波形發(fā)生器——模電課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科生課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　課程： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)</p><p>　　題目： 波形發(fā)生器 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　波形發(fā)生器是用來產(chǎn)生一種或多種特定波形的裝置，這些波形通常有正弦波、方波、三角波

2、、鋸齒波，等等。以前，人們常用 模擬電路來產(chǎn)生這種波形，其缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所產(chǎn)生的波 形種類有限。</p><p>　　隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用單片機(jī)電路產(chǎn)生各種 波形的方法已變的越來越普遍。雖然，可能產(chǎn)生的波形會(huì)呈微小 的階梯狀， 但是， 只要設(shè)計(jì)得當(dāng)， 這一問題可以得到一定的解決。本設(shè)計(jì)使用的是555_virtual構(gòu)成的發(fā)生器,可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波等多種特殊波形和任意波形， 波形的頻率可用程序控

3、制改變 本設(shè)計(jì)制作的波形發(fā)生器，可以輸出多種標(biāo)準(zhǔn)波形，如方波、正弦波、三角 波、鋸齒波等。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)（4）</p><p>　　1．1 課程設(shè)計(jì)的目的（4）</p><p>　　1．2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求（4）</p>

4、<p>　　1．3 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)（4）</p><p>　　2 電路設(shè)計(jì)總方案及原理框圖（6）</p><p>　　2．1 電路設(shè)計(jì)原理框圖（6）</p><p>　　2．2 電路設(shè)計(jì)原理圖（6）</p><p>　　2．3 方案設(shè)計(jì)（7）</p><p>　　2．4 主要芯片介紹（7）&

5、lt;/p><p>　　3 各部分電路設(shè)計(jì)（9）</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的電路總圖(9)</p><p>　　3.2 正弦波(9)</p><p>　　3.3 方波產(chǎn)生電路(10)</p><p>　　3.4 三角波(12)</p><p>　　4 電路仿真(14)</p

6、><p>　　4.1 Multisi(14)</p><p>　　4.2 仿真電路(14)</p><p>　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(17)</p><p>　　5.1 調(diào)試產(chǎn)生方波-三角波的電路(17)</p><p>　　5.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(17)</p><p>　　6 設(shè)計(jì)總結(jié)(18)&l

7、t;/p><p>　　7 儀器儀表清單(20)</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)</b></p><p>　　1.1課程設(shè)計(jì)的目的</p><p>　　1.1.1利用所學(xué)微機(jī)的理論知識(shí)進(jìn)行軟硬件整體設(shè)計(jì)， 鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、 提高我們的綜合應(yīng)用能力。</p><p>　　1.1.2

8、本次課程設(shè)計(jì)是以微機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并開發(fā)能輸出多種波形（正 弦波、三角波、鋸齒波、方波、梯形波等）且頻率、幅度可變的函數(shù)發(fā)生器。</p><p>　　1.1.3掌握各個(gè)接口芯片的功能特性及接口方法，并能運(yùn)用其實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能器件。</p><p>　　1.1.4在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，我們所學(xué)的知識(shí)大都是課本上的，在機(jī)房的練習(xí)大家 也都是分散的對(duì)各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行練習(xí)。因此，缺乏一種系

9、統(tǒng)的設(shè)計(jì)鍛煉。在課程所學(xué)結(jié)束以后，這樣的課程設(shè)計(jì)十分有助于學(xué)生的知識(shí)系統(tǒng)的總結(jié)到一起。</p><p>　　1.1.5通過這幾個(gè)波形進(jìn)行組合形成了一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，使得我對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)框架的設(shè)計(jì)有了一個(gè)很好的鍛煉。這不僅有助于大家找到自己感興趣的題目，更可以鍛煉大家微機(jī)知識(shí)的應(yīng)用。</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)任務(wù)和要求</p><p>　　1.2.1設(shè)計(jì)要求：<

10、;/p><p>　　設(shè)計(jì)并仿真能產(chǎn)生方波、三角波及正弦波等多種波形信號(hào)輸出的波形發(fā)生器。</p><p>　　輸出波形頻率范圍為0.02HZ~20HZ且可連續(xù)調(diào)。</p><p>　　各種波形幅值均連續(xù)可調(diào)。</p><p>　　設(shè)計(jì)電路所需的直流電源。</p><p><b>　　寫出設(shè)計(jì)報(bào)告</b>

