课设-多种波形的产生

摘要如见大量的信息是加载在电信号上，我们想要了解这些电信号就从几种最基本的电信开始研究。多种波形的产生就是使用各种基本的电子元器件对电信号产生，运算，处理等电路。555芯片是一个可以产生多谐振荡的芯片，配合其他电子器件可以产生方波等。74LS74是以个有着四个双D触发器的芯片，我们可以把它连接为一个四分频的电路；RC积分器就是使用电容的充放电对方波积分产生三角波；LM324是有四个运放的芯片，我们可以使用这些运放搭建低通滤波电路，和振荡器产生正弦波。1选题背景这是一个信息时代，如今电子科技飞速发展，尽管未来量子通信以其优良的保密性，是未来发展的方向。但是电子技术依然是这个时代的主题。信息的处理就是对信号的处理。模拟信号是信号中最重要的组成部分。对模拟信号的处理就涉及各种电路的设计。温度，压力等，各种连续信号经相应的电子设备转换为模拟电信号，对这些电信号的处理就是我们所做的。信号的产生就对我们的研究提供了很好的源头。1.1指导思想方波，三角波，正弦波是很重要的波形，方波的产生可以有555芯片配合电阻电容产生，对方波的处理有分频，积分等，可以生成其他频率，形状的波形。使用74LS74组成的四分频电路，可以对输入的信号的频率进行四分之一的变化。方波的积分就可以产生三角波。正弦波是自然界中最重要的波，我们已知任何周期波由傅里叶变换可以得到任何频率的正弦波。1.2方案论证方案一：使用555芯片产生方波Ⅰ，四分频电路生成方波Ⅱ，RC积分电路对方波Ⅱ积分后产生三角波，使用有源低通滤波电路对方波Ⅰ滤波处理产生正弦波Ⅰ，最后用运放构建的正弦波振荡电路产生250KHz。方案二：使用555芯片产生方波Ⅰ，四分频电路生成方波Ⅱ，使用有源积分电路产生三角波，使用有源低通滤波电路产生正弦波Ⅰ，最后使用250KHz的带通滤波电路对方波滤波就可以产生250KHz的正弦波。由于有源积分电路，和带通电路在搭建的时候有一点的难度，站在简化电路的角度讲，我们选择第一方案。1.3基本设计任务首先是一个20KHz到50KHz的方波Ⅰ的产生，可以利用555产生一个脉冲的方波，再利用外接的电阻电容调节脉冲的频率。1.4电路特点电路原理简单明了，电路设计简洁。精度不是很高，但是抗干扰能力有所加强，2电路设计2.1总体方框图图2-1总体方案框图2.2工作原理如图2-1所示，五种波形的产生的设计思路是：使用555芯片产生单谐振荡的方波Ⅰ，由于此频率是较高的频率，而且和方波Ⅱ的频率是四分之一关系，于是我们可以是用74LS74构成的四分频电路对方波Ⅰ进行分频处理就可以得到方波Ⅱ；从方波Ⅱ到三角波，由于其频率是一致的，可以使用积分电路对方波Ⅱ进行积分，就可以得到三角波。我们知道任何周期函数都可以写成许多频率不同的正弦波的叠加。同样，可以把一个周期信号分解为正弦信号。正弦波Ⅰ可以使用低通滤波器对方波Ⅰ进行滤波。就可以得到全段频率的正弦波Ⅰ。方波Ⅱ由于频率太高，555振荡器74LS74四分频RC积分电路低通滤波电路方波20-50KHz方波5-10KHz三角波5-10KHz正弦波20-30KHz正弦振荡电路正弦波250KHz要是使用带通太难实现，于是我们采用一个可以产生250KHz的振荡器。经过以上所有步骤就可以实现五种波形的产生。3各种主要电路及部件的工作原理3.1方波Ⅰ的产生：555振荡电路图3-1-1555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极型（TTL）工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（CMOS）工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V-16V工作，7555可在3-18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。图3-1-2555电路产生方波工作原理：设电容的初始电压Uc＝０，t＝０时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端Vth＝Vo＝1/3Ｖcc，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低电平，即RD=0，SD=1（1表示高电位，0表示低电位），R−S触发器置１，定时器输出uo=1此时Q=1，定时器内部放电三极管截止，电源VCC经R1，R2向电容Ｃ充电，Uc逐渐升高。当Uc上升到1/3Vcc时，A2输出由０翻转为１，这时RD=SD=0，R−S触发顺保持状态不变。所以0tt1期间，定时器输出u0为高电平１。t=t1时刻，Uc上升到2/3Vcc，比较器A1的输出由１变为０，这时RD=1，SD=0，R−S触发器复０，定时器输出u0=0。t1tt2期间，Q=0，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过R2放电。VC按指数规律下降，当VC2/3VCC时比较器A1输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的RD=0,SD=0，Ｑ的状态不变，UO的状态仍为低电平。T=t2时刻，Vcc下降到1/3Vcc，比较器A2输出由1变为0，R---S触发器的RD=0，SD=1，触发器处于1，定时器输出UO=1。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。[1]输出信号时间参数：21wwTTT，2ln)(211CRRTw，2ln22CRTW振荡频率：2ln)2(1121CRRTf占空比：2121212121122ln)2(2ln)(RRRRCRRCRRTTTq3.2方波Ⅱ的产生：74LS74分频电路图3-3-174LS74中含有两个独立的D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（CP）和数据输出（Q、/Q）。