波形發(fā)生器——模電課程設(shè)計

1、0000大學(xué)機電工程學(xué)院本科生課程設(shè)計課程： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)題目： 波形發(fā)生器 班級： 11111111111111 姓名： 111111 學(xué)號： 100000000 指導(dǎo)老師： 000000 完成日期： 2012.7.6 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計摘要波形發(fā)生器是用來產(chǎn)生一種或多種特定波形的裝置，這些波形通常有正弦波、方波、三角波、鋸齒波，等等。以前，人們常用 模擬電路來產(chǎn)生這種波形，其缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所產(chǎn)生的波 形種類有限。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，采用單片機電路產(chǎn)生各種 波形的方法已變的越來越普遍。雖然，可能產(chǎn)生的波形會呈微小 的階梯狀， 但是， 只要設(shè)計得當(dāng)， 這一問題可以得到一定的解決。

2、本設(shè)計使用的是555_virtual構(gòu)成的發(fā)生器,可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波等多種特殊波形和任意波形， 波形的頻率可用程序控制改變 本設(shè)計制作的波形發(fā)生器，可以輸出多種標(biāo)準波形，如方波、正弦波、三角 波、鋸齒波等。目錄1設(shè)計的目的及任務(wù)（4）11 課程設(shè)計的目的（4）12 課程設(shè)計的任務(wù)與要求（4）13 課程設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)（4）2 電路設(shè)計總方案及原理框圖（6）21 電路設(shè)計原理框圖（6）22 電路設(shè)計原理圖（6）23 方案設(shè)計（7）24 主要芯片介紹（7）3 各部分電路設(shè)計（9）3.1 系統(tǒng)的電路總圖(9)3.2 正弦波(9)3.3 方波產(chǎn)生電路(10)3.4 三角波(12)4 電

3、路仿真(14)4.1 Multisi(14)4.2 仿真電路(14)5 實驗結(jié)果(17)5.1 調(diào)試產(chǎn)生方波-三角波的電路(17)5.2 設(shè)計數(shù)據(jù)(17)6 設(shè)計總結(jié)(18)7 儀器儀表清單(20)1設(shè)計的目的及任務(wù)1.1課程設(shè)計的目的1.1.1利用所學(xué)微機的理論知識進行軟硬件整體設(shè)計， 鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際、 提高我們的綜合應(yīng)用能力。1.1.2本次課程設(shè)計是以微機為基礎(chǔ)，設(shè)計并開發(fā)能輸出多種波形（正 弦波、三角波、鋸齒波、方波、梯形波等）且頻率、幅度可變的函數(shù)發(fā)生器。1.1.3掌握各個接口芯片的功能特性及接口方法，并能運用其實現(xiàn)一個簡單的微機應(yīng)用系統(tǒng)功能器件。1.1.4在平時的學(xué)習(xí)中，我們所

4、學(xué)的知識大都是課本上的，在機房的練習(xí)大家 也都是分散的對各個章節(jié)的內(nèi)容進行練習(xí)。因此，缺乏一種系統(tǒng)的設(shè)計鍛煉。在課程所學(xué)結(jié)束以后，這樣的課程設(shè)計十分有助于學(xué)生的知識系統(tǒng)的總結(jié)到一起。1.1.5通過這幾個波形進行組合形成了一個函數(shù)發(fā)生器，使得我對系統(tǒng)的整個框架的設(shè)計有了一個很好的鍛煉。這不僅有助于大家找到自己感興趣的題目，更可以鍛煉大家微機知識的應(yīng)用。1.2設(shè)計任務(wù)和要求1.2.1設(shè)計要求：設(shè)計并仿真能產(chǎn)生方波、三角波及正弦波等多種波形信號輸出的波形發(fā)生器。輸出波形頻率范圍為0.02HZ20HZ且可連續(xù)調(diào)。各種波形幅值均連續(xù)可調(diào)。設(shè)計電路所需的直流電源。寫出設(shè)計報告1.2.2方案論證，確定總體電

5、路原理方框圖及原理圖。 1.2.3單元電路設(shè)計，元器件選擇。 1.2.4仿真調(diào)試及測量結(jié)果1.3設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)1.3.1 可實現(xiàn)正弦波，并且正弦波在信號頻率范圍20Hz20kHz 連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度較高。實現(xiàn)了方波，三角波，鋸齒波，并且信號幅度可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)1.3.2 各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)，方波占空比可調(diào)1.3.3 設(shè)計完成后可以利用示波器測量出其輸出頻率的上限和下限，還可以進一步測出其輸出電壓的范圍。2 電路設(shè)計總方案及原理圖2.1電路設(shè)計原理框圖RC振蕩電路積分電路方波三角波反相輸入的滯回比較器生成生成輸入積分電路輸入 圖1 2.2電路原理圖圖22.3方案設(shè)計2.3.1電

