基于555定时器的波形信号发生器

实用文档学院课程设计报告电子器件市场调研与系统分析设计实践专业电气工程及其自动化班级姓名学号指导教师2016年12月学院课程设计任务书课程名称：电子器件市场调研与系统分析设计实践指导教师（签名）：班级：姓名：学号：一、课程设计题目基于555定时器的波形信号发生器二、课程设计使用的原始资料（数据）及设计技术要求1.设计波形信号发生电路2.通过555定时器方波电路产生方波信号3.通过积分电路得到三角波4.再通过积分电路得到正弦波三、课程设计的目的1.掌握555定时器芯片的功能；2.掌握multisim仿真及焊接工具的使用、电子元器件的识别并了解其功能；3.掌握555定时器的方波发生电路、积分电路。四、课程设计的主要内容和要求1.主要内容：利用555定时器设计并制作波形信号发生器；2.设计要求：设计一个波形信号发生器，能够产生方波、三角波，正弦波三种波形。五、工作进度安排时间地点设计内容及要求12.26分组与任务分配，查阅相关资料12.27-12.28设计电路图并仿真验证12.29焊接电路实物图并调试12.30撰写课程设计报告，制作答辩PPT，进行答辩六、主要参考文献[1]童诗白、华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2006[2]黄智伟.基于NIMultisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].4版.北京：电子工业出版社，2001[3]闫石.数字电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2005审核批准意见系主任（签字）年月日指导教师评语及成绩评定表指导教师评语成绩设计过程（40分）设计报告（50分）小组答辩（10分）总成绩（100分）指导教师签字：年月日基于555定时器的波形发生器摘要各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。这种能够产生多种波形，如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器产生的各种波形能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。例如设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。关键字：正弦波，矩形波，三角波，函数信号发生器目录TOC\o"1-3"\h\u13741一设计要求 一设计要求1、在给定的±6V直流电源电压条件下，使用555芯片和设计并制作一个波形信号发生电路。2、可以产生方波、三角波、正弦波三种波形。二设计方案与论证方案一主要是应用集成运放LM324，其芯片的内部结构是由4个集成运放所组成的,通过RC电桥可产生正弦波，通过滞回比较器能调出方波,并再次通过积分电路就可以调试出三角波，此电路方案能实现基本要求和扩展总分的功能，电路较简单，调试方便，是一个优秀的可实现的方案。方案二利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uc的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。该方案的特点是十分明显的：⑴线性良好、稳定性好；⑵频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；⑶不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形；⑷三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波可以通过模电中的方波发生电路来产生，也可以通过数电中的555多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现，也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。可行性分析：纵观以上N种方案，对比如下，首先排除第二种用集成芯片的方法，因为这种方法对设计的要求太低；其次分析方案一可得其RC桥式正弦震荡电路的占空比受R和C共同影响，调节频率时需要调节的元器件参数太多，比较繁琐，并且此震荡电路的频率也不是很好的满足设计的要求。所以综上所述，选择方案三来实现本次的课程设计：555多谐振荡器的频率很好计算和调节，并且输出的波形比较准确；波到三角波的转化可通过简单RC积分电路来实现；角波到正弦波可通过简单RC低通滤波器来实现也可通过折现法或者差分法来实现。三设计原理及电路图如下图所示电路可产生方波并输出。其中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R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。由于R3+RP>>R2，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可改变振荡器的频率。产生方波，如图3.1所示：图3.1方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波，如图3.2所示：图3.2三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的正弦波，如图3.3所示：图3.3如图所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出，该信号发生器电路简单、成本低廉、调整方便。其产生的波形顺序如图3.4所示：555定时器555定时器形成多谐振荡器方波积分电路三角波积分电路图3.4四元器件清单元件序号型号主要参数数量备注1发光二极管VD12电阻R1510Ω13电阻R21KΩ14电阻R362KΩ15电阻R410KΩ16电阻R510KΩ17电阻R610KΩ18滑动变阻器RP20KΩ19555芯片ICNE555110瓷片电容C1100μ111瓷片电容C410μ112瓷片电容C20.01μ113瓷片电容C30.01μ114瓷片电容C50.47μ115瓷片电容C60.1μ116瓷片电容C70.1μ1表4.1五元器件识别与检测5.1电阻1.电阻的识别单位：欧姆(Ω)1MΩ=1000kΩ1kΩ=1000Ω2.电阻的种类：贴片电阻、金属膜电阻、碳膜电阻、水泥电阻、特殊电阻（1）贴片电阻：符号：“Ｒ”，“ＲＮ”（黑底白字），贴片电阻分为单个贴片电阻和排阻2）金属膜电阻：符号：“ＲＪ”，外型小，功率小。（3）碳膜电阻：符号：“ＲＴ”，外型大，功率大一些。（4）水泥电阻：外型更大，功率最大，5W,10W3、读取阻值：贴片电阻上面字如：103、472等，数值的前两位是有效数，第三位是倍数：103有效数是10，3是倍数，它的阻值是10Ω*103=10kΩ472有效数是47，2是倍数，它的阻值是10Ω*102=4.7kΩ四位数电阻：前三位为有效数，第四位为倍数含有字母的电阻：R39、3R3，R在这里是小数点的意思。色环电阻读取阻值：四道色环，一、二道为有效数，三道为倍数，四道为误差值R=AB*10C5.2芯片555定时器的功能：555定时器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C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，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C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。3脚：输出端Vo2脚：低触发端4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路的范围为3~18V。一般用5V。Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。是复位端，低电平有效。复位后,基本RS触发器的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析555定时器的内部电路图可知：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压VCC，比较器C2反相输入端接参考电压VCC，为了学习方便，我们规定：当TH端的电压>VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压<VCC时，写为VTH=0。当端的电压>VCC时，写为VTR=1，当端的电压<VCC时，写为VTR=0。低触发：当输入电压Vi2<VCC且Vi1<VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端=0、=1，使Q＝1，＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”；保持：若Vi2>VCC且Vi1<VCC，则VTR=1，VTH=0，==1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。高触发：若Vi1>VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因=0，使＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。这时称555定时器“高触发”。VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表5.1:输入输出THVODis××LL导通<VCC<VCCHH截止<VCC>VCCH不变不变>VCC×HL导通表5.1555定时器的内部电路结构如下图5.2所示：图5.2555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如下图5.3所示：图5.3六