设计制作一个方波—三角波—正弦波的函数转换器

1、 课程设计说明书课程设计名称： 电子课程设计 课程设计题目： 方波三角波正弦波的函数转换器 学 院 名 称： 信息工程学院 专业：电子信息科学与技术 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 年 月 日 电子课程设计 课程设计任务书20 13 20 14 学年 第 1学期第 1 周 3 周 题目方波三角波正弦波的函数转换器内容及要求 1 ）输入波形频率范围为0.02Hz20KHz且连续可调。 2 ）正弦波幅值为±2V。 3 ）方波幅值为±2V。 4 ）三角波峰峰值为2V，占空比可调。 5 ）设计电路所需的直流电源可用实验室电源。进度安排 1.根据任务要求，查阅相关资料，

2、完成设计前的前期工作：2天 2.根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算：3天 3.领取元器件，连接电路，完成电路调试：3天 4.课程设计总结和报告：3天学生姓名： 指导时间：第1至3周指导地点：综合楼中506室任务下达2013 年 9 月 7 日任务完成2013 年 9 月 22日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师 系（部）主任 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。 摘要 函数信号发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最广泛的通用仪器之一，在研

3、制生产测试和维修各种电子元件和部件都需要有信号源。由于函数（波形）信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波，方波，三角波，锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数，所以信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信，广播，电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频），视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电容测量领域，具有宽广的应用前景。 本次课程设计的目的：采用555集成芯片外界电容电阻来产生方波，三角波，正弦波，先通过555芯片产生波形通过电容形

4、成方波，接着经过两个电阻分别出现三角波和正弦波，经过仿真得出了三个波形的波形图，通过实验掌握电子系统的一般设计方法，培养综合应用所学知识来指导实践的能力，掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法，极大提高动手和操作能力。 关键词：555芯片，函数信号发生器，波形，振荡器 目录前言 1 第一章 设计内容及要求 2第二章 电路设计原理及方案3 2·1 原理及方案 3 第三章 系统组成及工作原理 4 3·1 系统组成4 3·2工作原理 5第四章 电路设计、电路图、仿真图及参数计算 6 4·1电路设计 6 4·2电路图 8 4&

5、#183;3电路仿真图 9 4·4参数设计10第五章 电路的焊接与测试 11 5.1 电路的安装 11 5.2 电路的调试 11 5.3 焊接与调试分析 12第六章 实验结论 15第七章 设计心得与体会 16附 录一 元器件清单 17参考文献18 前 言 函数发生器，作为实验用信号源，是现金各种电子实验设计应用中必不可少的仪器设备之一，函数信号发生器可以用分立元件组成，通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。也可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它

6、们的功能较少，精度不高，频率上限只有300KHZ，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。还可利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。可以达到更高的技术指标。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。 在电子工程、通信工程、自动化控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构造成各种各样信号波形发生器。用集成电路实现的波形发生器与其他信号波形发生器比，其波形质量、幅度和频率

7、稳定性等性能指标，都有了很大的提高。 然而为了进一步掌握电路的基本理论和实际调试技术，本课题将介绍集成芯片555与电容及电阻组成的方波三角波正弦波函数转换器的设计方法和具体操作过程。 第一章 设计内容及要求 一、基本要求： 设计制作一个产生方波三角波正弦波波函数转换器二、设计任务: 1）输入波形频率范围为0.02Hz20KHz且连续可调。 2）正弦波幅值为±2V。 3）方波幅值为±2V。 4）三角波峰峰值为2V，占空比可调。 5）设计电路所需的直流电源可用实验室电源。 第 二 章 电路设计原理及方案2.1 设计原理及方案： 采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波变换成

8、正弦波的电路设计方法，由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等有势。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变幻的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。由于555芯片成本低，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与波形变换电路。 第 三 章 系统组成及工作原理3.1系统组成 系统主要是有一个IC555芯片引导组成的。 555是一种集模拟，数字于一体的中规模集成电

