2015年电子设计大赛综合测评题课程设计解析

1、郑州轻工业学院题目题目 2015 年电赛测评试题姓名：姓名：王苗龙专业班级：专业班级：电信 13-01学号：学号：541301030134院（系）院（系）电子信息工程学院指导教师：指导教师：曹卫锋谢泽会完成时间：完成时间：2015 年 10 月 29 日郑州轻工业学院课程设计任务书课程设计任务书题目题目 20152015 年电子设计大赛综合测评试题年电子设计大赛综合测评试题专业专业电信工程电信工程 13-113-1 学号学号 541301030134541301030134 姓名姓名王苗龙王苗龙主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容主要内容1阅读相关科

2、技文献。2学习电子制图软件的使用。3学会整理和总结设计文档报告。4学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求技术要求1、使用 555 时基电路产生频率 20kHz-50kHz 连续可调，输出电压幅度为 1V 的方波 I；2、使用数字电路 74LS74，产生频率 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度为 IV 的方波 II；3、使用数字电路 74LS74,产生频率 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的三角波；4、产生输出频率为 20kHz-30kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的正弦波 I；5、产生输出频率为 250kHz，输出电压幅度峰峰值为 8V 的

3、正弦波 II；方波、三角波和正弦波的波形应无明显失真（使用示波器测量时）。频率误差不大于 5%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。主要参考资料主要参考资料1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2010 年 8 月2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001 年 10 月3王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999 年 10 月 4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005 年 6 月 5康华光，电子技术基础，高教出版社，2006年 1 月完成期限：完成期限：20152015 年年 1010 月月 3030 日日指导教师签章：指导教师签章：专

4、业负责人签章：专业负责人签章：20152015 年年 1010 月月 2626 日日2015 年电子设计大赛综合测评试题摘要模拟电路中，多种波形产生电路属于信号的运算与处理电路，它主要由信号产生电路、信号运算电路、信号处理电路构成。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，可通过一定数目的电容、电阻构成多谐振荡器。74ls74 是一种上升沿双 D 触发器芯片，可以对信号分频处理。LM324 为四通道运放集成芯片，可以构成信号基本运算电路。本课程设计的基本目标：使用 555 多谐振荡器产生方波作为信号源，由 74ls74 对信号进行四分频处理，由 LM324 四运放芯片对信号分别

5、独立进行积分运算、低通滤波运算，带通滤波运算从而得到所需波形。通过理论计算分析，最终实现规定的电路要求，并做成实物，经过反复检测，符合设计要求。关键词关键词：波形产生分频信号运算信号处理目录1 设计方案 11 设计方案12 多波形产生电路设计 22.1 设计原理22.2 整体流程框图23 单元电路设计 33.1 555 多谐振荡器33.2 74ls74 分频电路33.3 积分电路43.4 低通滤波器53.5 带通滤波器64 元件参数选择 84.1 555 多谐振荡器84.2 74ls74 分频电路84.3 积分电路84.4 低通滤波器94.5 带通滤波器95 结论 106 个人总结 11参考文

6、献 12附录 1 电路原理图及元件清单 13附录 2PCB 及实物照片 142015 年电子设计大赛综合测评试题11 1 设计方案设计方案1 1 设计方案设计方案使用 555 和外围电路构成多谐振荡器，产生 20kHz-50kHz 的方波作为信号源,利用此方波作为基本信号。将基本信号通过电阻分压可得到电压幅度 1V、20kHz-50kHz 连续可调的方波 I；将基本信号通过 74ls74 双 D 触发器进行四分频,然后电阻分压得到 5kHz-10kHz 连续可调电压幅度为 IV 的方波 II；将方波 II 通过由LM324 四通道运放构成的积分电路，得到 5kHz-10kHz 连续可调电压幅度

