1、0000大學機電工程學院本科生課程設計課程： 模擬電子技術基礎題目： 波形發生器 班級： 姓名： 111111 學號： 100000000 指導老師： 000000 完成日期： 2012.7.6 摘要波形發生器是用來產生一種或多種特定波形的裝置，這些波形通常有正弦波、方波、三角波、鋸齒波，等等。以前，人們常用 模擬電路來產生這種波形，其缺點是電路結構復雜，所產生的波 形種類有限。隨著單片機技術的發展，采用單片機電路產生各種 波形的方法已變的越來越普遍。雖然，可能產生的波形會呈微小 的階梯狀， 但是， 只要設計得當， 這一問題可以得到一定的解決。本設計使用的是555_virtual構成的發生器,

2、可產生三角波、方波、正弦波等多種特殊波形和任意波形， 波形的頻率可用程序控制改變 本設計制作的波形發生器，可以輸出多種標準波形，如方波、正弦波、三角 波、鋸齒波等。目錄1設計的目的及任務（4）11 課程設計的目的（4）12 課程設計的任務與要求（4）13 課程設計的技術指標（4）2 電路設計總方案及原理框圖（6）21 電路設計原理框圖（6）22 電路設計原理圖（6）23 方案設計（7）24 主要芯片介紹（7）3 各部分電路設計（9）3.1 系統的電路總圖(9)3.2 正弦波(9)3.3 方波產生電路(10)3.4 三角波(12)4 電路仿真(14)4.1 Multisi(14)4.2

3、 仿真電路(14)5 實驗結果(17)5.1 調試產生方波-三角波的電路(17)5.2 設計數據(17)6 設計總結(18)7 儀器儀表清單(20)1設計的目的及任務1.1課程設計的目的利用所學微機的理論知識進行軟硬件整體設計， 鍛煉學生理論聯系實際、 提高我們的綜合應用能力。本次課程設計是以微機為基礎，設計并開發能輸出多種波形（正 弦波、三角波、鋸齒波、方波、梯形波等）且頻率、幅度可變的函數發生器。掌握各個接口芯片的功能特性及接口方法，并能運用其實現一個簡單的微機應用系統功能器件。在平時的學習中，我們所學的知識大都是課本上的，在機房的練習大家 也都是分散的對各個章節的內容進行練習。因此，缺乏

4、一種系統的設計鍛煉。在課程所學結束以后，這樣的課程設計十分有助于學生的知識系統的總結到一起。通過這幾個波形進行組合形成了一個函數發生器，使得我對系統的整個框架的設計有了一個很好的鍛煉。這不僅有助于大家找到自己感興趣的題目，更可以鍛煉大家微機知識的應用。1.2設計任務和要求設計要求：設計并仿真能產生方波、三角波及正弦波等多種波形信號輸出的波形發生器。輸出波形頻率范圍為0.02HZ20HZ且可連續調。各種波形幅值均連續可調。設計電路所需的直流電源。寫出設計報告1.2.2方案論證，確定總體電路原理方框圖及原理圖。 1.2.3單元電路設計，元器件選擇。 1.2.4仿真調試及測量結果1.3設計的技術指標

5、1.3.1 可實現正弦波，并且正弦波在信號頻率范圍20Hz20kHz 連續可調；頻率穩定度較高。實現了方波，三角波，鋸齒波，并且信號幅度可以在一定范圍內連續可調1.3.2 各種輸出波形幅值均連續可調，方波占空比可調1.3.3 設計完成后可以利用示波器測量出其輸出頻率的上限和下限，還可以進一步測出其輸出電壓的范圍。2 電路設計總方案及原理圖2.1電路設計原理框圖RC振蕩電路積分電路方波三角波反相輸入的滯回比較器生成生成輸入積分電路輸入 圖1 2.2電路原理圖圖22.3方案設計2.3.1電路設計：由RC橋式正弦波振蕩器產生正弦波，經過滯回比較器輸出的方波經過積分器積分可得到三角波，三角波又觸發比較

