555定时器构成的方波三角波正弦波发生器 设计报告.docx
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555定时器构成的方波三角波正弦波发生器设计报告
电子技术课程设计说明书
题目:
555定时器构成的方波、三角波、正弦波发生器
系部:
歌尔科技学院
专业:
班级:
2013级1班
学生姓名:
学号:
指导教师:
年月日
1设计任务与要求
(1)555定时器构成的方波发生器电路输出频率范围:
10-1KH可调;占空比0-100%连续可调;
输出方波Vp_p<=12v;
输出三角波Vp-p>0.2v;
输出正弦波Vp-p<1v;
(2)写出详细的电路工作原理、参数计算;
(3)画出仿真电路图;
(4)仿真测试并记录结果:
A.输出方波的仿真结果;
B.输出三角波的仿真结果;
C.输出正弦波的仿真结果;
(5)设计以上电路工作电源:
A.画出电源电路图;
B.写出电源电路工作原理、参数计算;
(6)制作实物;
2设计方案
2.1设计思路
2.1.1方案一原理框图
图2-1方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图
首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波,然后由积分电路将方波转化为三角波,最后用低通滤波器将方波转化为正弦波,但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形,因为负载的变动将拉动波形的崎变。
2.1.2方案二原理框图
图2-2正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图
RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法,电路框图如上。
先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波,再通过电压比较器产生方波,最后通过积分电路形成三角波。
此电路具有良好的正弦波和方波信号。
但经过积分器电路产生的同步三角波信号,存在难度。
原因是积分器电路的积分时间常数是不变的,而随着方波信号频率的改变,积分电路输出的三角波幅度同时改变。
若要保持三角波幅度不变,需同时改变积分时间常数的大小。
2.2函数发生器的选择方案
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题未采用单片函数发生器模块8038。
方案一的电路结构、思路简单,运行时性能稳定且能较好的符合设计要求,且成本低廉、调整方便,关于输出正弦波波形的变形,可以通过可变电阻的调节来调整。
而方案二,关于三角波的缺陷,不是能很好的处理,且波形质量不太理想,且频率调节不如方案一简单方便。
综上所述,我们选择方案一。
2.3实验器材
电阻,555定时器,滑动变阻器,电容,电解电容,二极管,晶体管,示波器,741及导线若干。
主要芯片的作用:
(1)555定时器:
产生方波;
(2)741:
将方波转换成三角波;
3硬件电路设计
3.1555定时器的介绍
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型,其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。
它们的结构及工作原理基本相同。
通常,双极型定时器具有较大的驱动能力,而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。
555定时器工作的电源电压很宽,并可承受较大的负载电流。
双极型定时器电源电压范围为5~16V,最大负载电流可达200mA;CMOS定时器电源电压范围为318V,最大负载电流在4mA以下。
3.2电路组成
(1)图3-2,图3-3为555集成定时器555定时器的内部逻辑图和引脚图,其由五个组成:
(2)由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器;
(3)两个电压比较器C1和C2:
图3-1电气原理图
v+>v-,vo=1;
v+<v-,vo=0。
(3)基本RS触发器;
(4)放电三极管T及缓冲器G
图3-2555定时器内部逻辑图图3-3引脚图
3.3引脚的作用
1引脚:
接地端,与地相接;
2引脚:
触发输入端;
3引脚:
电压输出端;
4引脚:
RD复位端:
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引脚:
电压控制端;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。
6引脚:
阈值输入端;
7引脚:
放电端;
8引脚:
电源输入端。
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。
3.4基本功能
当5脚悬空时,比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31
(1)当vI1>
,vI2>
时,比较器C1输出低电平,C2输出高电平,基本RS触发器被臵0,放电三极管T导通,输出端vO为低电平。
(2)当vI1<
,vI2<
时,比较器C1输出高电平,C2输出低电平,基本RS触发器被臵1,放电三极管T截止,输出端vO为高电平。