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。图3-2-2四分频电路产生方波Ⅱ74LS74是个双D触发器，把其中的一个D触发器的Q非输出端接到D输入端，时钟信号输入端CLOCK接时钟输入信号，这样每来一次CLOCK脉冲，D触发器的状态就会翻转一次，每两次CLOCK脉冲就会使D触发器输出一个完整的正方波，这就实现了2分频。把同一片74LS74上的两路D触发器串联起来，其中一个D触发器的输出作为另一个D触发器的时钟信号，还可以实现4分频。[2]3.3三角波的产生：RC积分电路图3-3-1积分电路产生三角波积分电路定义输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。积分电路原理从图中可以看出，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫icdt这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫icdt）RC电路的积分条件：RC≥Tk积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。3.4正弦波Ⅰ的产生：低通滤波电路图3-4-1LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324系列是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。在单电源应用中，它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。该四路放大器可以工作于低至3.0V或高达32V的电源电压，静态电流是MC1741的五分之一左右（每个放大器）。共模输入范围包括负电源，因此在众多应用中无需外部偏置元器件。输出电压范围也包括负电源电压。图3-4-2低通滤波电路产生正弦波ⅠLM324是四运放集成电路，每个运放都是一个独立的运放，采用共同的供电源。这是一个低通滤波电路，采用电位器可以对过滤的正弦波进行调整使之不会过分失真。3.5正弦波Ⅱ的产生：正弦振荡器图3-5正弦振荡器产生正弦波Ⅱ该振荡电路的振荡频率是：RC211πTf选取相应参数后可以实现250KHz的正弦波振荡电路，产生正弦波。[3]4原理总图图4-1电路原理总图5元器件清单元件参数个数555174LS741LM3241电容1034电容1042电位器100K/10K/2K3电阻400/600/5K/1K/20K4，5，1，2，16调试过程及仿真结果6.1通电前的检查首先通电之前我的仿真时可以出结果的，但是在把原理图转化为实物图的时候我还是很小心翼翼地检查每一根线路的导通情况，测量每个元器件的参数是否达到理论的要求，并尽可能的将误差降到最小。首先是最基本的电阻总是选取和理论最接近的。还有各种芯片，采用先焊底座，再插元器件的方法，即避免了焊接时的损坏，又使芯片可以更换。6.2通电检查再就是加上5V电压，并观察没有芯片发热，电路也可以正常工作。于是就进一步使用示波器来测试所要的波形。6.3结果分析图6-3-1如图6-3-1的对比结果我们可以看出，方波Ⅰ的结果还是比较让人满意的，但是还是不免有一点失真，在方波的峰值出现了一点小的抖动。可能是我的电路受到外界的干扰引起的。也有可能是我的电路之间的信号相互影响造成的。图6-3-2如图6-3-2的结果。我们可以清楚的看出方波Ⅱ的频率是方波Ⅰ的四分之一。记得在实际的电路中这里有比较大的波形抖动，于是我还在这里加了一个电容来减少这种误差。让人兴奋的是这真的可以起作用。尽管仿真的是后不需要，但是在实际的应用中可能有各种的影响。这就让我们更能深入的知道一个电子器件的最基本作用。图6-3-3图6-3-3就是最基本的积分电路。由于我为了在实际的电路中简化电路，我使用了最简单的积分电路。但是这造成的影响就是仿真的结果有失真，如图可以看出由于充放电时间的不合适，导致三角波的上升、下降不是一条直线，这就使结果发生了不如理想状态的失真。但是在要求不高的情况下采用此电路可以很有效的简化电路。图6-3-4图6-3-4是一个又低通滤波后的产生的正弦波，这个电路是比较简单的几乎没有什么可以出的错误。但是在实际的电路中为了使电路方便调节我还是在电路中使用了一个电位器。在电路波形出现较大的失真的时候我们可以对其调节使产生的结果尽可能的保持正弦波图6-3-5这是有一个振荡器产生的正弦波。可以看出的是正弦波的频率是不可调的，但是这就导致了频率有一点误差。要是使用一个电位器就可以很好的弥补这一缺憾。7小结回望这次课程设计，从选题到我焊接成功再到调试出波形。我比较深刻的了解了555怎样产生方波等很多的电路知识。在对电路焊接后的漫长调试时间中我一步步的查找原因，改正线路，发现了不少的如连接不紧密造成的断路，和引脚焊错的小问题。更正之后使用示波器也出现了小小的问题，我知道了在使用仪器的时候要提前检查一下仪器是否可以正常工作的很多方法。这在我以前的学习中是不可能遇到的，但是这就是课设的意义所在，将我们平常所学转化我实际生产所需。记得在一次调试的时候，我的一个方波出现了失真，是在水平的地方有两个小的毛刺。我调节每一个电位器对此进行调节，但是都没有什么效果。当我怀疑是否是因为有外界的干扰造成的时候。旁边的一个同学跟我说，你可以试试往输出加一个电容。我就加了一个，没想到的是真的可以，失真明显减少了。可以看出的是我太相信仿真的原理图，原理图上没有的元器件我是不会往电路上面加的，但是，这是一个错误的想法。实践也证明了这一点。8设计体会及今后改进意见8.1体会漫长的课设结束后，从仿真电路到我实际的焊接都要我自己亲自完成。我感觉在实际的电子设计中我们要学会活学活用，不能局限于仿真结果，比如善于利用电容的滤波特性。同时在实际的电路连接中不能完全相信仿真的结果。毕竟仿真是一个很理想的结果。在实际的焊接中也要善于检查电路，在连接一处电路是就要赶紧检查电路是否有虚焊，而且要细心一定不能因为线多而出现电线的连接错误，这是致命的错误，一定不可