電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽復(fù)試題波形發(fā)生器

1、WORD格式.波形發(fā)生器徐威XX大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，XXXX315211 摘要：使用題目指定的綜合測(cè)試板上的NE555 芯片和一片四運(yùn)放LM324 芯片制作一個(gè)頻率可變的同時(shí)輸出脈沖波、鋸齒波、一次和三次正弦波。進(jìn)展方案設(shè)計(jì)， 制作出實(shí)際電路使其到達(dá)實(shí)驗(yàn)要求的各項(xiàng)指標(biāo)。專業(yè)資料整理WORD格式一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求使用題目指定的綜合測(cè)試板上的 NE555 芯片和一片四運(yùn)放 LM324 芯片，設(shè)計(jì)制作一個(gè)頻率可變的同時(shí)輸出脈沖波、 鋸齒波、正弦波、 正弦波的波形產(chǎn)生電路。給出方案設(shè)計(jì)、 詳細(xì)電路圖和現(xiàn)場(chǎng)自測(cè)數(shù)據(jù)及波形。設(shè)計(jì)制作要求如下：1、同時(shí)四通道輸出、每通道輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波

2、中的一種波形，每通道輸出的負(fù)載電阻均為600 歐姆。2、四種波形的頻率關(guān)系為1:1:1:3 3次諧波；脈沖波、鋸齒波、正弦波輸出頻率X圍為 8KHz 10KHz ，輸出電壓幅度峰峰值為 1V ；正弦波輸出頻率X圍為 24KHz 30KHz ，輸出電壓幅度峰峰值為9V 。脈沖波、鋸齒波和正弦波輸出波形應(yīng)無明顯失真使用示波器測(cè)量時(shí) 。頻率誤差不大于 10% ；通帶內(nèi)輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于 5%。脈沖波占空比可調(diào)整。3、電源只能選用+10V 單電源，由穩(wěn)壓電源供應(yīng)，不得使用額外電源。4、要求預(yù)留脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波和電源的測(cè)試端子。5、每通道輸出的負(fù)載電阻600 歐姆應(yīng)標(biāo)清楚、至于明

3、顯位置，便于檢查。6、翻譯： NE555 和 LM324的數(shù)據(jù)手冊(cè)器件描述、特點(diǎn)、應(yīng)用、絕對(duì)參數(shù)、電參數(shù)。二、方案設(shè)計(jì)與論證1. 原始方案：在使用 Multisim 進(jìn)展仿真設(shè)計(jì)的階段，我想出了兩種原始方案，兩種方案的大體思路如下。方案一：使用NE555 芯片構(gòu)成多諧振蕩器，輸出方波，通過鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒波，然后通過一個(gè)fH10 KHz 的低通濾波器， 通過濾波產(chǎn)生一次， 8KHz 到 10KHz 的正弦波，然后再讓鋸齒波通過一個(gè) 24KHz30KHz 的帶通濾波器，輸出三次正弦波。 其中濾出三次諧波的理論依據(jù)是，由于鋸齒波是一個(gè)關(guān)于 t 的周期函數(shù)，并且滿足狄里赫萊條件：在一個(gè)周期內(nèi)具

4、有有限個(gè)連續(xù)點(diǎn)， 且在這些連續(xù)點(diǎn)上， 函數(shù)是有限值； 在一個(gè)周期內(nèi)具有有限個(gè)極值點(diǎn)；絕對(duì)可積。那么有如專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.專業(yè)資料整理WORD格式下公式 1成立。稱為積分運(yùn)算f t 的傅里葉變換F wf t e jwt dt根據(jù)歐拉公式cosw0 tejw0 tejw 0t2就可以方案二：使用功放構(gòu)成文森橋式震蕩電路，產(chǎn)生出 8KHz10KHz 的正弦波。接著是用 NE555 芯片，搭建出施密特觸發(fā)電路，產(chǎn)生脈沖波輸出； 將脈沖波分別輸入一個(gè)fH10 KHz 的低通濾波器和 24KHz30KHz 的帶通濾波器電路中，產(chǎn)生一次和三次正弦波。由于有

