555方波三角波正弦波发生器.docx
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555方波三角波正弦波发生器
摘要
波形发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。
随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。
本文利用脉冲数字电路原理设计了多种波形发生器，该发生器可通过555数字芯片，运放来组成RC积分电路，低通滤波电路来分别实现方波，三角波和正弦波的输出。
它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源，具有实际的应用价值。
关键词：
多谐振荡器；积分电路；低通滤波电路
方波—三角波—正弦波函数信号发生器
设计要求
1．设计、组装、调试方波、三角波、正弦波发生器。
2．输出波形：
方波、三角波、正弦波；
3．频率范围：
在50－1000Hz范围内可调；
1．前言
在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。
信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。
可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。
波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。
传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。
随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。
与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。
2．方波、三角波、正弦波发生器方案
2.1方案一原理框图
图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。
2.2方案二原理框图
图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。
2.3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。
3．各组成部分的工作原理
3.1方波发生电路的工作原理
图3由555定时器组成的多谐振荡器
利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。
用555定时器组成的多谐振荡器如图3所示。
接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。
当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。
电容器C2放电所需的时间为
tpL=（R3+Rp）C2ln2（3-1）当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为
tpH=（R1+R3+Rp）C2ln2=0.7（R1+R3+Rp）C2（3-2）
当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。
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。
电路的工作波形如图4，其震荡频率为
f=1/（tpL+tpH）=1.43/（R1+2R3+2Rp）C2（3-3）
图4由555定时器组成的多谐振荡器工作波形
3.2方波--三角波转换电路的工作原理
图5积分电路产生三角波
RC积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。
在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。
此外，RC积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。
由555定时器组成的多谐振荡器输出的方波经C4耦合输出，如图5所示为RC积分电路，再经R与C积分，构成接近三角波。
其基本原理是电容的充放电原理。
3.3三角波--正弦波转换电路的工作原理
图6三角波产生正弦波原理图
原理：
采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。
3.4总电路图
图7函数发生器总电路图
总电路图的原理：
555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚（放电管）。
由于R3+RP》R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。
按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。
方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。
三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的正弦波。
C1是电源滤波电容。
发光二极管VD用作电源指示灯。
4.用Multisim10电路仿真
4.1输出方波电路的仿真
用Multisim10电路仿真软件进行仿真。
从Multisim10仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，方波输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，可得如图8所示的输出方波仿真图。
图8输出方波电路的仿真
4.2方波—三角波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，可得图9所示的方波转三角波波形仿真图。
（a）
（b）
（c）
图9方波转三角波波形（a）方波、（b）三角波、（c）方波与三角波重合
4.3方波—正弦波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，可得图10所示的三角波转正弦波波形仿真图。
（a）
（b）
图10三角波转正弦波形图（a）三角波、（b）正弦波
仿真结果完全符合设计要求，说明电路图可行，接下来就是PCB制图、制板、焊接、调试。
5protel制图及PCB板的制作和电路的安装
5.1protel制图
5.1.1PCB原理图
利用DXP2004制图软件进行制图。
打开DXP2004制图软件，创建一个项目：
PCB项目，然后在这个PCB项目里创建一个原理图和一个PCB文件。
在原理图上，从软件的元件库里调出所需元件，按电路图接好线，可得如图11所示的正弦波、三角波、方波原理图。
图11正弦波、三角波、方波产生原理图
5.1.2．PCB布线图
将DXP2004制图软件中的PCB原理图封装，布线。
点击软件菜单栏中“设计”按钮，然后点击其下的“updatePCBDocument.PCB2PcbDoc”按钮，就将PCB原理图封装，布线到创建的PCB文件上，如图12所示的PCB布线图。
图12PCB布线图
5.1.3．PCB板三维图
在PCB布线图的视图中，点击菜单栏中的“查看”按钮，然后点击其下的“显示三维PCB板”按钮，就得到如图13所示的PCB板三维图。
图13PCB板三维图
5.1.4.PCB板底层布线图
在PCB布线图的视图中，点击菜单栏中的“文件”按钮，然后点击其下的“打印预览”按钮，在出现的各图中就有如图14所示的PCB板底层布线图。
图14PCB板底层布线图
5.2PCB板的制作
将PCB板底层布线图打印到热转印纸上，将其粘在一块合适的铜板上，然后将铜板通过热转印器，将铜板腐蚀，用打孔机在其上的各个元件的引脚打孔，就得到如图15所示的PCB板实物图。
图15PCB板实物图
5.3将各元件安装到PCB板上
（1）把555集成块插入PCB板，注意方向，然后焊接好。
（2）注意直流源的正负及接地端。
（3）分别把各电阻，电容放入所定位置，注意电容的极性，然后焊接好。
安装完各元件后的得到的电板实物图如16、17所示：
图16实物上层
图17实物底层
6电路的实验结果及分析
6.1方波波形产生电路的实验结果
把电路板的电源接好，将输出端接示波器，进行整体测试、观察。
针对其出现的问题，进行排查校验，使其满足实验要求。
可得到实测方波波形如图18所示：
图18实测方波波形
其部分参数如下所示：
Vpp=5.86V，Prd=969.6us，Vavg=720mv，Freq=1.03KHZ
6.2方波---三角波转换电路的实验结果
实测三角波波形如图19所示：
图19实测三角波波形
6.3正弦波发生电路的实验结果
由示波器实测正弦波波形图为：
图20实测正弦波波形
由图可知波形有一点失真。
波形有些失真调节RP可改变幅频、幅值大小。
6.4实验结果分析
输出的各波形的参数范围有些许的偏差，是因为在各原件的参数选择上有些偏差。
正弦波稍微有点失真是因为积分电路中充放电的时间不够。
7．实验总结
为期三个星期的课程设计已经结束，在这三星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。
使我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，我个人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的团队合作水平，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，电钻，腐蚀机时，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，制板三次才成功，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”。
与君共勉。
8．仪器仪表清单
设计所用仪器及器件如表一所示：
表一仪器清单表
类型
规格
数量
备注
电阻
0.51K/55v
1
1K/110v
1
15K/220v
1
47K/220v
1
10K/110v
3
滑动变阻器
20K/220v
1
芯片
555芯片
1
电容
100uF/18v
1
10uF/14v
1
0.47uF/8v
1
0.1uF/6v
2
0.01uF/5v
2
开关
按键开关
1
9．参考文献
[1]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].第五版.北京：
高等教育出版社，2006.414-424
[2]稻叶保.振荡电路的设计与应用[M].北京：
科学出版社，2004.29-99
[3]王立欣，杨春玲.电子技术实验与课程设计[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2003.98-99
[4]陶桓奇，张小华，彭其胜.模拟电子技术[M].武汉：
华中科技大学出版社，2007.170-230
[5]何宝祥，朱正伟，刘训飞，储开斌.模拟电路及其应用[M].北京：
清华大学出版社，2008.104-195
[6]DavidA.JohnsKenMartin.模拟集成电路设计[M].北京：
机械工业出版社，2005.213-495
10.致谢
首先衷心感谢我们的指导老师陈老师，本次课程设计是在陈老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、活跃的思想、以及平易近人的师长风范，也使我们受益匪浅。
值此论文完成之际，谨向老师致以深深的敬意和衷心的感谢。
同样感谢我的同学们和其他的老师们，感谢你们的无私帮助，成功不是属于一个人的，而是属于大家的。
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