设计制作一个方波—三角波—正弦波的函数转换器

课程设计说明书课程设计名称：电子课程设计课程设计题目：方波—三角波—正弦波的函数转换器学院名称：信息工程学院专业：电子信息科学与技术班级：学号：姓名：评分：教师：20年月日电子课程设计课程设计任务书2013－2014学年第1学期第1周－3周注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。题目方波—三角波—正弦波的函数转换器内容及要求1）输入波形频率范围为0.02Hz~20KHz且连续可调。2）正弦波幅值为±2V。3）方波幅值为±2V。4）三角波峰峰值为2V，占空比可调。5）设计电路所需的直流电源可用实验室电源。进度安排1.根据任务要求，查阅相关资料，完成设计前的前期工作：2天2.根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算：3天3.领取元器件，连接电路，完成电路调试：3天4.课程设计总结和报告：3天学生姓名：指导时间：第1至3周指导地点：综合楼中506室任务下达2013年9月7日任务完成2013年9月22日考核方式1.评阅□√2.答辩□3.实际操作□√4.其它□指导教师系（部）主任摘要函数信号发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最广泛的通用仪器之一，在研制生产测试和维修各种电子元件和部件都需要有信号源。由于函数（波形）信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波，方波，三角波，锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数，所以信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信，广播，电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频），视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电容测量领域，具有宽广的应用前景。本次课程设计的目的：采用555集成芯片外界电容电阻来产生方波，三角波，正弦波，先通过555芯片产生波形通过电容形成方波，接着经过两个电阻分别出现三角波和正弦波，经过仿真得出了三个波形的波形图，通过实验掌握电子系统的一般设计方法，培养综合应用所学知识来指导实践的能力，掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法，极大提高动手和操作能力。关键词：555芯片，函数信号发生器，波形，振荡器目录前言………………………………………………………………………………………1第一章设计内容及要求………………………………………………………………2第二章电路设计原理及方案……………………………………………………………32·1原理及方案……………………………………………………………………3第三章系统组成及工作原理…………………………………………………………43·1系统组成…………………………………………………………………………43·2工作原理…………………………………………………………………………5第四章电路设计、电路图、仿真图及参数计算……………………………………64·1电路设计…………………………………………………………………………64·2电路图……………………………………………………………………………84·3电路仿真图………………………………………………………………………94·4参数设计…………………………………………………………………………10第五章电路的焊接与测试………………………………………………………………115.1电路的安装………………………………………………………………………115.2电路的调试………………………………………………………………………115.3焊接与调试分析…………………………………………………………………12第六章实验结论………………………………………………………………………15第七章设计心得与体会………………………………………………………………16附录一元器件清单……………………………………………………………………17参考文献……………………………………………………………………………………181前言函数发生器，作为实验用信号源，是现金各种电子实验设计应用中必不可少的仪器设备之一，函数信号发生器可以用分立元件组成，通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。也可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300KHZ，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。还可利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。可以达到更高的技术指标。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。在电子工程、通信工程、自动化控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构造成各种各样信号波形发生器。用集成电路实现的波形发生器与其他信号波形发生器比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。然而为了进一步掌握电路的基本理论和实际调试技术，本课题将介绍集成芯片555与电容及电阻组成的方波——三角波——正弦波函数转换器的设计方法和具体操作过程。2第一章设计内容及要求一、基本要求：设计制作一个产生方波——三角波——正弦波波函数转换器二、设计任务:1）输入波形频率范围为0.02Hz~20KHz且连续可调。2）正弦波幅值为±2V。3）方波幅值为±2V。4）三角波峰峰值为2V，占空比可调。5）设计电路所需的直流电源可用实验室电源。