方波的產(chǎn)生及波形變換

1、常熟理工學院電氣與自動化工程學院課程設計常熟理工學院電氣與自動化工程學院課程設計說明書課程名稱： 電子技術(shù)課程設計 設計題目： 方波的產(chǎn)生及波形變換 班級： 姓名： 學號： 指導老師： 設計時間： 2014年1月12日 電氣與自動化工程學院課程設計評分表課程設計題目： 方波的產(chǎn)生及波形變換 班級： 學號： 姓名： 項目評分比例得分課程設計出勤10% 課程設計態(tài)度20%課程設計報告40%課程設計答辯30%課程設計總成績指導老師： 2014 年 1 月 日目錄課程設計任務書。4第一章信號發(fā)生器的總體設計。.。51.1設計思路。5第二章波形電路。62.1方波發(fā)生電路的工作原理。62.2三角波波發(fā)生電

2、路的工作原理，82.3正弦波波發(fā)生電路的工作原理，82.4波形產(chǎn)生總體結(jié)構(gòu)圖，9第三章仿真.。113.1仿真圖，113.2仿真結(jié)果分析，12第四章收獲和體會。15第五章參考文獻.。16電子技術(shù)課程設計任務書課題名稱 方波產(chǎn)生和波形變換電路一、設計目的1.了解集成運放電路的組成和使用；2.了解集成運放幾種典型應用電路的工作原理；3.掌握利用運算放大器設計方波產(chǎn)生電路、波形變換電路和調(diào)試的方法。二、設計內(nèi)容與要求1.利用多個運算放大器設計一個方波產(chǎn)生和波形變換電路；2.對產(chǎn)生的方波信號的幅度和頻率不做統(tǒng)一規(guī)定，請自行設計，產(chǎn)生的方波信號經(jīng)積分電路得到三角波，再對三角波進行有源低通濾波，最終得到正弦

3、波；3.電路工作電源為±12V；4.畫出電路圖，寫出完整的報告；5.用面包板搭出電路，并調(diào)試之。三、總體方案參考 四、設計報告內(nèi)容要求1.寫出你考慮該問題的基本設計思路，畫出一個實現(xiàn)電路功能的大致框圖。2.畫出框圖中的各部分電路，只允許采用運放芯片實現(xiàn)方波產(chǎn)生、波形變換和低通濾波。對各部分電路的工作原理應作出說明。3.畫出整個設計電路的原理電路圖，并簡要地說明電路的工作原理。4.評分依據(jù)：設計思路；單元電路正確與否；整體電路是否完整；電路原理說明是否基本正確；報告是否清晰；答辯過程中回答問題是否基本正確。五、課程設計說明書的格式1評分表2封面3目錄4正文（1）課程設計任務書；（2）總

4、體設計方案（畫出一個實現(xiàn)電路功能的大致框圖）；（3）單元電路（各組成部分電路）設計及其原理說明；（4）元器件的選擇及其相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)、參數(shù)的計算；（5）總體電路原理圖及整個電路的工作原理。5課程設計中的收獲和體會6參考文獻第一章信號發(fā)生器的總體設計1.1設計思路信號發(fā)生器一般由一個電路產(chǎn)生方波或者正弦波，通過波形變換得到其他幾種波形?？紤]到RC震蕩產(chǎn)生正弦波的頻率調(diào)節(jié)不方便且可調(diào)頻率范圍較窄，本設計采用先產(chǎn)生方波，后變換得到其他幾種波形的設計思路。采用555組成的多諧振蕩器可以在接通電源后自行產(chǎn)生矩形波，再通過積分電路將矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣?，再?jīng)積分網(wǎng)絡轉(zhuǎn)變?yōu)檎也?。其結(jié)構(gòu)框圖如下圖1-1所示多諧

5、振蕩器方波三角波正弦波積分器低通濾波圖1-1波形變換結(jié)構(gòu)框圖而要實現(xiàn)這一功能，需要Multisim軟件來協(xié)助繪圖，Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程，本次設計使用Multisim進行仿真觀看波形。第二章波形電路2.1方波發(fā)生電路的工作原理555定時器是一種數(shù)字電路與模

