所以我们在改进的方案中， 方波电路的设计思路基本不变，仍然是由555 定时器组成的多谐振荡器产生方波，即利用555 与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波。其电路模块如图5 所示，其基本原理与方案一中相同，在我们设计模块中555 定时器通过 RA、RB 、C2设定输出信号的频率和脉宽。（RA为 RST和 DIS之间的电阻值， RB为 DIS和 THR之间的电阻值， C2为 THR到地之间的电容值）， 其中的参数为高低电平的时间分别为0.693（ RA+RB） C 和0.693(RB)C， 脉 冲 周 期 为0.693(RA+2RB)C ， 频 率 为1.44 /(RA+2RB)C) 。并且此时我们我们通过加入滑动变阻器来通过改变两个滑动变阻器的阻值来改变波形的频率和方波的占空比，在方波输出中， 其要求为输出波形的幅值为1V， 并且负载为 600 欧姆， 由于在我们所连接方波模块输出端方波电压值为10V，所以在图 5 所示模块 555 的输出端 OUT连接电阻 5400 欧姆来进行分压， 即让负载输出方波波形电压值正好为10V 的十分之一，也就是1V，从而让达到其设计要求，即：)10(5400600600VVVVoutout名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 17 页 - - - - - - - - - 图5 实验中我们得到的方波的波形图如下图所示：实验方波波形图6 锯齿波发生电路部分：如图所示的积分电路正向积分的时间常数远大于反向积分的时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分的时间常数，那么输出电压uo 上升和下降的斜率很多， 就可以获得锯齿波。 利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，就可以获得锯齿波发生电路，如下图所示，图中R3的阻值远小于 Rw 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 17 页 - - - - - - - - - 锯齿波发生电路及其波形原理图7 根据三角波发生电路振荡周期的计算方法，可得出锯齿波下降时间和上升时间分别为：T1=t1-t02RR21CT2=t2-t12RR21(R3+RW)C振荡周期：T=CRRRRW231)2(2因为R3的阻值远小于RW,所以可认为 T T2 根据 T1和 T 的表达式，可得到UO1的占空比为RRRTWT3312调整 R1和 R2的阻值可以改变锯齿波的幅值； 调整 R1， R2和RW的阻值以及C的容量，可以改变振荡周期；调整电位器滑动端的位置，可以改变UO1的占空比，以及锯齿波上升和下降的斜率产生方波后， 我们也是利用同方案一一样的方法来用方波输出作为输入，在原理图的基础上加以适当的改进，利用如图6所示模块来产生锯齿波，该模块的原理为利用二极管的单向导电性，我们将通过导线分成两个支路将连接运放的输入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 17 页 - - - - - - - - - 端，每个支路连接一个二极管 1N4148 ，使得积分电路的充放电回路分开，从而对于 D1 二极管所在支路来说，由于该支路D1连接有电阻，从而在充电过程，由于电阻的作用， 从而输入端通过运放后的输出电压是一个稳步上升的阶段，从而该阶段产生的波形是一段具有一定斜率的倾斜直线，当电压幅值达到峰值后， 由于存在另一条支路连接有D2 二极管，该支路由于只存在二极管D2 ，所以在放电阶段是一个非常快速下降的过程， 从而产生的波形接近一条竖直的线，从而通过该电路模块即可以将方波波形转化成锯齿波波形输出了，由于我们为了减小前后级的影响，所以在 D1 与 D2 并联的前端又加了一个阻值为4.7k 的电阻，从而可以减少锯齿波的失真，而且我们通过该种方式电路连接可以使输出的锯齿波的上升斜率与下降差别较大，这样就可以使输出的锯齿波更完美，即我们可以通过12K电阻与4.7k 电阻的比值来做到使输出锯齿波的上升斜率与下降差别较大，其下降斜率 K下降与上升斜率 K上升的比值为：55.37.47 .412KKKKK上升下降, 从公式中可以求得下降斜率与上升斜率差别为3.55 ，利用原理图中的公式可以求得上升时间约为4us，下降时间约为 1us, 可以看出通过这样的连接方式即可以使锯齿波形状的波形输出。