電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽復(fù)試題波形發(fā)生器

1、波形發(fā)生器徐威（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）摘要：使用題目指定的綜合測(cè)試板上的NE555芯片和一片四運(yùn)放LM324芯片制作一個(gè)頻率可變的同時(shí)輸出脈沖波、鋸齒波、一次和三次正弦波。進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，制作出實(shí)際電路使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的各項(xiàng)指標(biāo)。一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求使用題目指定的綜合測(cè)試板上的NE555芯片和一片四運(yùn)放LM324芯片，設(shè)計(jì)制作一個(gè)頻率可變的同時(shí)輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波的波形產(chǎn)生電路。給出方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)電路圖和現(xiàn)場(chǎng)自測(cè)數(shù)據(jù)及波形。設(shè)計(jì)制作要求如下：1、同時(shí)四通道輸出、每通道輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波中 的一種波形，每通道輸出的負(fù)載電阻均為600歐姆

2、。 2、四種波形的頻率關(guān)系為1:1:1:3（3次諧波）；脈沖波、鋸齒波、正弦波輸出頻率范圍為8KHz10KHz，輸出電壓幅度峰峰值為1V；正弦波輸出頻率范圍為24KHz30KHz，輸出電壓幅度峰峰值為9V。脈沖波、鋸齒波和正弦波輸出波形應(yīng)無(wú)明顯失真（使用示波器測(cè)量時(shí)）。 頻率誤差不大于10%；通帶內(nèi)輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于5%。脈沖波占空比可調(diào)整。 3、電源只能選用+10V單電源，由穩(wěn)壓電源供給，不得使用額外電源。 4、要求預(yù)留脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波和電源的測(cè)試端子。 5、每通道輸出的負(fù)載電阻600歐姆應(yīng)標(biāo)清楚、至于明顯位置，便于檢查。 6、翻譯：NE555和 LM324的數(shù)據(jù)手冊(cè)

3、（器件描述、特點(diǎn)、應(yīng)用、絕對(duì)參數(shù)、電參數(shù)）。二、方案設(shè)計(jì)與論證1.原始方案：在使用Multisim進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的階段，我想出了兩種原始方案，兩種方案的大體思路如下。方案一：使用NE555芯片構(gòu)成多諧振蕩器，輸出方波，通過(guò)鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒波，然后通過(guò)一個(gè)的低通濾波器，通過(guò)濾波產(chǎn)生一次，8KHz到10KHz的正弦波，然后再讓鋸齒波通過(guò)一個(gè)24KHz30KHz的帶通濾波器，輸出三次正弦波。其中濾出三次諧波的理論依據(jù)是，由于鋸齒波是一個(gè)關(guān)于的周期函數(shù)，并且滿足狄里赫萊條件：在一個(gè)周期內(nèi)具有有限個(gè)間斷點(diǎn)，且在這些間斷點(diǎn)上，函數(shù)是有限值；在一個(gè)周期內(nèi)具有有限個(gè)極值點(diǎn)；絕對(duì)可積。則有如下公式（1）成立

4、。稱(chēng)為積分運(yùn)算的傅里葉變換根據(jù)歐拉公式就可以方案二：使用功放構(gòu)成文森橋式震蕩電路，產(chǎn)生出8KHz10KHz的正弦波。接著是用NE555芯片，搭建出施密特觸發(fā)電路，產(chǎn)生脈沖波輸出；將脈沖波分別輸入一個(gè)的低通濾波器和24KHz30KHz的帶通濾波器電路中，產(chǎn)生一次和三次正弦波。2.總體方案設(shè)計(jì)與論證：最初方案設(shè)計(jì)的大體思路在方案一和方案二之間猶豫不決，于是將兩個(gè)電路的大體電路都進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)方案二存在很多的問(wèn)題很難解決。問(wèn)題一：如果使用文森橋式震蕩器產(chǎn)生正弦波，改變震蕩頻率就需要改變RC常數(shù)，要同時(shí)改變兩個(gè)R（在實(shí)際電路中，同時(shí)改變兩個(gè)電容的值是很復(fù)雜的，而且這樣也無(wú)法得到一個(gè)8KHZ10

5、KHz的連續(xù)的頻率），需要雙滑動(dòng)變阻器并且要保證滑動(dòng)變阻器改變的值完全相同，有一定困難。問(wèn)題二：NE555芯片搭建出來(lái)的是一個(gè)簡(jiǎn)單的施密特觸發(fā)器，輸入正弦波之后，輸出的脈沖波的占空比是不可以調(diào)整的，不滿足實(shí)驗(yàn)要求的占空比可調(diào)的條件。要是施密特觸發(fā)器產(chǎn)生的脈沖波的占空比可調(diào)會(huì)是該電路進(jìn)一步復(fù)雜化。問(wèn)題三：LM324芯片的功放不夠，由于有負(fù)載電阻的限制，輸出波形的峰峰值不能簡(jiǎn)單的通過(guò)電阻的分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。鑒于方案二存在的問(wèn)題能以解決，我們就確定選擇方案一的整體思路進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。3. 單元電路的設(shè)計(jì)與論證：（1）脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波由NE555芯片搭建的多穩(wěn)態(tài)諧振器振動(dòng)產(chǎn)生，頻率可調(diào)，為參考NE555

