波形變換電路.

1、目錄摘要.1 概述12 設(shè)計(jì)原理22.1 555 定時(shí)器簡(jiǎn)介22.2 用 555 定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器32.3 電路原理圖53 Proteus仿真64 調(diào)試過程及結(jié)論95 心得體會(huì)17參考文獻(xiàn)18武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書摘要施密特觸發(fā)器也有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓。因此，施密特觸發(fā)器有三個(gè)大的特點(diǎn)：1、 波形變換?？蓪⑷遣?、正弦波等變成矩形波；2、脈沖波的整形，數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理

2、想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖；3、脈沖鑒幅。幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號(hào)時(shí)加到施密特觸發(fā)器的輸入端時(shí)，能選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出。主要功能和特色簡(jiǎn)介：1、將給定頻率的三角波變成脈沖波，脈沖波占空比不是50%2、將給定頻率的三角波變成脈沖波，脈沖波占空比是50%3、將給定頻率的正弦波變成脈沖波，脈沖波占空比是50%4、將給定頻率的三角波（正弦波）轉(zhuǎn)換成間斷式方波5、將給定頻率的三角波（正弦波）進(jìn)行分頻關(guān)鍵詞： Proteus 仿真，施密特觸發(fā)器， 555 定時(shí)器，波形變換I武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書1 概述1 Protues簡(jiǎn)介Proteus 軟件

3、是英國(guó) Labcenter electronics公司出版的 EDA工具軟件。它不僅具有其它 EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。其功能特點(diǎn)如下 : Proteus 軟件具有其它 EDA工具軟件（例： multisim ）的功能。這些功能是：（ 1）原理布圖（ 2）PCB自動(dòng)或人工布線（ 3）SPICE電路仿真具有 3 大功能模塊 :（ 1）個(gè)易用而又功能強(qiáng)大的 ISIS 原理布圖工具；（ 2）PROSPICE混合模型 SPICE

4、仿真 ;（ 3） ARES PCB設(shè)計(jì) .Protues 提供了豐富的資源 :（ 1）Proteus 可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有 30 多個(gè)元件庫(kù)。（ 2）Proteus 可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、 SPI 調(diào)試器、I2C 調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。（ 3）除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外， Proteus 還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高

5、的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。（ 4）Proteus 可提供的調(diào)試手段 Proteus 提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。1武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書軟件仿真 :支持當(dāng)前的主流單片機(jī)，如51 系列、 AVR系列、 PIC12 系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、Z80 系列、 HC11系列、 68000 系列等。（ 1）提供軟件調(diào)試功能（ 2）提供豐富的外圍接口器件及其仿真RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)， LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分IIC器件。這樣很接近實(shí)際。在訓(xùn)練學(xué)生時(shí)

6、，可以選擇不同的方案，這樣更利于培養(yǎng)學(xué)生。（ 3） 提供豐富的虛擬儀器利用虛擬儀器在仿真過程中可以測(cè)量外圍電路的特性，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際硬件的調(diào)試能力。（ 4） 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能電路功能仿真 :在 PROTUES繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件： *.HEX，可以在 PROTEUS的原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。PROTEUS是單片機(jī)課堂教學(xué)的先進(jìn)助手。PROTEUS不僅可將許多單片機(jī)實(shí)例功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)例運(yùn)行過程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的效果，后者則是實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件高度對(duì)應(yīng)。這在相

7、當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測(cè)、電路修改、軟件調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果等。本次多功能數(shù)字秒表課程設(shè)計(jì)就是基于PROTEUS仿真軟件進(jìn)行仿真的設(shè)計(jì)與制作的。2武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書2 基本設(shè)計(jì)原理與仿真2.1 555 定時(shí)器簡(jiǎn)介圖 2.1 555 定時(shí)器555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1 的反相輸入端的電壓為 2 3 VCC ， C2的同相輸入端的電壓為1 3 VCC 。若觸發(fā)輸入端TR 的電壓小于1 3V CC ，則比較器 C2

8、的輸出為 1 ，可使 RS 觸發(fā)器置 1 ，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2 3 VCC ，同時(shí) TR 端的電壓大于 1 3V CC ，則 C1 的輸出為 1 ，A2 的輸出為 0 ，可將 RS 觸發(fā)器置 0 ，使輸出為 0 電平。其工作原理如下：當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，比較器C1 和 C2 的比較電壓分別為 2 3V CC 和1 3V CC 。(1) 當(dāng) V 1 > 2 3 VCC ， V 2 > 1 3V CC 時(shí)，比較器 C1 輸出低電平， C2 輸出高電平，基本 RS觸發(fā)器被置 0，放電三極管T 導(dǎo)通，輸出端 V O 為低電平。(2) 當(dāng)V1<2