(3)当vI1<
,vI2>
时,比较器C1输出高电平,C2也输出高电平,即基本RS触发器R=1,S=1,触发器状态不变,电路亦保持原状态不变。
由于阈值输入端(vI1)为高电平(>
)时,定时器输出低电平,因此也将该端称为高触发端(TH)。
因为触发输入端(vI2)为低电平(<
)时,定时器输出高电平,因此也将该端称为低触发端(TL)。
如果在电压控制端(5脚)施加一个外加电压(其值在0~VCC之间),比较器的参考电压将发生变化,电路相应的阈值、触发电平也将随之变化,并进而影响电路的工作状态。
另外,RD为复位输入端,当RD为低电平时,不管其他输入端的状态如何,输出vo为低电平,即RD的控制级别最高。
正常工作时,一般应将其接高电平。
555定时器功能如表3-1
表3-1555定时器功能表
清零端
高触发端
地触发端
Q
放电管
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
×
保持
保持
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
4主要参数计算与分析
4.1由555定时器产生方波
图4-1方波产生电路
当电容C1被充电时,2和6引脚的电压都上升,此时二极管D1导通,接通+12V电源后,电容C1被充电,Vc上升,当Vc上升到2Vcc/3时,触发器被复位,同时放电BJTT导通,此时输出电平Vo为低电平,电容C1通过R2和T放电,使Vc下降。
当Vc下降到Vcc/3时,触发器又被置位,Vo翻转为高电平。
电容器C1经R2,R3,他们此时所分的总阻值为R1向电容C1放电,放电所需的时间为:
tPL=R1*C1*ln2≈0.7*R1*C1;
当C1放电结束时,T截止,Vcc将通过R1、R2所分得的阻值为R3向电容器C2充电,Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为
tPH=R3*C2*ln2≈0.7*R3*C2;
当Vc上升到2Vcc/3时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到了一个周期性的方波,其频率为
f=1/(tPL+tPH)≈1.43/[(R1+R2)*C1]
稳态时555电路输入端处于电源电平,内部放电开关管T导通,输出端Vo输出低电平,当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于1/3Vcc,低电平比较器动作,单稳态电路即开始一个稳态过程,电容C开始充电,Vc按指数规律增长。
当Vc充电到2/3Vcc时,高电平比较器动作,比较器A1翻转,输出Vo从高电平返回低电平,放电开关管T重新导通,电容C上的电荷很快经放电开关管放电,暂态结束,恢复稳定,为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图见图4-2。
图4-2电路的电压波形图
4.2由方波输出为三角波
图4-3三角波的产生电路
图4-4输入及输出电压波形
当741很大时,运放两输入端为"虚地",忽略流入放大器的电流,令输入电压为Vi输出为Vo,流过电容C的电流为i1则,有
即输出电压与输入电压成积分关系。
当
为固定值时
上式表明输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。
当为矩形波时,便成为三角波。
4.3由三角波输出正弦波
图4-5正弦波的产生电路
分析表明,传输特性曲线的表达式为:
Ic=I/[1+exp(-Uid/UT)]
I——差分放大器的恒定电流;
UT——温度的电压当量,当室温为25摄氏度时,UT≈26mV。
如果Uid为三角波,设表达式为
Uid(t)=[4*Um*(t-T/4)]/T(0<=t<=T/2)
Uid(t)=[-4*Um*(t-3*T/4)]/T(T/2<=t<=T)
式中Um——三角波的幅度;
T——三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波,
(1)传输特性曲线越对称,线性区越窄越好。
(2)三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
(3)图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中R5调节三角波的幅度,R9调整电路的对称性,其并联电阻R10用来减小差分放大器的线性区。
电容C5为隔直电容,C8为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。
隔直电容C5要取得较大,因为输出频率很低,取c5=500微法,滤波电容视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,c6,c7可取得较小,一般为几十皮法至0.01微法。
R9=100欧与R10=100欧姆相并联,以减小差分放大器的线性区。
5软件设计
5.1系统组成框图
图5-1总体框图
5.2元件清单
表5-1电路图中的所有元件
序号
名称
数量
1
555定时器
1
2
运算放大器
1
3
电阻
13
4
电容
7
5
可调电阻
4
6
三极管
4
7
电解电容
1
8
二极管
2
6调试过程
6.1方波---三角波发生电路的安装与调试
6.1.1按装方波——三角波产生电路
(1)把741集成块插入面包板,注意布局;
