555信號發(fā)生器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　課題名稱 </p><p>　　班 級 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號

2、 </p><p>　　電 話 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　日 期 6月17日—6月28日 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　

3、第一章、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求- 1 -</p><p>　　第二章、信號發(fā)生器設(shè)計(jì)方案- 1 -</p><p>　　2.1 總體設(shè)計(jì)方案論證及選擇：- 1 -</p><p>　　2.2函數(shù)信號發(fā)生器總體方案框圖- 1 -</p><p>　　第三章、單元電路原理與電路- 2 -</p><p>　　3.1方波發(fā)

4、生電路- 2 -</p><p>　　3.1.1方案選擇- 2 -</p><p>　　3.2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路原理圖- 4 -</p><p>　　3.3三角波——正弦波轉(zhuǎn)換電路原理圖- 5 -</p><p>　　第四章 電路的安裝與調(diào)試- 8 -</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)- 12 -&

5、lt;/p><p>　　5.1經(jīng)驗(yàn)：- 12 -</p><p>　　5.2不足：- 12 -</p><p>　　5.3感想：- 12 -</p><p><b>　　附錄- 12 -</b></p><p>　　元件清單列表- 12 -</p><p>　　參考文

6、獻(xiàn)- 13 -</p><p><b>　　鳴謝- 13 -</b></p><p>　　第一章、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</p><p>　　設(shè)計(jì)要求：用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)信號發(fā)生器，要求輸出方波、三角波、正弦波并，設(shè)計(jì)輸出電壓及頻率</p><p>　　第二章、信號發(fā)生器設(shè)計(jì)方案</p><p>

7、　　2.1 總體設(shè)計(jì)方案論證及選擇：</p><p>　　方案一：通過RC震蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生三角波，在通過積分電路產(chǎn)生方波。其中，RC震蕩電路為RC橋式正弦振蕩電路，然后通過放大器構(gòu)成過零比較器來實(shí)現(xiàn)方波的轉(zhuǎn)換，在通過反向積分電路來實(shí)現(xiàn)方波到三角波的轉(zhuǎn)化。</p><p>　　方案二：可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。

8、早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。</p><p>　　方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的順序來設(shè)計(jì)電路，其中，方波可以通過模電中的方波發(fā)生電路來產(chǎn)生，也可以通過數(shù)電中的555多諧振蕩電路來產(chǎn)生，方波到三角波為積分的過程，三角波

9、到正弦波可以通過低通濾波來實(shí)現(xiàn)，也可以利用差分放大器的傳輸非線性來實(shí)現(xiàn)或者通過折現(xiàn)法來實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　可行性分析：</b></p><p>　　縱觀以上N種方案，對比如下，本著自己動(dòng)手的觀念，首先排除第二種用集成芯片的方法，因?yàn)檫@種方法對設(shè)計(jì)的要求太低；其次分析方案一可得其RC橋式正弦震蕩電路的占空比受R和C共同影響，調(diào)節(jié)頻率時(shí)需要調(diào)節(jié)的元器件參數(shù)

10、太多，比較繁瑣，并且此震蕩電路的頻率也不是很好的滿足設(shè)計(jì)的要求。所以綜上所述，選擇方案三來實(shí)現(xiàn)本次的課程設(shè)計(jì)：555多諧振蕩器的頻率很好計(jì)算和調(diào)節(jié)，并且輸出的波形比較準(zhǔn)確；波到三角波的轉(zhuǎn)化可通過簡單RC積分電路來實(shí)現(xiàn)；角波到正弦波可通過簡單RC低通濾波器來實(shí)現(xiàn)也可通過折現(xiàn)法或者差分法來實(shí)現(xiàn)。分析方案得：各個(gè)不分的實(shí)現(xiàn)有多種辦法，但也許理論上比較好的方法在實(shí)踐中由于環(huán)境的種種原因可能并不是最好的，所以最終的方案的細(xì)節(jié)有待在試驗(yàn)仿真中作進(jìn)一

11、步的確定。</p><p>　　2.2函數(shù)信號發(fā)生器總體方案框圖</p><p>　　首先，將555定時(shí)器接成多諧震蕩電路，多諧震蕩電路的輸出便是方波，接著接一個(gè)RC積分電路，從而產(chǎn)生三角波，最后接一個(gè)無源低通濾波器，從而產(chǎn)生正弦波。如框圖2.2-1所示。</p><p><b>　　圖2.2-1</b></p><p>

