各種電器設(shè)備要正常工作，常常需要各種波形信號的支持。電器設(shè)備中常用的信號有正弦波、矩形波、三角波等。在電器設(shè)備中，這些信號是由波形產(chǎn)生和變換電路來提供的。波形產(chǎn)生電路是一種不需外加激勵信號就能將直流能源轉(zhuǎn)化成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出電路，又稱為振蕩器或波形發(fā)生器。
在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波型曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。
波形發(fā)生器通過與波形變換電路相結(jié)合，它能產(chǎn)生正弦波、矩形波、三角波和階梯波等各種波形，能滿足現(xiàn)代測量、通信、自動控制和熱加工、音視頻設(shè)備及數(shù)字系統(tǒng)等對各種信號源的需求。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）·視頻信號或脈沖信號運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器等。
1.1、設(shè)計內(nèi)容及參數(shù)要求
(1)、電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；
(2)、用LED顯示其頻率和波形參數(shù)，播報其頻率和波形參數(shù)。信號頻率可通過鍵盤輸入并顯示。
(3)輸出頻率范圍：100HZ—1KHZ和1KHZ—10000HZ兩檔
(4)輸出電壓幅值可設(shè)，方波：VP-P=12V
(5)三角波：VP-P=1V
(6)正弦波：VP-P>1V輸出信號的頻率要求可調(diào)；
1.2、設(shè)計成果要求
（1） 根據(jù)技術(shù)指示設(shè)計各單元電路，寫出設(shè)計過程，進(jìn)行設(shè)計方案論證、方案對比；
（2） 選擇所用元器件的型號，寫出元器件的功能表，列出元器件清單；
(3） 畫出整機(jī)原理圖；
（4） 安裝調(diào)試或仿真，并分析仿真結(jié)果
（5） 編寫設(shè)計報告，寫出設(shè)計與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。
2.1、方案論述
方案一：主要是應(yīng)用集成運(yùn)放LM324，其芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個集成運(yùn)放所組成的通過RC電橋可產(chǎn)生正弦波，然后通過放大器構(gòu)成過零比較器來實(shí)現(xiàn)方波的轉(zhuǎn)換，在通過反向積分電路來實(shí)現(xiàn)方波到三角波的轉(zhuǎn)化，此電路方案能實(shí)現(xiàn)基本要求和擴(kuò)展總分的功能，電路較簡單。
方案二：可以由晶體管、運(yùn)放IC 等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC 產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，可以用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振蕩頻率可通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以是壓控集成信號產(chǎn)生器。由于外接電容C的充、放電電流由兩個電流源控制，所以電容C兩端電壓的變化與時間成線形關(guān)系，從而可以獲得理想的三角波輸出。8038電路中含有正弦波變換器，故可以直接將三角波變成正弦波輸出。另外還可以將三角波通過觸發(fā)器變成方波輸出。
方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的順序來設(shè)計電路，其中，方波通過數(shù)電中的555 多諧振蕩電路來產(chǎn)生，方波到三角波為積分的過程，三角波到正弦波可以通過低通濾波來實(shí)現(xiàn)，也可以利用差分放大器的傳輸非線性來實(shí)現(xiàn)或者通過折現(xiàn)法來實(shí)現(xiàn)。
方案四：該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號的采集分析及信號的處理和變換，采用按鍵輸入，利用數(shù)碼管動態(tài)顯示電路輸出數(shù)字顯示的方案。將設(shè)計任務(wù)分解為按鍵電路、數(shù)碼管顯示電路等模塊。
2.2、可行性分析
首先分析方案一，電路明了清楚，但RC橋式正弦震蕩電路的占空比受R和C共同影響，調(diào)節(jié)頻率時需要調(diào)節(jié)的元器件參數(shù)太多，比較繁瑣，并且此震蕩電路的頻率也不是很好的滿足設(shè)計的要求。
再是分析方案二，雖然這種方案電路線性良好、穩(wěn)定性好；不存在如文氏電橋那樣的過渡過程，接通電源后會立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；但是這種方法對設(shè)計的要求太低；且頻率有所限制，無法產(chǎn)生更高頻率的信號。
