基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計說明書方波發(fā)生器

1、武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書i摘 要本設(shè)計介紹了波形發(fā)生器的制作和設(shè)計過程,并根據(jù)輸出波形特性研究該電路的可行性。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種能產(chǎn)生矩形波、三角波的模塊電路,包括了原理圖。該電路有主要由 lm324 集成運(yùn)算放大器，比較器，振蕩器，通過用雙蹤示波器來確定波形的幅值及可調(diào)占空比的上限及下限。重點闡述了矩形波發(fā)生器、寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生器及三角波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了單元電路的制作和工作過程并進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明設(shè)計的電路是可行的。關(guān)鍵字：信號發(fā)生器、寬度可調(diào)、矩形波、鋸齒波、時間常數(shù)武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書11. proteus 簡介有了 protel、multi

2、sim、proteus、psice 等一系列的軟件的存在，就此便可以以虛代實、以軟代硬，獨立建立一個完善的虛擬實驗室。代替了在實驗室和教室里的以實物進(jìn)行實踐的方式，可以在計算機(jī)上學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)，模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等課程，并進(jìn)行電路設(shè)計、仿真、調(diào)試等。因此這一系列的軟件受到廣大電子設(shè)計愛好者的青睞，是他們工作、學(xué)習(xí)上難得的工具軟件，也因此它們在全球得到了廣泛應(yīng)用。其中，proteus 軟件提供多達(dá) 30 多個元件庫 ，元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等，有 ram、rom、鍵盤、馬達(dá)、 led、lcd、ad/da、部分 spi 器件、部分iic 器件，編譯方面支持 keil 和 m

3、plab 等編譯器。它的功能強(qiáng)大，集電路設(shè)計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計和仿真，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。 它還提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器 ，這些儀表有極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結(jié)果的影響。此外，proteus 軟件還有圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。 對于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試， proteus 提供了兩種方法：系統(tǒng)總體執(zhí)行效果和對軟件的分步調(diào)試。 它還提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試，這些測試信號包括模擬信號

4、和數(shù)字信號。 在用 proteus 進(jìn)行仿真和程序調(diào)試時，只要關(guān)心從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。它還提供schematic drawing、spice 仿真與 pcb 設(shè)計功能，同時可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真 pic、avr、51 系列等常用的 mcu，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如示波器、373、led 等。武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書22 電路原理及設(shè)計2.1 方波發(fā)生電路2.1.1 整體電路原理由集成運(yùn)放構(gòu)成的方波發(fā)生器，包括遲滯比較電路和 rc 積分電路兩大部分。電路原理圖如下所示。rc 振蕩電路方波發(fā)生*三角波產(chǎn)生比較電路*積分電路圖 2-1-1 方波發(fā)生電

5、路原理框圖因為矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)應(yīng)按一定的時間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時間，即 rc 積分電路。2.1.2 電路的設(shè)計因為矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)應(yīng)按一定的時間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來切丁每種狀態(tài)維持的時間。圖示為矩形波

6、發(fā)生電路，它由反相輸入的滯回比較器和 rc 電路組成。rc 回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過 rc充放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。方波發(fā)生電路圖如下圖所示，它由反相輸入的滯回比較器和 rc 積分電路組成。其中rc 回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過 rc 充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，而輸出端引入的限流電阻和兩個背靠背的雙向穩(wěn)壓管起到了雙向限幅的作用。武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書3圖 2-1-1-1 方波發(fā)生電路圖 圖 2-1-1-2 滯回比較曲線工作原理：設(shè)某一時刻輸出電壓 uo=+uz，則同相輸入端電位 uc=+ut。uo 通過 r對電容 c 正向充電。反相輸入端電位 uc