6、擬電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與555定時器是一種數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。 555定時器產(chǎn)品有TTL型和CMOS型兩類。TTL型產(chǎn)品型號的最后三位都是555，CMOS型產(chǎn)品的最后四位都是7555，它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。它由三個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電晶體管T、與非門和反相器

7、組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示圖2-1 555定時器結(jié)構(gòu)圖分壓器為兩個電壓比較器C1、C2提供參考電壓。如5端懸空（也可對地接上0.01uF左右的濾波電容），則比較器C1的參考電壓為，加在同相端，C2的參考電壓為，加在反相端。u11是比較器C1的信號輸入端，稱為閾值輸入端；u12是比較器C2的信號輸入端，稱為觸發(fā)輸入端。RD 是直接復位輸入端。當RD 為低電平時，基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管T導通，輸出端u0為低電平。u11和u12分別為6端和2端的輸入電壓。當u11>，u12> 時，C1輸出為低電平，C2輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管T導通，輸出端u0為低電平。當u11

8、<，u12< 時，C1輸出為高電平，C2輸出為低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，晶體管T截止，輸出端u0為高電平。當u11<2/3Ucc，u12>1/3Ucc 時，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。接通電源后，電容C2被充電，當V c上升到時，使V0為低電平放電三極管T導通，此時電容C2通過R3.R7.T放電，V c下降。當V c下降到時，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。放電結(jié)束時，T截止，Vcc通過R2R3RPC2向電容C2充電，當V c從上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復始，在輸出端得到一個周期性的矩形波。其多諧振蕩電路如圖2-2所示 圖2-2555定時器組成的多諧

9、振蕩器 電容C2放電所需的時間為：Tpl=(R3+RP)C22 電容C2充電所需的時間為：Tph=(R3+R2+RP)C22 占空比= 振蕩頻率f= 波形圖大致如圖2-3所示圖 圖2-3多諧振蕩器波形 2.2積分發(fā)生電路的工作原理 積分電路主要用于波形變換、放大電路失調(diào)電壓的消除及反饋控制中的積分補償?shù)葓龊稀ｋ娐返臅r間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示圖2-4積分電路結(jié)構(gòu)圖Uo=Uc=(1/C)icdt,因Ui=UR+Uo,當t=to時，Uc=Oo.隨后C充電，由于RCTk，充電很慢，所以認為Ui=UR=Ric,即ic=U

10、i/R,故Uo=(1/c)icdt=(1/RC)Uidt這就是輸出Uo正比于輸入Ui的積分（Uidt），RC電路的積分條件：RCTk當輸入信號為方波時，積分電路的輸出為三角波。2.3有源低通濾波器所謂的低通濾波器就是允許低頻信號通過，而將高頻信號衰減的電路，RC低通濾波器電路的組成如圖2-5所示。圖2-5有源低通濾波三角波可以分解成由無數(shù)不同頻率的正弦波組成的復合波。當輸入信號為三角波時，用低通濾波器將其高頻成分濾掉后，波形將不再有尖頂部分，波形變得圓滑，從而變成類正弦波。圖中的相位移動是由于RC網(wǎng)絡成感性引起的。電壓放大倍數(shù)令 ，則 R C低通電路的頻響特性 的模和幅角為RC低通電路的幅頻特

11、性 RC低通電路的相頻特性2.4波形產(chǎn)生總體結(jié)構(gòu)圖波形通過示波器顯示，波形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示圖2-6波形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖第三章仿真3.1波形圖3-1-1將周期調(diào)整為10ms，幅值為10V，方波的產(chǎn)生仿真圖如圖3-1所示圖3-1方波的仿真圖3-1-2經(jīng)積分電路變換的三角波，周期為20ms,幅值為10V，其仿真圖如圖3-2所示圖3-2三角波的仿真圖3-1-3經(jīng)有源低通濾波電路的正弦波調(diào)節(jié)周期為5ms，幅值為5V，仿真圖如圖3-3所示圖3-3正弦波的仿真圖3.2仿真結(jié)果分析測量的結(jié)果如下：仿真波形周期峰峰值方波10.0ms10.0V三角波20.0ms10.0V正弦波5.0ms5.0V計算的結(jié)果如下：