9、3VCC，V2<1 3V CC 時(shí)，比較器 C1 輸出高電平， C2 輸出低電平，基本 RS觸發(fā)器被置 1，放電三極管T 截止，輸出端 V O 為高電平。3武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書(3) 當(dāng) V 1 < 2 3VCC ， V 2 >1 3VCC 時(shí)，比較器 C1 輸出高電平， C2 也輸出高電平，即基本RS觸發(fā)器 R=1，S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。由于閾值輸入端 ( V 1 ) 為高電平（ > 2 3 VCC ）時(shí)，定時(shí)器輸出低電平，因此也將該端稱為高觸發(fā)端（ TH）。因?yàn)橛|發(fā)輸入端 ( V 2 ) 為低電平（ <1 3 VCC

10、）時(shí)，定時(shí)器輸出高電平，因此也將該端稱為低觸發(fā)端（ TL）。如果在電壓控制端（ 5 腳）施加一個(gè)外加電壓（其值在0 VCC 之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應(yīng)的閾值、觸發(fā)電平也將隨之變化， 并進(jìn)而影響電路的工作狀態(tài)。另外， R D 為復(fù)位輸入端， 當(dāng) R D 為低電平時(shí)， 不管其他輸入端的狀態(tài)如何， 輸出 V O 為低電平，即 R D 的控制級(jí)別最高。正常工作時(shí)，一般應(yīng)將其接高電平。表 2.1 555定時(shí)器功能表閾值輸入（ V 1） 觸發(fā)輸入（ V 2 ） 復(fù)位 R D輸出 VO放電管 TXX00導(dǎo)通2 3VCC11截止 1 3VCC 2 3VCC10導(dǎo)通 1 3VCC2 3VCC1

11、不變不變 1 3VCC2.2 用 555 定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器將 555 定時(shí)器的兩個(gè)輸入端 2 和 6 并聯(lián)連接后作為電路的輸入端， ，就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器，另外在 5 和 7 之間加一個(gè)電容，是為了提高比較電容的穩(wěn)定性，消除工作過程中由輸入信號(hào)突變引起的干擾而設(shè)置的退耦合電容，其電路如圖2.2 所示。當(dāng)輸入信號(hào)從足夠小到足夠大變化時(shí)，開始必定出現(xiàn)6 端輸入電壓小于 2 3V CC ,2端輸入電壓小于 1 3V CC ，集成運(yùn)算放大器的輸出值為 C1 輸出高電平， C2 輸出低電平，將使基本 RS觸發(fā)器處于置 1 工作狀態(tài)，晶體管截止，輸出信號(hào)V0 為高電平。隨著輸入電壓的升高，將會(huì)出

12、現(xiàn) 6 端輸入電壓小于， 端的輸入電壓大于1 3VCC，2 3VCC 2RS 觸發(fā)器置 1 工作狀態(tài)，晶體管截止，輸出信號(hào) V0 為高電平。此后，輸入電壓信號(hào)繼續(xù)上升，將出現(xiàn) 6 端輸入電壓大于 2 3 VCC ，2 端輸入電壓小于 1 3V CC 的情況， RS觸4武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書發(fā)器出現(xiàn)清零的工作狀態(tài)，晶體管導(dǎo)通，輸出信號(hào) V0 為由高電平跳轉(zhuǎn)為低電平。對(duì)應(yīng)的跳轉(zhuǎn)輸入電壓值為 Vth 2 = 2 3V CC 。如下圖所示的電壓傳輸特性：圖 2.2用 555 定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖 2.3電壓的傳輸特性若輸入的電壓從足夠高的到低變化，則電路信號(hào)的變化跟上述過程相反，

13、開始必定6端輸入電壓大于 2 3 VCC ，2 端輸入電壓大于 1 3 VCC ，此時(shí) RS 觸發(fā)器處于清零的狀態(tài)，晶體管導(dǎo)通， 輸出電壓 V0 為低電平。當(dāng) 6 端輸入電壓小于 2 3 VCC ，2 端輸入電壓小于 1 3 VCC 時(shí)， RS觸發(fā)器處于置 1 工作狀態(tài)，晶體管截止，輸出信號(hào) V 0 為由低電平跳轉(zhuǎn)為高電平，5武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書對(duì)應(yīng)的跳轉(zhuǎn)輸入電壓值Vth1 =1 3 VCC 。主要靜態(tài)參數(shù)：(1) 上限閾值電壓 Vth 2 - Vi 上升過程中， 輸出電壓 V 0 由高電平 VOL - VOH 跳變到低電平VOL 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值V th 2 = 2

