設(shè)計制作一個方波—三角波—正弦波的函數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、 課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱： 電子課程設(shè)計 課程設(shè)計題目： 方波三角波正弦波的函數(shù)轉(zhuǎn)換器 學 院 名 稱： 信息工程學院 專業(yè)：電子信息科學與技術(shù) 班級： 學號： 姓名： 評分： 教師： 20 年 月 日 電子課程設(shè)計 課程設(shè)計任務(wù)書20 13 20 14 學年 第 1學期第 1 周 3 周 題目方波三角波正弦波的函數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)容及要求 1 ）輸入波形頻率范圍為0.02Hz20KHz且連續(xù)可調(diào)。 2 ）正弦波幅值為±2V。 3 ）方波幅值為±2V。 4 ）三角波峰峰值為2V，占空比可調(diào)。 5 ）設(shè)計電路所需的直流電源可用實驗室電源。進度安排 1.根據(jù)任務(wù)要求，查閱相關(guān)資料，

2、完成設(shè)計前的前期工作：2天 2.根據(jù)資料，進行方案設(shè)計并對比論證，完成參數(shù)計算：3天 3.領(lǐng)取元器件，連接電路，完成電路調(diào)試：3天 4.課程設(shè)計總結(jié)和報告：3天學生姓名： 指導(dǎo)時間：第1至3周指導(dǎo)地點：綜合樓中506室任務(wù)下達2013 年 9 月 7 日任務(wù)完成2013 年 9 月 22日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導(dǎo)教師 系（部）主任 注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設(shè)計結(jié)束后與“課程設(shè)計小結(jié)”、“學生成績單”一并交院教務(wù)存檔。 摘要 函數(shù)信號發(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)用最廣泛的通用儀器之一，在研

3、制生產(chǎn)測試和維修各種電子元件和部件都需要有信號源。由于函數(shù)（波形）信號發(fā)生器能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形（正弦波，方波，三角波，鋸齒波和脈沖波等）信號，頻率范圍可從幾個微赫到幾十兆赫函數(shù)，所以信號發(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。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電容測量領(lǐng)域，具有寬廣的應(yīng)用前景。 本次課程設(shè)計的目的：采用555集成芯片外界電容電阻來產(chǎn)生方波，三角波，正弦波，先通過555芯片產(chǎn)生波形通過電容形

4、成方波，接著經(jīng)過兩個電阻分別出現(xiàn)三角波和正弦波，經(jīng)過仿真得出了三個波形的波形圖，通過實驗掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計方法，培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學知識來指導(dǎo)實踐的能力，掌握常用元器件的識別和測試，熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法，極大提高動手和操作能力。 關(guān)鍵詞：555芯片，函數(shù)信號發(fā)生器，波形，振蕩器 目錄前言 1 第一章 設(shè)計內(nèi)容及要求 2第二章 電路設(shè)計原理及方案3 2·1 原理及方案 3 第三章 系統(tǒng)組成及工作原理 4 3·1 系統(tǒng)組成4 3·2工作原理 5第四章 電路設(shè)計、電路圖、仿真圖及參數(shù)計算 6 4·1電路設(shè)計 6 4·2電路圖 8 4&

5、#183;3電路仿真圖 9 4·4參數(shù)設(shè)計10第五章 電路的焊接與測試 11 5.1 電路的安裝 11 5.2 電路的調(diào)試 11 5.3 焊接與調(diào)試分析 12第六章 實驗結(jié)論 15第七章 設(shè)計心得與體會 16附 錄一 元器件清單 17參考文獻18 前 言 函數(shù)發(fā)生器，作為實驗用信號源，是現(xiàn)金各種電子實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一，函數(shù)信號發(fā)生器可以用分立元件組成，通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。也可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它

6、們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300KHZ，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。還可利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達到較高的頻率，且易于調(diào)試。可以達到更高的技術(shù)指標。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。 在電子工程、通信工程、自動化控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)造成各種各樣信號波形發(fā)生器。用集成電路實現(xiàn)的波形發(fā)生器與其他信號波形發(fā)生器比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率

