方波——三角波——正弦波函數(shù)信號發(fā)生器.doc

.引言 現(xiàn)今世界中電子技術(shù)與電子產(chǎn)品的應(yīng)用越加廣泛，人們對電子技術(shù)的要求也越來越高。因此如何根據(jù)實際要求設(shè)計出簡便實用的電子技術(shù)物品便顯得尤為重要。靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。能將簡單的易獲取的信號轉(zhuǎn)換為自己所需的復(fù)雜信號是一項必不可少的技術(shù)。 以555定時器為核心器件，制作一種方波-三角波-正玄波函數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)生器，制作成本較低。適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測量使用。比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。 輸出波 形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。 函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻(高頻)發(fā)射,這里的射頻波就是載波,把音頻(低頻)、視頻信號或脈沖信號運載出去,就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi),如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。 摘要 隨著眾多領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)雜的、可由用戶定義的測試波形的需要而形成和發(fā)展起來的，波形發(fā)生器的主要特點是可以產(chǎn)生任何一種特殊波形，輸出信號的頻率、電平以及平滑低通濾波的截至頻率也可以作到程序設(shè)置，因此在機(jī)械性能分析、雷達(dá)和導(dǎo)航、自動測試系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。而本課題設(shè)計的正是多種波形發(fā)生器。 本設(shè)計由555定時器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，555定時器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 該設(shè)計在proteus仿真軟件上進(jìn)行了仿真，驗證了該設(shè)計方法正確性和有效性。技術(shù)性能達(dá)到了要求。 關(guān)鍵詞：函數(shù)發(fā)生器，555定時器,積分器，差分放大器目錄第一章 緒論第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇 2.1.方案一 2.2方案二 2.3 方案選擇 第三章 所選方案及各部分單元電路的設(shè)計 3.1.方波發(fā)生電路設(shè)計3.2.方波-三角波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計3.3.三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計第四章 基于Proteus的軟件仿真4.1.Proteus軟件介紹4.2.電路仿真過程與結(jié)果分析 第五章 總結(jié) 參考文獻(xiàn) 附錄：1.原理圖 2.仿真圖 第一章 緒論 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。 函數(shù)發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一。 在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時，都學(xué)要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)越來越來受到人們的關(guān)注，人們在追求功能齊全的電子產(chǎn)品的同時也越來越關(guān)注電子產(chǎn)品的易攜帶性、體積、質(zhì)量、易于維修等。函數(shù)發(fā)生器將朝著集成化的方向發(fā)展，集成電路具有所用元件數(shù)量少、質(zhì)量輕、體積小、便于攜帶、易于維修、易于調(diào)試、便于快速大規(guī)模生產(chǎn)的特點。第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇 2.1方案一 圖1.1 本方案先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，電路框圖如圖1.1。用555比較器與反相積分器首尾相串聯(lián)構(gòu)成方波-三角波產(chǎn)生電路，然后，采用差分放大器，作為三角波正弦波變換電路利用差分對管的飽和與截止特性進(jìn)行變換，差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。此電路的輸出頻率就是方波-三角波產(chǎn)生電路的頻率，將正弦波用比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生方波，調(diào)節(jié)比較電位，使得方波的占空比可以改變。 2.2方案二 圖1.2 RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法，電路框圖如圖1.2。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數(shù)的大小。2.3方案論證及選擇方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，運行時性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。而方案二，關(guān)于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質(zhì)量不太理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案一簡單方便。綜上所述，我們選擇方案一。第三章 所選方案及各部分單元電路的設(shè)計3.1.方波發(fā)生電路設(shè)計 圖3 555定時器振蕩器當(dāng)電容C2被充電時，2和6引腳的電壓都上升，此時二極管D1導(dǎo)通，接通+12V電源后，電容C2被充電，Vc上升，當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電Rp導(dǎo)通，此時輸出電平Vo為低電平，電容C2通過R3和Rp放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。 