7、 隨時間 t 增長而逐漸升高，當(dāng) t 趨近于無窮時，uc 趨于+uz；一旦 uc=+ut，再稍增大，uo 就從+uz 躍變?yōu)?uz，與此同時 uc 從+ut 躍變?yōu)?ut。隨后，uo 又通過 r 對電容 c 放電。反相輸入端電位 uc 隨時間 t 增長而逐漸降低，當(dāng) t 趨近于無窮時，uc 趨于-uz；一旦 uc=-ut，再稍減小，uo 就從-uz 躍變?yōu)?uz，與此同時，uc 從-ut 躍變?yōu)?ut，電容又開始反向充電。而上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，便輸出方波。2.1.3 波形分析及主要參數(shù)由于圖中所示電路電筒正向充電和反向充電的時間常數(shù)均為 rc，而且充電的總幅值也相等

8、，因而在一個周期內(nèi) uo=+uz 的時間與 uo=-uz 的時間相等，uo 為對稱的方波，所以也稱為該電路為方波發(fā)生電路。電容上電壓 uc（即集成運(yùn)放反相輸入端電位 un）和電路輸出電壓 uo 波形如圖所示。矩形波的寬度 tk 與周期 t 之比稱為占空比，因此 uo是占空比為 1/2 的矩形波。根據(jù)電容上電壓波形可知，在 1/2 周期內(nèi)，電容充電的起始值俄日-ut，終了值為+ut，時間常數(shù)為 r3c；時間 t 趨于無窮時，uc 趨于+uz，利用一階 rc 電路的三要素法可列出方程上述電路輸出狀態(tài)發(fā)生跳變的臨界條件為：武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書4u- = u+ 其中：當(dāng)輸出 u0 為高電平時

9、：當(dāng)輸出 u0 為低電平時：剛開始振蕩建立時，由于電路中的電擾動，并通過正反饋，使輸出很快變?yōu)楦唠娖交虻碗娖?。振蕩周期為?圖 2-1-3而方波發(fā)生電路中電容正向充電與反向充電的時間常數(shù)均為 rc，而且充電的總幅值也相等，因而在一個周期內(nèi) uo=+uz 的時間與 uo=-uz 的時間相等，即方波 t1 = t2。對 t1 由暫態(tài)過程公式：對充電過程，t = 時：t = 0 時：即：得：則振蕩頻率：可知，調(diào)整電壓比較器的電路參數(shù) r1、r2 和 uz 可以改變方波發(fā)生電路的振蕩幅值，調(diào)整電阻 r1、r2、r3 和電容 c 的數(shù)值可以改變電路的振蕩頻率。hohofuurrru322oofuurrr

10、u322lolofuurrru32221ttttcccceuuutu)0()()()(zohcuuu）（zolcfufuu）（0tzzzceufuutu)()21ln(211ln22321rrrcfftt)21ln(21132rrrctf武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書52.2 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路通過對方波發(fā)生電路的分析，可以想象，欲改變輸出電壓的占空比，就必須使電容正向和反向充電的時間常數(shù)不同，即兩個充電回路的參數(shù)不同。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢砸龑?dǎo)電流流經(jīng)不同的通路，占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路如圖所示，電容上電壓和輸出電壓波形如圖所示。當(dāng) uo=+uz 時，uo 通過 rw1、d1 和

11、 r3 對電容 c 正向充電，若忽略二極管導(dǎo)通時的等效電阻，則時間常數(shù)crrw311當(dāng) uo=-uz 時，uo 通過 rw2、d2 和 r3 對電容 c 反向充電，若忽略二極管導(dǎo)通時的等效電阻，則時間常數(shù)crrw322利用一階 rc 電路的三要素法可以解出t=+(+2)cln1t2twr3r上式表明改變電位器的滑動端可以改變占空比，但周期不變。占空比為2.3（發(fā)揮部分）三角波發(fā)生電路由矩形波經(jīng)積分電路得出，如圖所 示。運(yùn)算放大器 a1與 r1、r2、r 4 及 dz1、dz2組成電壓比較器（同向輸入的滯回比較器） ；運(yùn)算放大器 a2與 r3、r5、c 組成反相積分器，比較器與積分器首尾相連，形