12、;　　第三章、單元電路原理與電路</p><p><b>　　3.1方波發(fā)生電路</b></p><p><b>　　3.1.1方案選擇</b></p><p>　　方案一：占空比可調(diào)的矩形波放聲，電路占空比的改變方法：使電容的正向和反向充電時(shí)間常數(shù)不同。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢砸龑?dǎo)電流流經(jīng)不同的通路。</p>

13、;<p>　　方案二：改進(jìn)型555多諧振蕩器電路，接法：先將555定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器，再將輸出經(jīng)RC積分電路接回輸入端即可。</p><p>　　對比如上兩個(gè)方案，方案一的頻率性較差，并且輸出電壓受到穩(wěn)壓二極管的影響，輸出電壓幅值不能改變；而方案二頻率調(diào)節(jié)理與方案一很是相似，但是方案二的頻率表達(dá)式比較簡潔，容易計(jì)算，而且方案二的輸出電壓幅值的改變可通過對555定時(shí)器的供電的改變來實(shí)現(xiàn)，對于占空比

14、，已對原始的多諧振蕩器做了些許改動(dòng)，能達(dá)到1/2的要求。綜上，選擇方案二。</p><p>　　555定時(shí)器的工作原理：555定時(shí)器是一種功能強(qiáng)大的模擬數(shù)字混合集成電路，其組成電路框圖如圖22.32所示。555定時(shí)器有二個(gè)比較器A1和A2，有一個(gè)RS觸發(fā)器，R和S高電平有效。三極管VT1對清零起跟隨作用，起緩沖作用。三極管VT2是放電管，將對外電路的元件提供放電通路。比較器的輸入端有一個(gè)由三個(gè)5kW電阻組成的分壓

15、器，由此可以獲得 和 兩個(gè)分壓值，一般稱為閾值。555定時(shí)器的1腳是接地端GND，2腳是低觸發(fā)端TL，3腳是輸出端OUT，4腳是清除端Rd，5腳是電壓控制端CV，6腳是高觸發(fā)端TH，7腳是放電端DIS，8腳是電源端VCC。555引腳如圖3.1-1，引腳功能如表3.1-1。</p><p><b>　　表3.1-1</b></p><p><b>　　圖3.1

16、-1</b></p><p>　　555定時(shí)器功能如表3.1-2，用555定時(shí)器接成多諧震蕩電路如圖3.1-2。</p><p>　　表3.1-2 555定時(shí)器功能表</p><p><b>　　圖3.1-2</b></p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：</b></p>

17、<p>　　改進(jìn)型多諧振蕩電路主要改進(jìn)了電容充電和放電的回路，使得回路的時(shí)間常數(shù)相同即可，再此引入二極管來分開充電和放電回路。</p><p><b>　　高電平，充電時(shí)間</b></p><p><b>　?。?公式3-1）</b></p><p><b>　　低電平，放電時(shí)間</b>

18、</p><p><b>　?。?公式3-2）</b></p><p><b>　　占空比</b></p><p><b>　?。?公式3-3）</b></p><p><b>　　方波周期</b></p><p><b>

19、;　?。?公式3-4）</b></p><p><b>　　振蕩頻率</b></p><p><b>　　（ 公式3-5）</b></p><p>　　經(jīng)過計(jì)算，對應(yīng)到電路的仿真圖，選取C6為10uF，R4 = R5 =47K歐姆。當(dāng)RV1=1K歐姆最大時(shí)，頻率即為1HZ（如圖3.3-5)。</p>

20、<p>　　3.2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路原理圖</p><p>　　由積分電路構(gòu)成方波—三角波產(chǎn)生電路，方波經(jīng)反向積分電路積得到三角波。</p><p>　　方案一：簡單的積分電路（由電阻和電容構(gòu)成）。</p><p>　　方案二：帶有放大器的積分電路（由放大器和電阻電容構(gòu)成）。</p><p>　　對比如上兩個(gè)方案，在方波的頻

21、率改變的情況下，都需改變充電電容，因?yàn)榉讲l率變大時(shí)，要求積分時(shí)間短，即電容的容量要小，以達(dá)到快速充電的要求，否則波形失真；當(dāng)方波頻率變小時(shí)，要求積分時(shí)間要長，這時(shí)增大電容的容量，否則將產(chǎn)生梯形式的方波。兩個(gè)方案相對沒有理論上的優(yōu)劣，現(xiàn)選擇方案一。</p><p>　　原理：輸出信號與輸入信號的積分成正比的電路，稱為積分電路。</p><p>　　電路結(jié)構(gòu)如圖，積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為

