波形发生器——模电课程设计.doc

0000大学机电工程学院本科生课程设计课程： 模拟电子技术基础题目： 波形发生器 班级： 11111111111111 姓名： 111111 学号： 100000000 指导老师： 000000 完成日期： 2012.7.6 模拟电子技术课程设计摘要波形发生器是用来产生一种或多种特定波形的装置，这些波形通常有正弦波、方波、三角波、锯齿波，等等。以前，人们常用 模拟电路来产生这种波形，其缺点是电路结构复杂，所产生的波 形种类有限。随着单片机技术的发展，采用单片机电路产生各种 波形的方法已变的越来越普遍。虽然，可能产生的波形会呈微小 的阶梯状， 但是， 只要设计得当， 这一问题可以得到一定的解决。本设计使用的是555_virtual构成的发生器,可产生三角波、方波、正弦波等多种特殊波形和任意波形， 波形的频率可用程序控制改变本设计制作的波形发生器，可以输出多种标准波形，如方波、正弦波、三角 波、锯齿波等。目录1设计的目的及任务（4）11 课程设计的目的（4）12 课程设计的任务与要求（4）13 课程设计的技术指标（4）2 电路设计总方案及原理框图（6）21 电路设计原理框图（6）22 电路设计原理图（6）23 方案设计（7）24 主要芯片介绍（7）3 各部分电路设计（9）3.1 系统的电路总图(9)3.2 正弦波(9)3.3 方波产生电路(10)3.4 三角波(12)4 电路仿真(14)4.1 Multisi(14)4.2 仿真电路(14)5 实验结果(17)5.1 调试产生方波-三角波的电路(17)5.2 设计数据(17)6 设计总结(18)7 仪器仪表清单(20)1设计的目的及任务1.1课程设计的目的1.1.1利用所学微机的理论知识进行软硬件整体设计， 锻炼学生理论联系实际、 提高我们的综合应用能力。1.1.2本次课程设计是以微机为基础，设计并开发能输出多种波形（正 弦波、三角波、锯齿波、方波、梯形波等）且频率、幅度可变的函数发生器。1.1.3掌握各个接口芯片的功能特性及接口方法，并能运用其实现一个简单的微机应用系统功能器件。1.1.4在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的练习大家 也都是分散的对各个章节的内容进行练习。因此，缺乏一种系统的设计锻炼。在课程所学结束以后，这样的课程设计十分有助于学生的知识系统的总结到一起。1.1.5通过这几个波形进行组合形成了一个函数发生器，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。这不仅有助于大家找到自己感兴趣的题目，更可以锻炼大家微机知识的应用。1.2设计任务和要求1.2.1设计要求：设计并仿真能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。输出波形频率范围为0.02HZ20HZ且可连续调。各种波形幅值均连续可调。设计电路所需的直流电源。写出设计报告1.2.2方案论证，确定总体电路原理方框图及原理图。 1.2.3单元电路设计，元器件选择。 1.2.4仿真调试及测量结果1.3设计的技术指标1.3.1 可实现正弦波，并且正弦波在信号频率范围20Hz20kHz 连续可调；频率稳定度较高。实现了方波，三角波，锯齿波，并且信号幅度可以在一定范围内连续可调1.3.2 各种输出波形幅值均连续可调，方波占空比可调1.3.3 设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限，还可以进一步测出其输出电压的范围。2 电路设计总方案及原理图2.1电路设计原理框图RC振荡电路积分电路方波三角波反相输入的滞回比较器生成生成输入积分电路输入 图1 2.2电路原理图图22.3方案设计2.3.1电路设计：由RC桥式正弦波振荡器产生正弦波，经过滞回比较器输出的方波经过积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，然后经过同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分器，共同组成锯齿波电压产生器电路。2.3.2.设计思路：课设需要各个波形的基本输出。如输出锯齿波、三角波、方波。这些波形的实现的具体步骤：锯齿波实现很简单，只需要一开始定义一 个初值，然后不断的加 1，当溢出后又重初值开始加起，就这样循环下去。三角波的实验过程是先加后减，实现方法是先从 00H 开始加 1 直到溢出后就执行减 1 操作，就这样不断调用这个循环。方波的实现方法是连续输出一个数，到某个时候就改变一下值，可以把值定义为正极性的，也可以是负极性。正弦波的实现是非常麻烦的。它的实现过程是通过定义一些数据，然后执行时直接输出定义的 数据就可以了。通过 P1 口和开关 K0-K4 相连接来控制各个波形的输出。能根据 k0-k5 键 状态进行波形切换，开关键向上接“1” ，产生波形，向下拔接“0” ，无波形输出。 如 K0 键向上拔，K1-K4 键向下拔，产生锯齿波； K1 键向上拔，K0、K2-K4 键向下拔，产生三角波；以此类推。2.4主要芯片介绍2.4.1元件选型：555定时器。2.4.2主要芯片介绍：定时器介绍： 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器 及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器内部方框图 555 电路的工作原理 555 电路的内部电路方框图。它含有两个电压比较器，一个基本 RS 触发器，一个放电开关 T，比较器的参考电压由三只 5K 的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器 A1 同相比较端和低电平比较器 A2 的反相输入端的参考电平为和 。A1 和 A2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开时，触发器复位，555 的输出端 3 脚输出时，触发关状态。