基础强化训练课程设计说明书方波发生器

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1、武汉理工大学基础强化训练说明书摘 要本设计介绍了波形发生器的制作和设计过程,并根据输出波形特性研究该电路的可行性。在此基础上设计了一种能产生矩形波、三角波的模块电路,包括了原理图。该电路有主要由LM324集成运算放大器，比较器，振荡器，通过用双踪示波器来确定波形的幅值及可调占空比的上限及下限。重点阐述了矩形波发生器、宽度可调的矩形波发生器及三角波发生器的电路结构及工作原理，分析了单元电路的制作和工作过程并进行了调试，调试结果表明设计的电路是可行的。关键字：信号发生器、宽度可调、矩形波、锯齿波、时间常数1. Proteus 简介有了protel、Multisim、proteus、psice等一系

2、列的软件的存在，就此便可以以虚代实、以软代硬，独立建立一个完善的虚拟实验室。代替了在实验室和教室里的以实物进行实践的方式，可以在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。因此这一系列的软件受到广大电子设计爱好者的青睐，是他们工作、学习上难得的工具软件，也因此它们在全球得到了广泛应用。其中，Proteus软件提供多达30多个元件库，元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。它的功能强大，集电路设计、制版及仿真等多种功能于

3、一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。它还提供多种现实存在的虚拟仪器，这些仪表有极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响。此外，Proteus软件还有图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：系统总体执行效果和对软件的分步调试。它还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。在用Proteus进行仿真和程序调试时，只要关心从工程的角度直接看程序

4、运行和电路工作的过程和结果。它还提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如示波器、373、led等。2 电路原理及设计2.1 方波发生电路2.1.1 整体电路原理由集成运放构成的方波发生器，包括迟滞比较电路和RC积分电路两大部分。电路原理图如下所示。RC振荡电路方波发生*三角波产生比较电路*积分电路图 2-1-1 方波发生电路原理框图因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相

5、互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间，即RC 积分电路。2.1.2 电路的设计因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来切丁每种状态维持的时间。图示为矩形波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。方波发生电路图

6、如下图所示，它由反相输入的滞回比较器和RC积分电路组成。其中RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换，而输出端引入的限流电阻和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的作用。图2-1-1-1 方波发生电路图 图2-1-1-2 滞回比较曲线工作原理：设某一时刻输出电压uO=+UZ，则同相输入端电位uc=+UT。uO通过R对电容C正向充电。反相输入端电位uc随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，uc趋于+UZ；一旦uc=+UT，再稍增大，uO就从+UZ跃变为-UZ，与此同时uc从+UT跃变为-UT。随后，uO又通过R对电容C放电。反相输入端电位uc随时间t增长

7、而逐渐降低，当t趋近于无穷时，uc趋于-UZ；一旦uc=-UT，再稍减小，uO就从-UZ跃变为+UZ，与此同时，uc从-UT跃变为+UT，电容又开始反向充电。而上述过程周而复始，电路产生了输出状态的自动转换，便输出方波。2.1.3波形分析及主要参数由于图中所示电路电筒正向充电和反向充电的时间常数均为RC，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内Uo=+Uz的时间与Uo=-Uz的时间相等，Uo为对称的方波，所以也称为该电路为方波发生电路。电容上电压Uc（即集成运放反相输入端电位Un）和电路输出电压Uo波形如图所示。矩形波的宽度Tk与周期T之比称为占空比，因此Uo是占空比为1/2 的矩形波。根据电

8、容上电压波形可知，在1/2周期内，电容充电的起始值俄日-Ut，终了值为+Ut，时间常数为R3C；时间t趋于无穷时，Uc趋于+Uz，利用一阶RC电路的三要素法可列出方程上述电路输出状态发生跳变的临界条件为：U- = U+ 其中：当输出U0为高电平时：当输出U0为低电平时：刚开始振荡建立时，由于电路中的电扰动，并通过正反馈，使输出很快变为高电平或低电平。振荡周期为： 图2-1-3而方波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为RC，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内uO=+UZ的时间与uO=-UZ的时间相等，即方波T1 = T2。对T1由暂态过程公式：对充电过程，t = 时：t = 0

9、时：即：得：则振荡频率：可知，调整电压比较器的电路参数R1、R2和UZ可以改变方波发生电路的振荡幅值，调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。2.2 宽度可调的矩形波发生电路通过对方波发生电路的分析，可以想象，欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，占空比可调的矩形波发生电路如图所示，电容上电压和输出电压波形如图所示。当Uo=+Uz时，Uo通过Rw1、D1和R3对电容C正向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数当Uo=-Uz时，Uo通过Rw2、D2和R3对电容C反

10、向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数利用一阶RC电路的三要素法可以解出T=+(+2)Cln上式表明改变电位器的滑动端可以改变占空比，但周期不变。占空比为2.3（发挥部分）三角波发生电路由矩形波经积分电路得出，如图所 示。运算放大器A1与R1、R2、R 4 及Dz1、Dz2组成电压比较器（同向输入的滞回比较器）；运算放大器A2与R3、R5、C 组成反相积分器，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，构成能自动产生法波、三角波的发生器。图中滞回比较器的输出电压,他的输入 电压时积分电路的输出电压，根据叠加原理， 图2-3-1集成运放同相输入端电位令则阈值电压 因此，滞回比较器的电压传输特

11、性如图所示。积分电路的输入电压时滞回比较器的输出电压,而且不是,就是,所以输出电压的表达式为 式中 为初态时的输出电压。 图2-3-2设初态时正好从- 跃变为+ ，则上式应写成 积分电路反向积分， 随时间的增长线性下降，根据图2的电压传输特性一旦，再稍减小， 将从 跃变为-。使得上式变为为产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分， 随时间的增长线性增大，根据图2的电压输出特性，一旦，再稍增大，将从- 跃变为 ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自激震振荡。由以上分析可知，是三角波，幅值为； 图2-3-3是方波，幅值为 ，如图所示，因此也可称图所示电路为三角波方波发生电路

