电子测量综合实验报告555信号发生器.docx
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电子测量综合实验报告555信号发生器
电子测量综合实验报告
555信号发生器
报告人:
学号：
专业：
指导老师：
2010年12月10日
一、实验目的：
二、实验任务与要求：
三、设计方案论证：
四、整体电路设计和分析计算
五、电路仿真分析
六、电路安装与调试
七、实验结果和误差分析
八、实验总结
九、附录：
元器件清单/程序清单
一、实验目的
1、将电子测量课程所学的测量原理、数据处理、误差分析等知识用于实践，学以致用；
2、巩固模电、数电等课程知识将其用于整个综合实验的分析计算过程；
3、熟悉各测量仪表的使用，提高实际动手操作能力。
二、实验任务与要求
1、制成的555信号发生器能产生矩形波、三角波、正弦波三种波形；
2、该信号发生器频率和幅值可调；
3、各误差控制在合理范围内。
三、设计方案论证
1、实验方案
本信号发生器使用555芯片作为多谐振荡器产生矩形波，通过积分形成三角波，再经RC低通滤波形成正弦波。
电路原理图如下
2、关于555芯片
上学期的数电课程就学习了555芯片。
该芯片是模电和数电相结合的中规模集成电路，设计十分巧妙，广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
在数电中我们学习了由其构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。
关于555芯片原理、多谐振荡器原理，数电课已学过，此处不再赘述。
四、整体电路设计和分析计算
1、电路各部分功能分析
1、发光二极管VD为电源指示灯；
2、C1为电源滤波电容；
3、C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；
4、C2的放电回路是C2→RP→R3→555的7脚（通过放电三极管）；
5、隔直电容，还可以隔离前后网络；
6、积分电容，将矩形波积分产生三角波；
7、低通滤波积分网络，滤除三角波中的高中频成分，并再次积分产生近
似正弦波；
2、理论分析计算
（1）电容C2充电所需的时间为：
Tph=（R3+R2+RP）C2㏑2
电容C2放电所需的时间为：
Tpl=（R3+RP）C2㏑2
占空比=
振荡频率
其中电位器RP阻值为0至47KΩ
频率覆盖系数
（2）由电路原理图可知，555芯片3脚高电平时输出电源电压5V，则矩形波峰峰值理论值为U1=5V;
后面RC网络的电压增益分别为
三角波处增益，
;
正弦波处增益，
;
三角波幅值为U2=U1*|Au1|;
正弦波幅值为U3=U2*|Au2|；
（3）调节RP的阻值时，Tph、Tph1改变，导致占空比和频率
改变（
改变），又导致|Au|改变，幅值U改变，以此实现频率、幅值可调。
（4）波形因数：
交流电压有效值与平均值之比，即
波峰因数：
交流电压峰值与有效值之比，即
三种波的波形参数理论值见下表（设幅值为U）
有效值
平均值
波形因数
波峰因数
矩形波
A
A
1
1
三角波
正弦波
五、电路仿真分析
1、Multisism仿真电路原理图
2、仿真波形截图
RP=0%
RP=100%
3、用示波器进行周期、峰峰值、占空比测量
RP=0%时
仿真波形
周期
峰峰值
占空比
矩形波
1.270ms
5.032v
48.44%
三角波
1.270ms
326.526mv
正弦波
1.287ms
9.867mv
RP=100%时
仿真波形
周期
峰峰值
占空比
矩形波
988.189us
5.026v
48.96%
三角波
994.094us
257.340mv
正弦波
1.004ms
4.822mv
可得，频率范围777.01~1011.95HZ
频率覆盖系数
又试用了一下探针测量（如下图），结果与上表一致，不再重复记录。
RP=0%
RP=100%
4、使用Multisim中的万用表测量交流输出电压、电流、阻抗。
注：
测量时视数会变化。
测量阻抗时视数一直在增大。
测量结果记录
RP=0%
交流输出电压
交流输出电流
输出功率P=VI
矩形波
2.498V
249.307uA
622.44uw
三角波
97.001mV
9.497uA
0.92uw
正弦波
3.502mV
1.734uA
uw
RP=100%
交流输出电压
交流输出电流
输出功率P=VI
矩形波
2.499V
249.544uA
623.61uw
三角波
75.309mV
7.441uA
0.56uw
正弦波
1.703mV
1.102uA
uw
其实功率本来可以用瓦特表直接测但正弦波功率太小使视数到0
所以在此不使用瓦特表直接测量
6、其它仿真结果分析
（1）刚开始仿真时，三个波形都不稳定如图，需过一段时间才会稳定。
原因是各电容充放电需要时间，会产生一定的时延。
用示波器测量该延迟时间大致为：
矩形波
26.561ms
三角波
55.569ms
正弦波
70.788ms
（2）使用Multisim中的多通道示波器
将矩形波、三角波、正弦波显示在一个屏幕上。
则可直观地看出：
