課設(shè),多種波形的產(chǎn)生

1、摘要如見(jiàn)大量的信息是加載在電信號(hào)上，我們想要了解這些電信號(hào)就從幾種最基本的電信開(kāi)始研究。多種波形的產(chǎn)生就是使用各種基本的電子元器件對(duì)電信號(hào)產(chǎn)生，運(yùn)算，處理等電路。555芯片是一個(gè)可以產(chǎn)生多諧振蕩的芯片，配合其他電子器件可以產(chǎn)生方波等。74LS74是以個(gè)有著四個(gè)雙D觸發(fā)器的芯片，我們可以把它連接為一個(gè)四分頻的電路；RC積分器就是使用電容的充放電對(duì)方波積分產(chǎn)生三角波；LM324是有四個(gè)運(yùn)放的芯片，我們可以使用這些運(yùn)放搭建低通濾波電路，和振蕩器產(chǎn)生正弦波。1選題背景這是一個(gè)信息時(shí)代，如今電子科技飛速發(fā)展，盡管未來(lái)量子通信以其優(yōu)良的保密性，是未來(lái)發(fā)展的方向。但是電子技術(shù)依然是這個(gè)時(shí)代的主題。信息的處理

2、就是對(duì)信號(hào)的處理。模擬信號(hào)是信號(hào)中最重要的組成部分。對(duì)模擬信號(hào)的處理就涉及各種電路的設(shè)計(jì)。溫度，壓力等，各種連續(xù)信號(hào)經(jīng)相應(yīng)的電子設(shè)備轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，對(duì)這些電信號(hào)的處理就是我們所做的。信號(hào)的產(chǎn)生就對(duì)我們的研究提供了很好的源頭。1.1指導(dǎo)思想方波，三角波，正弦波是很重要的波形，方波的產(chǎn)生可以有555芯片配合電阻電容產(chǎn)生，對(duì)方波的處理有分頻，積分等，可以生成其他頻率，形狀的波形。使用74LS74組成的四分頻電路，可以對(duì)輸入的信號(hào)的頻率進(jìn)行四分之一的變化。方波的積分就可以產(chǎn)生三角波。正弦波是自然界中最重要的波，我們已知任何周期波由傅里葉變換可以得到任何頻率的正弦波。1.2方案論證方案一：使用555芯

3、片產(chǎn)生方波，四分頻電路生成方波，RC積分電路對(duì)方波積分后產(chǎn)生三角波，使用有源低通濾波電路對(duì)方波濾波處理產(chǎn)生正弦波，最后用運(yùn)放構(gòu)建的正弦波振蕩電路產(chǎn)生250KHz。方案二：使用555芯片產(chǎn)生方波，四分頻電路生成方波，使用有源積分電路產(chǎn)生三角波，使用有源低通濾波電路產(chǎn)生正弦波，最后使用250KHz的帶通濾波電路對(duì)方波濾波就可以產(chǎn)生250KHz的正弦波。由于有源積分電路，和帶通電路在搭建的時(shí)候有一點(diǎn)的難度，站在簡(jiǎn)化電路的角度講，我們選擇第一方案。1.3基本設(shè)計(jì)任務(wù)首先是一個(gè)20KHz到50KHz的方波的產(chǎn)生，可以利用555產(chǎn)生一個(gè)脈沖的方波，再利用外接的電阻電容調(diào)節(jié)脈沖的頻率。1.4電路特點(diǎn)電路原理

4、簡(jiǎn)單明了，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。精度不是很高，但是抗干擾能力有所加強(qiáng)，2電路設(shè)計(jì)2.1總體方框圖方波5-10KHz方波20-50KHz74LS74四分頻R C積分電路555振蕩器三角波5-10KHz正弦波20-30KHz正弦波250KHz正弦振蕩電路低通濾波電路 圖2-1 總體方案框圖2.2工作原理如圖2-1所示，五種波形的產(chǎn)生的設(shè)計(jì)思路是：使用555芯片產(chǎn)生單諧振蕩的方波，由于此頻率是較高的頻率，而且和方波的頻率是四分之一關(guān)系，于是我們可以是用74LS74構(gòu)成的四分頻電路對(duì)方波進(jìn)行分頻處理就可以得到方波；從方波到三角波，由于其頻率是一致的，可以使用積分電路對(duì)方波進(jìn)行積分，就可以得到三角波。我們知道任