11、;</p><p>　　1.2.2方案論證，確定總體電路原理方框圖及原理圖。 </p><p>　　1.2.3單元電路設(shè)計(jì)，元器件選擇。 </p><p>　　1.2.4仿真調(diào)試及測(cè)量結(jié)果</p><p>　　1.3設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1.3.1 可實(shí)現(xiàn)正弦波，并且正弦波在信號(hào)頻率范圍20Hz～20k

12、Hz 連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度較高。實(shí)現(xiàn)了方波，三角波，鋸齒波，并且信號(hào)幅度可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)</p><p>　　1.3.2 各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)，方波占空比可調(diào)</p><p>　　1.3.3 設(shè)計(jì)完成后可以利用示波器測(cè)量出其輸出頻率的上限和下限，還可以進(jìn)一步測(cè)出其輸出電壓的范圍。</p><p>　　2 電路設(shè)計(jì)總方案及原理圖</p>

13、<p>　　2.1電路設(shè)計(jì)原理框圖</p><p>　　圖1 </p><p><b>　　2.2電路原理圖</b></p><p><b>　　圖2</b></p><p><b>　　2.3方案設(shè)計(jì)</b></p&g

14、t;<p>　　2.3.1電路設(shè)計(jì)：</p><p>　　由RC橋式正弦波振蕩器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過滯回比較器輸出的方波經(jīng)過積分器積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波，然后經(jīng)過同相輸入遲滯比較器和充放電時(shí)間常數(shù)不等的積分器，共同組成鋸齒波電壓產(chǎn)生器電路。</p><p>　　2.3.2.設(shè)計(jì)思路：</p><p>　　課設(shè)需要各個(gè)波形的基本

15、輸出。如輸出鋸齒波、三角波、方波。這些波形的實(shí)現(xiàn)的具體步驟：鋸齒波實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，只需要一開始定義一 個(gè)初值，然后不斷的加 1，當(dāng)溢出后又重初值開始加起，就這樣循環(huán)下去。三角波的實(shí)驗(yàn)過程是先加后減，實(shí)現(xiàn)方法是先從 00H 開始加 1 直到溢出后就執(zhí)行減 1 操作，就這樣不斷調(diào)用這個(gè)循環(huán)。方波的實(shí)現(xiàn)方法是連續(xù)輸出一個(gè)數(shù)，到某個(gè)時(shí)候就改變一下值，可以把值定義為正極性的，也可以是負(fù)極性。正弦波的實(shí)現(xiàn)是非常麻煩的。它的實(shí)現(xiàn)過程是通過定義一些數(shù)據(jù)，然

16、后執(zhí)行時(shí)直接輸出定義的 數(shù)據(jù)就可以了。</p><p>　　通過 P1 口和開關(guān) K0-K4 相連接來控制各個(gè)波形的輸出。能根據(jù) k0-k5 鍵 狀態(tài)進(jìn)行波形切換，開關(guān)鍵向上接“1” ，產(chǎn)生波形，向下拔接“0” ，無波形輸出。 如 K0 鍵向上拔，K1-K4 鍵向下拔，產(chǎn)生鋸齒波； K1 鍵向上拔，K0、K2-K4 鍵向下拔，產(chǎn)生三角波；……以此類推。</p><p><b>　

17、　2.4主要芯片介紹</b></p><p>　　2.4.1元件選型：555定時(shí)器。</p><p>　　2.4.2主要芯片介紹：</p><p>　　定時(shí)器介紹： 555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。55

18、5 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)

19、器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓 VCC /3 和 2VCC /3 555 定時(shí)器內(nèi)部方框圖 <555 定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖> 555 電路的工作原理 555 電路的內(nèi)部電路方框圖。它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本 RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān) T，比較器的參考電壓由三只 5KΩ 的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器 A1 同相比較端和</p><p>　　3系統(tǒng)電路總圖及單元電路設(shè)

20、計(jì)</p><p>　　3.1系統(tǒng)的電路總圖:</p><p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　3.2正弦波</b></p><p>　　在三角波電壓為固定頻率或頻變化很小的情況下，可以考慮用低通濾波（或帶通濾波）的方法將三角波變換為正弦波，輸入電壓的頻率等于輸出電壓的頻率。&