9、路。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测。555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与仪器仪表、家用电器、电子测量及自动化控制等方面 如图3.1所示，下面是IC555的个个引脚的作用： （TR）为低电平触发端。该端输入电压高于1/3Uoc时，比较器C2输出为“1”，当输入电压低于1/3Uoc时，比较器C2输出为“0”。 （UO）为输出端。输出为“1”时的电压比电源电压UO低2V左右。输出最大电流为200mA. (RO）为复位端。在此端输入负脉冲（“0”电平，低于0.7V）可使触发器直

10、接置“0”，正常工作时，应将它接“1”（接+UO）。 （CO）为电压控制端。静态时，此端电位为2/3Uoc。若在此端外加直流电压，可改变分压器各点点位置，在没有其他外部连线时，应当在该端与地之间接入0.01uF的电容，一方干扰引入比较器C1的同向端。 （D）为放电端，当输出UO="0"即触发器Q=1时，放电晶体管T导通，相当7端对地短接。当UO 为“1”，即Q=0，T截止，7端与地隔离。 和分别为电源段和接地段。CMOS555集成定时器的电源电压在4.5V12V内使用 图3.1 3.2 工作原理在实际应用中，555除了单一品种的电路外，还可以组合很多不同的电路。如：多个单稳

11、，多个双稳，单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。这样一来，电路变得更加复杂。为了便于我们分析和识别电路，更好地理解555电路，这里我们这里按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分成3大类、8种、共18个单元电路。本设计课题用到的是无稳类电路及无稳工作方式。无稳电路就是多谐振电路，是555电路中应用最广的一类. 第四章 电路设计 电路图 仿真图及参数计算IC555芯片4.1电路设计：产生方波整流变压产生三角波产生正弦波 设计流程图 由于555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及

12、计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，它的工作状态有三类，对于单稳类电路，单稳工作方式，它可分为3种。见图示。 第一种（图4.1.1）是人工启动单稳，有因为定时电阻电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1·1·1和1·1·2为代号。他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：

13、“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。 1.1.1人工启动单稳 1.1.2人工启动单稳 （1）特点：RT-6,2-CT,人工启动 （1）特点：CT-6,2-RT,人工启动 V0=0,稳态。V0=1,稳态。V0=1,赞稳态（td）。V0=0,赞稳态（td）。 （2）公式：Td=1,1RT*CT。 （2）公式：Td=1,1RT*CT。 (3) 用途：定时，延时。(3) 用途：定时，延时。 图4.1.1 第二种（图4.1.2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。1·2·1电路的2端不带任何元件，具有最简单

14、的形式；1·2·2电路则带有一个RC微分电路。 1.2.1脉冲启动单稳 1.2.2脉冲启动单稳 （1）特点：RT-7,6-CT,二端输入，人工启动 （1）特点：RT-7,6-CT,二端输入， 或外脉冲启动。外脉冲启动输入带微 分电路。（2）公式：Td=1,1RT*CT。 （2）公式：Td=1,1RT*CT。 (3) 用途：定时，延时，消除抖动，分（倍）(3) 用途：定时，延时，消除抖动频，脉冲输出，L,C速率等检测。分（倍）频，脉冲输出，L,C速率等检测。 图4.1.2 第三种（图4.1.3）是单稳型压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为简单起见，我们只把它

15、分为2个不同单元。不带任何辅助器件的电路为1·3·1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为1·3·2.图中列出了2个常用电路。4.1.3 1.3.1单稳型 1.3.2单稳型 （1）特点：RT-7,6-CT,二端输入被调制脉冲 （1）特点：RT-7,6-CT,输入带VT1， 5端加调制信号Vct。运放等辅助器件。 (2) 用途：脉宽调制，压频变化，A/D变化等。 (2) 用途：脉宽调制，压频变化（3）别名：PWM 。A/D变化等。 （3）别名：VRC。 图 4.1.3图4.2 电路设计总图4.2电路图 利用此设计，能够产生所需要的方波，三角波，以及正弦