(2)分别把各电阻放入适当位置,尤其注意电位器的接法;
(3)按图接线,注意直流源的正负及接地端。
6.1.2调试方波——三角波产生电路
(1)接入电源后,用示波器进行双踪观察;
(2)调节可调电阻R8,使三角波的幅值满足指标要求;
(3)调节可调电阻R5,微调波形的频率;
(4)观察示波器,各指标达到要求后进行下一部按装。
6.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试
6.2.1按装三角波——正弦波变换电路
(1)在面包板上接入差分放大电路,注意三极管的各管脚的接线;
(2)搭生成直流源电路,注意各相关的阻值选取;
(3)接入各电容及电位器,注意滤波电容的选取;
(4)按图接线,注意直流源的正负及接地端。
6.2.2调试三角波——正弦波变换电路
(1)接入直流源后,把C5接地,利用万用表测试差分放大电路的静态工作点;
(2)测试V1、V2的电容值,当不相等时调节R9使其相等;
(3)测试V3、V4的电容值,使其满足实验要求;
(4)在C5端接入信号源,利用示波器观察,逐渐增大输入电压,当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压;
6.2.3总电路的安装与调试
(1)把两部分的电路接好,进行整体测试、观察
(2)针对各阶段出现的问题,逐各排查校验,使其满足实验要求,即使正弦波的峰峰值大于1V。
6.2.4调试中遇到的问题及解决的方法
(1)方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。
(2)调试时没有波形出现。
用万用表测量各个结点是否有电流通过,以便检查电路连接是否正常。
(3)调节电位器时,波形的没有任何变化。
可能是电位器的连接方法有问题,也可能是电位器本身无法调节。
7结论
为期两个星期的课程设计已经结束,在这两星期的学习、设计、焊接过程中我们感触颇深。
使我们对抽象的理论有了具体的认识。
通过对函数信号发生器的设计,我们掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用的仪器仪表;了解了电路的连接、焊接方法;以及如何提高电路的性能等等。
通过对函数信号发生器的设计,我们还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计,我们不但知道了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中,我们感觉调试部分是最难的,因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数,我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程,没有经验是不可能在短时间内将其完成的,而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧!
其次,这次课程设计提高了我们团队合作水平,使我们配合更加默契,体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦,体会到成功来自于汗水,体会到成果的来之不易。
在实验过程中,我们遇到了不少的问题。
比如:
波形失真,甚至不出波形这样的问题。
在老师和同学的帮助下,把问题一一解决,那种心情别提有多高兴啦。
实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题,有些理论知识还处于懵懂状态,老师们不厌其烦地为我们调整波形,讲解知识点,实在令我感动。
还有就是在实验中,好多同学被电烙铁烫伤了,这不得不让我们想起安全问题,所以在以后的实验中我们应该注意安全,特别是在特殊的地方或者使用特殊工具时,如电烙铁,一定要特别注意,不让危险事故发生。
还有值得我们自豪的就是我们的线路连得横竖分明,简直就是艺术,当然,我们也有很多不足的地方,浪费了很多材料,锡焊还不是很会用,焊接的很粗糙。
最后用一句话来结束吧:
“实践是检验真理的唯一标准”。
8附录
8.1用mulstisim12设计的方波仿真电路图如图8-1
图8-1由555定时器组成的多谐振荡器产生方波
方波仿真结果如图8-2
图8-2方波的仿真图
8.2用mulstisim12设计的三角波仿真电路图如图8-3
图8-3由积分电路将方波转化为三角波
三角波仿真结果如图8-4
图8-4三角波的仿真图
8.3用mulstisim12设计的正弦波仿真电路图如图8-5
图8-5正弦波的仿真
正弦波仿真结果如图8-6
图8-6正弦波的仿真图
8.4电源参考电路图
图18电源电路
参考文献
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[6]GB3100-31020001—1994,中华人民共和国国家标准[S].
潍坊学院信息与控制工程学院
电子技术课程设计成绩评定表
专业班级:
姓名:
学号:
设计项目
内容
得分
备注
平时
表现
工作态度、遵守纪律、独立完成设计任务
10分
独立查阅文献、收集资料、制定课程设计方案和日程安排
10分
设计报告
主要参数计算与分析、电路设计
20分
摘要、设计报告正文的结构、图表规范性
20分
仿真设计
按照设计任务要求的功能仿真
20分
设计任务工作量、难度
15分
设计亮点
5分
综合成绩
指导教师
签名
指导老师签名:
年月日