電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 題 目：555定時器構(gòu)成的方波、三角波、正弦波發(fā)生器 系 部： 歌爾科技學院 專 業(yè)： 班 級： 2013級1班 學生姓名: 學 號: 指導(dǎo)教師: 年 月 日目 錄1 設(shè)計任務(wù)與要求12 設(shè)計方案12.1 設(shè)計思路12.1.1 方案一原理框圖12.1.2 方案二原理框圖22.2 函數(shù)發(fā)生器的選擇方案22.3 實驗器材33 硬件電路設(shè)計43.1 555定時器的介紹43.2 電路組成43.3 引腳的作用53.4 基本功能54 主要參數(shù)計算與分析74.1 由555定時器產(chǎn)生方波74.2 由方波輸出為三角波94.3 由三角波輸出正弦波105 軟件設(shè)計125.1 系統(tǒng)組成框圖125.2 元件清單136 調(diào)試過程146.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試146.1.1 按裝方波三角波產(chǎn)生電路146.1.2 調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路146.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試146.2.1 按裝三角波正弦波變換電路146.2.2 調(diào)試三角波正弦波變換電路146.2.3 總電路的安裝與調(diào)試156.2.4 調(diào)試中遇到的問題及解決的方法157 結(jié)論168 附錄178.1 用mulstisim 12設(shè)計的方波仿真電路圖如圖8-1178.2 用mulstisim 12設(shè)計的三角波仿真電路圖如圖8-3188.3 用mulstisim 12設(shè)計的正弦波仿真電路圖如圖8-5198.4 電源參考電路圖20參考文獻211 設(shè)計任務(wù)與要求(1) 555定時器構(gòu)成的方波發(fā)生器電路輸出頻率范圍：10-1KH可調(diào)；占空比0-100%連續(xù)可調(diào)；輸出方波Vp_p<=12v;輸出三角波Vp-p>0.2v;輸出正弦波Vp-p<1v;(2)寫出詳細的電路工作原理、參數(shù)計算；(3)畫出仿真電路圖；(4)仿真測試并記錄結(jié)果： A.輸出方波的仿真結(jié)果； B.輸出三角波的仿真結(jié)果； C.輸出正弦波的仿真結(jié)果； (5)設(shè)計以上電路工作電源： A.畫出電源電路圖； B.寫出電源電路工作原理、參數(shù)計算； (6)制作實物；2 設(shè)計方案2.1 設(shè)計思路2.1.1 方案一原理框圖 圖2-1 方波、三角波、正弦波信號發(fā)生器的原理框圖首先由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波，但這樣的輸出將造成負載的輸出正弦波波形變形，因為負載的變動將拉動波形的崎變。2.1.2 方案二原理框圖方波三角波正弦波RC正弦波振蕩電路路積分電路電壓比較器 圖2-2 正弦波、方波、三角波信號發(fā)生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法，電路框圖如上。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數(shù)的大小。2.2 函數(shù)發(fā)生器的選擇方案函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件(如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本課題未采用單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038。方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，運行時性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。而方案二，關(guān)于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質(zhì)量不太理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案一簡單方便。綜上所述，我們選擇方案一。2.3 實驗器材電阻，555定時器，滑動變阻器，電容，電解電容，二極管，晶體管，示波器，741及導(dǎo)線若干。主要芯片的作用：（1）555定時器：產(chǎn)生方波；（2）741：將方波轉(zhuǎn)換成三角波；3 硬件電路設(shè)計3.1 555定時器的介紹555定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為516V，最大負載電流可達200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為318V，最大負載電流在4mA以下。 3.2 電路組成（1） 圖3-2，圖3-3為555集成定時器555定時器的內(nèi)部邏輯圖和引腳圖，其由五個組成： （2） 由三個阻值為5k的電阻組成的分壓器； （3） 兩個電壓比較器C1和C2： 圖3-1 電氣原理圖 v+v，vo=1； v+v，vo=0。 （3）基本RS觸發(fā)器； （4）放電三極管T及緩沖器G 圖3-2 555定時器內(nèi)部邏輯圖 圖3-3引腳圖3.3 引腳的作用1引腳：接地端，與地相接； 2引腳：觸發(fā)輸入端； 3引腳: 電壓輸出端； 4引腳：RD復(fù)位端：當 端接低電平，則時基電路不工作，此時不論 、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。 5引腳: 電壓控制端；若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。 6引腳: 閾值輸入端； 7引腳：放電端； 8引腳： 電源輸入端。外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3.4 基本功能當5腳懸空時，比較器C1和C2的比較電壓分別為ccV32和ccV31（1）當vI1>，vI2>時，比較器 C1輸出低電平，C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被臵0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端vO為低電平。 （2）當vI1<，vI2<時，比較器 C1輸出高電平，C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被臵1，放電三極管T截止，輸出端vO為高電平。 （3）當vI1<，vI2>時，比較器 C1輸出高電平，C2也輸出高電平，即基本RS觸發(fā)器R=1，S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。 由于閾值輸入端(vI1) 為高電平（>）時，定時器輸出低電平，因此也將該端稱為高觸發(fā)端（TH）。 因為觸發(fā)輸入端(vI2)為低電平（<）時，定時器輸出高電平，因此也將該端稱為低觸發(fā)端（TL）。 如果在電壓控制端（5腳）施加一個外加電壓（其值在0VCC之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應(yīng)的閾值、觸發(fā)電平也將隨之變化，并進而影響電路的工作狀態(tài)。 另外，RD為復(fù)位輸入端，當RD為低電平時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出vo為低電平，即RD的控制級別最高。正常工作時，一般應(yīng)將其接高電平。 555定時器功能如表3-1表3-1 555定時器功能表清零端高觸發(fā)端地觸發(fā)端Q放電管功能00導(dǎo)通直接清零101保持保持1101截止置11001截止置11110導(dǎo)通清零4 主要參數(shù)計算與分析4.1 由555定時器產(chǎn)生方波圖4-1 方波產(chǎn)生電路 當電容C1被充電時，2和6引腳的電壓都上升，此時二極管D1導(dǎo)通，接通+12V電源后，電容C1被充電，Vc上升，當Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電BJT T導(dǎo)通，此時輸出電平Vo為低電平，電容C1通過R2和T放電，使Vc下降。當Vc下降到Vcc/3時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。 電容器C1經(jīng)R2，R3，他們此時所分的總阻值為R1向電容C1放電,放電所需的時間為： tPL=R1*C1* ln20.7* R1*C1；當C1放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1、R2所分得的阻值為R3向電容器C2充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時間為tPH=R3*C2* ln20.7*R3*C2；當Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到了一個周期性的方波，其頻率為 f=1 / (tPL+tPH) 1.43 / (R1+R2) *C1穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端Vo輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于1/3Vcc，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當Vc充電到2/3Vcc時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備。波形圖見圖4-2。圖4-2 電路的電壓波形圖4.2 由方波輸出為三角波圖4-3 三角波的產(chǎn)生電路圖4-4 輸入及輸出電壓波形 當741很大時，運放兩輸入端為"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 為固定值時 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 為矩形波時， 便成為三角波。4.3 由三角波輸出正弦波圖4-5 正弦波的產(chǎn)生電路 分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： Ic=I/1+exp(-Uid/UT) I 差分放大器的恒定電流； UT 溫度的電壓當量，當室溫為25攝氏度時，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達式為 Uid(t)=4*Um*(t-T/4)/T (0<=t<=T/2) Uid(t)=-4*Um*(t-3*T/4)/T (T/2<=t<=T) 式中 Um三角波的幅度； T三角波的周期。 為使輸出波形更接近正弦波， （1）傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。（2）三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3）圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中R5調(diào)節(jié)三角波的幅度，R9調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻R10用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C5為隔直電容，C8為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。隔直電容C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取c5=500微法，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，c6,c7 可取得較小，一般為幾十皮法至0.01微法。R9=100歐與R10=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。 5 軟件設(shè)計5.1 系統(tǒng)組成框圖三角波方波正弦波555定時器積分網(wǎng)絡(luò)差分放大電路圖5-1 總體框圖5.2 元件清單表5-1 電路圖中的所有元件序號名 稱數(shù)量1555定時器12運算放大器13電阻134電容75可調(diào)電阻46三極管47電解電容18二極管26 調(diào)試過程6.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試6.1.1 按裝方波三角波產(chǎn)生電路（1）把741集成塊插入面包板，注意布局；（2）分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；（3）按圖接線，注意直流源的正負及接地端。6.1.2 調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路（1）接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察；（2）調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R8，使三角波的幅值滿足指標要求；（3）調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R5，微調(diào)波形的頻率；（4）觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部按裝。