5、何周期函數(shù)都可以寫成許多頻率不同的正弦波的疊加。同樣，可以把一個(gè)周期信號(hào)分解為正弦信號(hào)。正弦波可以使用低通濾波器對(duì)方波進(jìn)行濾波。就可以得到全段頻率的正弦波。方波由于頻率太高，要是使用帶通太難實(shí)現(xiàn)，于是我們采用一個(gè)可以產(chǎn)生250KHz的振蕩器。經(jīng)過(guò)以上所有步驟就可以實(shí)現(xiàn)五種波形的產(chǎn)生。3各種主要電路及部件的工作原理3.1方波的產(chǎn)生：555振蕩電路圖3-1-1555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，用 互補(bǔ)金屬氧化物（CMOS ）工藝制作的稱為 7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬

6、，可在 4.5V-16V 工作，7555 可在 3-18V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。圖3-1-2 555電路產(chǎn)生方波工作原理：設(shè)電容的初始電壓 Uc ，t時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端Vth Vo <1/3cc，比較器1 輸出為高電平，輸出為低電平，即RD =0，S D = 1（1 表示高電位，0 表示低電位），R S 觸發(fā)器置，定時(shí)器輸出 u o=1此時(shí)Q = 1，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源VCC 經(jīng) R1 ， R2 向電容充電，Uc 逐漸升高。當(dāng)Uc 上升到1/3 Vcc 時(shí)， A2 輸出由翻

7、轉(zhuǎn)為，這時(shí)RD = SD = 0，R S 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t< t1 期間，定時(shí)器輸出 u0 為高電平。 t = t 1時(shí)刻， Uc 上升到2/3 Vcc ，比較器A1 的輸出由變?yōu)椋@時(shí)RD = 1， S D= 0，R S 觸發(fā)器復(fù)，定時(shí)器輸出 u0= 0。t 1< t < t2 期間，Q =0，放電三極管導(dǎo)通，電容通過(guò) R2 放電。VC 按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)VC< 2/3 VCC時(shí)比較器 A1 輸出由變?yōu)?，觸發(fā)器的RD =0, SD =0 ，的狀態(tài)不變， UO 的狀態(tài)仍為低電平。T=t2時(shí)刻，Vcc 下降到1/3 Vcc ，比較器 A2 輸出由1 變

8、為0，R-S 觸發(fā)器的RD = 0，S D= 1，觸發(fā)器處于1，定時(shí)器輸出UO =1。此時(shí)電源再次向電容C 放電，重復(fù)上述過(guò)程。1輸出信號(hào)時(shí)間參數(shù)：， ，振蕩頻率：占空比：3.2方波的產(chǎn)生：74LS74分頻電路圖3-3-174LS74中含有兩個(gè)獨(dú)立的D觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）復(fù)位輸入（）、時(shí)鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出（Q、/Q）。、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無(wú)關(guān)。當(dāng)、均無(wú)效（高電平式）時(shí)，符合建立時(shí)間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送到輸出端。圖3-2-2 四分頻電路產(chǎn)生方波74LS74是個(gè)雙D觸發(fā)器，把其中的一個(gè)D觸發(fā)器的Q非輸出端接到D輸入端，時(shí)鐘

9、信號(hào)輸入端CLOCK接時(shí)鐘輸入信號(hào)，這樣每來(lái)一次CLOCK脈沖，D觸發(fā)器的狀態(tài)就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次，每?jī)纱蜟LOCK脈沖就會(huì)使D觸發(fā)器輸出一個(gè)完整的正方波，這就實(shí)現(xiàn)了2分頻。把同一片74LS74上的兩路D觸發(fā)器串聯(lián)起來(lái)，其中一個(gè)D觸發(fā)器的輸出作為另一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，還可以實(shí)現(xiàn)4分頻。23.3三角波的產(chǎn)生：RC積分電路圖3-3-1 積分電路產(chǎn)生三角波積分電路定義輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的積分成正比的電路，稱為積分電路。積分電路原理從圖中可以看出，Uo=Uc=(1/C)icdt,因Ui=UR+Uo,當(dāng)t=to時(shí)，Uc=Oo.隨后C充電，由于RCTk,充電很慢，所以認(rèn)為Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,

10、故Uo=(1/c)icdt=(1/RC)icdt這就是輸出Uo正比于輸入U(xiǎn)i的積分（icdt）RC電路的積分條件：RCTk積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。電路原理很簡(jiǎn)單，都是基于電容的沖放電原理，這里就不詳細(xì)說(shuō)了，這里要提的是電路的時(shí)間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時(shí)間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。3.4正弦波的產(chǎn)生：低通濾波電路圖3-4-1LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC

11、1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。LM324系列是低成本的四路運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。在單電源應(yīng)用中，它們與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器類型相比具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。該四路放大器可以工作于低至3.0 V或高達(dá)32 V的電源電壓，靜態(tài)電流是MC1741的五分之一左右（每個(gè)放大器）。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因此在眾多應(yīng)用中無(wú)需外部偏置元器件。輸出電壓范圍也包括負(fù)電源電壓。圖3-4-2 低通濾波電路產(chǎn)生正弦波LM324是四運(yùn)放集成電路，每個(gè)運(yùn)放都是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放，采用共同的供電源。這是一個(gè)低通濾波電路，采用電位器可以對(duì)過(guò)濾的正弦波進(jìn)行調(diào)

12、整使之不會(huì)過(guò)分失真。3.5正弦波的產(chǎn)生：正弦振蕩器圖3-5 正弦振蕩器產(chǎn)生正弦波該振蕩電路的振蕩頻率是：選取相應(yīng)參數(shù)后可以實(shí)現(xiàn)250KHz的正弦波振蕩電路，產(chǎn)生正弦波。34原理總圖 圖4-1 電路原理總圖5元器件清單元件參數(shù)個(gè)數(shù)555174LS741LM3241電容1034電容1042電位器100K/10K/2K3電阻400/600/5K/1K/20K4，5，1，2，16調(diào)試過(guò)程及仿真結(jié)果6.1通電前的檢查首先通電之前我的仿真時(shí)可以出結(jié)果的，但是在把原理圖轉(zhuǎn)化為實(shí)物圖的時(shí)候我還是很小心翼翼地檢查每一根線路的導(dǎo)通情況，測(cè)量每個(gè)元器件的參數(shù)是否達(dá)到理論的要求，并盡可能的將誤差降到最小。首先是最基本

13、的電阻總是選取和理論最接近的。還有各種芯片，采用先焊底座，再插元器件的方法，即避免了焊接時(shí)的損壞，又使芯片可以更換。6.2通電檢查再就是加上5V電壓，并觀察沒(méi)有芯片發(fā)熱，電路也可以正常工作。于是就進(jìn)一步使用示波器來(lái)測(cè)試所要的波形。6.3結(jié)果分析圖6-3-1如圖6-3-1的對(duì)比結(jié)果我們可以看出，方波的結(jié)果還是比較讓人滿意的，但是還是不免有一點(diǎn)失真，在方波的峰值出現(xiàn)了一點(diǎn)小的抖動(dòng)?？赡苁俏业碾娐肥艿酵饨绲母蓴_引起的。也有可能是我的電路之間的信號(hào)相互影響造成的。圖6-3-2如圖6-3-2的結(jié)果。我們可以清楚的看出方波的頻率是方波的四分之一。記得在實(shí)際的電路中這里有比較大的波形抖動(dòng)，于是我還在這里加了

14、一個(gè)電容來(lái)減少這種誤差。讓人興奮的是這真的可以起作用。盡管仿真的是后不需要，但是在實(shí)際的應(yīng)用中可能有各種的影響。這就讓我們更能深入的知道一個(gè)電子器件的最基本作用。圖6-3-3圖6-3-3就是最基本的積分電路。由于我為了在實(shí)際的電路中簡(jiǎn)化電路，我使用了最簡(jiǎn)單的積分電路。但是這造成的影響就是仿真的結(jié)果有失真，如圖可以看出由于充放電時(shí)間的不合適，導(dǎo)致三角波的上升、下降不是一條直線，這就使結(jié)果發(fā)生了不如理想狀態(tài)的失真。但是在要求不高的情況下采用此電路可以很有效的簡(jiǎn)化電路。圖6-3-4圖6-3-4是一個(gè)又低通濾波后的產(chǎn)生的正弦波，這個(gè)電路是比較簡(jiǎn)單的幾乎沒(méi)有什么可以出的錯(cuò)誤。但是在實(shí)際的電路中為了使電路