12、仿真波形周期峰峰值方波10.5ms9.8V三角波20.3ms10.2 V正弦波5.6ms4.8V誤差分析 1.測量時直流電源引起的誤差 在MULTISIM仿真過程中，直流電源VCC接的是5V，而實際中的電源并不是準確的+5v。2.元器件誤差 在選擇元器件時，沒有適宜的阻值元器件電位器，用近似阻值的的電位器代替，從理論上講，這樣的調(diào)整會加大頻率的可調(diào)范圍。 在MULTISIM上仿真時，各種元器件的值都是按標準值計算的，而在實際的測量中，各種元器件的值都與標準值有出入。3.焊接時導線引起的誤差 在電路焊接的過程中，焊點、導線等也存在著不可避免的誤差4.測量是各種儀器儀表引起的誤差5.人為誤差缺陷：

13、在實驗測量波形圖發(fā)現(xiàn)測得的正弦波很不明顯，波形頻率的可調(diào)范圍小，誤差較大。正弦波不明顯的可能原因：因為此電路中的正弦波是從三角波經(jīng)低通濾波器而來，由傅里葉變換將三角波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷骷罢也ǜ鞔沃C波的形式經(jīng)過R5.C6組成的低通濾波器輸出來，可能含有多次諧波，使所得的正弦波失真，所以要改善正弦波，可以考慮改電容的大小使其他諧波的影響降低。波形頻率的可調(diào)范圍小的原因:在本實驗的電路圖中電位器RP的最大值是20K，而R2有62K所以波形的頻率為f= f=由該式子可知RP對整個電路的頻率影響不大，所以要想擴大頻率范圍可以嘗試加大RP的阻值。誤差較大的原因：根據(jù)上述實驗誤差分析最后輸出的波形應是每階段誤差的

14、疊加，要減少誤差，應該采用比較精確的儀器，而且本實驗的設計也存在不妥之處，用三角波積分轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄔ诶硐霠顟B(tài)下也是一個近似值，而在實驗過程中存在很多的干擾及試驗中的累積性誤差，是得到的波形存在較大的失真。還有很多影響的因素在實驗之前沒有考慮到。第四章收獲和體會經(jīng)過這些天的課程設計我明白課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗和綜合，而且也是對自己能力的一種提高。這次課程設計我了解到自己原來知識還比較欠缺。要學習的東西還很多，學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。在設計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，吸取

15、了很多精華，陶冶了自己的情操。雖然設計過程中遇到了很多的問題，比如設計的電路圖不出波形，或者波形不規(guī)則，沒有適合的阻值等等，但是在身邊的同學幫助下都一一解決了，當自己明白了之后有一種很自豪的感覺和無比的喜悅。設計是對學習知識的運用和個人自己的能力的全面體現(xiàn)，體現(xiàn)了一個人學以致用的能力。只有在真正的運用中才能更好的掌握知識，這樣的學習才會有效率，才能長久的記憶。此次設計培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功的 喜悅。第五章參考文獻1 童詩白、華成英清華大學電子學教研組編模擬電子技術(shù)基礎，高等教育出版社，2000 2 王立欣，楊春玲主編.電子技術(shù)實驗與課程設計M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.98-993 李萬臣主編. 模擬電子技術(shù)基礎與課程設計.哈爾濱工程大學出版社，20014陶桓奇，張小華，彭其勝主編.模擬電子技術(shù)M. 武漢：華中科技大學出版社，2007.170-2305 何寶祥，朱正偉，劉訓飛，儲開斌主編.模擬電路及其應用M.北京：清華大學出版社，2008.104-