7、峰峰值为 3V的三角波；将方波 I 通过由 LM324 四通道运放构成的低通滤波器，得到 20kHz-50kHz连续可调电压幅度峰峰值为 3V 的正弦波 I； 将基本信号固定频率， 然后通过由 LM324四通道运放构成的带通滤波器， 得到 250kHz 左右的正弦波,再通过由 LM324 四通道运放构成的低通滤波器，得到 250k 峰峰值 8V 的正弦波 II。2015 年电子设计大赛综合测评试题22 2 多波形产生电路设计多波形产生电路设计2.12.1 设计原理设计原理555 多谐振荡器：电源接通时，555 的 3 脚输出高电平，同时电源通过 R1R2 向电容 c 充电，当 c 上的电压到达

8、 555 集成电路 6 脚的阀值电压（2/3 电源电压）时，555 的 7 脚把电容里的电放掉，3 脚由高电平变成低电平。当电容的电压降到 1/3 电源电压时，3 脚又变为高电平，同时电源再次经 R1R2 向电容充电。这样周而复始，形成振荡。74ls74 四分频：74LS74 是个双 D 触发器，把其中的一个 D 触发器的 Q 非输出端接到 D 输入端， 时钟信号输入端 CLOCK 接时钟输入信号,这样每来一次 CLOCK 脉冲， D触发器的状态就会翻转一次， 每两次CLOCK脉冲就会使D触发器输出一个完整的方波，这就实现了二分频。把同一片 74LS74 上的两路 D 触发器串联起来，其中一个

9、 D 触发器的输出作为另一个 D 触发器的时钟信号，这就实现了四分频。LM324:四通道运算放大器，与一定数目的电阻电容可以构成积分电路、低通滤波器、带通滤波器，从而实现信号的运算处理。2.22.2 整体流程框图整体流程框图图 2-1 多波形产生器设计框图如图 2-1 展示了此多波形产生电路的基本工作流程，经过仿真验证证明此电路的可行性。2015 年电子设计大赛综合测评试题33 3 单元电路设计单元电路设计3.15553.1555 多谐振荡器多谐振荡器由 555 定时器和外接元件 Rl、 R2 和 C 构成的多谐振荡器， 2 脚与 6 脚直接相连，电路没有稳态，只有两个暂稳态，电路也不需要外加

10、触发信号，利用电源通过 Rl、R2 向电容 C 充电，使电路产生震荡，电容在 1/3VCC 和 2/3VCC 之间充电和放电，其仿真波形如图 3-2 所示，实测波形如图 3-3 所示。图 3-1555 多谐振荡器调节电位器 R2 的阻值就可以调整所产生方波的频率。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，该电路用少量的元件就可以获得高精度震荡频率和较强的功率输出能力，输出的方波经过电阻分压就得到了稳定的 20kHz-50kHz 连续可调的方波 I。所以该电路符合设计要求。谢Circuitl-Multisim-Circuitl*一日.倉|文件住）|编辑（曰视圏）BiS（P）MCU仿真转换工具（I

11、）报克选项窗口（迥）帮助二1亘1凶冷 A 日寻直X电噫OG”圄題QQI|馬圖習浄画円圜必口雯曲時|F用的元件-H?|iMxniH十阿悅拼涉观务回芒1M-Y1X设计工具箱0555寥阍g舜电“*匣匣VCircuitl-MultisL.kl2015鈕子设计十ES帼幻英 02。薦蠶日|kII|V医七1吃砂帔|曰“囱Circuitl1囲Circuitl弩醪鑒aH魁邀雳.9.3B2015 年电子设计大赛综合测评试题43.274ls74 分频电路分频电路一个 74ls74 集成芯片有两个 D 触发器，一个 D 触发器可以组成一个二分频电路,把其中的一个 D 触发器的 Q 非输出端接到 D 输入端，时钟信号输

12、入端 CLOCK 接时钟输入信号，这样每来一次 CLOCK 脉冲，D 触发器的状态就会翻转一次，每两次CLOCK 脉冲就会使 D 触发器输出一个完整的正方波，这就实现了信号二分频。二分频电路输入信号过零上升沿每到来一次二分频器状态翻转一次便可得到二分频，把两个 D 触发器串联起来，就是四分频电路。于是基本方波信号就被分频成了5kHz-10kHz 的方波，然后经过分压电路，就得到 5kHz-10kHz 的方波幅值为 IV 的方波 II。74ls74 四分频电路原理如图 3-4 所示，仿真效果如图 3-5 所示，实测效果如图 3-6 所示实测波形时间282.063ms合计10.000V0X位蛊-通