7、穩(wěn)定性等性能指標，都有了很大的提高。 然而為了進一步掌握電路的基本理論和實際調(diào)試技術(shù)，本課題將介紹集成芯片555與電容及電阻組成的方波三角波正弦波函數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法和具體操作過程。 第一章 設(shè)計內(nèi)容及要求 一、基本要求： 設(shè)計制作一個產(chǎn)生方波三角波正弦波波函數(shù)轉(zhuǎn)換器二、設(shè)計任務(wù): 1）輸入波形頻率范圍為0.02Hz20KHz且連續(xù)可調(diào)。 2）正弦波幅值為±2V。 3）方波幅值為±2V。 4）三角波峰峰值為2V，占空比可調(diào)。 5）設(shè)計電路所需的直流電源可用實驗室電源。 第 二 章 電路設(shè)計原理及方案2.1 設(shè)計原理及方案： 采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波變換成

8、正弦波的電路設(shè)計方法，由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。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等有勢。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。波形變幻的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。由于555芯片成本低，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與波形變換電路。 第 三 章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1系統(tǒng)組成 系統(tǒng)主要是有一個IC555芯片引導(dǎo)組成的。 555是一種集模擬，數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電

9、路。它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換，還常用于控制與檢測。555成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用與儀器儀表、家用電器、電子測量及自動化控制等方面 如圖3.1所示，下面是IC555的個個引腳的作用： （TR）為低電平觸發(fā)端。該端輸入電壓高于1/3Uoc時，比較器C2輸出為“1”，當輸入電壓低于1/3Uoc時，比較器C2輸出為“0”。 （UO）為輸出端。輸出為“1”時的電壓比電源電壓UO低2V左右。輸出最大電流為200mA. (RO）為復(fù)位端。在此端輸入負脈沖（“0”電平，低于0.7V）可使觸發(fā)器直

10、接置“0”，正常工作時，應(yīng)將它接“1”（接+UO）。 （CO）為電壓控制端。靜態(tài)時，此端電位為2/3Uoc。若在此端外加直流電壓，可改變分壓器各點點位置，在沒有其他外部連線時，應(yīng)當在該端與地之間接入0.01uF的電容，一方干擾引入比較器C1的同向端。 （D）為放電端，當輸出UO="0"即觸發(fā)器Q=1時，放電晶體管T導(dǎo)通，相當7端對地短接。當UO 為“1”，即Q=0，T截止，7端與地隔離。 和分別為電源段和接地段。CMOS555集成定時器的電源電壓在4.5V12V內(nèi)使用 圖3.1 3.2 工作原理在實際應(yīng)用中，555除了單一品種的電路外，還可以組合很多不同的電路。如：多個單穩(wěn)

11、，多個雙穩(wěn)，單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。這樣一來，電路變得更加復(fù)雜。為了便于我們分析和識別電路，更好地理解555電路，這里我們這里按555電路的結(jié)構(gòu)特點進行分類和歸納，把555電路分成3大類、8種、共18個單元電路。本設(shè)計課題用到的是無穩(wěn)類電路及無穩(wěn)工作方式。無穩(wěn)電路就是多諧振電路，是555電路中應(yīng)用最廣的一類. 第四章 電路設(shè)計 電路圖 仿真圖及參數(shù)計算IC555芯片4.1電路設(shè)計：產(chǎn)生方波整流變壓產(chǎn)生三角波產(chǎn)生正弦波 設(shè)計流程圖 由于555集成電路開始是作定時器應(yīng)用的，所以叫做555定時器或555時基電路。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了定時延時控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及

12、計量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，它的工作狀態(tài)有三類，對于單穩(wěn)類電路，單穩(wěn)工作方式，它可分為3種。見圖示。 第一種（圖4.1.1）是人工啟動單穩(wěn)，有因為定時電阻電阻定時電容位置不同而分為2個不同的單元，并分別以1·1·1和1·1·2為代號。他們的輸入端的形式，也就是電路的結(jié)構(gòu)特點是：

