波形发生器的设计

《波形发生器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波形发生器的设计（12页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1选题背景波形发生器又名信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。雷达、通信、宇航、遥控遥测技术和电子系统等领域都随处可见波形发生器的应用。如今作为电子系统心脏的信号源的性能很大程度上决定了电子设备和系统的性能的提高，因此随着电子技术的不断发展，现今对信号源的频率稳定度、频谱纯度和频率范围以及信号波形的形 状提出越来越高的挑战。1.1指导思想利用NE555构成多谐振荡器产生方波，根据 LM324俞出的锯齿波分别通入低通滤波器 和高通滤波器就可以输出正弦波I、正弦波U。1.2方案论证方案一：使用NE555芯片构成多谐振荡器，输出方波，通过锯齿波发生电路产生锯齿 波，然后通过一个fH

2、10KHz的低通滤波器，通过滤波产生一次，8KHz到10KHZ的正弦波, 然后再让锯齿波通过一个 24KHz30KHZ勺带通滤波器，输出三次正弦波。其中滤出三次谐 波的理论依据是，由于锯齿波是一个关于t的周期函数，并且满足狄里赫莱条件：在一个周 期内具有有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一个周期内具有有限个极 值点；绝对可积。方案二：使用功放构成文森桥式震荡电路，产生出 8KHz10KHz的正弦波。接着是用 NE555芯片，搭建出施密特触发电路，产生脉冲波输出；将脉冲波分别输入一个fH 10KHz 的低通滤波器和24KHz30KHz勺带通滤波器电路中，产生一次和三次正弦波。最初方

3、案设计的大体思路在方案一和方案二之间犹豫不决，于是将两个电路的大体电路都进行了简单的设计，发现方案二存在很多的问题很难解决。问题一：如果使用文森桥式震荡器产生正弦波，改变震荡频率就需要改变RC常数，要 同时改变两个 R （在实际电路中，同时改变两个电容的值是很复杂的，而且这样也无法得 到一个8KHZ10KHZ勺连续的频率），需要双滑动变阻器并且要保证滑动变阻器改变的值完 全相同，有一定困难。问题二：NE555芯片搭建出来的是一个简单的施密特触发器，输入正弦波之后，输出 的脉冲波的占空比是不可以调整的，不满足实验要求的占空比可调的条件。要是施密特触 发器产生的脉冲波的占空比可调会是该电路进一步复

4、杂化。问题三：LM324芯片的功放不够，由于有600负载电阻的限制，输出波形的峰峰值不 能简单的通过电阻的分压来实现。鉴于方案二存在的问题能以解决，我们就确定选择方案一的整体思路进行方案的设计。1.3 基本设计任务用555 定时器和四运放 LM324 设计并制作一个频率可变的、能够同时输出脉冲波、锯 齿波、正弦波 I 和正弦波 II 的波形产生电路。（1）四通道同时输出。每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波 I 和正弦波 II 中的一种波 形，通道负载电阻均为 600 欧姆。（2）四通道输出波形的频率关系为 1： 1： 1： 3（三次谐波）。脉冲波、锯齿波、正弦 波I输出频率范围为8kHz10kH

5、z,正弦波II的输出频率范围为24kHz30kHz输出波形无明 显失真。（3） 频率误差不大于 10%，通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。2 电路设计2.1 工作原理NE555构成了多谐振荡器，内部可以产生脉冲波和锯齿波，将锯齿波经过 LM324一个 比例运算放大电路，就可以得到所需的锯齿波。然后让锯齿波输出分别通入由LM324组成的低通滤波器电路和高通滤波器电路，就可得到一次正弦波和二次正弦波。3 各主要电路及部件工作原理3.1 脉冲波产生电路脉冲波由NE555芯片搭建的多稳态谐振器振动产生，频率可调，为 8KHz10KHz。参考NE555芯片使用手册可知，芯片输出波形的峰峰值为10

6、V左右。使用Multisim仿真的脉 冲波产生电路如下图 1 所示。图 1 脉冲波发生电路利用软件进行波形的仿真，得到脉冲波的图形如图 2 所示图2 脉冲波仿真波形3.2 锯齿波发生电路在锯齿波发生电路的设计中，原始方案是采用教材中的锯齿波发生电路，是通过调整 积分电路的正向和反向时间常数的不同，对输入信号的脉冲波进行积分产生锯齿波（该电 路是需要二极管的）。开始是按照这个思路进行仿真的。 因为要同时调整正向和反向积分的 时间常数，于是我们就想可以在调整脉冲波的输出频率的时候，只改变高电平或者低电平 的持续时间，然后在锯齿波发生电路中选取合适的电容值，然后就可以讲正向或者反向的 电阻值固定，只