实验实际的锯齿波电路图8 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 17 页 - - - - - - - - - 实验锯齿波波形图9 正弦波发生电路部分：本实验采用的是RC 二阶低通滤波电路， RC 并联选频网络是其中的重要的组成部分。如下图所示的RC 滤波电路中，它即可以通过直流信号，又可以通过交流信号它和 RC 串联电路有着同样的转折频率fo=1/2 R1C1, 当输入信号频率小于 f0时，信号相对电路为直流，电路的总阻抗为R1；当输入信号的频率大于 f0时，c1的容抗相对很小，总阻抗为电阻阻值并上电容容抗，当频率高到一定程度时总的阻抗为零。滤波原理图 10名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 17 页 - - - - - - - - - 如下图所示的电路图中，其中LM324运放的作用是作为电压比较器来使用的，使得输出的信号更加接近于占空比为50%的脉冲波，其工作原理为：因为接入该 LM324运放负极输入端的波形是一个幅值为10V的接近锯齿波形状的波形，因为锯齿波在上升阶段是成一条斜线， 而我们从 LM324运放正极输入端输入的是一个幅值为 5V 的直流电平，所以对于从负极输入的10V 锯齿波来说，在它上升阶段的前半段即上升阶段二分之一处之前的电压幅值是低于5V 的，此时正好正极电压大于负极电压， 从而通过 LM324运放后即可将波形电压输出， 输出的波形即是脉冲波的高电平， 而在锯齿波上升的后半段， 即后二分之一部分锯齿波幅值大于5V，所以此时正极电压小于负极电压，从而反映在输出波形即是低电平，因为输出的高低电平各为二分之一， 所以通过这个比较器后的波形即是占空比接近50%的脉冲波，而且通过我们实际观察输出波形其也是接近占空比为50%的脉冲波，只不过其由于一定失真原因不是特别完美的脉冲波，因为我们在比较器输出后市接近占空比为 50%的脉冲波，所以这样通过后面的RC滤波器后即可以得到想要的含有基波成分的正弦波。如下图所示的滤波电路中LM324运放作为电压比较器来使用图11 从比较器后得到占空比为50%的脉冲波后，因为只有占空比接近50%的脉冲名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 17 页 - - - - - - - - - 波中含有的偶次谐波分量是最少的，所以可以将基波成分的正弦波很好的滤出来，所以之前我们要先得到占空比接近50%的脉冲波。我们让其经过后面的两阶滤波器来得到想要的正弦波，其中滤波器由R1和 C2组成的第一级滤波网络后得到的是含有谐波分量的正弦波，不过一级网络并没有完全滤出比较标准的正弦波，所以再经过由 R2和 C3组成的第二级滤波网络后就得到所需要的正弦波，实际设计中所用的电路图如下图所示：实验电路图 12 因为我们要滤出的是 10KHZ 的正弦波，根据实验电路中的数据，我们可以用公式RC210f来算出我们所要滤出的正弦波的频率，由于图中 R1=R2 ， C2=C3, 所以在计算式仅用R1和 C2就可以了，如图中所示，带入R1和 C2的值后，算得频率KHZKHZCf1094.9R21210这与我们所设计的正弦波为10KHZ 是吻合的，符合我们设计的标准和要求。最后得到的实验正弦波实际波形如下图所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 17 页 - - - - - - - - - 图13 三次谐波分量：同基波分量的正弦波得到一样， 我们也通过滤波的方式来得到正弦波三次谐波分量，我们用从 LM324放大器后输出的锯齿波来作为相应的输入，经过相应的滤波器来得到三次谐波的正弦分量，其原理电路图见下图，我们通过LC 与 RC电路的组合使用来将其中的三次谐波滤出来，其实际的电路如下图所示：实验的原理图 14 本设计当中我们主要运用到的是滤波的方法，在锯齿波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下， 是可以考虑采用RC和 LC低通滤波的方法将锯齿波变名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 17 页 - - - - - - - - - 换为正弦波， 根据原理可知， 低通滤波器的通带截止频率应大于锯齿波的基波频率并且一定要小于锯齿波的五次谐波的频率，我们就是根据这个原理来对三次谐波分量进行滤出的。