數(shù)電波形發(fā)生課程設(shè)計報告

《電子技術(shù)》課程設(shè)計信號產(chǎn)生與變換電路的設(shè)計自動化12-2沈紅舉自動化12-2韓清乾摘要：波形產(chǎn)生電路是建立在模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)上的一個綜合設(shè)計性實驗，它是用555芯片和一片LM324芯片，以及各種電阻、電感、電容等基本元器件，從而設(shè)計制作成一個同時輸出方波、三角波、正弦基波、三次諧波的波形產(chǎn)生電路，其借助于計算機(jī)軟件multisim電路仿真以及面包板調(diào)試輸出來實現(xiàn)的。關(guān)鍵詞:555多諧振蕩器帶通濾波積分電路1、設(shè)計思路與整體框圖1.1設(shè)計思路首先我們想到的設(shè)計方案的思路是首先由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，即利用555與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器，來產(chǎn)生方波。然后剩下的三種波形，三角波、正弦波、三次諧波均是在方波的基礎(chǔ)之上做出來的。由555定時器組成的多諧振蕩器輸出的方波輸出后經(jīng)RC積分電路，從而輸出三角波，其基本原理是電容的充放電原理；采用RC低通濾波的方法將方波轉(zhuǎn)化為正弦波；再通過帶通濾波電路將方波轉(zhuǎn)換成三次正弦諧波，最后經(jīng)過放大器的放大作用可以得到我們想要幅值的波形就實現(xiàn)了整個電路的設(shè)計工作。1.2整體框圖積分電路555多諧振蕩方波產(chǎn)生電路積分電路555多諧振蕩方波產(chǎn)生電路低通濾波電路三角波正弦波帶通濾波電路三角波正弦波帶通濾波電路三次諧波三次諧波圖1信號產(chǎn)生與變換電路設(shè)計整體框圖2、硬件電路設(shè)計及工作原理2.1方波發(fā)生電路的設(shè)計與計算555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，即利用555與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器，來產(chǎn)生方波。用555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波電路如圖所示。VCCVCCOUTU1555_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIVCC5VR1510R3510R410kC11μFC21μFD11DH62D21DH62圖2方波發(fā)生電路接通電源后，電容C1被充電，當(dāng)電容C1上端電壓Vc升到2Vcc/3時使555第3腳V0為低電平，同時555內(nèi)放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C1通過R3放電，Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電所需的時間為：tpl=當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1、D1向電容器C1充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時間為：tph=當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。電路的工作波形如圖4，其震蕩頻率為：f=1因為需要得到方波，所以需要R1=R3才能得到輸出波形占空比q%把f=1KHZ,C1=1uf,代入上面的式子，可以得出R1、R2.2三角波發(fā)生電路的設(shè)計與計算在本設(shè)計方案中，我們的三角波是由方波經(jīng)過一個積分電路產(chǎn)生的，產(chǎn)生三角波后又經(jīng)過一個運算放大器電路將其放大。方波的產(chǎn)生原理在前面已經(jīng)說明過，故不再贅述。下面主要說明下由方波產(chǎn)生三角波的電路。（1）積分運算電路如圖所示。圖3積分運算電路由于“虛地”， uo+故：uo由于“虛斷”，i1故：ui得：u=-uc由以上原理設(shè)計出電路圖如下R5R51kR620kR71.0kR81.5kR940kC31μFU2ALM324AD321141VCC5V圖4三角波發(fā)生電路RC積分電路如圖所示。