方波产生与波形变换电路

1、电气与自动化工程学院课程设计评分表电气与自动化工程学院课程设计评分表课程设计题目： 方波产生与波形变换电路 班级： 学号： 姓名： 项目评分比例得分课程设计出勤10% 课程设计态度20%课程设计报告40%课程设计答辩30%课程设计总成绩指导老师： 2013 年 1 月 日1常熟理工学院电气与自动化工程学院常熟理工学院电气与自动化工程学院课程设计说明书课程设计说明书课程名称： 电子技术课程设计 设计题目： 方波产生与波形变换电路 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 设计时间： 2目录目录 1 电子技术课程设计任务书 .32 总体设计方案.52.1 方波产生电路的方案选择 .52.2 方波三角波转

2、换电路的方案选择 .62.3 三角波正弦波转换电路的方案选择 .63 各组成部分的设计及其原理.73.1 方波发生电路的设计及其原理 .73.2 方波-三角波转换电路的设计及其原理 .83.3 三角波-正弦波转换电路的设计及其原理 .94 元器件的选择及相关数据、参数的计算.105 总体电路原理图及整个电路的工作原理.116 电路仿真图及其工作波形.126.1 方波产生电路仿真图及波形 .126.2 总电路仿真图及波形 .137 收获和体会.168 参考文献.1731 电子技术课程设计任务书电子技术课程设计任务书课题名称：方波产生和波形变换电路课题名称：方波产生和波形变换电路1.1 设计目的设

3、计目的1.1.1 了解集成运放电路的组成和使用；1.1.2 了解集成运放几种典型应用电路的工作原理；1.1.3 掌握利用运算放大器设计方波产生电路、波形变换电路和调试的方法。1.2 设计内容与要求设计内容与要求1.2.1 利用多个运算放大器设计一个方波产生和波形变换电路；1.2.2 对产生的方波信号的幅度和频率不做统一规定，请自行设计，产生的方波信号经积分电路得到三角波，再对三角波进行有源低通滤波，最终得到正弦波；1.2.3 电路工作电源为12V；1.2.4 画出电路图，写出完整的报告；1.2.5 用面包板搭出电路，并调试之。1.3 总体方案参考总体方案参考 方波产生电路低通滤波电路示波器显示

4、积分电路1.4. 设计报告内容要求设计报告内容要求1.4.1 写出你考虑该问题的基本设计思路，画出一个实现电路功能的大致框图。1.4.2.画出框图中的各部分电路，只允许采用运放芯片实现方波产生、波形变换和低通滤波。对各部分电路的工作原理应作出说明。1.4.3.画出整个设计电路的原理电路图，并简要地说明电路的工作原理。1.4.4.评分依据：设计思路；单元电路正确与否；整体电路是否完整；4电路原理说明是否基本正确；报告是否清晰；答辩过程中回答问题是否基本正确。1.5. 课程设计说明书的格式课程设计说明书的格式1.5.1 评分表1.5.2 封面1.5.3 目录1.5.4 正文（1）课程设计任务书；（

5、2）总体设计方案（画出一个实现电路功能的大致框图） ；（3）单元电路（各组成部分电路）设计及其原理说明；（4）元器件的选择及其相关技术数据、参数的计算；（5）总体电路原理图及整个电路的工作原理。1.5.5 课程设计中的收获和体会1.5.6 参考文献52 总体设计方案总体设计方案完成方波产生和波形变换的电路设计。首先，设计一方波发生电路产生方波，然后，产生的方波通过方波三角波转换电路转换为三角波，其次产生的三角波通过三角波正弦波转换电路转换为正弦波，并通过示波器显示出来。实现电路功能的大致框图如下：方波产生电路方波三角波转换电路三角波正弦波转换电路示波器显示图 2-1 总体设计框图2.1 方波产

6、生电路的方案选择方波产生电路的方案选择方波产生电路有以下两种方案可供选择：方案一：由电压（滞回）比较器及其外围电路组成的方波产生电路。滞回比较器又称施密特触发器，这种比较器的特点是当输入信号 ui 逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。方案二：由 555 定时器及其外围电路组成的方波产生电路。555 定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，它的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为 V

7、CC /3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于 VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。6将方案一与方案二对比后，我选择了方案二，即由 555 定时器组成的方波产生电路。之所以选择方案二，是因为 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脉冲产生与变换电路，在实际电路实验中易于满足要求。2.22.2 方波方波三角波转换电路的方案选择三角

8、波转换电路的方案选择方波三角波转换电路，我就采用了 RC 积分电路，此电路简单实用，在电路设计中易于实现、满足要求。2.32.3 三角波三角波正弦波转换电路的方案选择正弦波转换电路的方案选择三角波正弦波转换电路有以下两种方案可供选择：方案一：由差分放大电路组成的三角波正弦波转换电路，差分放大电路具有工作稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，特别是作为直流放大时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变成正弦波，有效的利用了差分放大传输特性曲线的非线性。缺点：差分放大电路比较复杂，布局中有较多的晶体管，在实际电路设计中不易实现。方案二：由二阶低通滤波电路组成的三角波正弦波转换电路，低通滤波

9、电路的设计较为简单，在实际中易于设计，减少工作量，且能完成预定的工作要求。将方案一与方案二对比后，我选择了方案二，即二阶低通滤波电路组成的三角波正弦波转换电路。73 各组成部分的设计及其原理各组成部分的设计及其原理3.13.1 方波发生电路的设计及其原理方波发生电路的设计及其原理方波发生电路采用 555 定时器与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波。图 3-1 555 定时器组成的多谐振荡器用 555 定时器组成的多谐振荡器如图 3-1 所示。接通电源后，电容 C2被充电，当电容 C2上端电压 Vc 升到 2Vcc/3 时使 555 第 3 脚 V0为低电平，同时555 内放电三极管 T 导通，