6.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試6.2.1 按裝三角波正弦波變換電路（1）在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；（2）搭生成直流源電路，注意各相關(guān)的阻值選??；（3）接入各電容及電位器，注意濾波電容的選??；（4）按圖接線，注意直流源的正負及接地端。6.2.2 調(diào)試三角波正弦波變換電路（1）接入直流源后，把C5接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點；（2）測試V1、V2的電容值，當不相等時調(diào)節(jié)R9使其相等；（3）測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；（4）在C5端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；6.2.3 總電路的安裝與調(diào)試（1）把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察（2）針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。6.2.4 調(diào)試中遇到的問題及解決的方法（1）方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調(diào)多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。（2）調(diào)試時沒有波形出現(xiàn)。用萬用表 測量各個結(jié)點是否有電流通過，以便檢查電路連接是否正常。（3）調(diào)節(jié)電位器時，波形的沒有任何變化?？赡苁请娢黄鞯倪B接方法有問題，也可能是電位器本身無法調(diào)節(jié)。7 結(jié)論為期兩個星期的課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，在這兩星期的學習、設(shè)計、焊接過程中我們感觸頗深。使我們對抽象的理論有了具體的認識。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我們掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我們還深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設(shè)計，我們不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個課程設(shè)計的原因。他是為了教會我們?nèi)绾芜\用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。在整個設(shè)計到電路的焊接以及調(diào)試過程中，我們感覺調(diào)試部分是最難的，因為你理論計算的值在實際當中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個經(jīng)驗的積累過程，沒有經(jīng)驗是不可能在短時間內(nèi)將其完成的，而這個可能也是老師要求我們加以提高的一個重要方面吧！其次，這次課程設(shè)計提高了我們團隊合作水平，使我們配合更加默契，體會了在接好電路后測試出波形的那種喜悅，體會到成功來自于汗水，體會到成果的來之不易。在實驗過程中，我們遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學的幫助下，把問題一一解決，那種心情別提有多高興啦。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)，老師們不厭其煩地為我們調(diào)整波形，講解知識點，實在令我感動。還有就是在實驗中，好多同學被電烙鐵燙傷了，這不得不讓我們想起安全問題，所以在以后的實驗中我們應(yīng)該注意安全，特別是在特殊的地方或者使用特殊工具時，如電烙鐵，一定要特別注意，不讓危險事故發(fā)生。還有值得我們自豪的就是我們的線路連得橫豎分明，簡直就是藝術(shù)，當然，我們也有很多不足的地方，浪費了很多材料，錫焊還不是很會用，焊接的很粗糙。最后用一句話來結(jié)束吧：“實踐是檢驗真理的唯一標準”。8 附錄8.1 用mulstisim 12設(shè)計的方波仿真電路圖如圖8-1圖8-1 由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波方波仿真結(jié)果如圖8-2圖8-2 方波的仿真圖8.2 用mulstisim 12設(shè)計的三角波仿真電路圖如圖8-3圖8-3 由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波三角波仿真結(jié)果如圖8-4圖8-4 三角波的仿真圖8.3 用mulstisim 12設(shè)計的正弦波仿真電路圖如圖8-5圖8-5 正弦波的仿真 正弦波仿真結(jié)果如圖8-6圖8-6 正弦波的仿真圖8.4 電源參考電路圖圖18 電源電路參考文獻1 王傳昌.高分子化工的研究對象J.天津大學學報，1997，53（3）：1-7.2 李明.物理學M.北京：科學出版社，1977：58-62.3 Gedye R，Smith F，Westaway K，et al.Use of Microwave Ovens for Rapid Orbanic Synthesis.Tetrahedron Lett，1986，27：279.4 王健.建筑物防火系統(tǒng)可靠性分析D.天津：天津大學，1997.5 姚光起.一種癢化鋯材料的制備方法P.中國專利：891056088，1980-07-03.6 GB3100-3102 00011994，中華人民共和國國家標準S.濰坊學院信息與控制工程學院電子技術(shù)課程設(shè)計成績評定表專業(yè)班級： 姓名： 學號： 設(shè)計項目內(nèi)容得分備注平時表現(xiàn)工作態(tài)度、遵守紀律、獨立完成設(shè)計任務(wù)10分獨立查閱文獻、收集資料、制定課程設(shè)計方案和日程安排10分設(shè)計報告主要參數(shù)計算與分析、電路設(shè)計 20分摘要、設(shè)計報告正文的結(jié)構(gòu)、圖表規(guī)范性20分仿真設(shè)計按照設(shè)計任務(wù)要求的功能仿真20分設(shè)計任務(wù)工作量、難度15分設(shè)計亮點5分綜合成績指導(dǎo)教師簽名指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日