12、成閉環(huán)電路，構(gòu)成能自動產(chǎn)生法波、三角波的發(fā)生器。圖中滯回比較器的輸出電壓,他的輸入 zuu01電壓時積分電路的輸出電壓，根據(jù)疊加原理， 圖 2-3-10u212221lnrrt211121lnrrt33112rrrrttqww2121rr武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書6集成運(yùn)放同相輸入端電位1azpurrrurrrurrrurrru21101220121102121令則閾值電壓 ,011npuuzturru21因此，滯回比較器的電壓傳輸特性如圖所示。積分電路的輸入電壓時滯回比較器的輸出電壓,而且不是,就是,所以輸出電01u01uzuzu壓的表達(dá)式為 000101301tuttucru式中 為初

13、態(tài)時的輸出電壓。 圖 2-3-2 00tu設(shè)初態(tài)時正好從- 躍變?yōu)? ，則上式應(yīng)寫成 01uzuzu 0001301tuttucruz積分電路反向積分， 隨時間的增長線性下降，根據(jù)圖 2 的電壓傳輸特性一旦0u，再稍減小， 將從 躍變?yōu)?。使得上式變?yōu)閠uu001uzuzu 1012301tuttucruz為產(chǎn)生躍變時的輸出電壓。積分電路正 00tu01u向積分， 隨時間的增長線性增大，根據(jù)圖 2 的0u電壓輸出特性，一旦，再稍增大，將tuu001u從- 躍變?yōu)?，回到初態(tài)，積分電路又開zuzu始反向積分。電路重復(fù)上述過程，因此產(chǎn)生自激震振蕩。由以上分析可知，是三角波，幅值為； 圖 2-3-3

14、0utu是方波，幅值為 ，如圖所示，因此也可稱圖所示電路為三角波方波發(fā)生電路。01uzu由于積分電路引入了深度電壓負(fù)反饋，所以在負(fù)載電阻相當(dāng)大的變化范圍里，三角波電武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書7壓幾乎不變。3.proteus 仿真的基本流程3.1 建立設(shè)計文件 打開 isis 系統(tǒng)，選擇文件菜單中的新建，打開圖紙窗口，選擇合適的圖紙類型，確認(rèn)后自動建立一個缺省標(biāo)題（untitled）的文件，再選擇文件菜單的另存為，建立自己名稱的設(shè)計文件，如基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練等圖 3-1 proteus 新建文件界面3.2 元件的選擇與放置 3.2.1 元件的選擇 將所需元器件加入到對象選擇器窗口。單擊對象選擇器按

15、鈕，如圖所示圖 3-2-1 開啟元件選擇界面彈出“pick devices”頁面，在“keywords”輸入 555，系統(tǒng)在對象庫中進(jìn)行搜索查找，并將搜索結(jié)果顯示在“results”中，如圖所示。武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書8圖 3-2-2 元件選擇界面在“results”欄中的列表項中，雙擊“555”，則可將“555”添加至對象選擇器窗口。 接著在“keywords”欄中重新輸入其他元件名稱，按同樣的方法操作即可將其他元件添加至對象選擇器窗口。單擊“ok”按鈕，結(jié)束對象選擇。經(jīng)過以上操作，在對象選擇器窗口中，已有了 555、led-red、res 等元器件對象，若單擊 555，在預(yù)覽窗口中

16、，見到 555 的實物圖，如圖所示；若單擊 res 或 led-red，在預(yù)覽窗口中，見到 res 和 led-red 的實物圖，如圖所示。此時，可以看到在繪圖工具欄中的元器件按鈕處于選中狀態(tài)。如下圖所示：圖 3-2-3 元件選中圖示武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書93.2.2 放置元器件至圖形編輯窗口在對象選擇器窗口中，選中 555，將鼠標(biāo)置于圖形編輯窗口該對象的欲放位置、單擊鼠標(biāo)左鍵，該對象被完成放置。同理，將 res 及其他元件放置到圖形編輯窗口中。如圖所示。若對象位置需要移動，將鼠標(biāo)移到該對象上，單擊鼠標(biāo)右鍵，此時我們已經(jīng)注意到，該對象的顏色已變至紅色，表明該對象已被選中，按下鼠標(biāo)左鍵，