14、3 VCC 。(2) 下限閾值電壓 Vth1 - Vi 下降過程中， V0 由低電平 VOL 跳變到高電平 V OH 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值， V th1 =1 3 VCC(3) 回差電壓 VT回差電壓又叫滯回電壓，定義為VT = V th2 - V th1 = 1 3 VCC 。施密特觸發(fā)器可以用作波形整形電路使用，當(dāng)輸入的三角波形電壓信號(hào)V i 從 0 開始上升時(shí)，輸出為高電平。只有輸入信號(hào)電壓上升到數(shù)值為V th 2 時(shí)，輸出電壓才從輸出高電平轉(zhuǎn)換為低電平。 此后，電壓繼續(xù)上升知道最大值， 最后轉(zhuǎn)為下降， 在下降到數(shù)值大于 Vth1 之前，保持輸出低電平不變，直到小于 Vth 1 之后，

15、輸出電壓才從輸出低電平轉(zhuǎn)換為高電平。此后重復(fù)上述過程，達(dá)到將三角波轉(zhuǎn)換為矩形波形的目的。2.3 基本電路原理圖設(shè)計(jì)流程打開 Proteus 軟件，選擇 Landscape A4，進(jìn)入設(shè)計(jì)頁(yè)面。設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2.4 ，實(shí)際上是一個(gè)施密特觸發(fā)器。圖 2.4基本電路原理圖6武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書2.3.1放置信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，其頻率范圍可從幾個(gè)微赫到幾十兆赫，除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。脈沖信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩

16、形脈沖的發(fā)生器。電路原理圖中利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率固定頻率的三角波，作為輸入信號(hào)，示波器觀測(cè)輸入波形和輸出波形。圖 2.5 是查找信號(hào)發(fā)生器的流程圖：圖 2.5 查找信號(hào)發(fā)生器的流程圖然后將鼠標(biāo)移到原理圖制作區(qū)域單擊放置信號(hào)發(fā)生器。同法可以找到示波器，即在上圖中不單擊SIGNAL GENERATOR,而單擊 OSCILLOSCOPE。7武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書2.3.2放置 555 芯片與電容圖 2.6 是查找 555 芯片的流程圖單擊在 Keywords 中輸入 555單擊 OK按鈕圖 2.6查找 555 芯片的流程圖然后將鼠標(biāo)移到原理圖制作區(qū)域單擊放置555 芯片。同法，只需

17、要在Keywords 中輸入 cap 即可找到電容。8武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書2.3.3放置電源和地放置電源、地的時(shí)候， POWER就是電源，如下圖所示。一般電源默認(rèn)的值就是+5V，也可用同樣的方法修改電源電壓值，選擇GROUND就是地。圖 2.7 選擇電源、地2.3.4 修改元件屬性。放置元件之后，雙擊元件就彈出元件屬性對(duì)話框，這樣就可以修改自己所需的屬性。如下圖所示，只需要在所屬的方框內(nèi)輸入數(shù)值即可。圖 2.8元件屬性對(duì)話框連線，在要連線的起始端單擊，在連線的末端單擊即可。制圖時(shí)，按照原理圖連線。9武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書2.4 基本設(shè)計(jì)電路仿真流程單擊左下角的

18、控制按鍵最左邊的仿真按鈕，再按照自己設(shè)置的三角波的頻率和幅值來調(diào)節(jié)示波器，就可以得到仿真的結(jié)果了。在仿真時(shí)我們假定三角波的頻率是f=50Hz, 峰峰值為 12V。圖 3.1 是信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)值：圖 2.9 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)值如圖 3.2 是仿真時(shí)示波器顯示的輸入波形與輸出波形。圖 2.10 示波器顯示波形。10武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書3電路的改進(jìn)為了提高電路的質(zhì)量，因此需要對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)31 三角波變換成占空比為50%的脈沖波由施密特觸發(fā)器組成的電路改進(jìn)成為三角波裝換成占空比為50%的脈沖波的電路，關(guān)鍵在于改變 555 觸發(fā)器的上門限和下門限的值。經(jīng)過電路的改裝，需要電路的