從圖中可以看出，積分電路也是R-C串聯(lián)電路，與微分電路相比，只是將R—C電路對調(diào)，即從電容C上取出電壓。時間常數(shù)τ遠(yuǎn)大于輸入矩形波的脈寬，即。積分電路是將矩形波變換成鋸齒波或三角波的波形變換電路2.3正弦波產(chǎn)生電路的設(shè)計與計算首先我們看下方波的傅里葉變換式方波函數(shù)表達(dá)式：f先把這個函數(shù)展開為三角級數(shù)，為此就要求出分量系數(shù)a和b。a0=2b因此，該非周期性方波在區(qū)間（0，T）內(nèi)可以表示為ft=圖5正弦基波發(fā)生電路綜合考慮我們設(shè)計了此方案，本方案采用的是RC二階低通濾波電路，低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過，但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。截止頻率為本實驗采用兩次濾波。RC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)是其中的重要的組成部分。如下圖所示的RC濾波電路中，它即可以通過直流信號，又可以通過交流信號它和RC串聯(lián)電路有著同樣的轉(zhuǎn)折頻率f0=12πR10C5,當(dāng)輸入信號頻率小于f2.4三次正弦波產(chǎn)生電路的設(shè)計與計算由方波的傅里葉變換式，我們可以看出方波里面含有正弦基波以及三次、五次等高次諧波，所以為了得到正弦三次諧波，我們通過濾波的方式來得到正弦波三次諧波分量。我們用從555振蕩發(fā)生器輸出的方波來作為相應(yīng)的輸入，經(jīng)過相應(yīng)的濾波器來得到三次諧波的正弦分量，其原理電路圖見下圖R13R1310kR1410kC8100nFU3ALM324AD321141VCC5VR15300kR121C9100nFR16100kC100.1μFC30.01μF圖6三次諧波發(fā)生電路本設(shè)計當(dāng)中我們主要運用到的是濾波的方法，在方波電壓為固定頻率或頻率變化范圍很小的情況下。根據(jù)原理可知，低通濾波器的通帶截止頻率應(yīng)大于方波的基波頻率并且一定要小于方波的五次諧波的頻率，我們就是根據(jù)這個原理來對三次諧波分量進(jìn)行濾出的。原理圖是負(fù)反饋二階有源帶通濾波器

，它使用單個通用運算放大器（通用運放）接成單電源供電模式，易于實現(xiàn)。它的上限截止頻率和下限截止頻率可以非常近，具有非常很強(qiáng)的頻率選擇性。令C8=C9=C，Req是R16和R12并聯(lián)的值。品質(zhì)因數(shù)Q等于中心頻率除以帶寬，Q=ff其中RQ=由方波的傅里葉變換式可以知道，三次諧波頻率為基波的三倍，五次諧波頻率是基波的五倍，所以我們選擇的帶通濾波需要濾掉基波和五次諧波，也就是選帶通濾波的中心頻率為三次諧波的頻率3000HZ，通帶下限大于基波頻率，上限小于五次諧波頻率，我們可以選帶寬為10HZ，增益為1.5。由此代入2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4可以得出，參數(shù)R3．電路仿真結(jié)果分析經(jīng)過多次調(diào)試與實驗得到了下面的仿真結(jié)果，總體效果很不錯?？梢钥闯鰪纳舷蛳乱来问欠讲ā⒄胰沃C波、三角波、正弦基波，且頻率關(guān)系為1:1:1:3.符合理論值。圖7波形仿真圖4．電路實驗結(jié)果分析U1555_TIMER_RATEDVCC5VR1510?R3510?R410k?C11μFC21μFXSC1D11DH62D21DH62R51k?R620k?R71.0k?R81.5k?R940k?C31μFU2ALM324ADVCC5VC51μFC61μFR10400?R11400?R1310k?R1410k?C8100nFU3ALM324ADVCC5VR15300k?R121?C9100nFR16100k?C100.1μFC40.01μF圖8整體電路設(shè)計圖雖然仿真效果出來了，但是由于計算理論值時考慮不夠全面有些元件還是不太容易找，不得已用近似的元件代替，造成了實際值與理論值得一些差別。這次課程設(shè)計讓我們深深的認(rèn)識到，理論基礎(chǔ)是多么的重要。當(dāng)我們都口中埋怨著當(dāng)