频率可调方波发生器.docx
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频率可调方波发生器
频率可调的方波发生器及频率显示器设计
学院：
电子信息工程学院
专业：
通信工程
指导老师：
学生姓名：
学号：
1.引言3
2.电路元件结构及工作原理3
2.1555定时器3
2.274ls160同步计数器5
2.374ls1754位寄存器6
3.电路工作原理仿真6
3.1频率可调555方波发生器6
3.2频率计数器8
3.3可显示频率的方波发生器9
4.电路的测试结果误差分析10
5.其它类型的方波发生器10
6.课程设计设计总结12
7.参考文献13
频率可调的方波发生器及频率显示器设计
摘要：
通过555定时器进行函数发生器的设计,电路简单,成本低廉，稳定性好，精度高。
根据有关理论原理进行电路参数的计算和选取,借助Multisim进行电路创建,波形仿真，设计频率可调，步进10Hz的简易方波发生器,并且能用三位十进制数显示频率。
对有关问题进行了分析讨论。
关键词:
555定时器函数发生器波形仿真
Theadjustablefrequencysquarewavegeneratorandfrequencydisplaydesign
Abstract:
Usingthe555timertodesignfunctiongenerator,thecircuitissimple,thecostislow,thefunctiongeneratorcombinesgoodstabilityandhighprecision.Accordingtotheprincipleofthetheoryofcircuitparametercalculationandselection,useMultisimtocreatecircuit,waveformsimulation,designofadjustablefrequency,simplestep10hzsquare-wavegenerator,andcanusethethreedecimalnumbertodisplayfrequency.Analysestherelatedproblemsarediscussed.
Keywords:
555timer;functiongenerator;waveformsimulation
1.引言
基本的函数发生器用来产生正弦波、方波、三角波三种电压波形,其电路构成形式多种多样,有全部采用分立元件的（非门振荡）,也可由运放级联构成,也有专用的集成电路直接得到（如片集成电路函数发生器ICL8038）,或通过单片机串口输出方波。
本文通过555定时器,外加一些RC电路,设计得到能直接产生频率可调的方波发生器。
2.电路元件结构及工作原理
2.1555定时器
555定时器内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个SR触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
。
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SR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/3。
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SR触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2/3VCC，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SR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。
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VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论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。
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。
2.274ls160同步计数器
74ls161功能表
从功能表的第一行可知，当
＝0（输入低电平），则不管其他输入端（包括CP端）状态如何，四个数据输出端QA、QB、QC、QD全部清零。
由于这一清零操作不需要时钟脉冲CP配合（即不管CP是什么状态都行），所以
为异步清零端，且低电平有效，也可以说该计数器具有“异步清零”功能。
从功能表的第二行可知，当
＝1且
＝0时，时钟脉冲CP上升沿到达，四个数据输出端QA、QB、QC、QD同时分别接收并行数据输入信号a、b、c、d。
由于这个置数操作必须有CP上升沿配合，并与CP上升沿同步，所以称那么该芯片具有“同步置数”功能。
从功能表的第三行可知，当
＝
＝1，CTr＝CTp＝1时，则对计数脉冲CP实现同步十进制加计数；而从功能表的第四行又知道，当
＝
＝1时，只要CTr和ENP中有一个为0，则不管CP状态如何（包括上升沿），计数器所有数据输出都保持原状态不变。
因此，CTr和CTp应该为计数控制端，当它们同时为1时，计数器执行正常同步计数功能；而当它们有一个为0时，计数器执行保持功能。
另外，进位输出QCC=CTr·Q0·Q1·Q2·Q3表明，进位输出端仅当计数控制端CTr＝1且计数器状态为15时它才为1，否则为0
2.374ls1754位寄存器