7、改变另一方向的电阻值就可以了。见图 3 是该方案的仿真电路图3 锯齿波产生电路见图1,是用NE555产生出脉冲波，然后通过锯齿波产生电路，这里仿真没有选择功放为LM324未考虑600的负载电阻以及输出的峰峰值。脉冲波和锯齿波发生电路的参数取值如下根据NE555芯片的使用手册，有以下有用公式： 根据以上的公式，就可以计算出理论上的各种参数：在对锯齿波进行仿真的时候，发现波形有些失真，上网查阅资料后得知要是 RC 常数 跟脉冲波的时间相匹配才行。去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下：如图1所示，R为一个9K电阻和一个3K 电位器组成，R2取700仿真结果见图4的锯齿波。图4锯齿波仿真波形从图

8、4的波形中算出锯齿波的峰峰值为由于要求负载电阻为 600 ，不能直接进行分压来控制峰峰值为 1V , 再用功放来满足峰 峰值的要求的话，LM324的四功放无法满足整个电路的需求，因此这种锯齿波的单元电路 就被放弃了，需要进行改进。查阅资料发现了在NE555芯片构成的脉冲波发生电路中就有锯齿波，只需要在该处输出，然后调整峰峰值便可以得到要求的锯齿波。改进后的电路仿 真图如下图 5。图5 改进后的脉冲波和锯齿波发生电路改进后的电路对脉冲波发生电路的参数也进行了调整，让脉冲波的占空比接近一半。 锯齿波发生电路是一个反向比例运算电路，由公式参数的选择如下：对该电路进行软件仿真得到理论上的锯齿波波形，见

9、图6。图中另一个波形是 NE555芯片的输出波形。图 6 改进电路后的脉冲波和锯齿波的仿真波形得到的锯齿波的峰峰值约为1V，频率与NE555芯片产生的脉冲波频率保持一致，满足 实验要求，就完成了锯齿波波形发生电路的理论设计。3.3正弦波发生电路在电路的设计初期，一次正弦波，也就是 8KHz10KHz的正弦波发生电路是采用的是 截止频率为fc 10KHz的二阶压控电压源低通滤波器，电路图见下图图7二阶压控电压源低通滤波器原理图根据截至频率fc 10KHz，查图确定电容的标称值图8二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图取 C 3.3 nF查表确定电容G的值，以及K 1时对应的电阻。1246810

10、1.4221.1260.8240.6170.5210.4625.3992.2501.5372.0512.4292.742开路6.7523.1483.2033.3723.56006.7529.44416.01223.60232.038表1 -1二阶压控电压源低通滤波器参数表因为低通滤波器的输入直接从锯齿波发生电路的输出端引入，峰峰值为1V，所以将上列阻值乘以计算出来的K值进行电路仿真后电路图如图图9二阶压控电压源低通滤波器仿真电路图9下部分就是二阶压控电压源低通滤波器电路 （一次正弦波产生电路），蓝色的线分 别是滤波器的输入和输出端，其中输入端是锯齿波发生电路的输出端，即输入峰峰值为 1V 的锯

11、齿波。仿真的波形如下图9所示图10 一次正弦波仿真波形图中，上部分波形是输入的峰峰值为1V的锯齿波，下部分是一次正弦波，频率与锯齿 波保持一致，但是峰峰值没有达到实验要求的1V，有所衰减。于是对电路的参数重新选择。修改后的仿真电路图如下图11改进后的二阶压控电压源低通滤波电路再次进行波形的仿真，结果如下图：图12改进后的一次正弦波仿真波形从仿真结果可以发现，波形的峰峰值又超过了 1V ,对电路进行理论分析，发现因为使 用的单电源，偏置电阻10K影响了原本与地直接只有10K的R3的阻值，串上了偏置电阻。 根据二阶压控电压源电路的放大倍数公式A 1旦4进行电阻的调整。取R3 100K得到的满足条件

