555信号发生器

《555信号发生器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《555信号发生器（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 电子技术课程设计报告 （555 信号发生器） 姓姓 名名 学学 号号 专业年级专业年级 指导教师指导教师 设计时间设计时间 目 录 目 录 第一章、设计任务及要求 - 1 - 第二章、信号发生器设计方案 - 1 - 2.1 总体设计方案论证及选择 . - 1 - 2.2 函数信号发生器总体方案框图 - 1 - 第三章、单元电路原理与电路 - 2 - 3.1 方波发生电路 - 2 - 3.1.1 方案选择 . - 2 - 3.2 方波三角波转换电路原理图 - 4 - 3.3 三角波正弦波转换电路原理图 - 5 - 第四章 电路的安装与调试 - 8 - 第五章 设计总结 - 11 - 5.1 经

2、验 - 11 - 5.2 不足 - 11 - 5.3 感想 - 11 - 附录 - 11 - 元件清单列表 - 11 - 参考文献 - 11 - 鸣谢 - 11 - - 1 - 第一章、设计任务及要求第一章、设计任务及要求 设计要求：用 555 定时器设计一个信号发生器，要求输出方波、三角波、正 弦波并，设计输出电压及频率 第二章、信号发生器设计方案第二章、信号发生器设计方案 2.1 总体设计方案论证及选择：总体设计方案论证及选择： 方案一：通过 RC 震荡电路产生正弦波，然后经过过零比较器，产生三角波， 在通过积分电路产生方波。其中，RC 震荡电路为 RC 桥式正弦振荡电路，然后通过 放大器

3、构成过零比较器来实现方波的转换，在通过反向积分电路来实现方波到三 角波的转化。 方案二：可以由晶体管、运放 IC 等通用器件制作，更多的则是用专门的函 数信号发生器 IC 产生。 早期的函数信号发生器 IC， 如 L8038、 BA205、 XR2207/2209 等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有 300kHz，无法产生更高频率的 信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。 方案三：可以按照方波三角波正弦波的顺序来设计电路，其中，方波 可以通过模电中的方波发生电路来产生，也可以通过数电中的 555 多谐振荡电路 来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波

4、可以通过低通滤波来实现， 也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。 可行性分析： 纵观以上 N 种方案，对比如下，本着自己动手的观念，首先排除第二种用集成 芯片的方法，因为这种方法对设计的要求太低；其次分析方案一可得其 RC 桥式正 弦震荡电路的占空比受 R 和 C 共同影响，调节频率时需要调节的元器件参数太多， 比较繁琐，并且此震荡电路的频率也不是很好的满足设计的要求。所以综上所述， 选择方案三来实现本次的课程设计：555 多谐振荡器的频率很好计算和调节，并且 输出的波形比较准确；波到三角波的转化可通过简单 RC 积分电路来实现；角波到 正弦波可通过简单 RC 低通滤波器

5、来实现也可通过折现法或者差分法来实现。分析 方案得：各个不分的实现有多种办法，但也许理论上比较好的方法在实践中由于 环境的种种原因可能并不是最好的，所以最终的方案的细节有待在试验仿真中作 进一步的确定。 2.2 函数信号发生器总体方案框图函数信号发生器总体方案框图 首先，将 555 定时器接成多谐震荡电路，多谐震荡电路的输出便是方波，接 着接一个 RC 积分电路，从而产生三角波，最后接一个无源低通滤波器，从而产生 正弦波。如框图 2.2-1 所示。 - 2 - 图 2.2-1 第三章、单元电路原理与电路第三章、单元电路原理与电路 3.1 方波发生电路方波发生电路 3.1.1 方案选择 方案一：

6、占空比可调的矩形波放声，电路占空比的改变方法：使电容的正 向和反向充电时间常数不同。 利用二极管的单向导电性可以引导电流流经 不同的通路。 方案二：改进型 555 多谐振荡器电路，接法：先将 555 定时器接成施密特触发 器，再将输出经 RC 积分电路接回输入端即可。 对比如上两个方案，方案一的频率性较差，并且输出电压受到稳压二极管的 影响，输出电压幅值不能改变；而方案二频率调节理与方案一很是相似，但是方 案二的频率表达式比较简洁，容易计算，而且方案二的输出电压幅值的改变可通 过对 555 定时器的供电的改变来实现，对于占空比，已对原始的多谐振荡器做了 些许改动，能达到 1/2 的要求。综上，

7、选择方案二。 555 定时器的工作原理： 555 定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路， 其组成电路框图如图 22.32 所示。555 定时器有二个比较器 A1 和 A2，有一个 RS 触发器，R 和 S 高电平有效。三极管 VT1 对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极 管 VT2 是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三 个 5kW 电阻组成的分压器，由此可以获得 和 两个分压值，一般称为阈值。555 定时器的 1 脚是接地端 GND，2 脚是低触发端 TL，3 脚是输出端 OUT，4 脚是清 除端 Rd，5 脚是电压控制端 CV，6 脚是高触发端 TH，7 脚是

8、放电端 DIS，8 脚是 电源端 VCC。555 引脚如图 3.1-1，引脚功能如表 3.1-1。 表 3.1-1 图 3.1-1 方波 三角波 正弦波 - 3 - 555 定时器功能如表 3.1-2，用 555 定时器接成多谐震荡电路如图 3.1-2。 表 3.1-2 555 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 1 0 1 保持 保持 1 1 0 1 截止 置 1 1 0 0 1 截止 置 1 1 1 1 0 导通 清零 图 3.1-2 参数计算： 改进型多谐振荡电路主要改进了电容充电和放电的回路，使得回路的时间常 数相同即可，再此引入二极管来