6、芯片使用手冊(cè)可知，芯片輸出波形的峰峰值為10V左右。使用Multisim仿真的脈沖波產(chǎn)生電路如下圖1所示。 圖1 脈沖波發(fā)生電路利用軟件進(jìn)行波形的仿真，得到脈沖波的圖形如圖2所示圖2 脈沖波仿真波形（2）鋸齒波發(fā)生電路在鋸齒波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)中，原始方案是采用教材中的鋸齒波發(fā)生電路，是通過(guò)調(diào)整積分電路的正向和反向時(shí)間常數(shù)的不同，對(duì)輸入信號(hào)的脈沖波進(jìn)行積分產(chǎn)生鋸齒波（該電路是需要二極管的）。開(kāi)始是按照這個(gè)思路進(jìn)行仿真的。因?yàn)橐瑫r(shí)調(diào)整正向和反向積分的時(shí)間常數(shù)，于是我們就想可以在調(diào)整脈沖波的輸出頻率的時(shí)候，只改變高電平或者低電平的持續(xù)時(shí)間，然后在鋸齒波發(fā)生電路中選取合適的電容值，然后就可以講正向或者

7、反向的電阻值固定，只改變另一方向的電阻值就可以了。見(jiàn)圖3是該方案的仿真電路。圖3 鋸齒波產(chǎn)生電路見(jiàn)圖1，是用NE555產(chǎn)生出脈沖波，然后通過(guò)鋸齒波產(chǎn)生電路，這里仿真沒(méi)有選擇功放為L(zhǎng)M324，未考慮的負(fù)載電阻以及輸出的峰峰值。脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)取值如下根據(jù)NE555芯片的使用手冊(cè)，有以下有用公式：根據(jù)以上的公式，就可以計(jì)算出理論上的各種參數(shù)：在對(duì)鋸齒波進(jìn)行仿真的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)波形有些失真，上網(wǎng)查閱資料后得知要是常數(shù)跟脈沖波的時(shí)間相匹配才行。去鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)選擇及計(jì)算過(guò)程如下：如圖1所示，為一個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，取仿真結(jié)果見(jiàn)圖4的鋸齒波。圖4 鋸齒波仿真波形從圖4的波形中算出鋸齒波

8、的峰峰值為由于要求負(fù)載電阻為，不能直接進(jìn)行分壓來(lái)控制峰峰值為,再用功放來(lái)滿足峰峰值的要求的話，LM324的四功放無(wú)法滿足整個(gè)電路的需求，因此這種鋸齒波的單元電路就被放棄了，需要進(jìn)行改進(jìn)。在老師的提醒下，我發(fā)現(xiàn)了在NE555芯片構(gòu)成的脈沖波發(fā)生電路中就有鋸齒波，只需要在該處輸出，然后調(diào)整峰峰值便可以得到要求的鋸齒波。改進(jìn)后的電路仿真圖如下圖5。圖5 改進(jìn)后的脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路改進(jìn)后的電路對(duì)脈沖波發(fā)生電路的參數(shù)也進(jìn)行了調(diào)整，讓脈沖波的占空比接近一半。鋸齒波發(fā)生電路是一個(gè)反向比例運(yùn)算電路，由公式參數(shù)的選擇如下：對(duì)該電路進(jìn)行軟件仿真得到理論上的鋸齒波波形，見(jiàn)圖6。圖中另一個(gè)波形是NE555芯片的輸

9、出波形。圖6 改進(jìn)電路后的脈沖波和鋸齒波的仿真波形得到的鋸齒波的峰峰值約為，頻率與NE555芯片產(chǎn)生的脈沖波頻率保持一致，滿足實(shí)驗(yàn)要求，就完成了鋸齒波波形發(fā)生電路的理論設(shè)計(jì)。（3） 正弦波發(fā)生電路在電路的設(shè)計(jì)初期，一次正弦波，也就是的正弦波發(fā)生電路是采用的是截止頻率為的二階壓控電壓源低通濾波器，電路圖見(jiàn)下圖圖7 二階壓控電壓源低通濾波器原理圖根據(jù)截至頻率，查圖確定電容的標(biāo)稱(chēng)值圖8 二階壓控電壓源低通濾波電路參數(shù)選取參考圖取 查表確定電容的值，以及時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻。1246810 1.4221.1260.8240.6170.5210.4625.3992.2501.5372.0512.4292.742