5、600 負(fù)載電阻的限制， 輸出波形的峰峰值不能簡(jiǎn)單的通過電阻的分壓來實(shí)現(xiàn)。鑒于方案二存在的問題能以解決，我們就確定選擇方案一的整體思路進(jìn)展方案的設(shè)計(jì)。3. 單元電路的設(shè)計(jì)與論證： 1脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波由 NE555 芯片搭建的多穩(wěn)態(tài)諧振器振動(dòng)產(chǎn)生，頻率 可調(diào)，為8KHz 10KHz參考 NE555 芯片使用手冊(cè)可知，芯片輸出波形的峰峰值為 10V 左右。使用 Multisim 仿真的脈沖波產(chǎn)生電路如下列圖 1 所示。專業(yè)資料整理WORD格式2.總體方案設(shè)計(jì)與論證：專業(yè)資料整理WORD格式最初方案設(shè)計(jì)的大體思路在方案一和方案二之間猶豫不決，于是將兩個(gè)電路的大體電路都進(jìn)展了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)方案二

6、存在很多的問題很難解決。問題一：如果使用文森橋式震蕩器產(chǎn)生正弦波， 改變震蕩頻率就需要改變RC 常數(shù)，要同時(shí)改變兩個(gè)R在實(shí)際電路中，同時(shí)改變兩個(gè)電容的值是很復(fù)雜的，而且這樣也無法得到一個(gè)8KHZ10KHz的連續(xù)的頻率 ，需要雙圖 1 脈沖波發(fā)生電路專業(yè)資料整理WORD格式滑動(dòng)變阻器并且要保證滑動(dòng)變阻器改利用軟件進(jìn)展波形的仿真，得到脈變的值完全一樣，有一定困難。沖波的圖形如圖2 所示問題二：NE555 芯片搭建出來的是一個(gè)簡(jiǎn)單的施密特觸發(fā)器，輸入正弦波之后，輸出的脈沖波的占空比是不可以調(diào)整的，不滿足實(shí)驗(yàn)要求的占空比可調(diào)的條件。要是施密特觸發(fā)器產(chǎn)生的脈沖波的占空比可調(diào)會(huì)是該電路進(jìn)一步復(fù)雜化。問題三

7、： LM324 芯片的功放不夠，專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.圖 2 脈沖波仿真波形（ 2鋸齒波發(fā)生電路在鋸齒波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)中， 原始方案是采用教材中的鋸齒波發(fā)生電路，是通過調(diào)整積分電路的正向和反向時(shí)間常數(shù)的不同， 對(duì)輸入信號(hào)的脈沖波進(jìn)行積分產(chǎn)生鋸齒波 該電路是需要二極管的。開場(chǎng)是按照這個(gè)思路進(jìn)展仿真的。因?yàn)橐瑫r(shí)調(diào)整正向和反向積分的時(shí)間常數(shù)， 于是我們就想可以在調(diào)整脈沖波的輸出頻率的時(shí)候，只改變高電平或者低電平的持續(xù)時(shí)間，然后在鋸齒波發(fā)生電路中選取適宜的電容值，然后就可以講正向或者反向的電阻值固定，只改變另一方向的電阻值就可以了。見圖3 是該方案的仿真

8、電路。圖 3鋸齒波產(chǎn)生電路.見圖 1 ，是用 NE555 產(chǎn)生出脈沖波，然后通過鋸齒波產(chǎn)生電路，這里仿真沒有選擇功放為L(zhǎng)M324 ，未考慮600 的負(fù)載電阻以及輸出的峰峰值。脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)取值如下R112.0KR21KR39KR410KR5R65KR73K(電位器 )R8700R204K(電位器 )C1C 2C30.01uf根據(jù) NE555 芯片的使用手冊(cè)，有以下有用公式：tH0.693( RARB )CtL0.693( RB )CperiodtHt L0.693(RA2RB )Cfrequency1.44(RA2RB )COutput _ waveform _ duty _ c

9、ycletH1tLRAtH根據(jù)以上的公式， 就可以計(jì)算出理論上的各種參數(shù)：fmin1.448KHz(124)1032 1 103)0.01 10 6fmax1.4410.29KHz(1210321103 ) 0.01 10 6tH min0.693(121031 103)0.0110 690.1uStHmax0.693(124)1031103 )0.0110 6117.8uStL 0.6931 1030.0110 66.9uS在對(duì)鋸齒波進(jìn)展仿真的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.波形有些失真， 上網(wǎng)查閱資料后得知要是 RC 常數(shù)跟脈沖波的時(shí)間相匹配才

10、行。RCt H (或 tL )去鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)選擇及計(jì)算過程如下：取C0.01uf由R1C tHR1min90.110-69K0.01-610117.8 10-6R1max0.01 10-611.8KR26.9 10-66900.01 10-6如圖 1所示， R1為一個(gè) 9K電阻和一個(gè) 3K電位器組成， R2取 700仿真結(jié)果見圖4 的鋸齒波。圖 4 鋸齒波仿真波形從圖 4 的波形中算出鋸齒波的峰峰值為2V / Div2.2Div4.4V由于要求負(fù)載電阻為600，不能.直接進(jìn)展分壓來控制峰峰值為 1V ,再用功放來滿足峰峰值的要 求的話， LM324 的四功放無法滿足整個(gè)電路的需求，因此