22、鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。電路原理很簡單，都是基于電容的沖放電原理，這里要提的是電路的時(shí)間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時(shí)間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。 </p><p>　　3.3三角波——正弦波轉(zhuǎn)換電路原理圖</p><p>　　由三角波轉(zhuǎn)換為正弦波有三種方案，分別是采用低通濾波電路、利用差分放大電路的傳輸曲線、采用折線法選擇，具體實(shí)現(xiàn)如下：&l

23、t;/p><p>　　方案一：低通濾波電路（通過簡單ＲＣ電路來實(shí)現(xiàn)），如圖3.3-1。</p><p><b>　　圖3.3-1</b></p><p>　　方案二：利用差分放大電路的傳輸曲線（差分放大器的非線性傳輸曲線）。如圖3.3-2。</p><p><b>　　圖3.3-2</b></p&

24、gt;<p>　　方案三：通過折線法來實(shí)現(xiàn)。如圖3.3-3。</p><p><b>　　圖3.3-3</b></p><p><b>　　對比如上方案：</b></p><p>　　方案一利用低通濾波器將三角波變換成正弦波，將三角波按傅里葉級數(shù)展開</p><p>　　其中Um是三角

25、波的幅值。根據(jù)上式可知，低通濾波器的通帶截止頻率應(yīng)大于三角波的基波頻率且小于三角波的三次諧波頻率。當(dāng)然，也可以利用帶通濾波器實(shí)現(xiàn)上述變換；</p><p>　　方案二利用差分放大器的非線性傳輸曲線來實(shí)現(xiàn)，具體原理如圖3.3-4所示：</p><p><b>　　圖3.3-4</b></p><p>　　方案三的電路連接比較復(fù)雜，而且需要的元器件

26、也比較多，調(diào)試也比較不方便。</p><p>　　綜上所述，及根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果來看，方案二和方案三的結(jié)果波形并不理想，而且調(diào)節(jié)繁瑣，故選擇方案一來實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換。總電路圖如圖3.3-5。</p><p><b>　　圖3.3-5</b></p><p>　　參數(shù)計(jì)算：當(dāng)RV1=1K歐姆時(shí)，</p><p>　　計(jì)

27、算值： f=1HZ</p><p>　　UA(max)=4.8V (方波) </p><p>　　UB(max)=3.6V (三角波)</p><p>　　UC(max)=3.6V (正弦波)</p><p><b>　　實(shí)測值：</b></p><p><b>　　f

28、=1HZ</b></p><p>　　UA(max)=5V (方波) </p><p>　　UB(max)=3.8V (三角波)</p><p>　　UC(max)=3.6V (正弦波)</p><p>　　調(diào)節(jié)RV1可改變相關(guān)參數(shù)大小,對比計(jì)算值與實(shí)測值發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)存在一定誤差，但結(jié)果與理論相符。</p&

29、gt;<p>　　第四章 電路的安裝與調(diào)試</p><p>　　在繪制電路的原理圖時(shí)，可采用了multisim和proteus軟件，我分別采用了multisim和proteus軟件，但結(jié)果采的是proteus的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，multisim仿真原理圖見圖4-1，proteus仿真原理圖見圖4-2。</p><p><b>　　圖4-1</b></p&g

30、t;<p><b>　　圖4-2</b></p><p>　　Proteus仿真及調(diào)試過程：首先設(shè)置好實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，接著畫原理圖，最后運(yùn)行（用示波器觀察波形）。一開始運(yùn)行的時(shí)候示波器上并未出現(xiàn)預(yù)期的波形，經(jīng)反復(fù)檢查后發(fā)現(xiàn)電容C6并未與電路連接上，只是單純地?cái)[放了上去。再將電容C6與電路連接上后，示波器上出現(xiàn)了不規(guī)則的波形。接下來便是反復(fù)地修改參數(shù)。最后根據(jù)波形選擇了合理的參數(shù)。

