河南理工数电课程设计555方波三角波正弦波三次谐波谢贝贝.docx
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河南理工数电课程设计555方波三角波正弦波三次谐波谢贝贝
信号产生与变换电路的设计
自动化XX-XX班XXX,自动化XX-XX班XXX
摘要:
通过555定时器构成多谐振荡器产生占空比为0.5的方波,然后分别通过积分、低通滤波、带通滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。
放大器件为LM324N四路放大器。
实验包括仿真与实际连线两步,仿真采用Multisim仿真软件,连线采用面包板。
1、设计思路与整体框图
根据题目要求,本次设计的基本完成思路是采用555定时器构成多谐振荡器产生占空比为0.5的方波,然后分别通过积分、低通滤波、带通滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。
整体框图如下:
图1整体框图
2、硬件电路设计
2.1方波发生电路的设计与计算
图2方波产生电路
利用555与外围元件构成多谐振荡器,来产生方波的原理。
用555定时器组成的多谐振荡器如图1所示。
接通电源后,电容C2被充电,当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平,同时555内放电三极管T导通,此时电容C2通过R3、Rp放电,Vc下降。
当Vc下降到Vcc/3时,V0翻转为高电
平。
电容器C2放电所需的时间为:
tpL=0.7R2C2
当放电结束时,T截止,Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电,Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为:
tpH=0.7R1C2
当Vc上升到2Vcc/3时,电路又翻转为低电平。
如此周而复始,于是,在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
电路的工作波形如图2,其震荡频率为:
f=1/(tpL+tpH)
图3方波波形
2.2三角波发生电路的设计与计算
图4三角波产生电路
图5三角波仿真波形图
如上图是一个由方波转换为三角波的电路图以及输出波形图,当A很大时,运放两输入端为"虚地",忽略流入放大器的电流,令输入电压为Vi输出为Vo,流过电容C的电流为i1,则有:
即输出电压与输入电压成积分关系。
当vi为固定值时:
上式表明:
输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。
当输入为矩形波时,输出便成为三角波。
此外,由于电容和滑动变阻器的存在,使得输出的三角波在输入矩形波频率一定的时候也能适当调整,同时电容的存在,又滤除了其他波的干扰。
提高了系统的抗干扰性。
2.3基波正弦波产生电路的设计与计算
图6正弦波电路
基波正弦波产生电路采用有源低通二阶滤波电路构成,二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC环节和反相比例放大电路构成。
其通带电压放大倍数:
其传递函数:
其中:
Wo=1/RC为截止角频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。
为品质因数,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
下图为输入方波,输出正弦波的设计电路及仿真波形。
图7正弦仿真波形
2.43次正弦波产生电路的设计与计算
3倍频率的正弦波通过带通滤波器对输入的方波滤波,提取出三次谐波,经放大后输出为3倍频率正弦波。
原理与2.3类似,但本实验为两RC电路分别构成低通高通滤波电路,级联,构成所谓的带通滤波电路,对电阻R及电容C进行调节,从而实现对实验要求的3次谐波的提取。
以下为原理图:
图8三次谐波电路
仿真波形如下:
图9三次谐波波形
通带增益:
品质因数:
F=2khz△F=0.8KHZ
电压增益:
中心频率:
令
则
故而可以得到中心频率的增益为:
而中心频率时有A0取得最大值故而有:
当w=3200p时有
当w=3200p时有
可得到方程组的一组比较合适的解为:
=19KΩ,
=2.4KΩ,
=4.8KΩ,
=
=20nF
3、电路仿真结果分析
整体电路图如下:
图10整体电路图
输出波形如下:
图11输出波形
仿真结果分析:
经过多次调整后,仿真结果与预期一致,所有波形均可出现,且与理论计算值相差较小,但可能由于软件的原因,在仿真过程中有时会出现假死,或输出波形发散等现象,但通过重启和调试后均得已解决。
4、电路实验结果分析
本次实验结果如以下各图所示:
方波:
图12方波实验波形
三角波:
图13三角波实验波形
正弦波:
图14基波实验波形
三次谐波:
图15三次谐波实验波形
结果分析与体会:
实物连接的过程中并不顺利,本来在仿真图上完美的结果,放到实物里就是出不来,而且连线的过程中总是出现各种匪夷所思的现象,如方波不出现,毛刺太多,三角波不规则,正弦波不明显等。
最头疼的莫过于三次谐波,按照仿真图上怎么调节都无法出现想要的结果,最后经过多次分析,尝试,换了各种大小的电阻后终于与理想结果比较接近。
实验过程中,可能由于面包板连线并不牢固,或者示波器出现故障,有时前一秒电路还好好的,下一次再测试时又变成了垃圾值,更有甚者,同时在两个示波器上测试相同的信号,居然出现两种截然不同的结果,这些由于实验材料或实验仪器的不可控错误的出现,无疑令本就不易成功的连线变得更加困难。
本次实验是在没有指导书,没有现成的公式和实验步骤下,完全由自己决定参数,决定实现方式的实验,对我们来说还是挺有挑战的。
不过通过本次实验也让我们认识到理论与实际的差异,以及自己对知识理解的不深入,对自身优势与缺点也有了更深刻的认识,实际收获无疑也是巨大的。
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