13、“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。 1.1.1人工啟動單穩(wěn) 1.1.2人工啟動單穩(wěn) （1）特點：RT-6,2-CT,人工啟動 （1）特點：CT-6,2-RT,人工啟動 V0=0,穩(wěn)態(tài)。V0=1,穩(wěn)態(tài)。V0=1,贊穩(wěn)態(tài)（td）。V0=0,贊穩(wěn)態(tài)（td）。 （2）公式：Td=1,1RT*CT。 （2）公式：Td=1,1RT*CT。 (3) 用途：定時，延時。(3) 用途：定時，延時。 圖4.1.1 第二種（圖4.1.2）是脈沖啟動型單穩(wěn)，也可以分為2個不同的單元。他們的輸入特點都是“RT-7.6-CT”，都是從2端輸入。1·2·1電路的2端不帶任何元件，具有最簡單

14、的形式；1·2·2電路則帶有一個RC微分電路。 1.2.1脈沖啟動單穩(wěn) 1.2.2脈沖啟動單穩(wěn) （1）特點：RT-7,6-CT,二端輸入，人工啟動 （1）特點：RT-7,6-CT,二端輸入， 或外脈沖啟動。外脈沖啟動輸入帶微 分電路。（2）公式：Td=1,1RT*CT。 （2）公式：Td=1,1RT*CT。 (3) 用途：定時，延時，消除抖動，分（倍）(3) 用途：定時，延時，消除抖動頻，脈沖輸出，L,C速率等檢測。分（倍）頻，脈沖輸出，L,C速率等檢測。 圖4.1.2 第三種（圖4.1.3）是單穩(wěn)型壓控振蕩器。單穩(wěn)型壓控振蕩器電路有很多，都比較復(fù)雜。為簡單起見，我們只把它

15、分為2個不同單元。不帶任何輔助器件的電路為1·3·1；使用晶體管、運放放大器等輔助器件的電路為1·3·2.圖中列出了2個常用電路。4.1.3 1.3.1單穩(wěn)型 1.3.2單穩(wěn)型 （1）特點：RT-7,6-CT,二端輸入被調(diào)制脈沖 （1）特點：RT-7,6-CT,輸入帶VT1， 5端加調(diào)制信號Vct。運放等輔助器件。 (2) 用途：脈寬調(diào)制，壓頻變化，A/D變化等。 (2) 用途：脈寬調(diào)制，壓頻變化（3）別名：PWM 。A/D變化等。 （3）別名：VRC。 圖 4.1.3圖4.2 電路設(shè)計總圖4.2電路圖 利用此設(shè)計，能夠產(chǎn)生所需要的方波，三角波，以及正弦

16、波，是整個設(shè)計的電路的總體結(jié)構(gòu) 4.3 電路仿真圖 圖4.3.1產(chǎn)生方波圖4.3.2產(chǎn)生三角波 圖4.3.3產(chǎn)生正弦波4.4 參數(shù)設(shè)計 F與C成正比，若要得到1Hz10Hz，則C2，C3為10nF. 因為F=0.02Hz20KHz，則C1為100uF，C4為100uF，R1=510。 由于輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值要為2V，有R4=R5=R6=10K。 根據(jù)方波的上升時間為兩毫秒，查詢運放的速度，可以選擇74141型號的運放。為了使輸出波形頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，R3和RP的阻值應(yīng)在10K到100K之間，且要小于3：1的關(guān)系.所以將R3設(shè)為62K，而電位器的最大阻值設(shè)為20K。 第五章 電路的

17、焊接與測試5.1 電路的安裝： 1. 需進行整體布局的構(gòu)思，使元器件分布合理、整體上更加美觀； 2. 先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等； 3. 布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用； 4. 最好分模塊安裝。此外焊接時不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因 為有 些器件，不能耐高溫，電烙鐵不能停留太久。5.2 電路的調(diào)試： 1. 在仔細檢查安裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，然后接通直流電壓為 6V的電源，觀察LED工作指示燈是否亮起，若不亮，則需要檢查電路。 2. 將示波器的檢測端接在信號輸出端，調(diào)節(jié)頻率旋鈕和Y位移旋鈕，觀察示波器上是否有清晰的信號