6、器自動翻轉形成方波，然后經過同相輸入遲滯比較器和充放電時間常數不等的積分器，共同組成鋸齒波電壓產生器電路。2.3.2.設計思路：課設需要各個波形的基本輸出。如輸出鋸齒波、三角波、方波。這些波形的實現的具體步驟：鋸齒波實現很簡單，只需要一開始定義一 個初值，然后不斷的加 1，當溢出后又重初值開始加起，就這樣循環下去。三角波的實驗過程是先加后減，實現方法是先從 00H 開始加 1 直到溢出后就執行減 1 操作，就這樣不斷調用這個循環。方波的實現方法是連續輸出一個數，到某個時候就改變一下值，可以把值定義為正極性的，也可以是負極性。正弦波的實現是非常麻煩的。它的實現過程是通過定義一些數據，然后執行時直

7、接輸出定義的 數據就可以了。通過 P1 口和開關 K0-K4 相連接來控制各個波形的輸出。能根據 k0-k5 鍵 狀態進行波形切換，開關鍵向上接“1” ，產生波形，向下拔接“0” ，無波形輸出。 如 K0 鍵向上拔，K1-K4 鍵向下拔，產生鋸齒波； K1 鍵向上拔，K0、K2-K4 鍵向下拔，產生三角波；以此類推。2.4主要芯片介紹元件選型：555定時器。2.4.2主要芯片介紹：定時器介紹： 555 定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的

8、電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅動電流約為200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器 及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個 RS 觸發器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓 VCC /3 和 2VCC /3 555 定時器內部方框圖 <555 定時器內部結構圖> 555 電路的工作原

9、理 555 電路的內部電路方框圖。它含有兩個電壓比較器，一個基本 RS 觸發器，一個放電開關 T，比較器的參考電壓由三只 5K 的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器 A1 同相比較端和低電平比較器 A2 的反相輸入端的參考電平為和 。A1 和 A2 的輸出端控制 RS 觸發器狀態和放電管開時，觸發器復位，555 的輸出端 3 腳輸出時，觸發關狀態。當輸入信號輸入并超過低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自 2 腳輸入并低于器置位，555 的 3 腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。 是復位端，當其為 0 時，555 輸出低電平。平時該端開路或接 VCC。 Vc 是控制電壓端（5 腳），

10、平時輸出作為比較器 A1 的參考電平，當 5 腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個 0.01uf 的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩定。 T 為放電管，當 T 導通時，將給接于腳 7 的電容器提供低阻放電電路。 3系統電路總圖及單元電路設計3.1系統的電路總圖:圖33.2正弦波在三角波電壓為固定頻率或頻變化很小的情況下，可以考慮用低通濾波（或帶通濾波）的方法將三角波變換為正弦波，輸入電壓的頻率等于輸出電壓的頻率。將三角波按傅里葉級數展開 其中Um是三角波的幅值。電路如下圖4 圖4 3.3 方波產生電路

11、根據本實驗的設計電路產生振蕩，通過RC電路和滯回比較器時將產生幅值約為12V的方波，因為穩壓管選擇1N4742A（約12V）。電壓比較電路用于比較模擬輸入電壓與設定參考電壓的大小關系，比較的結果決定輸出是高電平還是低電平。滯回比較器主要用來將信號與零電位進行比較，以決定輸出電壓。圖3為一種滯回電壓比較器電路，雙穩壓管用于輸出電壓限幅，R3起限流作用，R2和R1構成正反饋，運算放大器當up>un時工作在正飽和區，而當un>up時工作在負飽和區。從電路結構可知，當輸入電壓uin小于某一負值電壓時，輸出電壓uo= -UZ；當輸入電壓uin大于某一電壓時，uo= +UZ。運算放大器在兩個飽

12、和區翻轉時up=un=0，由此可確定出翻轉時的輸入電壓。up用uin和uo表示，有根據翻轉條件，令上式右方為零，得此時的輸入電壓Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖4所示。設輸入電壓初始值小于-Uth，此時uo= -UZ ；增大uin，當uin=Uth時，運放輸出狀態翻轉，進入正飽和區。如果初始時刻運放工作在正飽和區，減小uin ，當uin= -Uth時，運放則開始進入負飽和區。 圖5 滯回電壓比較器 如果給圖5所示電路輸入三角波電壓，其幅值大于Uth ，設t = 0時，uo= -UZ ，其輸出波形如圖6所示。可見，輸出為方波。圖6 方波波形3.4三角波發生電路給圖5所示的滯回