12、。由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。3.Proteus仿真的基本流程3.1建立设计文件 打开ISIS系统，选择文件菜单中的新建，打开图纸窗口，选择合适的图纸类型，确认后自动建立一个缺省标题（UNTITLED）的文件，再选择文件菜单的另存为，建立自己名称的设计文件，如基础强化训练等图 3-1 proteus新建文件界面3.2元件的选择与放置 3.2.1元件的选择 将所需元器件加入到对象选择器窗口。单击对象选择器按钮，如图所示图3-2-1开启元件选择界面弹出“Pick Devices”页面，在“Keywords”输入555，系统在对象库中进行搜

13、索查找，并将搜索结果显示在“Results”中，如图所示。图3-2-2 元件选择界面在“Results”栏中的列表项中，双击“555”，则可将“555”添加至对象选择器窗口。 接着在“Keywords”栏中重新输入其他元件名称，按同样的方法操作即可将其他元件添加至对象选择器窗口。单击“OK”按钮，结束对象选择。经过以上操作，在对象选择器窗口中，已有了555、LED-RED、RES等元器件对象，若单击555，在预览窗口中，见到555的实物图，如图所示；若单击RES或LED-RED，在预览窗口中，见到RES和LED-RED的实物图，如图所示。此时，可以看到在绘图工具栏中的元器件按钮处于选中状态。如

14、下图所示：图3-2-3 元件选中图示3.2.2放置元器件至图形编辑窗口在对象选择器窗口中，选中555，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置、单击鼠标左键，该对象被完成放置。同理，将RES及其他元件放置到图形编辑窗口中。如图所示。若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，此时我们已经注意到，该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。图3-2-4 元件的放置3.3元件之间连线并完成绘图Proteus的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测。下面，我们来操作将电阻R1的下端连接到LED显示器的上端。当鼠标的指针靠近

15、R1下端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“”号，表明找到了R1的连接点，单击鼠标左键，移动鼠标(不用拖动鼠标)，将鼠标的指针靠近LED显示器的上端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“”号，表明找到了LED显示器的连接点，同时屏幕上出现了粉红色的连接，单击鼠标左键，粉红色的连接线变成了深绿色，同时，线形由直线自动变成了90的折线，这是因为我们选中了线路自动路径功能。同理，我们可以完成其它连线。在此过程的任何时刻，都可以按ESC键或者单击鼠标的右键来放弃画线。3.4设置元件属性在图形编辑窗口内，将鼠标置于RES元件上，单击鼠标右键，选中该对象，单击鼠标左键，进入对象属性编辑页面，如图所示

16、。在“Resistance”栏中输入5M，单击“OK”按钮，结束设置。此番操作意味着，电阻值为5M，其他需要设置的元件进行相同操作。图3-4 元件属性设置4.设计电路仿真图与波形检测在proteus上画出各电路图，检查无误后进行仿真，得出仿真波形图。（1）方波发生电路：图4-1方波发生电路图 图4-2 方波发生电路仿真结果图2）宽度可调的矩形波发生电路：图4-3宽度可调的矩形波发生电路图图4-4 宽度可调的矩形波发生电路仿真结果图(3)三角波发生电路图4-5三角波发生电路图图4-7三角波发生电路仿真结果图5 心得与体会这是上大学以来的第一个基础强化训练，开始接触时自己感觉很陌生，但还好了解之后

17、才知道和课程设计差不多，而且我做的题目也不是很难，设计的电路图也是最简单易行的，所以在仿真过程中也没遇到太大的困难。通过这次对波形发生器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于波形发生器的原理与设计理念，最后的成品却不一定与预期的完全一样，因为在实际接线中有着各种各样的条件制约，而且由于元器件本身的特性而产生各种各样的误差。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。在这次实习过程中，让我深入了解运算放大器，比较器，RC振荡回路，积分比较起等电子电路的原理和使用方法以及将其应用于实际电路中。本次课程设计，我深刻认识到自己理论知识的不足，各部分的原理图设计经过和同学

18、们的讨论以及请教老师后才得出。对于protues软件的应用较为生疏，需要以后多多加强练习。总之，要多思考，多比较，多尝试把所学的书本知识应用于实际，培养自己的动手能力。所以说，坐而言不如立而行，对于实际电路应该自己动手实践操作才有深刻体会和理解。6 参考文献1 刘泉通信电子线路（第二版）武汉：武汉理工大学出版社，20052 谢自美电子线路设计实验测试（第三版）武汉：华中科技大学出版社，20063 俞加琦高频电子线路西安：西安电子科技大学出版社，1997 4 周润景，张丽娜，刘印群. PROTEUS入门实用教程.机械工业出版社,20075 朱清慧,张凤蕊. Proteus教程-电子线路设计制版与

19、仿真.北京： 清华大学出版社6 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,20017 康华光模拟电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，200615目 录摘 要I1. PROTUES 简介12 电路原理及设计22.1 方波发生电路22.1.1 整体电路原理22.1.2 电路的设计22.1.3波形分析及主要参数32.2 宽度可调的矩形波发生电路52.3（发挥部分）三角波发生电路53.PROTEUS仿真的基本流程73.1建立设计文件73.2元件的选择与放置73.2.1元件的选择73.2.2放置元器件至图形编辑窗口93.3元件之间连线并完成绘图93.4设置元件属性104.设计电路仿真图与波形检测115 心得与体会146 参考文献15