河南理工數(shù)電課程設(shè)計(jì) 555方波三角波正弦波三次諧波 謝貝貝

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)信號產(chǎn)生與變換電路的設(shè)計(jì)自動化XX-XX班 XXX，自動化XX-XX班 XXX摘要：通過555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生占空比為0.5的方波，然后分別通過積分、低通濾波、帶通濾波電路輸出三角波、正弦波、三倍頻率正弦波。放大器件為LM324N四路放大器。實(shí)驗(yàn)包括仿真與實(shí)際連線兩步，仿真采用Multisim仿真軟件，連線采用面包板。1、設(shè)計(jì)思路與整體框圖 根據(jù)題目要求，本次設(shè)計(jì)的基本完成思路是采用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生占空比為0.5的方波，然后分別通過積分、低通濾波、帶通濾波電路輸出三角波、正弦波、三倍頻率正弦波。整體框圖如下： 圖1 整體框圖2、硬件電路設(shè)計(jì)2.1 方波

2、發(fā)生電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 圖2 方波產(chǎn)生電路 利用555與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器，來產(chǎn)生方波的原理。用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖1所示。接通電源后，電容C2被充電，當(dāng)電容C2上端電壓Vc升到2Vcc/3時(shí)使555第3腳V0為低電平，同時(shí)555內(nèi)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C2通過R3、Rp放電，Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C2放電所需的時(shí)間為： tpL= 0.7R2C2當(dāng)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=0.7R1C2當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此

3、周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。電路的工作波形如圖2，其震蕩頻率為： f=1/（tpL+tpH） 圖3 方波波形2.2 三角波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 圖4 三角波產(chǎn)生電路 圖5 三角波仿真波形圖 如上圖是一個(gè)由方波轉(zhuǎn)換為三角波的電路圖以及輸出波形圖，當(dāng)A很大時(shí)，運(yùn)放兩輸入端為"虛地"，忽略流入放大器的電流，令輸入電壓為Vi輸出為Vo，流過電容C的電流為i1，則有： 即輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系。 當(dāng)vi為固定值時(shí)： 上式表明：輸出電壓按一定比例隨時(shí)間作直線上升或下降。當(dāng)輸入為矩形波時(shí)，輸出便成為三角波。此外，由于電容和滑動變阻器的存在，使得輸出的三角

4、波在輸入矩形波頻率一定的時(shí)候也能適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)電容的存在，又濾除了其他波的干擾。提高了系統(tǒng)的抗干擾性。2.3 基波正弦波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 圖6 正弦波電路基波正弦波產(chǎn)生電路采用有源低通二階濾波電路構(gòu)成，二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個(gè)RC環(huán)節(jié)和反相比例放大電路構(gòu)成。其通帶電壓放大倍數(shù)： 其傳遞函數(shù)： 其中：Wo=1/RC 為截止角頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 為品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。下圖為輸入方波，輸出正弦波的設(shè)計(jì)電路及仿真波形。 圖7 正弦仿真波形2.4 3次正弦波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算3倍頻率的正弦波通過帶通濾波器對輸入的方波濾波，

5、提取出三次諧波，經(jīng)放大后輸出為3倍頻率正弦波。原理與2.3類似，但本實(shí)驗(yàn)為兩RC電路分別構(gòu)成低通高通濾波電路，級聯(lián)，構(gòu)成所謂的帶通濾波電路，對電阻R及電容C進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)要求的3次諧波的提取。以下為原理圖： 圖8 三次諧波電路仿真波形如下： 圖9 三次諧波波形通帶增益： 品質(zhì)因數(shù)： F=2khz F=0.8KHZ 電壓增益： 中心頻率： 令則 故而可以得到中心頻率的增益為： 而中心頻率時(shí)有A0取得最大值故而有： 當(dāng)w=3200p時(shí)有 當(dāng)w=3200p時(shí)有 可得到方程組的一組比較合適的解為： =19K,=2.4K,=4.8K,=20nF3、 電路仿真結(jié)果分析整體電路圖如下： 圖10 整

6、體電路圖輸出波形如下： 圖11 輸出波形仿真結(jié)果分析：經(jīng)過多次調(diào)整后，仿真結(jié)果與預(yù)期一致，所有波形均可出現(xiàn)，且與理論計(jì)算值相差較小，但可能由于軟件的原因，在仿真過程中有時(shí)會出現(xiàn)假死，或輸出波形發(fā)散等現(xiàn)象，但通過重啟和調(diào)試后均得已解決。4、 電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如以下各圖所示：方波： 圖12 方波實(shí)驗(yàn)波形 三角波： 圖13 三角波實(shí)驗(yàn)波形正弦波： 圖14 基波實(shí)驗(yàn)波形三次諧波： 圖15 三次諧波實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果分析與體會：實(shí)物連接的過程中并不順利，本來在仿真圖上完美的結(jié)果，放到實(shí)物里就是出不來，而且連線的過程中總是出現(xiàn)各種匪夷所思的現(xiàn)象，如方波不出現(xiàn)，毛刺太多，三角波不規(guī)則，正弦波不明顯等。最頭疼的莫過于三次諧波，按照仿真圖上怎么調(diào)節(jié)都無法出現(xiàn)想要的結(jié)果，最后經(jīng)過多次分析，嘗試，換了各種大小的電阻后終于與理想結(jié)果比較接近。實(shí)驗(yàn)過程中，可能由于面包板連線并不牢固，或者示波器出現(xiàn)故障，有時(shí)前一秒電路還好好的，下一次再測試時(shí)又變成了垃圾值，更有甚者，同時(shí)在兩個(gè)示波器上測試相同的信號，居然出現(xiàn)兩種截然不同的結(jié)果，這些由于實(shí)驗(yàn)材料或?qū)嶒?yàn)儀器的不可控錯(cuò)誤的出現(xiàn)，無疑令本就不易成功的連線變得更加困難。本次實(shí)驗(yàn)是在沒有指導(dǎo)書，沒有現(xiàn)成的公式和實(shí)