3第二章电路设计原理及方案2.1设计原理及方案：采用先产生方波——三角波，再将三角波变换成正弦波变换成正弦波的电路设计方法，由比较器和积分器组成方波——三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等有势。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变幻的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。由于555芯片成本低，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与波形变换电路。4第三章系统组成及工作原理3.1系统组成系统主要是有一个IC555芯片引导组成的。555是一种集模拟，数字于一体的中规模集成电路。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测。555成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用与仪器仪表、家用电器、电子测量及自动化控制等方面如图3.1所示，下面是IC555的个个引脚的作用：②（TR）为低电平触发端。该端输入电压高于1/3Uoc时，比较器C2输出为“1”，当输入电压低于1/3Uoc时，比较器C2输出为“0”。③（UO）为输出端。输出为“1”时的电压比电源电压UO低2V左右。输出最大电流为200mA.④(RO）为复位端。在此端输入负脉冲（“0”电平，低于0.7V）可使触发器直接置“0”，正常工作时，应将它接“1”（接+UO）。⑤（CO）为电压控制端。静态时，此端电位为2/3Uoc。若在此端外加直流电压，可改变分压器各点点位置，在没有其他外部连线时，应当在该端与地之间接入0.01uF的电容，一方干扰引入比较器C1的同向端。⑥（D）为放电端，当输出UO=0即触发器Q=1时，放电晶体管T导通，相当7端对地短接。当UO为“1”，即Q=0，T截止，7端与地隔离。⑧和①分别为电源段和接地段。CMOS555集成定时器的电源电压在4.5V~12V内使用53.2工作原理在实际应用中，555除了单一品种的电路外，还可以组合很多不同的电路。如：多个单稳，多个双稳，单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。这样一来，电路变得更加复杂。为了便于我们分析和识别电路，更好地理解555电路，这里我们这里按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分成3大类、8种、共18个单元电路。本设计课题用到的是无稳类电路及无稳工作方式。无稳电路就是多谐振电路，是555电路中应用最广的一类.图3.16第四章电路设计电路图仿真图及参数计算4.1电路设计：设计流程图由于555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，它的工作状态有三类，对于单稳类电路，单稳工作方式，它可分为3种。见图示。第一种（图4.1.1）是人工启动单稳，有因为定时电阻电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1·1·1和1·1·2为代号。他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。IC555芯片产生正弦波变压整流产生方波产生三角波71.1.1人工启动单稳1.1.2人工启动单稳（1）特点：RT-6,2-CT,人工启动（1）特点：CT-6,2-RT,人工启动V0=0,稳态。V0=1,稳态。V0=1,赞稳态（td）。V0=0,赞稳态（td）。（2）公式：Td=1,1RT*CT。（2）公式：Td=1,1RT*CT。(3)用途：定时，延时。(3)用途：定时，延时。图4.1.1第二种（图4.1.2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。1·2·1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1·2·2电路则带有一个RC微分电路。1.2.1脉冲启动单稳1.2.2脉冲启动单稳（1）特点：RT-7,6-CT,二端输入，人工启动（1）特点：RT-7,6-CT,二端输入，或外脉冲启动。外脉冲启动输入带微分电路。（2）公式：Td=1,1RT*CT。（2）公式：Td=1,1RT*CT。(3)用途：定时，延时，消除抖动，分（倍）(3)用途：定时，延时，消除抖动频，脉冲输出，L,C速率等检测。分（倍）频，脉冲输出，L,C速率等检测。图4.1.28第三种（图4.1.3）是单稳型压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。不带任何辅助器件的电路为1·3·1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为1·3·2.图中列出了2个常用电路。1.3.1单稳型1.3.2单稳型（1）特点：RT-7,6-CT,二端输入被调制脉冲（1）特点：RT-7,6-CT,输入带VT1，5端加调制信号Vct。运放等辅助器件。(2)用途：脉宽调制，压频变化，A/D变化等。(2)用途：脉宽调制，压频变化（3）别名：PWM。A/D变化等。（3）别名：VRC。图4.1.34.1.394.2电路图利用此设计，能够产生所需要的方波，三角波，以及正弦波，是整个设计的电路的总体结构4.3电路仿真图图4.2电路设计总图10图4.3.1产生方波图4.3.2产生三角波图4.3.3产生正弦波4.4参数设计F与C成正比，若要得到1Hz~10Hz，则C2，C3为10nF.因为F=0.02Hz~20KHz，则C1为100uF，C4为100uF，R1=510Ω。由于输出的三角形幅值与输出方波的幅值要为2V，有R4=R5=R6=10KΩ。11根据方波的上升时间为两毫秒，查询运放的速度，可以选择74141型号的运放。为了使输出波形频率在规定范围内，R3和RP的阻值应在10KΩ到100KΩ