18、。 3. 待示波器出現(xiàn)較良好信號時，這時要調(diào)節(jié)電位器RP。隨著調(diào)到大概RP達到4K7K時，就會出現(xiàn)需要的波形。 4. 出現(xiàn)波形后，要適當調(diào)節(jié)示波器的頻率檔和幅值檔檔，讓波形的幅值先盡量接近要求的幅值。待調(diào)好后，再調(diào)節(jié)電位器RP的組織。5.3 焊接與調(diào)試分析： 1. 電路板焊接時，排版沒排好，有許多交叉線，這樣會使低頻干擾很大，導(dǎo)致波形失真嚴重。 2. 焊接IC555時，發(fā)現(xiàn)難度比其他種類的芯片要大。因為其管腳功能比較復(fù)雜，且鋪線與設(shè)計意圖很難找到平衡點，所以耗費時間很多。 3. 在調(diào)試的時候，重點在于調(diào)試電位器。正弦波和三角波的出現(xiàn)頻率值要依靠用電位器調(diào)出方波來定位。一開始去測正弦波和三角波很

19、難調(diào)出，幾乎都是一條直線。但是將示波器的探針接觸方波的輸出端，很快就有了反應(yīng)（雖然失真很厲害）?？梢韵日{(diào)節(jié)示波器的頻率檔，使方波變得較為清楚。然后再調(diào)節(jié)電位器，調(diào)到適合位置，使波形在示波器里更加清晰。完成這一步驟后，再去測三角波和正弦波，就能測得到。為觀察幅值方便和使圖形穩(wěn)定，要適當調(diào)節(jié)幅值檔和頻率檔。 4. 如采用555振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質(zhì)量較差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點。由于實驗結(jié)果和實驗要求不是非常相符，發(fā)現(xiàn)可選擇更正確的設(shè)計方案，即選擇LM324，由于比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較

20、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是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。LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放互相獨立。運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反

21、向輸入端，表示輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同向輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 第六章 實驗結(jié)論 通過本次課程設(shè)計，懂得了如何采用IC555集成芯片，并用外界電容電阻來產(chǎn)生正弦波轉(zhuǎn)換成方波、在轉(zhuǎn)換成三角波。設(shè)計者使用IC555芯片產(chǎn)生波形通過電容形成方波，接著經(jīng)過兩個電阻分別出現(xiàn)三角波和正弦波，最后用在示波器上得出了三個波形的波形圖。當然，設(shè)計者也發(fā)現(xiàn)了比原計劃出更好波形的方法，學到了觸類旁通，舉一反三的科學方法。本次實驗確認了設(shè)計者的

22、方案可以發(fā)生三角波，方波以及正弦波的轉(zhuǎn)換。學會了低頻電子線路的一般設(shè)計方法，鍛煉了綜合應(yīng)用所學知識來指導(dǎo)實踐的能力，掌握最常用器件的識別、使用和測試，更加熟悉常用儀表，深刻理解了電路調(diào)試的基本方法，增強了自身的動手能力以及獨立思維方式，獲益匪淺，相信會對以后的學習起到巨大的推動作用。 總而言之，此次設(shè)計，不僅培養(yǎng)了自身的動手能力，體會到了成功帶來的喜悅，更懂得了團隊合作精神的重要性，相信會對今后的學習起到極大的促進作用，無論以后對學習還是工作都將是獲益匪淺的，值得回味。 第七章 設(shè)計心得與體會1 .本次課程設(shè)計，不僅大大提高了動手能力和實踐操作技能以及對設(shè)計的整個流程有了深刻了解，而且認識到了團隊合作的重要性。此外實驗設(shè)計的成功，提高了實際動手能力的自信心，明白了理論聯(lián)系實際的重要性。2 .這次課程設(shè)計，提高了動手、思考和解決問題的能力。 通過對電