方波振荡电路设计.docx

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方波振荡电路设计

方波振荡电路设计

电气工程与自动化系王文川

方波振荡电路设计

1.1发展趋势

由555时基电路构成常见的最基本的典型应用电路有：

单稳态触发电路、双稳态触发电路、无稳态电路，而用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等

总体方案设计

方案一：

用UA741放大电路外接若干二极管、电阻电容，这种方案硬件电路复杂，可靠性差，

方案二：

用MAX0832集成芯片产生所需方波，可靠性好，稳定性好，但经济价值很贵

方案三：

用NE555集成芯片外接几个电阻电容，和二极管设计一个发生器。

在此我选择了方案三，通过它，产生的方波虽然不是很好看，但经过施密特整形会得到较好的波形，且经济比较为合理，也能达到实验的要求。

硬件设计

3.1工作原理

（一）555时基电路的电路结构和逻辑功能

1.电路结构及逻辑功能

图1为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。

它的各个引脚功能如下：

1脚：

GND（或Vss）外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：

VCC（或VDD）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VCC的范围为3～18V。

一般情况下选用5V。

3脚：

OUT（或Vo）输出端。

2脚：

TR低触发端。

6脚：

TH高触发端。

4脚：

R是直接清零端。

当R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：

CO（或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。

7脚：

D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。

电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。

电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。

基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表1示.

2.555时基电路的主要参数

555时基电路的主要参数有电源电压、静态电流、定时精度、阈值电压、阈值电流、触发电压、触发电流、复位电压、复位电流、放电电流、驱动电流及最高工作频率。

3.等效电路

555时基电路内部既有模拟电路，又有数字电路，读图和应用十分不便，为便于一目了然地理解555的功能，可以将555电路的数字与模拟功能合在一起考虑，进行化简。

图2是图1（a）中555电路的内电路方框图简化成为带一个放电开关的特殊的RS触发器，其逻辑功能见表2所示。

化简后的特殊RS触发器输出电压Vo与输入电压VTH及VTR的关系见表4所示。

3.2.555构成占空比可调的多谐振荡器

首先是将555定时器的2脚与6脚接在一起，构成施密特触发器。

施密特触发器的电压传输特性是反相的。

电阻R5和电容C构成一个RC积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。

除此以外，增加了一个电阻R6，R6与555定时器内部的放电管TD构成了一个反相器。

逻辑上，这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。

因此，这个施密特触发器有两个输出端，分别为555定时器的3号脚和7号脚。

施密特触发器的一个输出端（7号脚）接RC积分电路的输入端，RC积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。

这就是我用555定时器构成多谐振荡器的思路。

图3方波发生电路图

图中0.01uf电容C、4.7KΩ电阻R5和4.7KΩ电阻R6作为振荡器的定时元件，4.7KΩ电位器Rw决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。

定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2之间的电位器R7，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容Co接地。

二极管D3与D4用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径（充电时D3导通，D4截止；放电时D4导通，D3截止）。

占空比：

。

电路开始工作时，先对C4充电，充电电流通过R6,D3,R7和R8；放电时通过R8,R8,D4,R5.当R6=R5时，调至中心点，因充放电的时间基本相等，可使得其的占空比约为50%，此时改变R8仅仅改变频率，，占空比不变。

