555定时器构成的方波、三角波、正弦波发生器-设计报告

('电子技术课程设计说明书题目：555定时器构成的方波、三角波、正弦波发生器系部：歌尔科技学院专业：班级：2013级1班学生姓名:学号:指导教师:年月日电子技术课程设计说明书目录1设计任务与要求.......................................................12设计方案.............................................................12.1设计思路.......................................................12.1.1方案一原理框图............................................12.1.2方案二原理框图............................................22.2函数发生器的选择方案...........................................22.3实验器材.......................................................33硬件电路设计.........................................................43.1555定时器的介绍................................................43.2电路组成.......................................................43.3引脚的作用.....................................................53.4基本功能.......................................................54主要参数计算与分析...................................................74.1由555定时器产生方波...........................................74.2由方波输出为三角波.............................................94.3由三角波输出正弦波............................................105软件设计............................................................125.1系统组成框图..................................................125.2元件清单......................................................136调试过程............................................................146.1方波---三角波发生电路的安装与调试.............................146.1.1按装方波——三角波产生电路...............................146.1.2调试方波——三角波产生电路...............................146.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试...........................146.2.1按装三角波——正弦波变换电路.............................146.2.2调试三角波——正弦波变换电路.............................146.2.3总电路的安装与调试.......................................156.2.4调试中遇到的问题及解决的方法.............................157结论................................................................168附录................................................................17I电子技术课程设计说明书8.1用mulstisim12设计的方波仿真电路图如图8-1....................178.2用mulstisim12设计的三角波仿真电路图如图8-3..................188.3用mulstisim12设计的正弦波仿真电路图如图8-5..................198.4电源参考电路图................................................20参考文献...............................................................21II电子技术课程设计说明书1设计任务与要求(1)555定时器构成的方波发生器电路输出频率范围：10-1KH可调；占空比0-100%连续可调；输出方波Vp_p<=12v;输出三角波Vp-p>0.2v;输出正弦波Vp-p<1v;(2)写出详细的电路工作原理、参数计算；(3)画出仿真电路图；(4)仿真测试并记录结果：A.输出方波的仿真结果；B.输出三角波的仿真结果；C.输出正弦波的仿真结果；(5)设计以上电路工作电源：A.画出电源电路图；B.写出电源电路工作原理、参数计算；(6)制作实物；2设计方案2.1设计思路2.1.1方案一原理框图图2-1方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角1电子技术课程设计说明书波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。2.1.2方案二原理框图图2-2正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。2.2函数发生器的选择方案函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题未采用单片函数发生器模块8038。方案一的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。而方案二关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案一简单方便。综上所述，我们选择方案一。2.3实验器材电阻，555定时器，滑动变阻器，电容，电解电容，二极管，晶体管，示波器，741及导线若干。主要芯片的作用：2正弦波方波三角波积分电路RC正弦波振荡电路路电压比较器电子技术课程设计说明书（1）555定时器：产生方波；（2）741：将方波转换成三角波；3电子技术课程设计说明书3硬件电路设计3.1555定时器的介绍555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为318V，最大负载电流在4mA以下。3.2电路组成（1）图3-2，图3-3为555集成定时器555定时器的内部逻辑图和引脚图，其由五个组成：（2）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；（3）两个电压比较器C1和C2：图3-1电气原理图v+＞v－，vo=1；v+＜v－，vo=0。（3）基本RS触发器；（4）放电三极管T及缓冲器G4电子技术课程设计说明书图3-2555定时器内部逻辑图图3-3引脚图3.3引脚的作用1引脚：接地端，与地相接；2引脚：触发输入端；3引脚:电压输出端；4引脚：RD复位端：当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5引脚:电压控制端；若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。6引脚:阈值输入端；7引脚：放电端；8引脚：电源输入端。外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。一般用5V。3.4基本功能当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31（1）当vI1>，vI2>时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被臵0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。（2）当vI1<，vI2<时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被臵1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。5电子技术课程设计说明书（3）当vI1<，vI2>时，比较器C1输出高电平，C2也输出高电平，即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。由于阈值输入端(vI1)为高电平（>）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。因为触发输入端(vI2)为低电平（<）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL）。如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～VCC之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。