数电波形发生课程设计报告

《电子技术》课程设计信号产生与变换电路的设计自动化12-2沈红举自动化12-2韩清乾摘要：波形产生电路是建立在模拟电子技术和数字电子技术基础上的一个综合设计性实验，它是用555芯片和一片LM324芯片，以及各种电阻、电感、电容等基本元器件，从而设计制作成一个同时输出方波、三角波、正弦基波、三次谐波的波形产生电路，其借助于计算机软件multisim电路仿真以及面包板调试输出来实现的。关键词:555多谐振荡器带通滤波积分电路1、设计思路与整体框图1.1设计思路首先我们想到的设计方案的思路是首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，即利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波。然后剩下的三种波形，三角波、正弦波、三次谐波均是在方波的基础之上做出来的。由555定时器组成的多谐振荡器输出的方波输出后经RC积分电路，从而输出三角波，其基本原理是电容的充放电原理；采用RC低通滤波的方法将方波转化为正弦波；再通过带通滤波电路将方波转换成三次正弦谐波，最后经过放大器的放大作用可以得到我们想要幅值的波形就实现了整个电路的设计工作。1.2整体框图积分电路555多谐振荡方波产生电路积分电路555多谐振荡方波产生电路低通滤波电路三角波正弦波带通滤波电路三角波正弦波带通滤波电路三次谐波三次谐波图1信号产生与变换电路设计整体框图2、硬件电路设计及工作原理2.1方波发生电路的设计与计算555定时器组成的多谐振荡器产生方波，即利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波。用555定时器组成的多谐振荡器产生方波电路如图所示。VCCVCCOUTU1555_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIVCC5VR1510R3510R410kC11µFC21µFD11DH62D21DH62图2方波发生电路接通电源后，电容C1被充电，当电容C1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，此时电容C1通过R3放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容器C1放电所需的时间为：tpl=当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、D1向电容器C1充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为：tph=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因为需要得到方波，所以需要R1=R3才能得到输出波形占空比q%把f=1KHZ,C1=1uf,代入上面的式子，可以得出R1、R2.2三角波发生电路的设计与计算在本设计方案中，我们的三角波是由方波经过一个积分电路产生的，产生三角波后又经过一个运算放大器电路将其放大。方波的产生原理在前面已经说明过，故不再赘述。下面主要说明下由方波产生三角波的电路。（1）积分运算电路如图所示。图3积分运算电路由于“虚地”， uo+故：uo由于“虚断”，i1故：ui得：u=-uc由以上原理设计出电路图如下R5R51kR620kR71.0kR81.5kR940kC31µFU2ALM324AD321141VCC5V图4三角波发生电路RC积分电路如图所示。从图中可以看出，积分电路也是R-C串联电路，与微分电路相比，只是将R—C电路对调，即从电容C上取出电压。时间常数τ远大于输入矩形波的脉宽，即。积分电路是将矩形波变换成锯齿波或三角波的波形变换电路2.3正弦波产生电路的设计与计算首先我们看下方波的傅里叶变换式方波函数表达式：f先把这个函数展开为三角级数，为此就要求出分量系数a和b。a0=2b因此，该非周期性方波在区间（0，T）内可以表示为ft=图5正弦基波发生电路综合考虑我们设计了此方案，本方案采用的是RC二阶低通滤波电路，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。截止频率为本实验采用两次滤波。RC并联选频网络是其中的重要的组成部分。如下图所示的RC滤波电路中，它即可以通过直流信号，又可以通过交流信号它和RC串联电路有着同样的转折频率f0=12πR10C5,当输入信号频率小于f2.4三次正弦波产生电路的设计与计算由方波的傅里叶变换式，我们可以看出方波里面含有正弦基波以及三次、五次等高次谐波，所以为了得到正弦三次谐波，我们通过滤波的方式来得到正弦波三次谐波分量。我们用从555振荡发生器输出的方波来作为相应的输入，经过相应的滤波器来得到三次谐波的正弦分量，其原理电路图见下图R13R1310kR1410kC8100nFU3ALM324AD321141VCC5VR15300kR121C9100nFR16100kC100.1µFC30.01µF图6三次谐波发生电路本设计当中我们主要运用到的是滤波的方法，在方波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下。根据原理可知，低通滤波器的通带截止频率应大于方波的基波频率并且一定要小于方波的五次谐波的频率，我们就是根据这个原理来对三次谐波分量进行滤出的。原理图是负反馈二阶有源带通滤波器

，它使用单个通用运算放大器（通用运放）接成单电源供电模式，易于实现。它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有非常很强的频率选择性。令C8=C9=C，Req是R16和R12并联的值。品质因数Q等于中心频率除以带宽，Q=ff其中RQ=由方波的傅里叶变换式可以知道，三次谐波频率为基波的三倍，五次谐波频率是基波的五倍，所以我们选择的带通滤波需要滤掉基波和五次谐波，也就是选带通滤波的中心频率为三次谐波的频率3000HZ，通带下限大于基波频率，上限小于五次谐波频率，我们可以选带宽为10HZ，增益为1.5。由此代入2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4可以得出，参数R3．电路仿真结果分析经过多次调试与实验得到了下面的仿真结果，总体效果很不错。可以看出从上向下依次是方波、正弦三次谐波、三角波、正弦基波，且频率关系为1:1:1:3.符合理论值。图7波形仿真图4．电路实验结果分析U1555_TIMER_RATEDVCC5VR1510?R3510?R410k?C11µFC21µFXSC1D11DH62D21DH62R51k?R620k?R71.0k?R81.5k?R940k?C31µFU2ALM324ADVCC5VC51µFC61µFR10400?R11400?R1310k?R1410k?C8100nFU3ALM324ADVCC5VR15300k?R121?C9100nFR16100k?C100.1µFC40.01µF图8整体电路设计图虽然仿真效果出来了，但是由于计算理论值时考虑不够全面有些元件还是不太容易找，不得已用近似的元件代替，造成了实际值与理论值得一些差别。这次课程设计让我们深深的认识到，理论基础是多么的重要。当我们都口中埋怨着当