方波——三角波——正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器.doc

.引言 現(xiàn)今世界中電子技術(shù)與電子產(chǎn)品的應(yīng)用越加廣泛，人們對(duì)電子技術(shù)的要求也越來越高。因此如何根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)便實(shí)用的電子技術(shù)物品便顯得尤為重要。靈活、快速的選用不同特征的信號(hào)源成了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)值得深入研究的課題。能將簡(jiǎn)單的易獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)換為自己所需的復(fù)雜信號(hào)是一項(xiàng)必不可少的技術(shù)。 以555定時(shí)器為核心器件，制作一種方波-三角波-正玄波函數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)生器，制作成本較低。適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測(cè)量使用。比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。 輸出波 形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻(高頻)發(fā)射,這里的射頻波就是載波,把音頻(低頻)、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去,就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi),如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。 摘要 隨著眾多領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)雜的、可由用戶定義的測(cè)試波形的需要而形成和發(fā)展起來的，波形發(fā)生器的主要特點(diǎn)是可以產(chǎn)生任何一種特殊波形，輸出信號(hào)的頻率、電平以及平滑低通濾波的截至頻率也可以作到程序設(shè)置，因此在機(jī)械性能分析、雷達(dá)和導(dǎo)航、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。而本課題設(shè)計(jì)的正是多種波形發(fā)生器。 本設(shè)計(jì)由555定時(shí)器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，555定時(shí)器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 該設(shè)計(jì)在proteus仿真軟件上進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法正確性和有效性。技術(shù)性能達(dá)到了要求。 關(guān)鍵詞：函數(shù)發(fā)生器，555定時(shí)器,積分器，差分放大器目錄第一章 緒論第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 2.1.方案一 2.2方案二 2.3 方案選擇 第三章 所選方案及各部分單元電路的設(shè)計(jì) 3.1.方波發(fā)生電路設(shè)計(jì)3.2.方波-三角波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)3.3.三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第四章 基于Proteus的軟件仿真4.1.Proteus軟件介紹4.2.電路仿真過程與結(jié)果分析 第五章 總結(jié) 參考文獻(xiàn) 附錄：1.原理圖 2.仿真圖 第一章 緒論 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。 函數(shù)發(fā)生器作為一種常用的信號(hào)源,是現(xiàn)代測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一。 在研制、生產(chǎn)、測(cè)試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都學(xué)要有信號(hào)源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號(hào)并加到被測(cè)器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測(cè)量被測(cè)儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號(hào)如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)越來越來受到人們的關(guān)注，人們?cè)谧非蠊δ荦R全的電子產(chǎn)品的同時(shí)也越來越關(guān)注電子產(chǎn)品的易攜帶性、體積、質(zhì)量、易于維修等。函數(shù)發(fā)生器將朝著集成化的方向發(fā)展，集成電路具有所用元件數(shù)量少、質(zhì)量輕、體積小、便于攜帶、易于維修、易于調(diào)試、便于快速大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 2.1方案一 圖1.1 本方案先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法，電路框圖如圖1.1。用555比較器與反相積分器首尾相串聯(lián)構(gòu)成方波-三角波產(chǎn)生電路，然后，采用差分放大器，作為三角波正弦波變換電路利用差分對(duì)管的飽和與截止特性進(jìn)行變換，差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。此電路的輸出頻率就是方波-三角波產(chǎn)生電路的頻率，將正弦波用比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生方波，調(diào)節(jié)比較電位，使得方波的占空比可以改變。 2.2方案二 圖1.2 RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如圖1.2。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號(hào)。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號(hào)，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。若要保持三角波幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。2.3方案論證及選擇方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計(jì)要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。而方案二，關(guān)于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質(zhì)量不太理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案一簡(jiǎn)單方便。綜上所述，我們選擇方案一。第三章 所選方案及各部分單元電路的設(shè)計(jì)3.1.方波發(fā)生電路設(shè)計(jì) 圖3 555定時(shí)器振蕩器當(dāng)電容C2被充電時(shí)，2和6引腳的電壓都上升，此時(shí)二極管D1導(dǎo)通，接通+12V電源后，電容C2被充電，Vc上升，當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)放電Rp導(dǎo)通，此時(shí)輸出電平Vo為低電平，電容C2通過R3和Rp放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。 