（1）三种波的周期基本相同；
（2）矩形波高电平时积分电容C5充电，矩形波低电平时积分电容放电；（3）由电平的高低可知积分电容C5使三角波相角比矩形波少90度，而电容C6、C7使正弦波相角比三角波少大约180度（反相）。
六、电路安装与调试
本学期的Multisim、protel实习期中以后才开始，因而本实验电路板制作时只会用万用板焊接导线。
从调试结果上看，电路板的制作还是比较成功的，首次调试三种波形就都出来了，频率、幅值也可调（但幅度不大），制作基本达到了预期目的。
七、实验结果和误差分析
1、部分测量波形截图
2、基本波形测量结果
RP=0%时
测量波形
峰峰值
频率
有效值
矩形波
3.6V
1.31KHZ
2.07V
三角波
180mv
2.62KHZ
46.7mV
正弦波
4mv
1.31KHZ
3.2mV
RP=100%时
测量波形
峰峰值
频率
有效值
矩形波
3.6V
810HZ
2.07V
三角波
260mv
1.62KHZ
75.8mV
正弦波
11mv
810HZ
5.2mV
各标准值与实际值对照表
标准值
实际值
电源
5V
5.03V
电阻R1
510Ω
504Ω
电阻R2
1K
0.965K
电阻R3
62K
68.2K
电阻R4
10K
10.2K
电阻R5
10K
10.0k
电阻R6
10K
9.9k
3、未得出其它参数的说明：
（1）占空比：
因为（R3+RP）远大于R2,所以占空比
=
≈50%，不再测量；
（2）交流输出电流、输出功率：
由于万用表测交流电流时必须将表串接入电路，对于已做好的电路板来说几乎是不切实际的，因而没测交流电流，也就没有计算输出功率。
不过在上面的仿真实验中方便地将万用表串接入电路测了交流电流并计算了输出功率。
（3）由于没有平均值电压表，无法测出均值，进而无法进行波形因数计算。
4、测量数据处理
（1）频率范围2.63KHZ到810HZ,
频率覆盖系数
（2）波峰因数
RP=0%
RP=100%
矩形波
1.73
1.73
三角波
3.85
3.43
矩形波
1.25
2.12
5、误差分析
（1）由于隔直电容C4的容抗的分压作用在实际中不容忽略，所以555芯片3脚输出的5V电压经过C4后，再加上其它因素，导致矩形波实测峰峰值为3.6V。
而后面的低通滤波电容的分压作用也要考虑，导致三角波、正弦波峰峰值比理论值低。
这些误差还是相当大的。
（2）频率相对误差
（3）从上面的各标准值与实际值对照表上可以看到，电源电压、电阻阻值都不是标准值。
此外制作这块电路板时导线用网线，除了电线的电阻作用外，这种导线胶皮内不是一根铜线，而是一束细丝一样的金属线，在剥皮时很容易断，且焊接时不能保证所有细丝都焊上，这就导致了导线的阻值不均匀。
此外焊点的接触也对误差产生影响。
八、实验总结
“汝果欲学诗，功夫在诗外”,当有人请教杜甫如何才能学会作诗时，他如是回答。
对于我们来说，专业课的学习，也是”功夫在诗外”。
也就是说，一味地在课堂上学理论、课下啃书本而缺乏动手实践，是起不到效果的，在电子信息领域，技术能手和优秀工程师不是上课学出来的，而是在实践中靠自己深入钻研成才的。
这里的“诗外的功夫”,便是每当遇到新问题时，要广泛查阅资料，深入钻研原理，综合各方面知识提出解决办法，反复论证反复实验最终解决技术问题。
下了这样的功夫，不知不觉就学到了许多东西，专业技能的提升就水到渠成了。
本次555信号发生器的制作、测量、分析大功告成之后，自己确实学到了不少东西，不但重温了模电的网络参数计算、数电的555及其构成的多谐振荡器，还巩固了使用滤波、隔直电容等电路板制作常用技术，也熟练了示波器、万用表等仪器的操作。
筹备此信号发生器之际，还没进行过Multisim、protel实习，当时对于自己动手制作实物是很茫然的。
只能上网找现成的电路原理图，再用万用板一次性制作好。
试想如果有了仿真基础，本次实验一定会选择一个更复杂的电路。
学过Multisim后，便立即进行了仿真，并且为了多测参数的需要，自己又使用了仿真实验课上没接触到的许多仿真仪器如万用表、探针、瓦特表等，仿真阶段结束后，Multisim自然而然地熟练了。
在最后的报告阶段，不仅巩固了电子测量课上学到的误差分析、波形因数、波峰因数等等概念，在报告的电子档编辑方面，也使出浑身解数。
工欲善其事，必先利其器，下载了Mathtype公式编辑器实现分数、符号、角标等的输入；应用windows的画图工具对网上下载的电路原理图依照实际元件进行了调整，并在上面添加了标注。
报告排版时的文档编辑方面的操作技能巩固更不用说了。
万事开头难，从起初的“心茫茫”一路走到了如今的“心里亮”。
在本次实验收尾之际，本人深感受益良多。
九、附录：
元器件清单
电阻
510Ω（1个）
10KΩ（3个）
1KΩ（1个）
62KΩ（1个）
电容
100uF（1个）
0.01uF（2个）
0.1uF（2个）
0.47uF（1个）
电位器
RP=47K（1个）
发光二极管VD
（1个）
555集成芯片
（1个）
THEEND
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