頻率可調(diào)方波發(fā)生器

1、頻率可調(diào)的方波發(fā)生器及頻率顯示器設(shè)計(jì) 學(xué)院：電子信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)：通信工程 指導(dǎo)老師： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 目錄1.引言32.電路元件結(jié)構(gòu)及工作原理32.1 555定時(shí)器32.2 74ls160同步計(jì)數(shù)器52.3 74ls175 4位寄存器63.電路工作原理仿真63.1頻率可調(diào)555方波發(fā)生器63.2頻率計(jì)數(shù)器83.3可顯示頻率的方波發(fā)生器94.電路的測(cè)試結(jié)果誤差分析105.其它類(lèi)型的方波發(fā)生器106.課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)總結(jié)127.參考文獻(xiàn)13頻率可調(diào)的方波發(fā)生器及頻率顯示器設(shè)計(jì)摘要：通過(guò)555定時(shí)器進(jìn)行函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì),電路簡(jiǎn)單,成本低廉，穩(wěn)定性好，精度高。根據(jù)有關(guān)理論原理進(jìn)行電路參數(shù)的計(jì)算和選

2、取,借助Multisim進(jìn)行電路創(chuàng)建,波形仿真，設(shè)計(jì)頻率可調(diào)，步進(jìn)10Hz的簡(jiǎn)易方波發(fā)生器,并且能用三位十進(jìn)制數(shù)顯示頻率。對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。關(guān)鍵詞: 555定時(shí)器 函數(shù)發(fā)生器 波形仿真The adjustable frequency square wave generator and frequency display designAbstract:Using the 555 timer to design function generator , the circuit is simple,the cost is low, the function generator combine

3、s good stability and high precision. According to the principle of the theory of circuit parameter calculation and selection, use Multisim to create circuit, waveform simulation, design of adjustable frequency, simple step 10 hz square-wave generator, and can use the three decimal number to display

4、frequency. Analyses the related problems are discussed.Keywords: 555 timer;function generator;waveform simulation1.引言基本的函數(shù)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種電壓波形,其電路構(gòu)成形式多種多樣,有全部采用分立元件的（非門(mén)振蕩),也可由運(yùn)放級(jí)聯(lián)構(gòu)成,也有專(zhuān)用的集成電路直接得到(如片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038),或通過(guò)單片機(jī)串口輸出方波。本文通過(guò)555定時(shí)器,外加一些RC電路,設(shè)計(jì)得到能直接產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波發(fā)生器。2.電路元件結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 555定時(shí)器555 定

5、時(shí)器內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) SR 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3 。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 SR 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC /3，C2的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3則比較器C2的輸出為0可使SR觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2/3VCC，同時(shí)TR端的電壓大于VCC /3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將SR觸發(fā)

6、器置0，使輸出為0電平。 它的各個(gè)引腳功能如下： 1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。 8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。 3腳：輸出端Vo 2腳：低觸發(fā)端 6腳：TH高觸發(fā)端 4腳：是直接清零端。當(dāng)端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。 5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。 7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電

7、。 2.2 74ls160同步計(jì)數(shù)器74ls161功能表從功能表的第一行可知，當(dāng)0（輸入低電平），則不管其他輸入端（包括CP端）狀態(tài)如何，四個(gè)數(shù)據(jù)輸出端QA、QB、QC、QD全部清零。由于這一清零操作不需要時(shí)鐘脈沖CP配合（即不管CP是什么狀態(tài)都行），所以為異步清零端，且低電平有效，也可以說(shuō)該計(jì)數(shù)器具有“異步清零”功能。從功能表的第二行可知，當(dāng)1且0時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP上升沿到達(dá)，四個(gè)數(shù)據(jù)輸出端QA、QB、QC、QD同時(shí)分別接收并行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)a、b、c、d。由于這個(gè)置數(shù)操作必須有CP上升沿配合，并與CP上升沿同步，所以稱(chēng)那么該芯片具有“同步置數(shù)”功能。從功能表的第三行可知，當(dāng)1，CTrCTp1時(shí)