13、電壓比較器級聯一積分電路，再將積分器的輸出作為比較器的輸入，如圖7所示。 圖7 方波三角波發生電路下面分析其振蕩周期。積分器輸出電壓從-Uth增加到+Uth所需的時間為振蕩周期T的一半，由積分器關系式或注意到，故振蕩頻率則為 圖8三角波發生電路的輸出4、仿真4.1仿真是通過Multisim軟件進行的。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。4.2仿真電路測試過程：圖94.2.1.仿真頻率為100HZ的方波和三角波的波形圖: （幅值

14、足夠） 圖104.2.2.仿真頻率為1000HZ的方波和三角波的波形圖: 圖114.2.3 .仿真數據表項目三角波U1方波U2100HZ峰-峰值/V26.53926.4351000HZ峰-峰值/V27.55681.7635.實驗結果：5.1調試產生方波-三角波的電路：接入電源后,用示波器進行雙蹤觀察圖8、9通過閉合開關選擇合適的電容使三角波的幅值和方波的頻率滿足指標要求；觀察示波器,波形穩定后記錄數據。5.2設計數據：項目方波幅值輸出頻率f1輸出頻率f2理論數據12V100HZ1000HZ仿真數據12.913V109HZ1000HZ實測數據11.573V103HZ991HZ6設計總結6.1總結

15、、收獲與體會本次課程設計由于是個人獨立選定課題，所以在此過程的開始時基本上所有人都在自己獨立思考，同時又由于設計所采用的仿真和制板軟件Multisim和Altium Designer在此之前基本不是很熟悉，因此本次課程設計的前期多半是在摸索中前進，當然付出中會有收獲，本次課程設計讓我弄懂了很多以前感覺模糊的東西，同時也帶給我成功的喜悅感，增加了我的自信心，當我看到由我自己設計的東西由想法變成實物時，我的心里充滿了成功的喜悅感。回想起此次課程設計過程中經歷的種種困難，遇到不明白的問題時，與他人討論，請教老師的過程，所有的努力都指向一個明確的目標-確保課程設計的成功，我真的很感動。此次課程設計不僅

16、使我學會了不少東西，更讓我體會到人與人之間的溝通的樂趣，感謝此次課程設計過程中給予我們悉心指導的楊蜀秦和龍燕老師，同時也感謝班級的其他同學，正式由于和他們一起的努力使我成功完成了本次課程設計。本次模擬電子技術課程設計是第一次進行這樣的嘗試，為以后的畢業論文打基礎。 在老師指導下進行查閱資料、設計、安裝和調試模擬電路。通過這次課程設計,讓我懂得了設計一個電路是一個系統,需要有理論基礎只是作為根基, 結合實際操作和動手才能更好的完成一個電路的設計.對于電路設計需要有基礎知識，否則，設計出來的電路性能指標跟要求相差甚遠。錯誤總會出現，電路設計需要一種能夠發現錯誤并改正錯誤的能力，這是十分重要的。它增

17、強我們如何運用理論知識和實際的調試的能力. 需要運用計算機技術對電路進行模擬調試，不斷改進電路。使其變得更加合理。7儀器儀表清單7.元器件選擇1通用型集成單運放LM741CN   電路所用的運放選用LM741CN,LM741CN的管腳圖如圖所示，其特點是電壓適應范圍較寬，可在±5±18V范圍內選用；具有很高的輸入共模、差模電壓，電壓范圍分別為±15V和±30V；內含頻率補償和過載、短路保護電路；可通過外接電位器進行調零. 2穩壓二極管雙穩壓二極管的穩定電壓根據方波幅值選取，由設計要求可取12伏特的穩壓二極管,本次試驗采用的1N4742A穩壓二極管。3）電阻電阻R4根據雙穩壓二極管的最大電流確定,此處可取10 kW，其他電阻分別有10K電阻，120K電阻和25K電阻。4）電容電容C根據振蕩頻率要求