電容器C2放電所需的時間為： tpL=(R3+Rp)C2ln2 (3-1)當(dāng)C2放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1、R3、Rp向電容器C2充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時間為tpH=(R1+R3+Rp)C2ln2=0.7(R1+R3+Rp)C2(3-2)當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到了一個周期性的方波，其頻率為 f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R1+2R3+2Rp)C2(3-3) 圖4由555定時器組成的多諧振蕩器工作波形3.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 圖5積分電路產(chǎn)生三角波RC積分電路是一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號運算電路。在自動控制系統(tǒng)中，常用積分電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。此外，RC積分電路還可以用于延時、定時以及各種波形的產(chǎn)生或變換。由555定時器組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng)C4耦合輸出，如圖5所示為RC積分5電路，再經(jīng)R與C積分，構(gòu)成接近三角波。其基本原理是電容的充放電原理。3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計圖6 三角波產(chǎn)生正弦波原理圖用差分放大器作三角波正弦波的變換電路，利用差分對管的飽和與截止特性進(jìn)行變換。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾能力強等優(yōu)點。特別是做直流放大器時，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。通過RP調(diào)節(jié)三角波的幅度，R5用來減小差分放大器的線性區(qū)，C1為濾波電容，濾除諧波分量，改善輸出波形。第四章 基于Proteus的軟件仿真4.1.Proteus軟件介紹Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計自動化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個元件庫。Proteus軟件自 1989 年問世至今，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷史，功能得到了不斷的完善，性能越來越好，全球的用戶也越來越多。PROTEUS之所以在全球得到應(yīng)用，原因是它具有自身的特點和結(jié)構(gòu)。PROTEUS電子設(shè)計軟件由原理圖輸入模塊、混合模型仿真器、動態(tài)器件庫、高級圖形分析模塊、處理器仿真模型及PCB板設(shè)計編輯六部分組成。集原理圖設(shè)計、仿真和PCB設(shè)計于一體，真正實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計工具.具有模擬電路、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真功能.具有全速、單步、設(shè)置斷點等多種形式的調(diào)試功能.具有各種信號源和電路分析所需的虛擬儀表.支持Keil C51 uVision2、MPLAB等第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境.具有強大的原理圖到PCB板設(shè)計功能，可以輸出多種格式的電路設(shè)計報表。擁有PROTEUS電子設(shè)計工具，就相當(dāng)于擁有了一個電子設(shè)計和分析平臺。基本操作步驟： 1打開PROTEUS 操作界面。2選擇“P”，從元件庫中提取需要的元器件（選中雙擊），選擇完點OK。 3在編輯區(qū)畫電路圖,修改元件參數(shù)。4進(jìn)行電路仿真。 5保存文件。4.2.電路仿真過程與結(jié)果分析 一、方波電路仿真 總電路圖的原理：555定時器接成多諧振蕩器工作形式，C2為定時電容，C2的充電回路是R2R3RPC2；C2的放電回路是C2RPR3IC的7腳(放電管)。由于R3+RPR2，所以充電時間常數(shù)與放電時間常數(shù)近似相等，由IC的3腳輸出的是近似對稱方波。按圖所示元件參數(shù)，調(diào)節(jié)電位器RP可改變振蕩器的頻率二、方波-三角波電路仿真 按圖3所示元件參數(shù)，其頻率為1KHZ作業(yè)，調(diào)節(jié)電位器RP可改變振蕩器的頻率。方波信號經(jīng)R4，C5積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三、三角波正弦波電路仿真三角波再經(jīng)過R5，C6和R6、R7的積分后，輸出近似的正弦波。C1是電源濾波電容。發(fā)光二極管作為電源指示燈，電路成功實現(xiàn)了方波三角波正弦波的功能。電路仿真結(jié)果分析方波正弦波方波測試結(jié)果要求誤差峰峰值（V）2.0475V2V0.0475頻率0.6KHz11KHz20Hz20KHz三角波測試結(jié)果要求誤差峰峰值(V)1.92V2V-0.08頻率0.6KHz11KHz20Hz20KHz正弦波測試結(jié)果要求誤差峰峰值（V）3.824-0.18頻率0.6KHz11KHz0.2KHz20KHz經(jīng)過積分電路，正弦波比三角波相位落后接近180度，不斷調(diào)節(jié)電阻RP，可見當(dāng)RP增加時，輸出波形頻率減小，三角波，正弦波幅度也在增加，蛋三角波的線性程度變差，正弦波失真增大；當(dāng)R減小時，輸出波形頻率增加，三角波的線性程度變好，但三角波，正弦波幅度減小。這些結(jié)果都與理論分析相一致。第五章 總結(jié)通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我還深刻認(rèn)識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接以及如何提高電路的性能等等。在實踐中理解了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。提高我們的動手能力。本課題根據(jù)設(shè)計中要實現(xiàn)的功能，經(jīng)過自己認(rèn)真地分析、實踐，確立方案，書寫文檔，設(shè)計出電路，在設(shè)計過程中翻閱了大量資料，通過對所得的各種資料的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過對主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會了設(shè)計時的各項技術(shù)政策；通過對設(shè)計時出現(xiàn)的各種問題的分析與解決，鍛煉了獨立分析，進(jìn)行工程設(shè)計的能力；通過對電路設(shè)計中的某些問題的較