15、方便調(diào)節(jié)我還是在電路中使用了一個(gè)電位器。在電路波形出現(xiàn)較大的失真的時(shí)候我們可以對(duì)其調(diào)節(jié)使產(chǎn)生的結(jié)果盡可能的保持正弦波圖6-3-5這是有一個(gè)振蕩器產(chǎn)生的正弦波?？梢钥闯龅氖钦也ǖ念l率是不可調(diào)的，但是這就導(dǎo)致了頻率有一點(diǎn)誤差。要是使用一個(gè)電位器就可以很好的彌補(bǔ)這一缺憾。7小結(jié)回望這次課程設(shè)計(jì)，從選題到我焊接成功再到調(diào)試出波形。我比較深刻的了解了555怎樣產(chǎn)生方波等很多的電路知識(shí)。在對(duì)電路焊接后的漫長(zhǎng)調(diào)試時(shí)間中我一步步的查找原因，改正線路，發(fā)現(xiàn)了不少的如連接不緊密造成的斷路，和引腳焊錯(cuò)的小問(wèn)題。更正之后使用示波器也出現(xiàn)了小小的問(wèn)題，我知道了在使用儀器的時(shí)候要提前檢查一下儀器是否可以正常工作的很多方

16、法。這在我以前的學(xué)習(xí)中是不可能遇到的，但是這就是課設(shè)的意義所在，將我們平常所學(xué)轉(zhuǎn)化我實(shí)際生產(chǎn)所需。記得在一次調(diào)試的時(shí)候，我的一個(gè)方波出現(xiàn)了失真，是在水平的地方有兩個(gè)小的毛刺。我調(diào)節(jié)每一個(gè)電位器對(duì)此進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是都沒(méi)有什么效果。當(dāng)我懷疑是否是因?yàn)橛型饨绲母蓴_造成的時(shí)候。旁邊的一個(gè)同學(xué)跟我說(shuō)，你可以試試往輸出加一個(gè)電容。我就加了一個(gè)，沒(méi)想到的是真的可以，失真明顯減少了?？梢钥闯龅氖俏姨嘈欧抡娴脑韴D，原理圖上沒(méi)有的元器件我是不會(huì)往電路上面加的，但是，這是一個(gè)錯(cuò)誤的想法。實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。8設(shè)計(jì)體會(huì)及今后改進(jìn)意見(jiàn)8.1體會(huì)漫長(zhǎng)的課設(shè)結(jié)束后，從仿真電路到我實(shí)際的焊接都要我自己親自完成。我感覺(jué)在實(shí)際

17、的電子設(shè)計(jì)中我們要學(xué)會(huì)活學(xué)活用，不能局限于仿真結(jié)果，比如善于利用電容的濾波特性。同時(shí)在實(shí)際的電路連接中不能完全相信仿真的結(jié)果。畢竟仿真是一個(gè)很理想的結(jié)果。在實(shí)際的焊接中也要善于檢查電路，在連接一處電路是就要趕緊檢查電路是否有虛焊，而且要細(xì)心一定不能因?yàn)榫€多而出現(xiàn)電線的連接錯(cuò)誤，這是致命的錯(cuò)誤，一定不可以出現(xiàn)。如果設(shè)計(jì)不合理就會(huì)出現(xiàn)在調(diào)試的過(guò)程中有很多問(wèn)題，有的是簡(jiǎn)單的短路，斷路，有的是電線的連接錯(cuò)誤，總之，這些錯(cuò)誤將為后來(lái)的調(diào)試產(chǎn)生很巨大的影響?？傊?jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的調(diào)試時(shí)間，以及各種的修改還是使得我的電路相對(duì)更加完善，每種波形的產(chǎn)生更加穩(wěn)定。這不僅鍛煉了我的動(dòng)手能力，還使得我的專業(yè)能力有了一定的加強(qiáng)

18、，更好的使用理論指導(dǎo)實(shí)踐。作為以電子為專業(yè)的學(xué)生，要求要以嚴(yán)格的技術(shù)要求，和堅(jiān)持不懈的創(chuàng)新精神，敢于面對(duì)問(wèn)題，并解決問(wèn)題，不怕失敗。在這次的課程設(shè)計(jì)讓我鍛煉了很強(qiáng)的動(dòng)手能力8.2本案例的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題電路的設(shè)計(jì)思路就是以最簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)最接近要有的波形，這一點(diǎn)我的電路就是很簡(jiǎn)單的，在有就是合理的器件布局，使得我的電路可以不用有任何交叉。讓電路簡(jiǎn)單方便檢查與調(diào)試。但是簡(jiǎn)單的電路必然就使得所產(chǎn)生的波形不是非常完美，并且在實(shí)際的電路真是這樣，仿真結(jié)果還是和理想的理論值有一點(diǎn)定的差距。而且性能不是很穩(wěn)定，比如每次加電之后測(cè)量波形的時(shí)候我都要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)才能輸出穩(wěn)定的波形。當(dāng)然這些缺點(diǎn)正是可以改進(jìn)的，并且隨著電路的進(jìn)一步完善，可以是我的電路的各種波形的輸出穩(wěn)定