当输入信号输入并超过低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2 脚输入并低于器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路或接 VCC。 Vc 是控制电压端（5 脚），平时输出作为比较器 A1 的参考电平，当 5 脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个 0.01uf 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 T 为放电管，当 T 导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电电路。 3系统电路总图及单元电路设计3.1系统的电路总图:图33.2正弦波在三角波电压为固定频率或频变化很小的情况下，可以考虑用低通滤波（或带通滤波）的方法将三角波变换为正弦波，输入电压的频率等于输出电压的频率。将三角波按傅里叶级数展开 其中Um是三角波的幅值。电路如下图4 图4 3.3 方波产生电路根据本实验的设计电路产生振荡，通过RC电路和滞回比较器时将产生幅值约为12V的方波，因为稳压管选择1N4742A（约12V）。电压比较电路用于比较模拟输入电压与设定参考电压的大小关系，比较的结果决定输出是高电平还是低电平。滞回比较器主要用来将信号与零电位进行比较，以决定输出电压。图3为一种滞回电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R3起限流作用，R2和R1构成正反馈，运算放大器当upun时工作在正饱和区，而当unup时工作在负饱和区。从电路结构可知，当输入电压uin小于某一负值电压时，输出电压uo= -UZ；当输入电压uin大于某一电压时，uo= +UZ。运算放大器在两个饱和区翻转时up=un=0，由此可确定出翻转时的输入电压。up用uin和uo表示，有根据翻转条件，令上式右方为零，得此时的输入电压Uth称为阈值电压。滞回电压比较器的直流传递特性如图4所示。设输入电压初始值小于-Uth，此时uo= -UZ ；增大uin，当uin=Uth时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小uin ，当uin= -Uth时，运放则开始进入负饱和区。 图5 滞回电压比较器 如果给图5所示电路输入三角波电压，其幅值大于Uth ，设t = 0时，uo= -UZ ，其输出波形如图6所示。可见，输出为方波。图6 方波波形3.4三角波发生电路给图5所示的滞回电压比较器级联一积分电路，再将积分器的输出作为比较器的输入，如图7所示。 图7 方波三角波发生电路下面分析其振荡周期。积分器输出电压从-Uth增加到+Uth所需的时间为振荡周期T的一半，由积分器关系式或注意到，故振荡频率则为 图8三角波发生电路的输出4、仿真4.1仿真是通过Multisim软件进行的。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。4.2仿真电路测试过程：图94.2.1.仿真频率为100HZ的方波和三角波的波形图: （幅值足够） 图104.2.2.仿真频率为1000HZ的方波和三角波的波形图: 图114.2.3 .仿真数据表项目三角波U1方波U2100HZ峰-峰值/V26.53926.4351000HZ峰-峰值/V27.55681.7635.实验结果：5.1调试产生方波-三角波的电路：5.1.1接入电源后,用示波器进行双踪观察图8、9通过闭合开关选择合适的电容使三角波的幅值和方波的频率满足指标要求；5.1.2观察示波器,波形稳定后记录数据。5.2设计数据：项目方波幅值输出频率f1输出频率f2理论数据12V100HZ1000HZ仿真数据12.913V109HZ1000HZ实测数据11.573V103HZ991HZ6设计总结6.1总结、收获与体会本次课程设计由于是个人独立选定课题，所以在此过程的开始时基本上所有人都在自己独立思考，同时又由于设计所采用的仿真和制板软件Multisim和Altium Designer在此之前基本不是很熟悉，因此本次课程设计的前期多半是在摸索中前进，当然付出中会有收获，本次课程设计让我弄懂了很多以前感觉模糊的东西，同时也带给我成功的喜悦感，增加了我的自信心，当我看到由我自己设计的东西由想法变成实物时，我的心里充满了成功的喜悦感。回想起此次课程设计过程中经历的种种困难，遇到不明白的问题时，与他人讨论，请教老师的过程，所有的努力都指向一个明确的目标-确保课程设计的成功，我真的很感动。此次课程设计不仅使我学会了不少东西，更让我体会到人与人之间的沟通的乐趣，感谢此次课程设计过程中给予我们悉心指导的杨蜀秦和龙燕老师，同时也感谢班级的其他同学，正式由于和他们一起的努力使我成功完成了本次课程设计。本次模拟电子技术课程设计是第一次进行这样的尝试，为以后的毕业论文打基础。 在老师指导下进行查阅资料、设计、安装和调试模拟电路。通过这次课程设计,让我懂得了设计一个电路是一个系统,需要有理论基础只是作为根基, 结合实际操作和动手才能更好的完成一个电路的设计.对于电路设计需要有基础知识，否则，设计出来的电路性能指标跟要求相差甚远。错误总会出现，电路设计需要一种能够发现错误并改正错误的能力，这是十分重要的。它增强我们如何运用理论知识和实际的调试的能力. 需要运用计算机技术对电路进行模拟调试，不断改进电路。使其变得更加合理。7仪器仪表清单7.元器件选择1通用型集成单运放LM741CN电路所用的运放选用LM741CN,LM741CN的管脚图如图所示，其特点是电压适应范围较宽，可在518V范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为15V和30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外接电位器进行调零. 2稳压二极管双稳压二极管的稳定电压根据方波幅值选取，由设计要求可取12伏特的稳压二极管,本次试验采用的1N4742A稳压二极管。3）电阻电阻R4根据双稳压二极管的最大电流确定,此处可取10 kW，其他电阻分别有10K电阻，120K电阻和25K电阻。4）电容电容C根据振荡频率要求确定，