8、，則對(duì)計(jì)數(shù)脈沖CP實(shí)現(xiàn)同步十進(jìn)制加計(jì)數(shù)；而從功能表的第四行又知道，當(dāng)1時(shí)，只要CTr和ENP中有一個(gè)為0，則不管CP狀態(tài)如何（包括上升沿），計(jì)數(shù)器所有數(shù)據(jù)輸出都保持原狀態(tài)不變。因此，CTr和CTp應(yīng)該為計(jì)數(shù)控制端，當(dāng)它們同時(shí)為1時(shí)，計(jì)數(shù)器執(zhí)行正常同步計(jì)數(shù)功能；而當(dāng)它們有一個(gè)為0時(shí)，計(jì)數(shù)器執(zhí)行保持功能。另外，進(jìn)位輸出QCC= CTr·Q0·Q1·Q2·Q3表明，進(jìn)位輸出端僅當(dāng)計(jì)數(shù)控制端CTr1且計(jì)數(shù)器狀態(tài)為15時(shí)它才為1，否則為02.3 74ls175 4位寄存器當(dāng)0（輸入低電平）時(shí)，輸出端異步清零。當(dāng)1（輸入高電平）時(shí)，在CP上升沿作用下，將輸入端D0D

9、3送入觸發(fā)器輸出端鎖存，在CP非上升沿情況下，輸出端與輸入端D0D3無(wú)關(guān)3.電路工作原理仿真3.1頻率可調(diào)555方波發(fā)生器由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，R3，R4和C（C由C4、C7、C8、C9、C10、C11、C12構(gòu)成）是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R3和C4的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來(lái)不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R3，R4對(duì)電容C充電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)u

10、c上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱(chēng)為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPH的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=（R3R4）C。振蕩頻率為有上述公式可得，當(dāng)R4=2.34K，R3=10K時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)J6J1用6位二進(jìn)制數(shù)表示，0代表閉合，1代表斷開(kāi)。開(kāi)關(guān)全部閉合，記開(kāi)關(guān)狀態(tài)為000000，此時(shí)C=6.4uF,輸出out頻率為J1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為000001，此時(shí)C=C4/C7=3.2uF,輸出out頻率為J2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為000010，此時(shí)C=C4/C9=uF,輸出out頻率為J1，J2斷開(kāi)，開(kāi)

11、關(guān)狀態(tài)為000011，此時(shí)C=C4/C7/C9=1.6uF,輸出out頻率為以此類(lèi)推，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)J6J1不斷調(diào)節(jié)C的大小，開(kāi)關(guān)從000000111111可使頻率從10Hz到640Hz變化，頻率可調(diào)，步進(jìn)為10Hz。3.2頻率計(jì)數(shù)器信號(hào)發(fā)生器XFG2為頻率0.5Hz的方波，信號(hào)發(fā)生器XFG2為需要測(cè)試的方波頻率。當(dāng)XFG2輸入高電平1時(shí)，持續(xù)1s，計(jì)數(shù)器74ls160的CLR=1,在XFG2的時(shí)鐘脈沖下降沿實(shí)行計(jì)數(shù)功能。當(dāng)QA=QD=1（即計(jì)數(shù)到9）時(shí)，通過(guò)與非門(mén)反饋至LOAD端和下個(gè)74ls160的ENT端，使在下一個(gè)CP下降沿的時(shí)候該計(jì)算器置零并且下個(gè)74ls160加一，如此可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制數(shù)

12、的計(jì)數(shù)功能。當(dāng)XFG2下降沿的時(shí)候（從高電平變?yōu)榈碗娖剑?，鎖存器將計(jì)數(shù)器的輸出端數(shù)據(jù)送入8段數(shù)碼管并且顯示出來(lái)（如圖，從右到左依次為百位、十位、個(gè)位），同時(shí)通過(guò)6個(gè)7404N非門(mén)使XFG2的低電平到來(lái)延時(shí)，使數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)后再對(duì)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)清零。在下一次XFG2輸入高電平1時(shí)，重新開(kāi)始計(jì)算，下一次下降沿時(shí)可再一次顯示頻率，使數(shù)碼管能夠每2秒刷新一次頻率。3.3可顯示頻率的方波發(fā)生器將上述的555方波發(fā)生器和頻率計(jì)數(shù)器組合起來(lái)，用555方波發(fā)生器的輸出端out代替頻率接收器中的XFG1，測(cè)試555方波發(fā)生器的頻率。當(dāng)開(kāi)關(guān)J6J1為010010是，頻率為190Hz（圖中從右到左）當(dāng)開(kāi)關(guān)J6J1為10