对于如图所示的电路，采用了LC和 RC混合滤波的方式。其理论计算过程如下所示：计算过程：第一级LC并联谐振回路：11L21Cf36KHZ 同样的，对于第二级滤波电路：23L21Cf34.5KHZ 对于 RC并联谐振回路来说：其频率为310R21Cf33.2KHZ 对于最后一级 RC并联谐振回路来说：420R21Cf29.2KHZ 由于输入的信号是 10KHZ ，通过最后一级的滤波器之后，输出的正弦波的频率为29.2KHZ ，频率约为输入信号的三倍，符合设计的要求。得到的三次谐波图如下图所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 17 页 - - - - - - - - - 五、设计结果和概要经过我们的设计，我们所设计出的波形如下图所示：对于如图所示的波形中，方波是由555定时器组成的多谐振荡器所产生的，它的输出电压的幅值为 1V，频率为 10KHZ ，符合设计的要求。产生了方波之后，方波经过了一个由二极管，电阻，电容，以及324运放等组成的积分电路产生了幅值为1V，频率仍为 10KHZ的锯齿波，符合设计要求，然后从555输出的信号经过一个电压比较器后输出方波， 方波经过低通 RC滤波器产生了幅值为 1V,频率还是为10KHZ的正弦波， 同样符合要求。 最后通过一个由 LC和 RC组成的滤波电路产生了幅值为 6v,频率为 29.2KHZ的三次谐波，基本符合设计的要求六、课程设计感想首先感谢冯老师对我们的谆谆教导和耐心的讲解，本次课程设计我们选取的是13年电子设计大赛的综合测评题，555电路的综合应用，它是基于模拟电子技术基础的，它要求我们有着比较高的电路分析的能力和扎实的焊板技术以及电路调试能力，体现的是一个团队的综合素质能力。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 17 页 - - - - - - - - - 我们在大二的时候学过模拟电子技术基础的基本知识和基本概念，但是理论知识终归是理论知识， 我们应当把它运用到实际的操作当中，这次的电子设计对我们来说就是一个很好的检验， 活学活用是很重要的一点。 比如说我们在电路中运用到了电压比较器，低通滤波器，锯齿波发生电路等等，理论知识都知道，但是运用它们就对我们有着比较高的要求，我们虽然知道原理， 但是当我们所设计的电路当中稍稍改动一个电阻或者其他元件的值，结果就会有着很大的不同， 这时急躁是没有任何用处的， 我们所要做的就是不断的总结和归纳，耐心仔细， 直到找出最后的问题，最开始的时候我们显得有些急躁， 但是随着设计的不断深入，我们也更加的投入进去，所以耐心是成功的基本前提。我们已经大三了， 很快就要走向社会了， 电子课程设计为我们将来工作打下了坚实的基础，千里之行始于足下，我们要从小事做起，细节是决定成败的，比如我们在电路当中某一参数设置不当就会产生不同的结果，这就需要我们的细心，随着课程设计的进行， 我们在无形之中锻炼了这些优秀的品质，这对我们将来走向社会都是大有好处的。 这次课程设计给了我们更大的信心，让我们在今后的学习生活中更有勇气面对困难，解决困难。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 17 页 - - - - - - - - - 海南大学课程设计报告课程名称 : 电子课程设计学生姓名：赵自强20111601310038 队友姓名：聂长森20111601310018 陈广涛20110301310004 所在学院：信息科学技术学院年级专业：2011 级 电子信息工程专业指导教师：冯尔理名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 17 页 - - - - - - - - -