19、5 腳端外加控制電壓，在電路 5 腳端加零伏電壓。當(dāng)外加輸入電壓由小于零伏剛好到大于零伏時(shí)，電路輸出端輸出低電；當(dāng)外加輸入電壓由大于零伏剛好到小于零伏時(shí)，電路輸出端輸出低電。而三角波的正負(fù)半周的時(shí)間恰好相等，這樣會(huì)使電路的輸出的高低電平的時(shí)間相等。因此電路可以改裝成為 50%脈沖波的輸出電路。如圖 3.1 為改進(jìn)后輸出為 50%脈沖波的電路，該電路和基本電路相比去除了 5 腳與地相連的電容，將 5 腳直接與地相接，實(shí)現(xiàn)了將 5 腳的控制電壓控制為零伏。圖 3.1改進(jìn)后輸出為 50%脈沖波的電路。11武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書圖 3.2 為 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)值：圖 3.2 信號(hào)發(fā)生

20、器參數(shù)設(shè)計(jì)值如圖 3.3 為改進(jìn)后輸出為50%脈沖波的電路的仿真波形圖 3.3 改進(jìn)后輸出為 50%脈沖波的電路的仿真波形12武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書32 正弦波變換成占空比為50%的脈沖波圖 3.4 為 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)值：圖 3.4 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)值圖 3.5 為正弦波變換成占空比為 50%脈沖波的電路的仿真波形圖 3.5正弦波變換成占空比為50%脈沖波的電路的仿真波形13武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書33 將給定頻率的三角波（正弦波）轉(zhuǎn)換成間斷式方波如圖 3.6 為間斷式方波電路原理圖圖 3.6 間斷式方波電路原理圖14武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書圖

21、 3.7 為 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)值圖 3.7 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)值圖 3.8 為間斷式方波電路仿真圖圖 3.8 間斷式方波電路仿真圖15武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書34將給定頻率的三角波（正弦波）進(jìn)行分頻16武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書4 調(diào)試過程及結(jié)論盡管在仿真之前認(rèn)真看了Proteus 的仿真教程的，可是在仿真中仍然遇到了一些問題，最主要的還是方波一直出不來，也不知道到底是什么原因，其錯(cuò)誤的仿真結(jié)果如圖4.1 所以。剛開始的時(shí)候，一直認(rèn)為是自己的電路設(shè)計(jì)方面出了一些問題，于是又去好好看書，上網(wǎng)查資料，但是仍然沒有絲毫的發(fā)現(xiàn)，很多地方都明確的說明了施密特觸發(fā)器的輸入、輸出

22、波形。結(jié)果無意中把三角波信號(hào)發(fā)生器的“- ”接地，這才豁然開朗，仿真的結(jié)果也隨之出來了。想想自己竟然是在這出了問題，實(shí)在是不應(yīng)該。圖 4.1錯(cuò)誤的仿真結(jié)果總的來說，這次強(qiáng)化訓(xùn)練自己的仿真還是做的比較成功的，通過運(yùn)用Proteus 對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到了符合施密特觸發(fā)器波形變換特點(diǎn)的方波。不過，這次強(qiáng)化訓(xùn)練所要求的電路還是很簡(jiǎn)單的，沒有比較大的拓展，可以直接引用課本中的電路圖，主要考究的還是Proteus 的運(yùn)用。幸好在這期間看了比較多的Proteus 教程，所以對(duì) Proteus 運(yùn)用還是比較熟練地。同時(shí)通過這次強(qiáng)化訓(xùn)練， 運(yùn)用 Proteus 仿真，也驗(yàn)證了施密特觸發(fā)器波形變換的特征，鞏固了我們對(duì) 555 定時(shí)器及其拓展電路的理解。5 心得體會(huì)對(duì)這次強(qiáng)化訓(xùn)練感受最深的一點(diǎn)就是有點(diǎn)不能理解，因?yàn)楦氵@個(gè)強(qiáng)化訓(xùn)練時(shí)間是在考完試后的一個(gè)星期內(nèi)，而且答辯的時(shí)間不能夠提前，也不知道什么原因，實(shí)際上是不需要這么長(zhǎng)的時(shí)間的。當(dāng)然，在這次強(qiáng)化訓(xùn)練中，也遇到了蠻多的問題。主要有以下幾點(diǎn)：一、 對(duì)課本知識(shí)了解的不是很透徹，也是這時(shí)本次課程設(shè)計(jì)中最重要的一點(diǎn)，也是我們關(guān)注最多的一點(diǎn)。 因?yàn)槲覀円O(shè)計(jì)的電路的原理就在書上，這次課程設(shè)計(jì)就是一次書上知識(shí)的大綜合。它在某種程度上也反映了我們對(duì)書上知識(shí)的了解程度以及對(duì)知識(shí)的運(yùn)用