当
＝0（输入低电平）时，输出端异步清零。
当
＝1（输入高电平）时，在CP上升沿作用下，将输入端D0~D3送入触发器输出端锁存，在CP非上升沿情况下，输出端与输入端D0~D3无关
3.电路工作原理仿真
3.1频率可调555方波发生器
由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R3，R4和C（C由C4、C7、C8、C9、C10、C11、C12构成）是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R3和C4的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。
由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。
这时，电源经R3，R4对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。
充电时间常数T充=（R3＋R4）C。
振荡频率为
有上述公式可得，当R4=2.34KΩ，R3=10KΩ时，开关状态J6~J1用6位二进制数表示，0代表闭合，1代表断开。
开关全部闭合，记开关状态为000000，此时C=6.4uF,输出out频率为
J1断开，开关状态为000001，此时C=C4//C7=3.2uF,输出out频率为
J2断开，开关状态为000010，此时C=C4//C9=
uF,输出out频率为
J1，J2断开，开关状态为000011，此时C=C4//C7//C9=1.6uF,输出out频率为
以此类推，可以通过开关J6~J1不断调节C的大小，开关从000000~111111可使频率从10Hz到640Hz变化，频率可调，步进为10Hz。
3.2频率计数器
信号发生器XFG2为频率0.5Hz的方波，信号发生器XFG2为需要测试的方波频率。
当XFG2输入高电平1时，持续1s，计数器74ls160的CLR=1,在XFG2的时钟脉冲下降沿实行计数功能。
当QA=QD=1（即计数到9）时，通过与非门反馈至LOAD端和下个74ls160的ENT端，使在下一个CP下降沿的时候该计算器置零并且下个74ls160加一，如此可实现十进制数的计数功能。
当XFG2下降沿的时候（从高电平变为低电平），锁存器将计数器的输出端数据送入8段数码管并且显示出来（如图，从右到左依次为百位、十位、个位），同时通过6个7404N非门使XFG2的低电平到来延时，使数码管显示数据后再对计数器实现清零。
在下一次XFG2输入高电平1时，重新开始计算，下一次下降沿时可再一次显示频率，使数码管能够每2秒刷新一次频率。
3.3可显示频率的方波发生器
将上述的555方波发生器和频率计数器组合起来，用555方波发生器的输出端out代替频率接收器中的XFG1，测试555方波发生器的频率。
当开关J6~J1为010010是，频率为190Hz（图中从右到左）
当开关J6~J1为101010是，频率为430Hz（图中从右到左）
4.电路的测试结果误差分析
实验的实际显示频率和理论值有一定的误差，由式
R4+2*R3=22.34375KΩ,而实际选用的电阻大小有一定偏差，并且该式忽略了放电开关T的电阻，使得存在误差。
但误差较小，根据结果显示最终误差在1hz以内。
5.其它类型的方波发生器
方案一：
用非门产生振荡回路，实验证明，无论怎样改变R,C的值，方波周期始终维持在172ns，适合做一个频率固定的方波发生器。
该方案的优点是电路简单，频率不可调。
方案二：
单片机产生脉冲
脉冲程序如下：
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uchartemp;
voiddelay（uintx）{
uinti,j,m;
for（i=x;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）
for（m=112;m>0;m--）;
}
voidmain（）
{
while
（1）
{
P0=0x00;
delay（5）;
P0=0xff;
delay（5）;
}
}
利用单片机可产生频率可调，占空比可调的矩形波以及多种波形。
通过改变delay后括号中值即可改变方波频率。
如delay（5）是1hz的方波，delay
（1）为5hz的方波。
也可通过for循环调节频率。
该方波发生器的优点是类型多样化，且编程易于实现。
6.课程设计设计总结
本次仿真实验，首先利用555芯片实现了可调方波产生电路，然后根据其振荡频率公式
，发现频率
正比于
，而当各个电容串联使用时，
，于是想到使用电容串接来调解频率，并且当电容每减小为
时，频率就增加一倍，由此设计了如图的采用二进制调解频率法。
频率计是采用3个74ls160串接使用，当低位的74ls160到达9时，在下一个计数脉冲到来时反馈使该计数器输出清零，并且下位74ls160加1，实现脉冲计数功能。
并且每2秒将计数器的值送入数码管显示一次频率，然后对计数器清零，使频率能够每2秒刷新一次。
除此类方波发生器外，还可以利用非门串联电容产生方波发生器，也可以用单片机编程产生方波发生器。
非门方波发生器产生的方波波形较好，但频率不可调，仿真中方波频率始终维持在172ns，稳定性较好，若用此类电路设计频率可调的方波发生器，可能需要使用锁相环来调节频率，如此一来电路就变得复杂。
相比之下，单片机编程产生方波发生器电路简单，编程易于实现，可通过程序设计各种频率的多种波形的函数发生器。
但是单片机
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