11、這種鋸齒波的單元電路就被放棄了，需要進(jìn)展改良。在教師的提醒下，我發(fā)現(xiàn)了在 NE555 芯片構(gòu)成的脈沖波發(fā)生電路中就有鋸齒波， 只需要在該處輸出， 然后調(diào)整峰峰值便可以得到要求的鋸齒波。改良后的電路仿真圖如下列圖5。圖 5 改良后的脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路改良后的電路對(duì)脈沖波發(fā)生電路的參數(shù)也進(jìn)展了調(diào)整，讓脈沖波的占空比接近一半。 鋸齒波發(fā)生電路是一個(gè)反向比例運(yùn)算電路，由公式RfuouR參數(shù)的選擇如下：由uo1V取Rf10KR35K對(duì)該電路進(jìn)展軟件仿真得到理論上的鋸齒波波形，見圖6。圖中另一個(gè)波形是 NE555 芯片的輸出波形。專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.確定

12、電容的標(biāo)稱值專業(yè)資料整理WORD格式圖 6 改良電路后的脈沖波和鋸齒波的仿真波形得到的鋸齒波的峰峰值約為 1V ，頻率與 NE555 芯片產(chǎn)生的脈沖波頻率保持一致，滿足實(shí)驗(yàn)要求，就完成了鋸齒波波形發(fā)生電路的理論設(shè)計(jì)。Av 3正弦波發(fā)生電路R1R1在電路的設(shè)計(jì)初期，一次正弦波R，1也就是 8KHz 10KHz 的正弦波發(fā)生R1電路是采用的是截止頻率為Rfc 10 KHz 的二階壓控電壓源低通濾1波器，電路圖見下列圖圖 7 二階壓控電壓源低通濾波器原理圖根據(jù)截至頻率f c10 KHz ，查圖圖 8二階壓控電壓源低通濾波電路參數(shù)選取參考圖取 C 3.3nF查表確定電容 C1的值，以及K1時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻

13、。12468101.4221.1260.8240.6170.5210.4625.3992.2501.5372.0512.4292.742開路6.7523.1483.2033.3723.56006.7529.44416.01223.6032.03820.33CC2C2C2C2C表 1二階壓控電壓源低通濾波器參數(shù)表因?yàn)榈屯V波器的輸入直接從鋸齒波發(fā)生電路的輸出端引入，峰峰值為1V ，所Av1R11.422KR25.399KC10.33C0.333.3nF1nF將上列阻值乘以計(jì)算出來的K 值。專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.R11.42234KR25.399 31

14、6K進(jìn)展電路仿真后電路圖如圖圖 9 二階壓控電壓源低通濾波器仿真電路圖 9 下局部就是二階壓控電壓源低通濾波器電路一次正弦波產(chǎn)生電路，藍(lán)色的線分別是濾波器的輸入和輸出端，其中輸入端是鋸齒波發(fā)生電路的輸出端，即輸入峰峰值為 1V 的鋸齒波。.圖 10 一次正弦波仿真波形圖中，上局部波形是輸入的峰峰值為 1V 的鋸齒波， 下局部是一次正弦波，頻率與鋸齒波保持一致， 但是峰峰值沒有到達(dá)實(shí)驗(yàn)要求的 1V ，有所衰減。于是對(duì)電路的參數(shù)重新選擇。Av2R11.12633.3KR22.25036.8KR36.752320 KR46.752320 KC10.33C0.333.3nF1nF修改后的仿真電路圖如下

15、專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.圖 11 改良后的二階壓控電壓源低通濾波電路再次進(jìn)展波形的仿真，結(jié)果如下圖：圖 12改良后的一次正弦波仿真波形從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 波形的峰峰值又超過了 1V ，對(duì)電路進(jìn)展理論分析，發(fā)現(xiàn)因?yàn)槭褂玫膯坞娫矗?偏置電阻10K影響了原本與地直接只有10K的 R3的阻值， 串上了偏置電阻。根據(jù)二階壓控電壓源電路的放大倍數(shù)公式 Av1 R4進(jìn)展電阻的調(diào)整。取 R3R3100K得到的滿足條件的峰峰值為 1V 的一次正弦波。上面的波形是從鋸齒波發(fā)生電路輸出的鋸齒波， 下面的是經(jīng)過低通濾波器之后產(chǎn)生的一次正弦波波形， 兩個(gè)波形的峰峰值單位都是