13、1010是，頻率為430Hz（圖中從右到左）4.電路的測(cè)試結(jié)果誤差分析實(shí)驗(yàn)的實(shí)際顯示頻率和理論值有一定的誤差，由式,R4+2*R3=22.34375K,而實(shí)際選用的電阻大小有一定偏差，并且該式忽略了放電開(kāi)關(guān)T的電阻，使得存在誤差。但誤差較小，根據(jù)結(jié)果顯示最終誤差在1hz以內(nèi)。5.其它類(lèi)型的方波發(fā)生器 方案一：用非門(mén)產(chǎn)生振蕩回路，實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論怎樣改變R,C的值，方波周期始終維持在172ns，適合做一個(gè)頻率固定的方波發(fā)生器。該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，頻率不可調(diào)。 方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)產(chǎn)生脈沖 脈沖程序如下：#include <reg51.h>#define uchar unsigned ch

14、ar#define uint unsigned intuchar temp;void delay(uint x)uint i,j,m;for(i=x;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-) for(m=112;m>0;m-);void main()while(1)P0=0x00;delay(5); P0=0xff;delay(5); 利用單片機(jī)可產(chǎn)生頻率可調(diào)，占空比可調(diào)的矩形波以及多種波形。通過(guò)改變delay后括號(hào)中值即可改變方波頻率。如delay(5)是1hz的方波，delay(1）為5hz的方波。也可通過(guò)for循環(huán)調(diào)節(jié)頻率。該方波發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是類(lèi)型多樣化，且編程

15、易于實(shí)現(xiàn)。6.課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)總結(jié)本次仿真實(shí)驗(yàn)，首先利用555芯片實(shí)現(xiàn)了可調(diào)方波產(chǎn)生電路，然后根據(jù)其振蕩頻率公式，發(fā)現(xiàn)頻率正比于，而當(dāng)各個(gè)電容串聯(lián)使用時(shí)，于是想到使用電容串接來(lái)調(diào)解頻率，并且當(dāng)電容每減小為時(shí)，頻率就增加一倍，由此設(shè)計(jì)了如圖的采用二進(jìn)制調(diào)解頻率法。頻率計(jì)是采用3個(gè)74ls160串接使用，當(dāng)?shù)臀坏?4ls160到達(dá)9時(shí)，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)反饋使該計(jì)數(shù)器輸出清零，并且下位74ls160加1，實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)功能。并且每2秒將計(jì)數(shù)器的值送入數(shù)碼管顯示一次頻率，然后對(duì)計(jì)數(shù)器清零，使頻率能夠每2秒刷新一次。除此類(lèi)方波發(fā)生器外，還可以利用非門(mén)串聯(lián)電容產(chǎn)生方波發(fā)生器，也可以用單片機(jī)編程產(chǎn)生方波發(fā)生

16、器。非門(mén)方波發(fā)生器產(chǎn)生的方波波形較好，但頻率不可調(diào)，仿真中方波頻率始終維持在172ns，穩(wěn)定性較好，若用此類(lèi)電路設(shè)計(jì)頻率可調(diào)的方波發(fā)生器，可能需要使用鎖相環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)頻率，如此一來(lái)電路就變得復(fù)雜。相比之下，單片機(jī)編程產(chǎn)生方波發(fā)生器電路簡(jiǎn)單，編程易于實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)程序設(shè)計(jì)各種頻率的多種波形的函數(shù)發(fā)生器。但是單片機(jī)成本比555芯片高，若僅僅用來(lái)產(chǎn)生方波發(fā)生器就顯得大材小用了。并且單片機(jī)的P1,P2,P3端口驅(qū)動(dòng)能力都較弱，P1口驅(qū)動(dòng)能力稍強(qiáng)，但輸出高電平時(shí)拉電流特別小，也很難直接驅(qū)動(dòng)其他器件，通常需通過(guò)三極管放大電流使用。利用555芯片產(chǎn)生頻率可調(diào)方波，頻率誤差為，影響不大。當(dāng)采用CMOS 7555芯片