6、路設(shè)計：由RC橋式正弦波振蕩器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過滯回比較器輸出的方波經(jīng)過積分器積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)形成方波，然后經(jīng)過同相輸入遲滯比較器和充放電時間常數(shù)不等的積分器，共同組成鋸齒波電壓產(chǎn)生器電路。2.3.2.設(shè)計思路：課設(shè)需要各個波形的基本輸出。如輸出鋸齒波、三角波、方波。這些波形的實現(xiàn)的具體步驟：鋸齒波實現(xiàn)很簡單，只需要一開始定義一 個初值，然后不斷的加 1，當(dāng)溢出后又重初值開始加起，就這樣循環(huán)下去。三角波的實驗過程是先加后減，實現(xiàn)方法是先從 00H 開始加 1 直到溢出后就執(zhí)行減 1 操作，就這樣不斷調(diào)用這個循環(huán)。方波的實現(xiàn)方法是連續(xù)輸出一個數(shù)，到某個時候就改變一下值，

7、可以把值定義為正極性的，也可以是負極性。正弦波的實現(xiàn)是非常麻煩的。它的實現(xiàn)過程是通過定義一些數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行時直接輸出定義的 數(shù)據(jù)就可以了。通過 P1 口和開關(guān) K0-K4 相連接來控制各個波形的輸出。能根據(jù) k0-k5 鍵 狀態(tài)進行波形切換，開關(guān)鍵向上接“1” ，產(chǎn)生波形，向下拔接“0” ，無波形輸出。 如 K0 鍵向上拔，K1-K4 鍵向下拔，產(chǎn)生鋸齒波； K1 鍵向上拔，K0、K2-K4 鍵向下拔，產(chǎn)生三角波；以此類推。2.4主要芯片介紹2.4.1元件選型：555定時器。2.4.2主要芯片介紹：定時器介紹： 555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱

8、為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時器成本低，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)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓 V

9、CC /3 和 2VCC /3 555 定時器內(nèi)部方框圖 <555 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖> 555 電路的工作原理 555 電路的內(nèi)部電路方框圖。它含有兩個電壓比較器，一個基本 RS 觸發(fā)器，一個放電開關(guān) T，比較器的參考電壓由三只 5K 的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器 A1 同相比較端和低電平比較器 A2 的反相輸入端的參考電平為和 。A1 和 A2 的輸出端控制 RS 觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開時，觸發(fā)器復(fù)位，555 的輸出端 3 腳輸出時，觸發(fā)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自 2 腳輸入并低于器置位，555 的 3 腳輸出高電平，同時放電

10、，開關(guān)管截止。 是復(fù)位端，當(dāng)其為 0 時，555 輸出低電平。平時該端開路或接 VCC。 Vc 是控制電壓端（5 腳），平時輸出作為比較器 A1 的參考電平，當(dāng) 5 腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個 0.01uf 的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。 T 為放電管，當(dāng) T 導(dǎo)通時，將給接于腳 7 的電容器提供低阻放電電路。 3系統(tǒng)電路總圖及單元電路設(shè)計3.1系統(tǒng)的電路總圖:圖33.2正弦波在三角波電壓為固定頻率或頻變化很小的情況下，可以考慮用低通濾波（或帶通濾波）的方法將三角波變換為正弦波，輸入

11、電壓的頻率等于輸出電壓的頻率。將三角波按傅里葉級數(shù)展開 其中Um是三角波的幅值。電路如下圖4 圖4 3.3 方波產(chǎn)生電路根據(jù)本實驗的設(shè)計電路產(chǎn)生振蕩，通過RC電路和滯回比較器時將產(chǎn)生幅值約為12V的方波，因為穩(wěn)壓管選擇1N4742A（約12V）。電壓比較電路用于比較模擬輸入電壓與設(shè)定參考電壓的大小關(guān)系，比較的結(jié)果決定輸出是高電平還是低電平。滯回比較器主要用來將信號與零電位進行比較，以決定輸出電壓。圖3為一種滯回電壓比較器電路，雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，R3起限流作用，R2和R1構(gòu)成正反饋，運算放大器當(dāng)up>un時工作在正飽和區(qū)，而當(dāng)un>up時工作在負飽和區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入

12、電壓uin小于某一負值電壓時，輸出電壓uo= -UZ；當(dāng)輸入電壓uin大于某一電壓時，uo= +UZ。運算放大器在兩個飽和區(qū)翻轉(zhuǎn)時up=un=0，由此可確定出翻轉(zhuǎn)時的輸入電壓。up用uin和uo表示，有根據(jù)翻轉(zhuǎn)條件，令上式右方為零，得此時的輸入電壓Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖4所示。設(shè)輸入電壓初始值小于-Uth，此時uo= -UZ ；增大uin，當(dāng)uin=Uth時，運放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進入正飽和區(qū)。如果初始時刻運放工作在正飽和區(qū)，減小uin ，當(dāng)uin= -Uth時，運放則開始進入負飽和區(qū)。 圖5 滯回電壓比較器 如果給圖5所示電路輸入三角波電壓，其幅值大于Uth ，設(shè)t