21、lt;/p><p>　　將三角波按傅里葉級(jí)數(shù)展開</p><p>　　其中Um是三角波的幅值。</p><p><b>　　電路如下圖4</b></p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　3.3 方波產(chǎn)生電路</p><p>　　根據(jù)本

22、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生振蕩，通過RC電路和滯回比較器時(shí)將產(chǎn)生幅值約為12V的方波，因?yàn)榉€(wěn)壓管選擇1N4742A（約12V）。電壓比較電路用于比較模擬輸入電壓與設(shè)定參考電壓的大小關(guān)系，比較的結(jié)果決定輸出是高電平還是低電平。滯回比較器主要用來將信號(hào)與零電位進(jìn)行比較，以決定輸出電壓。圖3為一種滯回電壓比較器電路，雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，R3起限流作用，R2和R1構(gòu)成正反饋，運(yùn)算放大器當(dāng)up>un時(shí)工作在正飽和區(qū)，而當(dāng)un>up時(shí)工作

23、在負(fù)飽和區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入電壓uin小于某一負(fù)值電壓時(shí)，輸出電壓uo= -UZ；當(dāng)輸入電壓uin大于某一電壓時(shí)，uo= +UZ。運(yùn)算放大器在兩個(gè)飽和區(qū)翻轉(zhuǎn)時(shí)up=un=0，由此可確定出翻轉(zhuǎn)時(shí)的輸入電壓。up用uin和uo表示，有</p><p>　　根據(jù)翻轉(zhuǎn)條件，令上式右方為零，得此時(shí)的輸入電壓</p><p>　　Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖4所示。設(shè)輸入

24、電壓初始值小于-Uth，此時(shí)uo= -UZ ；增大uin，當(dāng)uin=Uth時(shí)，運(yùn)放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入正飽和區(qū)。如果初始時(shí)刻運(yùn)放工作在正飽和區(qū)，減小uin ，當(dāng)uin= -Uth時(shí)，運(yùn)放則開始進(jìn)入負(fù)飽和區(qū)。</p><p>　　圖5 滯回電壓比較器</p><p>　　如果給圖5所示電路輸入三角波電壓，其幅值大于Uth ，設(shè)t = 0時(shí)，uo= -UZ ，其輸出波形如圖6所示?？梢?，輸出為方

25、波。</p><p><b>　　圖6 方波波形</b></p><p>　　3.4．三角波發(fā)生電路</p><p>　　給圖5所示的滯回電壓比較器級(jí)聯(lián)一積分電路，再將積分器的輸出作為比較器的輸入，如圖7所示。 </p><p>　　圖7 方波—三角波發(fā)生電路</p><p>　　下面分析其

26、振蕩周期。積分器輸出電壓從-Uth增加到+Uth所需的時(shí)間為振蕩周期T的一半，由積分器關(guān)系式</p><p><b>　　或</b></p><p><b>　　注意到，故</b></p><p><b>　　振蕩頻率則為</b></p><p>　　圖8三角波發(fā)生電路的輸出&

27、lt;/p><p><b>　　4、仿真</b></p><p>　　4.1仿真是通過Multisim軟件進(jìn)行的。</p><p>　　Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。<

28、/p><p>　　4.2仿真電路測(cè)試過程：</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　4.2.1.仿真頻率為100HZ的方波和三角波的波形圖: （幅值足夠）</p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　4.2.2.仿真頻率為1000HZ的方

29、波和三角波的波形圖: </p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　4.2.3 .仿真數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：</b></p><p>　　5.1調(diào)試產(chǎn)生方波-三角波的電路：</p><p>　　5.1.1．接入電源后,用示波器進(jìn)

30、行雙蹤觀察圖8、9．通過閉合開關(guān)選擇合適的電容使三角波的幅值和方波的頻率滿足指標(biāo)要求；</p><p>　　5.1.2觀察示波器,波形穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　5.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：</b></p><p><b>　　6設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　6.1總結(jié)、收獲與體會(huì)&l