10、此时电容 C2通过 R3、Rp 放电，Vc 下降。当 Vc 下降到 Vcc/3 时，V0翻转为高电平。电容器 C2放电所需的时间为：8tpL= ( R3 +Rp) C2ln2 (3-1) 当放电结束时，T 截止，Vcc 将通过 R1、R3、Rp 向电容器 C2 充电，Vc 由Vcc/3 上升到 2Vcc/3 所需的时间为：tpH= (R1+R3+ Rp) C2ln2=0.7( R1+R3+ Rp) C2 (3-2) 当 Vc 上升到 2Vcc/3 时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图 4，其震荡频率为：f=1/（tpL+tpH）

11、=1.43/(R1+2R3+2Rp) C2 (3-3) 图 3-2 由 555 定时器组成的多谐振荡器工作波形3.23.2 方波方波-三角波转换电路的设计及其原理三角波转换电路的设计及其原理方波-三角波转换电路采用积分电路将方波转换为三角波。积分电路及其工作波形如图 3-3 所示。9图 3-3 积分电路产生三角波RC 积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。此外，RC 积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。由 555 定时器组成的多谐振荡器输出的方波经 C4 耦合输出，如图 3-3 所示为 RC 积分电路，再经 R 与 C 积分

12、，构成接近三角波。其基本原理是电容的充放电原理。3.33.3 三角波三角波-正弦波转换电路的设计及其原理正弦波转换电路的设计及其原理三角波-正弦波转换电路采用低通滤波电路将三角波转换为正弦波。低通滤波电路如图 3-4 所示。图 3-4 低通滤波电路低通滤波电路是容许低于截止频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电路。104 4 元器件的选择及相关数据、参数的计算元器件的选择及相关数据、参数的计算元器件的选择清单如下表 1。方波的周期为 T= tpL + tpH =(R1+2R3+2Rp) C2 ln2，频率 f=1/T。方波电压幅值为5V。表 1 元器件的选择清单类型规格数量备注0.

13、51K11K162K1电阻1K3滑动变阻器20K1芯片555 芯片1电容100uF110uF11uF10.1uF20.01uF2发光二极管LED1115 5 总体电路原理图及整个电路的工作原理总体电路原理图及整个电路的工作原理总体电路原理图如图 5-1 所示。总电路图的原理：555 定时器接成多谐振荡器工作形式，C2 为定时电容，C2 的充电回路是 R2R3RPC2；C2 的放电回路是 C2RPR3IC 的 7 脚(放电管)。由于 R3+RPR2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由 IC 的 3 脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为 1kHz 左右，调节电位器 RP 可改

14、变振荡器的频率。方波信号经R4、C5 积分网络后，输出三角波。三角波再经 R5、C6 积分网络，输出近似的正弦波。C1 是电源滤波电容。发光二极管 VD 用作电源指示灯。 12图 5-1 总体电路原理图6 电路仿真图及其工作波形电路仿真图及其工作波形6.1 方波产生电路仿真图及波形方波产生电路仿真图及波形在绘制仿真电路图时，首先绘制了方波产生电路仿真图，如图 6-1 所示，产生了如图 6-2 所示的工作波形，从图上可以看出，方波波形基本符合要求，不失真。13图 6-1 方波产生电路仿真图图 6-2 方波产生电路的工作波形146.26.2 总电路仿真图及波形总电路仿真图及波形图 6-3 仿真电路

15、总图15图 6-4 总电路图产生的方波图 6-5 总电路图产生的三角波图 6-6 总电路图产生的正弦波16仿真电路总图如图 6-3 所示，总电路产生了分别如图 6-4 所示的方波，如图 6-5 所示的三角波，如图 6-6 所示的正弦波。从图上可以看出，电路产生的波形都有些失真，尤其三角波失真较严重。三角波产生电路采用的是 RC 积分电路，它是一个模拟信号运算电路，运用的是电容 C 充放电原理，产生的波形易于失真。7 7 收获和体会收获和体会为期一个星期的课程设计已经结束，通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白

16、了学以致用的真谛。增强了如何运用所学的知识去解决实际的问题的能力，并提高了提高动手能力。在这次课程设计中让我学会了如何设计电路，了解了电路是如何产生信号处理信号的。要得出自己所要的波形，需要不断的进行调试，一遍遍的尝试，最后终于得出了所要的波形。最终也完成了此次课程设计，基本上达到了老师的要求，虽然过程看起来 是艰苦的，但最后的结果是令人喜悦的。在此次课程设计中遇到了不少难题，通过查阅资料和同学间的相互帮助，都一一解决。在此，要感谢我的指导老师，我的指导老师在百忙之中抽出时间指导我的课程设计，并耐心辅导。也要谢谢我的同学们，感谢他们给予我的帮助，我才能得以完成这次课程设计。这次课程设计也让我懂得了团结合作的重要性，让17我学会了与人协作，提高工作效率，为以后的工作与学习打下了一定的基础。8 参考文献参考文献1 康华光主编.电子技术基础（数字部分） M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.414-4242 稻叶保主编.振荡电路的设计与应用M.北京：科学出版社，2004.29-993 王立欣，杨春玲主编.电子技术实验与课程设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出