17、拖動鼠標(biāo)，將對象移至新位置后，松開鼠標(biāo)，完成移動操作。圖 3-2-4 元件的放置3.3 元件之間連線并完成繪圖proteus 的智能化可以在你想要畫線的時候進(jìn)行自動檢測。下面，我們來操作將電阻r1 的下端連接到 led 顯示器的上端。當(dāng)鼠標(biāo)的指針靠近 r1 下端的連接點時，跟著鼠標(biāo)的指針就會出現(xiàn)一個“”號，表明找到了 r1 的連接點，單擊鼠標(biāo)左鍵，移動鼠標(biāo)(不用拖動鼠標(biāo))，將鼠標(biāo)的指針靠近 led 顯示器的上端的連接點時，跟著鼠標(biāo)的指針就會出現(xiàn)一個“”號，表明找到了 led 顯示器的連接點，同時屏幕上出現(xiàn)了粉紅色的連接，單擊鼠標(biāo)左鍵，粉紅色的連接線變成了深綠色，同時，線形由直線自動變成了 90

18、 的折線，這是因為我們選中了線路自動路徑功能。同理，我們可以完成其它連線。在此過程的任何時刻，都可以按 esc 鍵或者單擊鼠標(biāo)的右鍵來放棄畫線。武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書103.4 設(shè)置元件屬性在圖形編輯窗口內(nèi)，將鼠標(biāo)置于 res 元件上，單擊鼠標(biāo)右鍵，選中該對象，單擊鼠標(biāo)左鍵，進(jìn)入對象屬性編輯頁面，如圖所示。在“resistance”欄中輸入 5m，單擊“ok”按鈕，結(jié)束設(shè)置。此番操作意味著，電阻值為 5m，其他需要設(shè)置的元件進(jìn)行相同操作。圖 3-4 元件屬性設(shè)置武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書114.設(shè)計電路仿真圖與波形檢測在 proteus 上畫出各電路圖，檢查無誤后進(jìn)行仿真，得出仿真

19、波形圖。（1）方波發(fā)生電路：r1100k321411u1:alm324r22kr310kr410kc10.1ufd1diode-zend2diode-zenu1:a(v-)u1:a(v+)abcd圖 4-1 方波發(fā)生電路圖 圖 4-2 方波發(fā)生電路仿真結(jié)果圖武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書122）寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路：圖 4-3 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路圖圖 4-4 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路仿真結(jié)果圖d2dioded1dioder120kr32kr210kr410kd3diode-zend4diode-zenc10.1ufu1:a(v-)u1:a(v+)321411u1:alm324rv11

20、00kabcd武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書13(3)三角波發(fā)生電路321411u1:alm324567411u1:blm324r12kr220kr310kr42.7krv147kc10.022ufd1diode-zend2diode-zenu1:a(v-)u1:a(v+)u1:b(v-)u1:b(v+)abcd圖 4-5 三角波發(fā)生電路圖圖 4-7 三角波發(fā)生電路仿真結(jié)果圖武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練說明書145 心得與體會這是上大學(xué)以來的第一個基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練，開始接觸時自己感覺很陌生，但還好了解之后才知道和課程設(shè)計差不多，而且我做的題目也不是很難，設(shè)計的電路圖也是最簡單易行的，所以在仿真過程中也沒遇到太大的困難。通過這次對波形發(fā)生器的設(shè)計與制作，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于波形發(fā)生器的原理與設(shè)計理念，最后的成品卻不一定與預(yù)期的完全一樣，因為在實際接線中有著各種各樣的條件制約，而且由于元器件本身的特性而產(chǎn)生各種各樣的誤差。所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法。在這次實習(xí)過程中，讓我深入了解運(yùn)算放大器，比較器，rc振蕩回路，積分比較起等電子電路的原理和使用方法以及將其應(yīng)用于實際電路中。本次課程設(shè)計，我深刻認(rèn)識到自己理論知識的不足，各部分的原理圖設(shè)計經(jīng)過和同學(xué)們的討論以及請教老師