10、開(kāi)路6.7523.1483.2033.3723.56006.7529.44416.01223.60232.038表1 二階壓控電壓源低通濾波器參數(shù)表因?yàn)榈屯V波器的輸入直接從鋸齒波發(fā)生電路的輸出端引入，峰峰值為，所將上列阻值乘以計(jì)算出來(lái)的值。進(jìn)行電路仿真后電路圖如圖圖9 二階壓控電壓源低通濾波器仿真電路圖9下部分就是二階壓控電壓源低通濾波器電路（一次正弦波產(chǎn)生電路），藍(lán)色的線分別是濾波器的輸入和輸出端，其中輸入端是鋸齒波發(fā)生電路的輸出端，即輸入峰峰值為的鋸齒波。圖10 一次正弦波仿真波形圖中，上部分波形是輸入的峰峰值為的鋸齒波，下部分是一次正弦波，頻率與鋸齒波保持一致，但是峰峰值沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)要

11、求的，有所衰減。于是對(duì)電路的參數(shù)重新選擇。修改后的仿真電路圖如下圖11 改進(jìn)后的二階壓控電壓源低通濾波電路再次進(jìn)行波形的仿真，結(jié)果如下圖：圖12 改進(jìn)后的一次正弦波仿真波形從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，波形的峰峰值又超過(guò)了，對(duì)電路進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)因?yàn)槭褂玫膯坞娫矗秒娮栌绊懥嗽九c地直接只有的的阻值，串上了偏置電阻。根據(jù)二階壓控電壓源電路的放大倍數(shù)公式進(jìn)行電阻的調(diào)整。取得到的滿足條件的峰峰值為的一次正弦波。上面的波形是從鋸齒波發(fā)生電路輸出的鋸齒波，下面的是經(jīng)過(guò)低通濾波器之后產(chǎn)生的一次正弦波波形，兩個(gè)波形的峰峰值單位都是，可知波形在的仿真結(jié)果都滿足實(shí)驗(yàn)要求。該部分的仿真設(shè)計(jì)就完成了。圖13 最終的一次

12、正弦波仿真波形圖14 最終的一次正弦波仿真波形圖14 最終的一次正弦波仿真波形（4） 三次正弦波發(fā)生電路三次正弦波的電路的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)一個(gè)通帶為的帶通濾波器。設(shè)計(jì)該濾波器是采用的無(wú)限增益多路反饋（MFB）電路。該電路的電路圖如下所示。圖15 無(wú)限增益多路反饋電路原理圖該電路有以下公式方便參數(shù)選擇為了使通帶更加平坦，應(yīng)該盡量使值大，查二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波器設(shè)計(jì)用表表2 無(wú)限增益多路反饋電路參數(shù)選擇表歸一化電路元件值電路元件增益1246810510參數(shù)選擇如下：仿真的電路圖如下圖所示：圖16 無(wú)限增益多路反饋電路（帶通濾波器）對(duì)電路進(jìn)行波形仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接入一個(gè)波形發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，

13、輸出的波形不會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率變化而變化，始終為左右，于是想到?jīng)]有接輸入信號(hào)，直接查看輸入端和輸出端的波形，結(jié)果如下：圖17 無(wú)限增益多路反饋電路的自激振蕩仿真波形仿真的波形圖中上面的波形是A端，即輸入端的波形，下面的波形是輸出端的波形，兩個(gè)探針A/B分別放在輸入和輸出端。這里沒(méi)有輸入的信號(hào)，輸出卻穩(wěn)定在將近，可知電路產(chǎn)生了自激震蕩。對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，重新選取參數(shù)對(duì)電路的波形進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)峰峰值比較小，與實(shí)驗(yàn)要求差距較大，由，可知，縮小的值會(huì)使放大倍數(shù)增大，而且對(duì)通帶的中心頻率影響也較小。電容值取實(shí)驗(yàn)室有的電容。改進(jìn)后的電路圖如下所示圖18 改進(jìn)后的無(wú)限增益多路反饋電路對(duì)電路進(jìn)行仿真，查看仿真出的波形結(jié)果如下圖，由波形可以知道該電路產(chǎn)生的三次正弦波的頻率是滿足實(shí)驗(yàn)要求的，但是峰峰值沒(méi)有達(dá)到要求的9V。兩個(gè)波形的峰峰值單位分別是和圖19 三次正弦波仿真波形圖20 三次正弦波仿真波形圖21 三次正弦波仿真波形3、 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析1. 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果脈沖波波形如下所示，分別是的波形：圖22 脈沖波波形圖23 脈沖波波形圖24 脈沖波波形鋸齒波的波形如下：分別是的波形：圖25 鋸齒波波形圖26 鋸齒波波形圖27 鋸齒波波形2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析觀察示波器上顯示波形，可以4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，在仿真設(shè)計(jì)電路的階段占了很大一部分