12、的峰峰值为1V的一次正弦波。上面的波形是从锯齿波发生电路输出的锯齿波， 下面的是经过低通滤波器之后产生的一次正弦波波形，两个波形的峰峰值单位都是5V/Div，可知波形在8KHz10KHz的仿真结果都满足实验要求。该部分的仿真设计就完 成了。图13 一次正弦波仿真波形3.4二次正弦波发生电路二次正弦波的电路的设计思路是通过一个通带为24KHz30KHz的带通滤波器。设计该滤波器是采用的无限增益多路反馈（MFB电路。该电路的电路图如下所示。图14无限增益多路反馈电路原理图该电路有以下公式方便参数选择为了使通带更加平坦，应该尽量使 Q值大，查二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用表归一化电路元件值K电

13、 路 元 件增益1246810510表1-2无限增益多路反馈电路参数选择表参数选择如下：仿真的电路图如下图所示：图15无限增益多路反馈电路（带通滤波器）对电路进行波形仿真时发现，当接入一个波形发生器进行测试的时候，输出的波形不会随着输入信号的频率变化而变化，始终为 17KHZ左右，于是想到没有接输入信号，直接 查看输入端和输出端的波形，结果如下：图16无限增益多路反馈电路的自激振荡仿真波形仿真的波形图中上面的波形是 A端，即输入端的波形，下面的波形是输出端的波形，两个探针A/B分别放在输入和输出端。这里没有输入的信号，输出却稳定在将近18KHz，可知电路产生了自激震荡。对电路进行改进，重新选取

14、参数对电路的波形进行仿真，发现峰峰值比较小，与实验要求差距较大，由W02Rl R22，Av旦，可知，缩小R的值会使放大倍数 A增大，而且对通带的中心Ri R2 R3C2 R1频率Wo影响也较小。电容值取实验室有的电容C 3.3nF。改进后的电路图如下所示图17改进后的无限增益多路反馈电路对电路进行仿真，查看仿真出的波形结果如下图，由波形可以知道该电路产生的三次正弦波的频率是满足实验要求的，但是峰峰值没有达到要求的9V。两个波形的峰峰值单位分别是1V / Div和5V / Div图18三次正弦波仿真波形4原理总图weeUVL5lr1I-W3JiiFC33 IhF33KC fcCLU2AmtVA2

15、9k 口R11-A-2CkfiRMR13ZtMQ142GVCC10VRIB-*AAr2kORlfl图19总体方框图5元器件清单表1-3兀器件清单6调试过程及测试数据（或者仿真结果）为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。6.1通电前检查电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。6.2仿真结果图20总体仿真波形图6.3 实验结果分析观察示波器上显示波形， 可以看出方波和锯齿波以及正弦波波形良好， 没有失真现象， 达到了课题的要求。7 小结本次实验时间较长，在仿真设计电路的阶段占了很大一部分时间，拖慢了实验进度。在电路仿真设计中，开始没有选取实验要求使用的L

16、M324运放，导致在设计无限增益多路反馈电路时出现了自激振荡而找不到具体的原因。掌握了单电源的使用方法，以及对单电 源电路的参数选择，以及尽量减小单电源偏执电路对原电路影响的方法。了解了运放的型 号不同，参数会有所不同，会很大地影响电路仿真的结果。在实际电路的制作过程中，因 为电阻、电容值的误差，实际需要进行参数的再次调整，而且有些电路焊接的影响在电路 仿真阶段是无法预知的。8 体会通过这次课设使我学到了很新的东西，知道了怎样去设计电路、调试电路以及对电路 进行修正，体会到了理论与实践的差异。课程设计虽然有点难但是确实能锻炼我们对知 识的掌握以及运用理论指实践的能力。当我一着手清理自己的设计成

17、果，一种少有的成功 喜悦即刻使倦意顿消虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然 而它令我感到自己成熟的许多，通过课程设计，使我深体会到，干任何事都必须耐心， 细致通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力，同时也是我们懂得 小心谨慎的重要性。参考文献【1】阎石. 数学电子技术基础 . 清华大学 . 高等教育出版社 .2006【2】康华光.电子技术基础（模拟部分） .华中科技大学. 高等教育出版社 .2006【3】马全喜 . 电子元器件与电子实习 . 机械工业出版社 .20064】何杜成、袁跃进 .电机-光电显示 -改进应用电路 . 山东科学技术出版社 .20075】李志健 . 数字电子技术基础实验任务书 . 陕西科技大学教务处 .20076】杨刚、周群 . 电子系统设计与实践 .电子工业出版社 .2004