16、 5V / Div ， 可 知 波 形 在 8KHz 10KHz 的仿真結(jié)果都滿足實(shí)驗(yàn)要求。該局部的仿真設(shè)計(jì)就完成了。.圖 13 最終的8KH z一次正弦波仿真波形圖 14 最終的9KH z一次正弦波仿真波形圖 14 最終的10KHz一次正弦波仿真波形 4 三次正弦波發(fā)生電路三次正弦波的電路的設(shè)計(jì)思路是通過一個(gè)通帶為24KH z 30KH z 的帶通濾波器。設(shè)計(jì)該濾波器是采用的無限增益多路反應(yīng) MFB 電路。該電路的電路圖如下所示。圖 15 無限增益多路反應(yīng)電路原理圖專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.該電路有以下公式方便參數(shù)選擇w02R1R2R1R2 R3 C

17、2Qw0 或f 0 ( BWw0時(shí))BWBWAvR32R1專業(yè)資料整理WORD格式Q 電路元件為了使通帶更加平坦，應(yīng)該盡量使 Q 值大，查二階無限增益多路反應(yīng)帶通濾波器設(shè)計(jì)用表表2 無限增益多路反應(yīng)電路參數(shù)選擇表歸一化電路元件值K增益1246810圖 16 無限增益多路反應(yīng)電路帶通濾波器對(duì)電路進(jìn)展波形仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接入一個(gè)波形發(fā)生器進(jìn)展測(cè)試的時(shí)候，輸出的波形不會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率變化而變化，始終為17KH z 左右，于是想到?jīng)]有接輸入信號(hào)，直接查看輸入端和輸出端的波形，結(jié)果如下：專業(yè)資料整理WORD格式5R1R2R31R1R20R37.9583.9791.9891.3260.9950.7960

18、.1620.1660.1730.1810.1890.19915.91515.91515.91515.91515.91515.91515.9157.9583.0792.6351.9891.5920.0800.0800.0810.0820.0830.084圖 17無限增益多路反應(yīng)電路的自激振蕩仿31.83131.83131.83131.83131.83131.831真波形專業(yè)資料整理WORD格式參數(shù)選擇如下：Av8Q10R11.989KR283R331.831K仿真的電路圖如下列圖所示：仿真的波形圖中上面的波形是 A 端，即輸入端的波形， 下面的波形是輸出端的波形，兩個(gè)探針A/B 分別放在輸入和輸

19、出端。這里沒有輸入的信號(hào)， 輸出卻穩(wěn)定在將近 18KH z ，可知電路產(chǎn)生了自激震蕩。對(duì)電路進(jìn)展改良， 重新選取參數(shù)專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.Q5Av10R10.796KR2200R316K圖 1924KHz 三次正弦波仿真波形CR1 R28 1032003.6nFR1 R2 R3w028 103 200 16 1032 27 1032對(duì)電路的波形進(jìn)展仿真，發(fā)現(xiàn)峰峰值比擬小， 與實(shí)驗(yàn)要求差距較圖 2027KH z 三次正弦波仿真波形大，由w02R1R22， AvR3，R1R2 R3C2R1可知，縮小R1的值會(huì)使放大倍數(shù)Av增大，而且對(duì)通帶的中心頻率圖

20、2130KH z 三次正弦波仿真波形w0影響也較小。電容值取實(shí)驗(yàn)室三、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析有的電容 C3.3nF 。改良后的電路圖如下所示1. 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果脈沖波波形如下所示，分別是8KH z、9KH z、10KH z 的波形：圖 18 改良后的無限增益多路反應(yīng)電路對(duì)電路進(jìn)展仿真， 查看仿真出的波形結(jié)果如下列圖，由波形可以知道該電路產(chǎn)生的三次正弦波的頻率是滿足實(shí)驗(yàn)要求的，但是峰峰值沒有到達(dá)要求的9V 。兩個(gè)波形的峰 峰 值 單 位 分 別 是 1V / Div 和5V / Div圖 228KH z 脈沖波波形專業(yè)資料整理WORD格式word 格式資料專業(yè)資料整理WORD格式.圖 239KHz 脈沖波波形圖 258KH z圖 24 10KH z脈沖波波形圖 269KH z.鋸齒波波形鋸齒波波形專業(yè)資料整理WORD