16、波，是整个设计的电路的总体结构 4.3 电路仿真图 图4.3.1产生方波图4.3.2产生三角波 图4.3.3产生正弦波4.4 参数设计 F与C成正比，若要得到1Hz10Hz，则C2，C3为10nF. 因为F=0.02Hz20KHz，则C1为100uF，C4为100uF，R1=510。 由于输出的三角形幅值与输出方波的幅值要为2V，有R4=R5=R6=10K。 根据方波的上升时间为两毫秒，查询运放的速度，可以选择74141型号的运放。为了使输出波形频率在规定范围内，R3和RP的阻值应在10K到100K之间，且要小于3：1的关系.所以将R3设为62K，而电位器的最大阻值设为20K。 第五章 电路的

17、焊接与测试5.1 电路的安装： 1. 需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观； 2. 先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等； 3. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用； 4. 最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因 为有 些器件，不能耐高温，电烙铁不能停留太久。5.2 电路的调试： 1. 在仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，然后接通直流电压为 6V的电源，观察LED工作指示灯是否亮起，若不亮，则需要检查电路。 2. 将示波器的检测端接在信号输出端，调节频率旋钮和Y位移旋钮，观察示波器上是否有清晰的信号

18、。 3. 待示波器出现较良好信号时，这时要调节电位器RP。随着调到大概RP达到4K7K时，就会出现需要的波形。 4. 出现波形后，要适当调节示波器的频率档和幅值档档，让波形的幅值先尽量接近要求的幅值。待调好后，再调节电位器RP的组织。5.3 焊接与调试分析： 1. 电路板焊接时，排版没排好，有许多交叉线，这样会使低频干扰很大，导致波形失真严重。 2. 焊接IC555时，发现难度比其他种类的芯片要大。因为其管脚功能比较复杂，且铺线与设计意图很难找到平衡点，所以耗费时间很多。 3. 在调试的时候，重点在于调试电位器。正弦波和三角波的出现频率值要依靠用电位器调出方波来定位。一开始去测正弦波和三角波很

19、难调出，几乎都是一条直线。但是将示波器的探针接触方波的输出端，很快就有了反应（虽然失真很厉害）。可以先调节示波器的频率档，使方波变得较为清楚。然后再调节电位器，调到适合位置，使波形在示波器里更加清晰。完成这一步骤后，再去测三角波和正弦波，就能测得到。为观察幅值方便和使图形稳定，要适当调节幅值档和频率档。 4. 如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量较差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。由于实验结果和实验要求不是非常相符，发现可选择更正确的设计方案，即选择LM324，由于比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较

20、器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要是由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放互相独立。运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反

21、向输入端，表示输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同向输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 第六章 实验结论 通过本次课程设计，懂得了如何采用IC555集成芯片，并用外界电容电阻来产生正弦波转换成方波、在转换成三角波。设计者使用IC555芯片产生波形通过电容形成方波，接着经过两个电阻分别出现三角波和正弦波，最后用在示波器上得出了三个波形的波形图。当然，设计者也发现了比原计划出更好波形的方法，学到了触类旁通，举一反三的科学方法。本次实验确认了设计者的

22、方案可以发生三角波，方波以及正弦波的转换。学会了低频电子线路的一般设计方法，锻炼了综合应用所学知识来指导实践的能力，掌握最常用器件的识别、使用和测试，更加熟悉常用仪表，深刻理解了电路调试的基本方法，增强了自身的动手能力以及独立思维方式，获益匪浅，相信会对以后的学习起到巨大的推动作用。 总而言之，此次设计，不仅培养了自身的动手能力，体会到了成功带来的喜悦，更懂得了团队合作精神的重要性，相信会对今后的学习起到极大的促进作用，无论以后对学习还是工作都将是获益匪浅的，值得回味。 第七章 设计心得与体会1 .本次课程设计，不仅大大提高了动手能力和实践操作技能以及对设计的整个流程有了深刻了解，而且认识到了团队合作的重要性。此外实验设计的成功，提高了实际动手能力的自信心，明白了理论联系实际的重要性。2 .这次课程设计，提高了动手、思考和解决问题的能力。 通过对