如R7调至偏离中心点，再调节R8，不仅频率改变，其的占空比也跟着有影响。

R8不变，只调节R7,只改变占空比，对频率没影响。

因此，当电路工作时，接通电源，应调节R8使频率到达规定值，再调R7，获得想要的占空比。

当想获得不同的频率时，先调R7到要获得的占空比的位置，再调R8到达所要的频率出。

3.3.设计的电路图：

图4原理图

图5PCB图

调试和性能分析

4.1注意事项

1.NE555集成芯片三脚输出波形需整形

2.电阻电容用精密电阻电容为了提高稳定性和精度

3．调节占空比与频率时注意电位器的调节的先后顺序

4.2方法或步骤

第一步：

检查电路中各个元件是否接的可靠、大小是否合理，特别是NE555必须接正确

第二步：

在一切都正常的情况下，给电路通电，此时立即触摸NE555

是否发烫，若发烫应立即断电

第三步：

若NE555没有发烫，则说明NE555工作正常，这时开始实验数据测试。

第四步：

通过示波器观察NE555输出的方波信号，观察方波的失真情况。

第五步：

失真的波形通过改良一下，改良后的波形是应该是没有多大失真的方波或者没失真的方波。

第六步：

通过示波器观察波形的幅值大小

第七步：

通过改变可调电阻观察占空比的范围。

第八步：

通过改变可调电阻观察方波的可调频率的范围。

第九步：

统计实验数据参数的测量与分析：

1.占空比的测量：

根据上面的步骤：

在保证一个电位器不变的情况下，调节R7电位器可以看出其占空比的范围由下图6和图7可知道大概范围在20%—80%间，可知也是达到了要的占空比范围。

占空比最小图

占空比最大图

2.频率范围的测量：

在保持R7电位器不变的情况下，调R8电位器，可知他的可调的频率范围为：

89.368HZ—272.58HZ。

可知其的频率可调也在200HZ左右，在一定的情况下是完全满足要求的。

频率最小图

频率最大图

二、非正弦波振荡电路测试

方案一：

RC低通滤波电路，可以较好的将低于滤波器截止频率的频率通过，选频的效果不好，故不采用。

方案二：

二阶带通滤波器电路，将低通滤波器和高通滤波器串联，并使低通滤波器的通带截止频率f2大于高通滤波器的通带截止频率f1，则频率在f1＜f＜f2范围内的信号能通过，选频的效果较好。

故采用此方案。

2、系统整体方案设计

2.1系统总体框图

如下图所示，系统的整体方案设计如图1所示，主要由方波振荡电路、分频与滤波电路、移相电路、加法器电路、信号处理和显示电路组成。

图1信号波形合成系统框图

3、硬件电路的设计

3.1方波振荡电路的设计

图2是此次设计中的方波振荡电路的设计。

该振荡电路是由555定时器构成的多谐振荡器。

由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用非差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变换的影响较小。

60KHZ的方波信号如图2所示。

图2占空比可调方波发生器

3.2分频电路的设计

设计中分频电路如图3所示，采用的是用74HC161计数的方式对信号进行分频。

74HC161有两种计数方式，一种是反馈清零计数法，一种是反馈置数计数法。

这两种计数法均能满足本次设计的要求，在设计中我们采用的是反馈置数计数法。

对10KHZ的信号我们选用的是先三分频在二分频，而30KHZ的信号我们采用的是直接二分频。

图3分频电路

3.3滤波电路的设计

滤波电路选用二阶带通滤波电路，电路原理图如图4，R2和C1组成了低通滤波器，C2和R1组成了高通滤波器，R3引入正反馈，实现输出电压对电压放大倍数的控制。

图430kHz滤波电路

3.4移相电路的设计

移相电路如图5所示，P2和C1组成移相电路，调节P2可调节相位，调节P1可调节输出信号的幅度。

图5移相电路图6加法器电路

3.5加法器电路的设计（见右上图6所示）

4、软件设计

软件程序流程图如图7所示。

图7软件流程图

5、理论分析与计算

5.1方便振荡器的各参数的分析

用555定时器组成的多谐振荡。

接通电源后，电容

充电，当

上升到

时，使

为低电平，同时放电三极管

导通，此时电容

通过

和

放电，

下降到

时，

翻转为高电平。

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。

电路的振荡频率为：

电路输出波形的占空比为

5.2方波进行二阶滤波后产生正弦波的傅里叶计数

基波频率为

，

的平均值是每个周期的平均面积，即

当

为奇数时，

；当

为偶数时，

，可得

因此，

的傅里叶级数为

6、系统的调试与测试

6.1系统测试方法

1）调试方波振荡电路，接通电源，调节滑动器使方波占空比为50%，频率为60kHZ。

2）调试分频电路，将60kHZ进行二分频产生30kHZ方波、三分频后进行二分频产生10kHZ方波用示波器检测。

3）滤波电路的调试，将产生的30kHZ、10kHZ方波经过二阶带通滤波电路产生30kHZ幅值2V的正弦波、10kHZ幅值6V的正弦波。

4）移相电路的测试，加法电路的测试。

5）总体电路一步一步的接入进行测试。

6.2作品测试结果及数据

1）产生的频率为10kHz和30kHz的正弦波信号波形，幅度峰峰值分别为6V和2V。

图5滤波后的10kHZ、30kHZ可调幅值的正弦波

2）经移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的10kHz和30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V的波形。

图6合的近似方波

6.3测试结果分析

从上图5和图6的波形可知，经过滤波后的10kHZ、30kHZ正弦波波形基本正常，无明显失真现象，幅度误差为1％，且其幅值可调。

30kH的波形有点瑕疵，是由于振荡电路的不稳定性产生的干扰信号经滤波无法滤出而产生的。

经移相器和加法器合成的波形幅度为5V的波形也出现了一点失真，是由于基波的信号过大，与三次谐波合成后出现的顶部失真现象，幅度误差为2％。