電容器C2放電所需的時(shí)間為： tpL=(R3+Rp)C2ln2 (3-1)當(dāng)C2放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過R1、R3、Rp向電容器C2充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時(shí)間為tpH=(R1+R3+Rp)C2ln2=0.7(R1+R3+Rp)C2(3-2)當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到了一個(gè)周期性的方波，其頻率為 f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R1+2R3+2Rp)C2(3-3) 圖4由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器工作波形3.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 圖5積分電路產(chǎn)生三角波RC積分電路是一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號(hào)運(yùn)算電路。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用積分電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。此外，RC積分電路還可以用于延時(shí)、定時(shí)以及各種波形的產(chǎn)生或變換。由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng)C4耦合輸出，如圖5所示為RC積分5電路，再經(jīng)R與C積分，構(gòu)成接近三角波。其基本原理是電容的充放電原理。3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖6 三角波產(chǎn)生正弦波原理圖用差分放大器作三角波正弦波的變換電路，利用差分對(duì)管的飽和與截止特性進(jìn)行變換。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是做直流放大器時(shí)，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。通過RP調(diào)節(jié)三角波的幅度，R5用來減小差分放大器的線性區(qū)，C1為濾波電容，濾除諧波分量，改善輸出波形。第四章 基于Proteus的軟件仿真4.1.Proteus軟件介紹Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個(gè)元件庫。Proteus軟件自 1989 年問世至今，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷史，功能得到了不斷的完善，性能越來越好，全球的用戶也越來越多。PROTEUS之所以在全球得到應(yīng)用，原因是它具有自身的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。PROTEUS電子設(shè)計(jì)軟件由原理圖輸入模塊、混合模型仿真器、動(dòng)態(tài)器件庫、高級(jí)圖形分析模塊、處理器仿真模型及PCB板設(shè)計(jì)編輯六部分組成。集原理圖設(shè)計(jì)、仿真和PCB設(shè)計(jì)于一體，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計(jì)工具.具有模擬電路、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真功能.具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等多種形式的調(diào)試功能.具有各種信號(hào)源和電路分析所需的虛擬儀表.支持Keil C51 uVision2、MPLAB等第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境.具有強(qiáng)大的原理圖到PCB板設(shè)計(jì)功能，可以輸出多種格式的電路設(shè)計(jì)報(bào)表。擁有PROTEUS電子設(shè)計(jì)工具，就相當(dāng)于擁有了一個(gè)電子設(shè)計(jì)和分析平臺(tái)?；静僮鞑襟E： 1打開PROTEUS 操作界面。2選擇“P”，從元件庫中提取需要的元器件（選中雙擊），選擇完點(diǎn)OK。 3在編輯區(qū)畫電路圖,修改元件參數(shù)。4進(jìn)行電路仿真。 5保存文件。4.2.電路仿真過程與結(jié)果分析 一、方波電路仿真 總電路圖的原理：555定時(shí)器接成多諧振蕩器工作形式，C2為定時(shí)電容，C2的充電回路是R2R3RPC2；C2的放電回路是C2RPR3IC的7腳(放電管)。由于R3+RPR2，所以充電時(shí)間常數(shù)與放電時(shí)間常數(shù)近似相等，由IC的3腳輸出的是近似對(duì)稱方波。按圖所示元件參數(shù)，調(diào)節(jié)電位器RP可改變振蕩器的頻率二、方波-三角波電路仿真 按圖3所示元件參數(shù)，其頻率為1KHZ作業(yè)，調(diào)節(jié)電位器RP可改變振蕩器的頻率。方波信號(hào)經(jīng)R4，C5積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三、三角波正弦波電路仿真三角波再經(jīng)過R5，C6和R6、R7的積分后，輸出近似的正弦波。C1是電源濾波電容。發(fā)光二極管作為電源指示燈，電路成功實(shí)現(xiàn)了方波三角波正弦波的功能。電路仿真結(jié)果分析方波正弦波方波測(cè)試結(jié)果要求誤差峰峰值（V）2.0475V2V0.0475頻率0.6KHz11KHz20Hz20KHz三角波測(cè)試結(jié)果要求誤差峰峰值(V)1.92V2V-0.08頻率0.6KHz11KHz20Hz20KHz正弦波測(cè)試結(jié)果要求誤差峰峰值（V）3.824-0.18頻率0.6KHz11KHz0.2KHz20KHz經(jīng)過積分電路，正弦波比三角波相位落后接近180度，不斷調(diào)節(jié)電阻RP，可見當(dāng)RP增加時(shí)，輸出波形頻率減小，三角波，正弦波幅度也在增加，蛋三角波的線性程度變差，正弦波失真增大；當(dāng)R減小時(shí)，輸出波形頻率增加，三角波的線性程度變好，但三角波，正弦波幅度減小。這些結(jié)果都與理論分析相一致。第五章 總結(jié)通過對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我還深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。我掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接以及如何提高電路的性能等等。在實(shí)踐中理解了書本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。提高我們的動(dòng)手能力。本課題根據(jù)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能，經(jīng)過自己認(rèn)真地分析、實(shí)踐，確立方案，書寫文檔，設(shè)計(jì)出電路，在設(shè)計(jì)過程中翻閱了大量資料，通過對(duì)所得的各種資料的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會(huì)了設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)政策；通過對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的各種問題的分析與解決，鍛煉了獨(dú)立分析，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力；通過對(duì)電路設(shè)計(jì)中的某些問題的較