31、波形如圖4-3所示。</p><p><b>　　圖4-3</b></p><p>　　Altium designer制板過程：首先新建工程（在工程下建原理圖和PCB圖），接著畫原理圖，最后是繪制PCB板。該過程的主要問題是PCB板的繪制。其中連線比較復(fù)雜，同一層的線不能交叉，因此需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候打孔將兩層的線連接起來。自動(dòng)布置的線很亂并且有尖角效應(yīng)，因此最好己動(dòng)手布

32、置。第一次我把線連接完后，老師問我引出端在哪，結(jié)果我把引出端放到了板子的中間。于是我又重新擺放了一下器件，這一次子線又亂了，又得重連，接著我又重新開始連線。連完線后就開始鋪銅，鋪完銅后我又給板子相應(yīng)的地方加上淚滴。在這之后板子就做好了。該過程的相關(guān)圖片PCB原理圖如圖4-4、連線圖如圖4-5、板子如圖4-6、4-7。</p><p><b>　　圖4-4</b></p><

33、;p><b>　　圖4-5 </b></p><p><b>　　圖4-6 板子頂層</b></p><p><b>　　圖4-7 板子底層</b></p><p><b>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) </b></p><p><b>　　5.1

34、經(jīng)驗(yàn)：</b></p><p>　　信號發(fā)生器是本次課程設(shè)計(jì)的比較簡單的一個(gè)題目，經(jīng)過兩周的設(shè)計(jì)，我基本完成了本課題所需要求。本設(shè)計(jì)最大的特色就是信號發(fā)生流程相對簡單明了，易于理解。但是，它的難度：電路對各元件的參數(shù)選擇要求比較高，調(diào)整波形相對而言不方便。因此最好根據(jù)波形來調(diào)節(jié)參數(shù)。調(diào)節(jié)參數(shù)的時(shí)候先調(diào)節(jié)一個(gè)值，把其它值固定，在調(diào)節(jié)這個(gè)值的時(shí)候可以先調(diào)成幾個(gè)等間距的值，根據(jù)波形大致確定范圍，然后再微調(diào)。

35、另外在制板子的時(shí)應(yīng)該把器件擺放好再連線，先整體布局一下再開始連，有必要的時(shí)候通過打孔將兩層的線連接起來。</p><p><b>　　5.2不足：</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)雖然簡單，但是走了不少彎路。在用proteus仿真的時(shí)候由于粗心沒有把器件與線路連接好，以為是原理圖有問題，于是就不停地修改原理圖，浪費(fèi)了很多時(shí)間。在制板的時(shí)候由于一開始沒有把器件擺放好

36、，重連了很多次線。</p><p><b>　　5.3感想：</b></p><p>　　鑒于這次我選的課題比較簡單，設(shè)計(jì)的過程不是很復(fù)雜，可能我學(xué)到的東西沒有其他同學(xué)多（接觸的元器件很少，具體的操作也涉及得很少）。但是我還是很開心，從原理圖的繪制到最終的pcb板的生成，都是自己一步一步做出來的，課程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，自己都做得比較認(rèn)真。遇到問題也積極地問老師和同學(xué)，在

37、這里很感謝三位老師的指導(dǎo)，要是沒有老師的指導(dǎo)，估計(jì)自己也做不出來。這次課程設(shè)計(jì)收獲了很多。其中一方面是專業(yè)相關(guān)的知識及動(dòng)手能力。另一方面是發(fā)現(xiàn)問題并且解決問題的能力，自學(xué)能力等等。</p><p>　　最后，我感覺通過具體的實(shí)踐，自己動(dòng)手，深刻感知了實(shí)踐的重要性，明白了理解和應(yīng)用還是有所不同的，我們應(yīng)該朝著更高的要求即靈活的應(yīng)用去努力。</p><p><b>　　附錄</

38、b></p><p><b>　　元件清單列表</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.閻石?《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）》?清華大學(xué)出版社?2006年5月?（ISBN 978-7-04-019383-1）</p><p>　　2.童詩白?《模擬電子技術(shù)基

39、礎(chǔ)（第四版）》?高等教育出版社?2006年5月?(ISBN 978-7-04-018922-3)</p><p><b>　　鳴謝</b></p><p>　　感謝xx老師的悉心指導(dǎo)，老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的學(xué)術(shù)洞察力、活躍的思想、以及平易近人的師長風(fēng)范，也使我們受益匪淺。值此論文完成之際，謹(jǐn)向老師致以深深的敬意和衷心的感謝。特別感謝我的指導(dǎo)老師xx老師