31、t;/p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)由于是個(gè)人獨(dú)立選定課題，所以在此過程的開始時(shí)基本上所有人都在自己獨(dú)立思考，同時(shí)又由于設(shè)計(jì)所采用的仿真和制板軟件Multisim和Altium Designer在此之前基本不是很熟悉，因此本次課程設(shè)計(jì)的前期多半是在摸索中前進(jìn)，當(dāng)然付出中會(huì)有收獲，本次課程設(shè)計(jì)讓我弄懂了很多以前感覺模糊的東西，同時(shí)也帶給我成功的喜悅感，增加了我的自信心，當(dāng)我看到由我自己設(shè)計(jì)的東西由想法變成實(shí)物時(shí)，我的心里

32、充滿了成功的喜悅感?；叵肫鸫舜握n程設(shè)計(jì)過程中經(jīng)歷的種種困難，遇到不明白的問題時(shí)，與他人討論，請(qǐng)教老師的過程，所有的努力都指向一個(gè)明確的目標(biāo)----確保課程設(shè)計(jì)的成功，我真的很感動(dòng)。此次課程設(shè)計(jì)不僅使我學(xué)會(huì)了不少東西，更讓我體會(huì)到人與人之間的溝通的樂趣，感謝此次課程設(shè)計(jì)過程中給予我們悉心指導(dǎo)的楊蜀秦和龍燕老師，同時(shí)也感謝班級(jí)的其他同學(xué)，正式由于和他們一起的努力使我成功完成了本次課程設(shè)計(jì)。</p><p>　　本次模

33、擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是第一次進(jìn)行這樣的嘗試，為以后的畢業(yè)論文打基礎(chǔ)。 在老師指導(dǎo)下進(jìn)行查閱資料、設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試模擬電路。通過這次課程設(shè)計(jì),讓我懂得了設(shè)計(jì)一個(gè)電路是一個(gè)系統(tǒng),需要有理論基礎(chǔ)只是作為根基, 結(jié)合實(shí)際操作和動(dòng)手才能更好的完成一個(gè)電路的設(shè)計(jì).對(duì)于電路設(shè)計(jì)需要有基礎(chǔ)知識(shí)，否則，設(shè)計(jì)出來的電路性能指標(biāo)跟要求相差甚遠(yuǎn)。錯(cuò)誤總會(huì)出現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)需要一種能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并改正錯(cuò)誤的能力，這是十分重要的。它增強(qiáng)我們?nèi)绾芜\(yùn)用理論知識(shí)和實(shí)際的調(diào)試的能

34、力. 需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行模擬調(diào)試，不斷改進(jìn)電路。使其變得更加合理。</p><p><b>　　7儀器儀表清單</b></p><p><b>　　7.元器件選擇</b></p><p>　　1通用型集成單運(yùn)放LM741CN   電路所用的運(yùn)放選用LM741CN,LM741CN的管

35、腳圖如圖所示，其特點(diǎn)是電壓適應(yīng)范圍較寬，可在±5～±18V范圍內(nèi)選用；具有很高的輸入共模、差模電壓，電壓范圍分別為±15V和±30V；內(nèi)含頻率補(bǔ)償和過載、短路保護(hù)電路；可通過外接電位器進(jìn)行調(diào)零. </p><p><b>　　2穩(wěn)壓二極管</b></p><p>　　雙穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓根據(jù)方波幅值

36、選取，由設(shè)計(jì)要求可取12伏特的穩(wěn)壓二極管,本次試驗(yàn)采用的1N4742A穩(wěn)壓二極管。</p><p><b>　　3））電阻</b></p><p>　　電阻R4根據(jù)雙穩(wěn)壓二極管的最大電流確定,此處可取10 k，其他電阻分別有10K電阻，120K電阻和25K電阻。</p><p><b>　　4））電容</b></p&

37、gt;<p>　　電容C根據(jù)振蕩頻率要求確定，本次實(shí)驗(yàn)采用的100nF和10nF兩種電容。</p><p>　　5））由式,令R1=25K,為達(dá)到所要求的頻率,可求得三組值:</p><p>　　當(dāng)頻率為100HZ時(shí),R2=130K R3=130K C=10nF</p><p>　　當(dāng)頻率為1000HZ時(shí),R2=130K R3=130K C

38、=100nF</p><p><b>　　6））原件：</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、童詩白、華成英、《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》、2006 、高等教育出版社</p><p>　　2、元增民、《模擬電子技術(shù)》、2009、中國(guó)電力出版社</p>&