电子设计竞赛复试题波形发生器.docx
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电子设计竞赛复试题波形发生器
波形发生器
徐威
(宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211)
摘要:
使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片制作一
个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、一次和三次正弦波。
进行方案设计,制作出实际电路使其达到实验要求的各项指标。
、设计任务与要求
使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片,设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波I、正弦波n的波形产生电路。
给出方案设计、详细电路图和现场自测数据及波形。
设计制作要求如下:
1、同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波I、正弦波n中的一种波形,每通道输出的负载电阻均为600欧姆。
24KHZ〜30KHZ,
(使用示波器
2、四种波形的频率关系为1:
1:
1:
3(3次谐波);脉冲波、锯齿波、正弦波I输出频率范围为8KHZ〜10KHZ,输出电压幅度峰峰值为1V;正弦波n输出频率范围为输出电压幅度峰峰值为9V。
脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真测量时)。
脉冲波占空比可调
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%。
整。
3、电源只能选用+10V单电源,由稳压电源供给,不得使用额外电源。
4、要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波I、正弦波n和电源的测试端子。
5、每通道输出的负载电阻600欧姆应标清楚、至于明显位置,便于检查。
6、翻译:
NE555和LM324的数据手册(器件描述、特点、应用、绝对参数、电参数)。
二、方案设计与论证
1.原始方案:
在使用Multisim进行仿真设计的阶段,我想出了两种原始方案,两种方案的大体思路如下。
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fH10KHz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24KHz~30KHz的带通滤波器,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
1)成立。
称为积分运算ft
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。
则有如下公式(
的傅里叶变换
根据欧拉公式COSWot
jW0tjW0t
ee
2
FWftejWtdt
就可以
方案二:
使用功放构成文森桥式震荡电路,产生出8KHz~10KHz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
H10KHz的低通滤波器和24KHz~30KHz的带通滤波器电路中,产生一次和三次正弦波。
2.总体方案设计与论证:
最初方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8KHZ~10KHz的连续的频率),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。
3.单兀电路的设计与论证:
(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8KHz~10KHz
10V左右。
参考NE555芯片使用手册可知,芯片输出波形的峰峰值为
使用Multisim仿真的脉冲波产生电路如下图1所示。
(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
只改变高电然后就可以讲3是该方案的仿
(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,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,正向或者反向的电阻值固定,只改变另一方向的电阻值就可以了。
见图
VCC-I
■:
"
CPI--g
■J.■_L■JL.LL
—■w
:
;52:
珈.|
¥-
真电路。
R6
-Wv——:
;5KO:
:
■-■-..昭io
U2A・
%
TL-O
rOtfO.Ff..,
'■O1——
■■_...■JL■■■
二舄壬*…心A;
700Q
O.OIpF
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
R
12.0
K
R2
1K
R3
9K
R4
10K
R5
R6
5K
R7
3K
(电位器)
R8
700
R20
4K
(电位器)
G
C2
C30.01uf
根据NE555芯片的使用手册,有以下有用公式:
tH0.693(RaRb)C
tL0.693(Rb)C
periodtHtL0.693(Ra2Rb)C
frequency
(Ra2Rb)C
Rb
Ra2Rb
1.44
Output_waveform_duty_cycle
根据以上的公式,就可以计算出理论上的各种参数:
fmin
1.44
fmax
tHmin
tH
max
117.8uS
3368KHz
((124)10321103)0.01106
144
3610.29KHz(1210321103)0.01106
0.693(121031103)0.0110690.1uS
0.693((124)1031103)0.01106
tL0.69311030.011066.9uS
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。
RCtH(或t」
去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下:
取C0.01uf
R2
90.1
10-6
0.01
10-6
117.8
10-6
0.01
10-6
6.910-6,
9K
11.8K
0.0110-6
min
R
max
由R,CtH
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。
Chhinndhingxr
ljusfc:
丄va自吧[7)2Qj-"J'^-J
■^pii.Ql世-1.^1LWH0¥
H]叵』二4G弘些iI心&'I二呷'Zp]
真波形
从图4的波形中算出锯齿波的峰峰值为
2V/Div2.2Div4.4V
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。
在老师的提醒下,我发现了在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。
VCC-:
■:
1<1V
■mr-
---low-:
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
[旷
■JfiaQfof-匚从
:
;gK
R5■
Wk
—vA-
LM:
!
觀鬲*口
«20亡-
f6口
Ifti:
二匚
■S55jtlMEB5^:
■■r;1:
卞
Il?
r-
tij-
ri:
RATti
-rt:
<
Rf
参数的选择如下:
由UoIV
取
Rf10K
R35K
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)正弦波发生电路
在电路的设计初期,一次正弦波,也就是8KHz~10KHz的正弦波发生电路是采用
的是截止频率为fc10KHZ的二阶压控电压源低通滤波器,电路图见下图
*
1C
in
10
IC?
10
2
肿
論
10"
Zflk)
图8二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图
取C3.3nF
查表确定电容G的值,以及K1时对应的电阻。
A
1
2
4
6
8
10
R
1.422
1.126
0.824
0.617
0.521
0.462
R1
5.399
2.250
1.537
2.051
2.429
2.742
R1
开路
6.752
3.148
3.203
3.372
3.560
R
0
6.752
9.444
16.012
23.602
32.038
R
0.33C
C
2C
2C
2C
2C
表1二阶压控电压源低通滤波器参数表
1V,所
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
R1.42234K
R1
R2
C1
1.422K
5.399K
0.33C0.333.3nF1nF
将上列阻值乘以计算出来的
K值。
R25.399316K
进行电路仿真后电路图如图
Wc
R19
-Wv
41(0
R27—VA
c
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的锯齿波。
■Okil'cscope-XSC1
[Raygaej
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- 电子设计 竞赛 复试 波形 发生器