9、分开充电和放电回路。 高电平，充电时间 1)53(7 . 02ln)53(1CRRCRRT （ 公式 3-1） 低电平，放电时间 1)52(7 . 02ln)52(2CRRCRRT （ 公式 3-2） 占空比 - 4 - 5 . 0)52/()53()21/(1RRRRTTTq （ 公式 3-3） 方波周期 ) 1)5223(7 . 021CRRRTTT （ 公式 3-4） 振荡频率 1)5223/(44. 1/1CRRRTf （ 公式 3-5） 经过计算， 对应到电路的仿真图， 选取 C6 为 10uF， R4 = R5 =47K 欧姆。 当 RV1=1K 欧姆最大时，频率即为 1HZ（如图

10、 3.3-5)。 3.2 方波三角波转换电路原理图方波三角波转换电路原理图 由积分电路构成方波三角波产生电路， 方波经反向积分电路积得到三角波。 方案一：简单的积分电路（由电阻和电容构成）。如图 3.2-1。 图 3.2-1 方案二：带有放大器的积分电路（由放大器和电阻电容构成）。如图 3.2-2。 - 5 - 图 3.2-2 对比如上两个方案，在方波的频率改变的情况下，都需改变充电电容，因为 方波频率变大时， 要求积分时间短， 即电容的容量要小， 以达到快速充电的要求， 否则波形失真；当方波频率变小时，要求积分时间要长，这时增大电容的容量， 否则将产生梯形式的方波。两个方案相对没有理论上的优

11、劣，现选择方案一。 原理：输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。 电路结构如图，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯 齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里要提的 是电路的时间常数 R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等 于 10 倍于输入波形的宽度。 3.3 三角波正弦波转换电路原理图三角波正弦波转换电路原理图 由三角波转换为正弦波有三种方案，分别是采用低通滤波电路、利用差分放 大电路的传输曲线、采用折线法选择，具体实现如下： 方案一：低通滤波电路（通过简单电路来实现） ，如图 3.3-1。 - 6 - 图3.3-1

12、方案二：利用差分放大电路的传输曲线（差分放大器的非线性传输曲线） 。如 图 3.3-2。 图 3.3-2 方案三：通过折线法来实现。如图 3.3-3。 - 7 - 图 3.3-3 对比如上方案： 方案一利用低通滤波器将三角波变换成正弦波， 将三角波按傅里叶级数展开 )5sin 25 1 3sin 9 1 (sin 8 )( 2 wtwtwtUwtu m 其中 Um 是三角波的幅值。根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三 角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。当然，也可以利用带通滤波器实 现上述变换； 方案二利用差分放大器的非线性传输曲线来实现，具体原理如图 3.3-4 所 示： 图

13、 3.3-4 - 8 - 方案三的电路连接比较复杂，而且需要的元器件也比较多，调试也比较不方 便。 综上所述，及根据试验的结果来看，方案二和方案三的结果波形并不理想， 而且调节繁琐， 故选择方案一来实现三角波到正弦波的转换。 总电路图如图 3.3-5。 图 3.3-5 参数计算：当 RV1=1K 欧姆时， 计算值： f=1HZ UA(max)=4.8V (方波) UB(max)=3.6V (三角波) UC(max)=3.6V (正弦波) 实测值： f=1HZ UA(max)=5V (方波) UB(max)=3.8V (三角波) UC(max)=3.6V (正弦波) 调节 RV1 可改变相关参数

14、大小,对比计算值与实测值发现， 实验存在一定误差， 但结果与理论相符。 第四章第四章 电路的安装与调试电路的安装与调试 在绘制电路的原理图时，可采用了 multisim 和 proteus 软件，我分别采用了 multisim 和 proteus 软件，但结果采的是 proteus 的实验结果，multisim 仿真原 理图见图 4-1，proteus 仿真原理图见图 4-2。 - 9 - 图 4-1 图 4-2 Proteus 仿真及调试过程：首先设置好实验相关参数，接着画原理图，最 后运行（用示波器观察波形） 。一开始运行的时候示波器上并未出现预期的波 形，经反复检查后发现电容 C6 并未

15、与电路连接上，只是单纯地摆放了上去。 再将电容 C6 与电路连接上后，示波器上出现了不规则的波形。接下来便是反 复地修改参数。最后根据波形选择了合理的参数。波形如图 4-3 所示。 - 10 - 图 4-3 Altium designer 制板过程：首先新建工程（在工程下建原理图和 PCB 图） ， 接着画原理图，最后是绘制 PCB 板。该过程的主要问题是 PCB 板的绘制。其中连 线比较复杂，同一层的线不能交叉，因此需要在适当的时候打孔将两层的线连接 起来。自动布置的线很乱并且有尖角效应，因此最好己动手布置。第一次我把线 连接完后，老师问我引出端在哪，结果我把引出端放到了板子的中间。于是我又

16、 重新摆放了一下器件，这一次子线又乱了，又得重连，接着我又重新开始连线。 连完线后就开始铺铜，铺完铜后我又给板子相应的地方加上泪滴。在这之后板子 就做好了。该过程的相关图片 PCB 原理图如图 4-4、连线图如图 4-5、板子如图 4-6、4-7。 - 11 - 第五章第五章 设计总结设计总结 5.1 经验经验： 5.2 不足：不足： 5.3 感想：感想： 附录附录 元件清单列表 序 号 名 称 型号参数 数量 备注 1 555 定时器 LS555ID 1 2 电阻 5 3 电容 5 4 滑动变阻器 1 参考文献参考文献 1.阎石 数字电子技术基础（第五版） 清华大学出版社2006 年 5 月 （ISBN 978-7-04-019383-1） 2.童诗白 模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社2