13、 = 0時，uo= -UZ ，其輸出波形如圖6所示?？梢?，輸出為方波。圖6 方波波形3.4三角波發(fā)生電路給圖5所示的滯回電壓比較器級聯(lián)一積分電路，再將積分器的輸出作為比較器的輸入，如圖7所示。 圖7 方波三角波發(fā)生電路下面分析其振蕩周期。積分器輸出電壓從-Uth增加到+Uth所需的時間為振蕩周期T的一半，由積分器關(guān)系式或注意到，故振蕩頻率則為 圖8三角波發(fā)生電路的輸出4、仿真4.1仿真是通過Multisim軟件進行的。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)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

14、式，具有豐富的仿真分析能力。4.2仿真電路測試過程：圖94.2.1.仿真頻率為100HZ的方波和三角波的波形圖: （幅值足夠） 圖104.2.2.仿真頻率為1000HZ的方波和三角波的波形圖: 圖114.2.3 .仿真數(shù)據(jù)表項目三角波U1方波U2100HZ峰-峰值/V26.53926.4351000HZ峰-峰值/V27.55681.7635.實驗結(jié)果：5.1調(diào)試產(chǎn)生方波-三角波的電路：5.1.1接入電源后,用示波器進行雙蹤觀察圖8、9通過閉合開關(guān)選擇合適的電容使三角波的幅值和方波的頻率滿足指標(biāo)要求；5.1.2觀察示波器,波形穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。5.2設(shè)計數(shù)據(jù)：項目方波幅值輸出頻率f1輸出頻率f2理

15、論數(shù)據(jù)12V100HZ1000HZ仿真數(shù)據(jù)12.913V109HZ1000HZ實測數(shù)據(jù)11.573V103HZ991HZ6設(shè)計總結(jié)6.1總結(jié)、收獲與體會本次課程設(shè)計由于是個人獨立選定課題，所以在此過程的開始時基本上所有人都在自己獨立思考，同時又由于設(shè)計所采用的仿真和制板軟件Multisim和Altium Designer在此之前基本不是很熟悉，因此本次課程設(shè)計的前期多半是在摸索中前進，當(dāng)然付出中會有收獲，本次課程設(shè)計讓我弄懂了很多以前感覺模糊的東西，同時也帶給我成功的喜悅感，增加了我的自信心，當(dāng)我看到由我自己設(shè)計的東西由想法變成實物時，我的心里充滿了成功的喜悅感。回想起此次課程設(shè)計過程中經(jīng)歷的

16、種種困難，遇到不明白的問題時，與他人討論，請教老師的過程，所有的努力都指向一個明確的目標(biāo)-確保課程設(shè)計的成功，我真的很感動。此次課程設(shè)計不僅使我學(xué)會了不少東西，更讓我體會到人與人之間的溝通的樂趣，感謝此次課程設(shè)計過程中給予我們悉心指導(dǎo)的楊蜀秦和龍燕老師，同時也感謝班級的其他同學(xué)，正式由于和他們一起的努力使我成功完成了本次課程設(shè)計。本次模擬電子技術(shù)課程設(shè)計是第一次進行這樣的嘗試，為以后的畢業(yè)論文打基礎(chǔ)。 在老師指導(dǎo)下進行查閱資料、設(shè)計、安裝和調(diào)試模擬電路。通過這次課程設(shè)計,讓我懂得了設(shè)計一個電路是一個系統(tǒng),需要有理論基礎(chǔ)只是作為根基, 結(jié)合實際操作和動手才能更好的完成一個電路的設(shè)計.對于電路設(shè)計

17、需要有基礎(chǔ)知識，否則，設(shè)計出來的電路性能指標(biāo)跟要求相差甚遠。錯誤總會出現(xiàn)，電路設(shè)計需要一種能夠發(fā)現(xiàn)錯誤并改正錯誤的能力，這是十分重要的。它增強我們?nèi)绾芜\用理論知識和實際的調(diào)試的能力. 需要運用計算機技術(shù)對電路進行模擬調(diào)試，不斷改進電路。使其變得更加合理。7儀器儀表清單7.元器件選擇1通用型集成單運放LM741CN   電路所用的運放選用LM741CN,LM741CN的管腳圖如圖所示，其特點是電壓適應(yīng)范圍較寬，可在±5±18V范圍內(nèi)選用；具有很高的輸入共模、差模電壓，電壓范圍分別為±15V和±30V；內(nèi)含頻率補償和過載、短路保護電路；可通過外接電位器進行調(diào)零. 2穩(wěn)壓二極管雙穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓根據(jù)方波幅值選取，由設(shè)計要求可取12伏特的穩(wěn)壓二極管,本次試驗采用的1N4742A穩(wěn)壓二極管。3）電阻電阻R4根據(jù)雙穩(wěn)壓二極管的最大電流確定,此處可取10 kW，其他電阻分別有10K電阻，120K電阻和25K電阻。4）電容電容C根據(jù)振蕩頻率要