13、道尸|通道弓比例|10ypiv比例|5V/DivY位畫|0Y位畫厂迪陋图 13-2 址仿真-波时间殊二比例|200us/Div12015 年电子设计大赛综合测评试题5图 3-4 分频电路原理2015 年电子设计大赛综合测评试题63.3 积分电路积分电路积分电路可以用来进行波形变换，由于交流信号需要和偏置电压复合，以偏置电压为参考点，交流信号分别位于正负半周，为了使积分输出的波形更稳定，也为了使电路输出振幅符合题意要求，需要设置参考电压。这里设置的参考电压为 2.5V2.5V,由于只有 10V10V 单电源供电，选用 5V5V 稳压管，将电压稳到 5V5V,然后进行分压，从而得到 2.5V2.5

14、V 参考电压，其电路如图 3-73-7 所示。积分电路是使输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路，积分电路可将矩形脉冲波转换为三角波，积分电路原理如图 3-8 所示。U1DLM324提供2.5V基准电压图3-7参考电压通道B图 3-6 实测波形X 位适触发边沿厅王|RBI外部I电平类型正弦|标准|自动底Oscilloscope-XSC1Ihkfmni*rHSWQ2B4DU呗皿歸臥“而加载IB/A|A/B|时间86.416ms86.416ms0.000s时间轴_比例|200us/Div|比例15VQiv0.000V0.000V0.000VWJ0.000V0.000V0.000VT2-T1反向

15、保存|Ext.Trigger2015 年电子设计大赛综合测评试题7电路将 5kHz-10kHz 连续可调的方波进行积分，得到 5kHz-10kHz 峰峰值 3V的三角波，其仿真波形如图 3-9 所示，实测波形如图 3-10 所示。2015 年电子设计大赛综合测评试题8:A:i/:I1图 3-9 仿真波形3.43.4 低通滤波器低通滤波器低通滤波器由两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成， 其中同相比例放大电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。低通滤波器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子滤波装置。低通滤波器的作用是抑制高频信号，通过低频信号。简单理解，可认为是通

16、低频、阻高频。低通滤波器包括有源低通滤波器和无源低通滤波器，无源低通滤波器通常由电阻、电容组成，也有采用电阻、电感和电容组成的。有源低通滤波器一般由电阻、电容及运算放大器构成，这里所用的是有缘低通滤波器。低通滤波器电路图如图 3-10。任何周期信号，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。而贯穿时域与频域的方法之一，就是传中说的傅里叶分解。此处 20kHz-30kHz 的方波信号就可以用低通滤波器将其中的正弦波分离出来然后得到电压峰峰值为 3V、连续可调的 20kHz-30kHz 正弦波信号 I。仿真信号如图 3-11，实测信号如图 3-12。图 3-9 实测波形图 3-10 低通滤波器2

17、015 年电子设计大赛综合测评试题93.53.5 带通滤波器带通滤波器带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，也就是通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。任何一个周期信号都可以展开成傅里叶级数，也就是若干次正弦波之和，根据这一原理，可以用带通滤波器，将频带设置在 250kHz 左右就可以。本电路将通频带设置在 250kHz+20Hz 之间，得到谐波分量，然后再用低通滤波器将高于250kHz 的谐波分量滤除，即得到 250kHz 的正弦波分量。此处带通滤波器和低通滤波器共同工作对 50kHz 的方波进行选择分离，得到固定频率 250kHz