方案三，555定時器所構(gòu)成的多謝振蕩器產(chǎn)生方波是一種很常用的信號發(fā)生器，具有很大的實(shí)用價值，價格低廉。555 多諧振蕩器的頻率很好計算和調(diào)節(jié)，輸出電壓幅值的改變可通過對555定時器的供電的改變來實(shí)現(xiàn)，對于占空比，已對原始的多諧振蕩器做了些許改動，能達(dá)到50%的要求。固輸出的波形比較準(zhǔn)確；方波到三角波的轉(zhuǎn)化可通過積分電路來實(shí)現(xiàn)；角波到正弦波可通過簡單RC低通濾波器來實(shí)現(xiàn)也可通過折現(xiàn)法或者差分法來實(shí)現(xiàn)。
如下圖為555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對C充電。當(dāng)uc上升到2VCC/3時，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到VCC/3時，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖 。
圖2.2.1用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器
綜上所述，本設(shè)計選擇方案三。
3.2、主要元器件介紹
3.2.1 、555定時器的簡介
555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特出發(fā)電路、單穩(wěn)態(tài)電路和多諧振蕩電路。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。
在正因?yàn)槿绱耍詮膕ignetics公司于1972年推出這種產(chǎn)品以后，國際上個主要的電子器件公司也都相繼的生產(chǎn)了各自的555定時器產(chǎn)品。盡管產(chǎn)品型號繁多，但是所有雙極型產(chǎn)品型號最后的3位數(shù)碼都是555。。而且，它們的功能和外部引腳的排列完全相同。為了提高集成度，隨后又生產(chǎn)了雙定時器產(chǎn)品556。
其管腳圖、內(nèi)部功能框圖、內(nèi)部邏輯電路圖及邏輯功能真值表如下圖所示：
v11是比較器C1的輸入端，v12是比較器C2 的輸入端。C1和C2的參考電壓VR1和VR2由VCC經(jīng)三個5kΩ電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時，VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO,VR2=1/2VCO。
由圖3.2.4可知，當(dāng)v11>VR1、v12>VR2時，比較器C1的輸出VC1=1、比較器C2的輸出VC2=0,SR鎖存器被置0，TD導(dǎo)通，同時V0為低電平。
當(dāng)v11VR2時，VC1=0、VC2=0，鎖存器的狀態(tài)保持不變，因而TD和輸出的狀態(tài)也維持不變。
當(dāng)v11<vr1,v12VR1,v12<vr2時，vc1=1、vc2=1，由或非門接成的鎖存器處于q=q’=0的狀態(tài)，v0為高電平，同時td 截止。這樣得到以下表格
4.1、方波發(fā)生電路圖選擇
圖4.1.2 方波產(chǎn)生電路圖
4.2、方波-三角波轉(zhuǎn)換圖電路選擇
由積分電路構(gòu)成方波—三角波產(chǎn)生電路，方波經(jīng)反向積分電路積得到三角波。
方案一：簡單的積分電路（由電阻和電容構(gòu)成）。
圖4.2.1 RC積分電路圖 圖4.2.2 RC電路波形圖
電路的時間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。
Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,當(dāng)t=to時，Uc=Oo.隨后C充電，由于RC≥Tk,充電很慢，
所以認(rèn)為Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,
故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)Uidt
這就是輸出Uo正比于輸入Ui的積分（∫Uidt）RC電路的積分條件：RC≥Tk
當(dāng)輸入信號為方波時，積分電路的輸出為三角波。
圖4.2.1積分電路圖 圖4.2.2 積分電路波形圖
如上圖是一個由方波轉(zhuǎn)換為三角波的電路圖及其輸出波形當(dāng)A很大時，運(yùn)放兩輸入端為"虛地"，忽略流入放大器的電流，令輸入電壓為Vi輸出為Vo，流過電容C的電流為i1則 ，有
即輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系。 當(dāng)
上式表明 輸出電壓按一定比例隨時間作直線上升或下降。當(dāng) 為矩形波時， 便成為三角波。
對比如上兩個方案，在方波的頻率改變的情況下，都需改變充電電容，因?yàn)榉讲l率變大時，要求積分時間短，即電容的容量要小，以達(dá)到快速充電的要求，否則波形失真；當(dāng)方波頻率變小時，要求積分時間要長，這時增大電容的容量，否則將產(chǎn)生梯形式的方波。兩個方案相對沒有理論上的優(yōu)劣，現(xiàn)選擇方案一。
由三角波轉(zhuǎn)換為正弦波有三種方案，分別是采用低通濾波電路、利用差分放大電路的傳輸曲線、采用折線法選擇，具體實(shí)現(xiàn)如下：
方案一：低通濾波電路（通過簡單ＲＣ電路來實(shí)現(xiàn)）
方案一利用低通濾波器將三角波變換成正弦波，將三角波按傅里葉級數(shù)展開