另外，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平，即RD的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。555定时器功能如表3-1表3-1555定时器功能表清零端高触发端地触发端Q放电管功能0××0导通直接清零101×保持保持1101截止置11001截止置11110导通清零6电子技术课程设计说明书4主要参数计算与分析4.1由555定时器产生方波图4-1方波产生电路当电容C1被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通+12V电源后，电容C1被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C1通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器C1经R2，R3，他们此时所分的总阻值为R1向电容C1放电,放电所需的时间为：tPL=R1C1ln2≈0.7R1C1；当C1放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2所分得的阻值为R3向电容器C2充电Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为tPH=R3C2ln2≈0.7R3C2；当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为f=1/(tPL+tPH)≈1.43/[(R1+R2)C1]稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出7电子技术课程设计说明书低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图见图4-2。图4-2电路的电压波形图8电子技术课程设计说明书4.2由方波输出为三角波图4-3三角波的产生电路9电子技术课程设计说明书图4-4输入及输出电压波形当741很大时，运放两输入端为"虚地"，忽略流入放大器的电流，令输入电压为Vi输出为Vo，流过电容C的电流为i1则，有即输出电压与输入电压成积分关系。当为固定值时上式表明输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。当为矩形波时，便成为三角波。4.3由三角波输出正弦波图4-5正弦波的产生电路分析表明，传输特性曲线的表达式为：Ic=I/[1+exp(-Uid/UT)]I——差分放大器的恒定电流；UT——温度的电压当量，当室温为25摄氏度时，UT≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为Uid(t)=[4Um(t-T/4)]/T(0<=t<=T/2)10电子技术课程设计说明书Uid(t)=[-4Um(t-3T/4)]/T(T/2<=t<=T)式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中R5调节三角波的幅度，R9调整电路的对称性，其并联电阻R10用来减小差分放大器的线性区。电容C5为隔直电容，C8为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。隔直电容C5要取得较大，因为输出频率很低，取c5=500微法，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，c6,c7可取得较小，一般为几十皮法至0.01微法。R9=100欧与R10=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。11电子技术课程设计说明书5软件设计5.1系统组成框图图5-1总体框图12三角波方波正弦波555定时器积分网络差分放大电路电子技术课程设计说明书5.2元件清单表5-1电路图中的所有元件13序号名称数量1555定时器12运算放大器13电阻134电容75可调电阻46三极管47电解电容18二极管2电子技术课程设计说明书6调试过程6.1方波---三角波发生电路的安装与调试6.1.1按装方波——三角波产生电路（1）把741集成块插入面包板，注意布局；（2）分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；（3）按图接线，注意直流源的正负及接地端。6.1.2调试方波——三角波产生电路（1）接入电源后，用示波器进行双踪观察；（2）调节可调电阻R8，使三角波的幅值满足指标要求；（3）调节可调电阻R5，微调波形的频率；（4）观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。6.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试6.2.1按装三角波——正弦波变换电路（1）在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；（2）搭生成直流源电路，注意各相关的阻值选取；（3）接入各电容及电位器，注意滤波电容的选取；（4）按图接线，注意直流源的正负及接地端。6.2.2调试三角波——正弦波变换电路（1）接入直流源后，把C5接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；（2）测试V1、V2的电容值，当不相等时调节R9使其相等；14电子技术课程设计说明书（3）测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；（4）在C5端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；6.2.3总电路的安装与调试（1）把两部分的电路接好，进行整体测试、观察（2）针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。6.2.4调试中遇到的问题及解决的方法（1）方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。（2）调试时没有波形出现。用万用表测量各个结点是否有电流通过，以便检查电路连接是否正常。（3）调节电位器时，波形的没有任何变化。可能是电位器的连接方法有问题，也可能是电位器本身无法调节。15电子技术课程设计说明书7结论为期两个星期的课程设计已经结束，在这两星期的学习、设计、焊接过程中我们感触颇深。使我们对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我们掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。通过对函数信号发生器的设计，我们还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我们不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我们感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！其次，这次课程设计提高了我们团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啦。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。还有就是在实验中，好多同学被电烙铁烫伤了，这不得不让我们想起安全问题，所以在以后的实验中我们应该注意安全，特别是在特殊的地方或者使用特殊工具时，如电烙铁，一定要特别注意，不让危险事故发生。还有值得我们自豪的就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术，当然，我们也有很多不足的地方，浪费了很多材料，锡焊还不是很会用，焊接的很粗糙。最后用一句话来结束吧：“实践是检验真理的唯一标准”。16电子技术课程设计说明书8附录8.1用mulstisim12设计的方波仿真电路图如图8-1图8-1由555定时器组成的多谐振荡器产生方波方波仿真结果如图8-217电子技术课程设计说明书图8-2方波的仿真图8.2用mulstisim12设计的三角波仿真电路图如图8-3图8-3由积分电路将方波转化为三角波18电子技术课程设计说明书三角波仿真结果如图8-4图8-4三角波的仿真图19电子技术课程设计说明书8.3用mulstisim12设计的正弦波仿真电路图如图8-5图8-5正弦波的仿真正弦波仿真结果如图8-620电子技术课程设计说明书图8-6正弦波的仿真图8.4电源参考电路图图18电源电路21电子技术课程设计说明书参考文献[1]王传昌.高分子化工的研究对象[J].天津大学学报，1997，53（3）：1-7.[2]李明.物理学[M].北京：科学出版社，1977：58-62.[3]GedyeR，SmithF，WestawayK，etal.UseofMicrowaveOvensforRapidOrbanicSynthesis.TetrahedronLett，1986，27：279.[4]王健.建筑物防火系统可靠性分析[D].天津：天津大学，1997.[5]姚光起.一种痒化锆材料的制备方法[P].中国专利：891056088，1980-07-03.[6]GB3100-31020001—1994，中华人民共和国国家标准[S].22电子技术课程设计说明书潍坊学院信息与控制工程学院电子技术课程设计成绩评定表专业班级：姓名：学号：设计项目内容得分备注平时表现工作态度、遵守纪律、独立完成设计任务10分独立查阅文献、收集资料、制定课程设计方案和日程安排10分设计报告主要参数计算与分析、电路设计20分摘要、设计报告正文的结构、图表规范性20分仿真设计按照设计任务要求的功能仿真20分设计任务工作量、难度15分设计亮点5分综合成绩指导教师签名指导老师签名：年月日电子技术课程设计说明书',)