18、 峰峰值 8V 的正弦波。电路如图 3-13 所示。图 3-13 正弦波选频电路图 3-11 仿真波形图 3-12 实测波形2015 年电子设计大赛综合测评试题10图 3-14 仿真波形图 3-15 实测波形2015 年电子设计大赛综合测评试题114 4 元件参数选择元件参数选择4.15554.1555 多谐振荡器多谐振荡器555 电路要求 Rl、R2 均应大于或等于 lkQ，但 R1+R2 应小于 3.3MQ。其输出信号的时间参数是：T=twl+tw2twl=0.7(Rl+R2)*Ctw2=0.7R2*Cf=l/T所以调节 R2 的阻值，就可以调节所产生方波的频率，然后调节输出端的滑动变阻器

19、就可以调节所产生方波的幅值。4.24.2 74ls7474ls74 分频器分频器分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。四分频就是通过有分频作用的电路结构，在时钟每触发 4 个周期时，电路输出 l 个周期信号。用一个脉冲时钟触发一个计数器，计数器每计 4 个数就清零一次并输出 l 个脉冲，那么这个电路就实现了四分频功能。Cp 接时钟，Q=1,D=/Q=0UT,R=S=0(接地)，就是 Q 端接高电平，D 端接 Q 非,值位复位端都接地。这就组成了一个二分频 D 触发器，两个 D 触发器串联，就构成了四分频器。4.34.3 积分电路积分电路若要进行积分电路信号的积分运

20、算，可选用基本积分电路。首先确定时间常数 T=RC：T 的大小决定了积分速度的快慢。其次选择电路元件：当时间常数T=RC 确定后，就可以选择 R 和 C 的值，积分电路的输入电阻 Ri=R，因此往往希望 R 的值大一些。最后确定 RP、Rf：RP 为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调;在积分电容的两端并联一个电阻 Rf,防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。于是得到计算公式：f=1/(2nRC)Vo=-(Vs/RC)*t=-(Vs/T)t2015 年电子设计大赛综合测评试题124.44.4 低通滤波器低通滤波器低通滤波器是有两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点就是输入阻抗高

21、，输出阻抗低。低通滤波器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滤波装置。20kHz-30kHz 的方波经过低通滤波器后可以将 20kHz-30kHz 正弦波过滤出来。低通滤波器的通带电压增益：Ao=Avf=1+Rf/R1f=1/(2nRC)4.54.5 带通滤波器带通滤波器带通滤波器的带宽为上限截止频率与下限截止频率之差。在有源带通滤波器的中心频率 fo 处：电压增益 Ao=B3/2B1品质因数：3dB带宽 B=1/(n*R3*C)也可根据设计确定的 Q、fo、Ao 值，求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/(2nfoAoC)R2=Q/(2Q2-Ao)*2nfoC)R3

22、=2Q/(2nfoC)。上式中，C 取 O.OlUf。带通滤波器亦可用于一般的选频放大。2015 年电子设计大赛综合测评试题135 5 结论结论1.学生电源提供的电压对波形的影响：实物测试时由于电压有毛刺对波形稳定产生影响，为了上波形测试时稳定，采用了三节 18650 电池供电使输出波形较稳定，并且工作在电源提供的电压范围之内，否则会出现失真。并且仿真电路测试效果与实物测试相差甚大，所以电阻采用电位器测试，以便于调试。2.单电源和双电源的区别及其对电路的影响：运放采用单电源供电时，积分电路不能工作，所以采用参考电压，以保证波形稳定，且振幅最大。3.模块与模块之间的链接存在相互影响：虽然总体电路

23、运行仿真成功，但是做成实物时，各功能模块的波形会受到其他模块的影响，失真交严重。处理办法是在各模块之间加入耦合电容。由于最后250kHz 正弦波，由于波形有毛刺，为了使波形稳定，串联进去一个磁珠，输出波形较为符合预期标准。所以整体电路设计符合设计目标。4.仿真与实物效果相差甚远，需要耐心进行调试，有可能实物参数与仿真参数不符合，需要进行更换元件参数，然后再进行调试。2015 年电子设计大赛综合测评试题146 6 个人总结个人总结在课程设计过程中，我不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了我独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我了解课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是对待问题时的态度和处理事情的能力。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，学到很多很多的东西，同时不