其中Um是三角波的幅值。根據(jù)上式可知，低通濾波器的通帶截止頻率應(yīng)大于三角波的基波頻率且小于三角波的三次諧波頻率。當(dāng)然，也可以利用帶通濾波器實(shí)現(xiàn)上述變換；
方案二利用差分放大器的非線性傳輸曲線來實(shí)現(xiàn)，具體原理下圖所示：
差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。
由仿真得知 方案二滿足幅值要求，這里選擇方案二。
4.4、電源電路
直流電源的輸入為電網(wǎng)電壓220V 50Hz交流電，通過變壓器降壓至電器要求 大的交流電壓，再經(jīng)整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮優(yōu)閱蜗虻拿}動直流，再經(jīng)濾波電路利用電抗性儲能元件電容器或電感將脈動直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷海詈笤俳?jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓使整流濾波后的直流電壓在負(fù)載電流變化時保持基本不變。
本次課程設(shè)計不作為重點(diǎn)，故無仿真圖。
4.5、LED顯示頻率電路
基本設(shè)計原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對波的頻率進(jìn)行自動的測量。
所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。
4.6、元件清單
符號 | 類型 | 數(shù)目 | 參數(shù) |
RV1 | 滑動電阻 | 1 | 643k |
RV2 | 滑動電阻 | 1 | 47k |
RV3 | 滑動電阻 | 1 | 100 |
R2 | 電阻 | 1 | 71k |
R1 | 電阻 | 1 | 1k |
R3 | 電阻 | 1 | 510 |
R4、R6、R7 | 電阻 | 3 | 10k |
R9，R10 | 電阻 | 2 | 2k |
R8 、R5 | 電阻 | 2 | 100 |
R12 | 電阻 | 1 | 8k |
D1 | 二極管 | 1 |
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A | 運(yùn)放 | 1 |
|
Q1,Q2,Q3,Q4 | 三極管 | 4 |
|
C2,C10 | 電容 | 2 | 0.01uf |
C3,C4 | 電容 | 2 | 10uf |
C1 | 電容 | 1 | 0.001uf |
C5 | 電容 | 1 | 0.47uf |
C8 | 電容 | 1 | 0.1uf |
C6,C7,C9 | 電容 | 3 | 470uf |
NE555 | 555計時器 | 1 |
|
SW1、 SW1、 SW3 | 雙刀開關(guān) | 3 |
|
（2）選用C1檔，選頻10khz。
本次課程設(shè)計的主要工作是設(shè)計一個函數(shù)信號發(fā)生器。首先我在proteus軟件環(huán)境下進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計、繪制和仿真，然后對電路中的各個部分進(jìn)行調(diào)整修改，。在這個過程中，我熟悉了proteus軟件的使用，還通過回顧以前的知識，更加深入的了解了555芯片，進(jìn)一步懂得了用555芯片構(gòu)成能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波函數(shù)信號發(fā)生器的工作原理 。查閱相關(guān)資料學(xué)習(xí)了有關(guān)電壓比較器、積分電路、差分放大電路的知識，并且在翻看之前課本的時候，收獲了更多的知識，以前不懂的知識點(diǎn)也突然明白了。讓我深刻體會了“溫故而知新”這句話的含義。另外，在電路仿真的過程中總會出現(xiàn)一些問題，例如：電路對各元件的參數(shù)選擇要求比較高，調(diào)整波形相對而言不方便。因此最好根據(jù)波形來調(diào)節(jié)參數(shù)。調(diào)節(jié)參數(shù)的時候先調(diào)節(jié)一個值，把其它值固定，在調(diào)節(jié)這個值的時候可以先調(diào)成幾個等間距的值，根據(jù)波形大致確定范圍，然后再微調(diào)。需要我們細(xì)心解決，所以這周下來，我對電路故障的排查能力也有了很大的提高；
我認(rèn)識到，學(xué)習(xí)的知識只有在不斷的實(shí)踐中才能更好的為我所用，而用心實(shí)踐用心探索的過程可以讓我們不斷地進(jìn)步。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的還有瑕疵，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計的最大收獲，使我終身受益。同時，通過對多種方案的分析討論讓我們明白在對于不同的環(huán)境和要求相應(yīng)的要作出最合適的選擇的合理性和重要性。本次課程設(shè)計讓我受益匪淺，是我學(xué)習(xí)生活中重要的經(jīng)歷，我將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)努力，用實(shí)踐鞏固和探索知識，真正做到學(xué)為我用，融會貫通。
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