2013電子設(shè)計競賽復(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試板上的 NE555芯片和一片四運放 LM324芯片制作一個 頻率可變的同時輸出脈沖波、鋸齒波、一次和三次正弦波。進行方案設(shè)計，制作出實際電路使其達到實驗要求的各項指標。一、設(shè)計任務(wù)與要求使用題目指定的綜合測試板上的 NE555芯片和一片四運放 LM324芯片，設(shè)計制作一個 頻率可變的同時輸出脈沖波、 鋸齒波、正弦波I、正弦波H的波形產(chǎn)生電路。 給出方案設(shè)計、 詳細電路圖和現(xiàn)場自測數(shù)據(jù)及波形。設(shè)計制作要求如下：1、同時四通道輸出、每通道輸出脈沖波、 鋸齒波、正弦波I、正弦波H中 的一種波形， 每通道輸

2、出的負載電阻均為 600歐姆。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I輸出頻率范 圍為8KHz10KHz，輸出電壓幅度峰峰值為 1V;正弦波H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)無明顯失真（使用示波器 測量時）。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I、正弦波H和電源的測試端子。5、每通道輸出的負載電阻 600歐姆應(yīng)標清楚、至于明顯位置，便于檢查。

3、6、翻譯：NE555和LM324的數(shù)據(jù)手冊（器件描述、 特點、應(yīng)用、絕對參數(shù)、電參數(shù)）。二、方案設(shè)計與論證1 .原始方案：在使用Multisim進行仿真設(shè)計的階段，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，通過鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒波，然后通過一個fH =10KHz的低通濾波器，通過濾波產(chǎn)生一次，8KHz到10KHz的正弦波，然后再讓鋸齒波通過一個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，由于鋸齒波是一個關(guān)于t的周期函數(shù)，并且滿足狄里赫萊條件：在一個周期內(nèi)具有有限個間斷點，且在這些間斷點上， 函數(shù)

4、是有限值；在一個周期內(nèi)具有有限個極值點；絕對可積。則有如下公式（1）成立。稱為積分運算 f（t）的傅里葉變換Q0F w = f t e,wtdtjwot_jwot根據(jù)歐拉公式 cosw0t =2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fH =10KHz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)計與論證：最初方案設(shè)計的大體思路在方案一和方案二之間猶豫不決，于是將兩個電路的大體電路都進行了簡單的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)方案二存在很多的問題很難

5、解決。問題一：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),要同時改變兩個 R （在實際電路中，同時改變兩個電容的值是很復(fù)雜的，而且這樣也無法得到一個8KHZ10KHz的連續(xù)的頻率），需要雙滑動變阻器并且要保證滑動變阻器改 變的值完全相同，有一定困難。問題二：NE555芯片搭建出來的是一個簡單的施密特觸發(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，不滿足實驗要求的占空比可調(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)會是該電路進一步復(fù)雜化。問題三：LM324芯片的功放不夠，由于有 600c負載電阻的限制，輸出波形的峰 峰值不能簡單的通過電阻的分壓來實現(xiàn)。

6、鑒于方案二存在的問題能以解決，我們就確定選擇方案一的整體思路進行方案的設(shè)計。3 .單元電路的設(shè)計與論證：（1）脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波由NE555芯片搭建的多穩(wěn)態(tài)諧振器振動產(chǎn)生，頻率可調(diào)，為8KHz 10KHz10V左右。參考NE555芯片使用手冊可知，芯片輸出波形的峰峰值為使用Multisim仿真的脈沖波產(chǎn)生電路如下圖1所示。利用軟件進行波形的仿真，得到脈沖波的圖形如圖2所示(2)鋸齒波發(fā)生電路在鋸齒波發(fā)生電路的設(shè)計中， 原始方案是采用教材中的鋸齒波發(fā)生電路，是通過調(diào)整積分電路的正向和反向時間常數(shù)的不同，對輸入信號的脈沖波進行積分產(chǎn)生鋸齒波(該電路是需要二極管的)。開始是按照這個思路進行仿真的。

7、因為要同時調(diào)整正向和反向積分的時間常數(shù)， 于是我們就想可以在調(diào)整脈沖波的輸出頻率的時候，只改變高電平或者低電平的持續(xù)時間， 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 正向或者反向的電阻值固定， 只改變另一方向的電阻值就可以了。 見圖3是該方案的仿 真電路。VCCVCC R5Vv 5kO- R4-VWR6SkO ：6L3kD :KeyA :M1N3662 : ； 7QQQ :q tTlfl.OlpF-U2A ：圖3鋸齒波產(chǎn)生電路見圖1,是用NE555產(chǎn)生出脈沖波，然后通過鋸齒波產(chǎn)生電路，這里仿真沒有選 擇功放為LM324 ,未考慮600c的負載電阻以及輸出的峰峰值。脈沖波和鋸齒波發(fā)

8、生 電路的參數(shù)取值如下R1 =12.0KJR2-1K-JR3 = 9KJR4-10K'1R5=R6=5KJR7=3K|(電位器)R8 = 700'1R20 =4K，(電位器)C1 =C2 =C3 =0.01uf根據(jù)NE555芯片的使用手冊，有以下有用公式:tH =0.693(Ra Rb)CtL =0.693(Rb)Cperiod 二儲 七二0.693(Ra 2Rb)C， 1.44frequency:(Ra 2Rb)CRbR 2RbtH /Output _ waveform _ duty _ cycle = 1 一tH ' tL根據(jù)以上的公式，就可以計算出理論上的各種參數(shù)

9、:fminfmax1 44 3_36 =8KHz (12 4) 103 2 1 103) 0.01 10-61.443 36 =10.29KHz (12 103 2 1 103) 0.01 10上tH .min= 0.693(12 103 1 103) 0.01 10-6 =90.1uSLmax= 0.693(12 4) 103 1 103) 0.01 106=117.8uStL =0.693 1 103 0.01 10-6 -6.9uS在對鋸齒波進行仿真的時候，發(fā)現(xiàn)波形有些失真，上網(wǎng)查閱資料后得知要是數(shù)跟脈沖波的時間相匹配才行。RC常RC =tH (或tL)去鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)選擇及計算過

10、程如下:取 C =0.01uf由RC =匕RminRmax690.1 106-60.01 1066117.8 106= 9K-0.01 106.9 10-60.01 10-6-6= 11.8KJ=6901 1如圖1所示，Ri為一個9KC電阻和一個3KC電位器組成，R2取7000 仿真結(jié)果見圖4的鋸齒波。05cillQscope-XSC2圖4鋸齒波仿真波形從圖4的波形中算出鋸齒波的峰峰值為2V/Div 2.2Div=4.4V由于要求負載電阻為 600建，不能直接進行分壓來控制峰峰值為1V，再用功放來滿足峰峰值的要求的話，LM324的四功放無法滿足整個電路的需求，因此這種鋸齒波的 單元電路就被放棄

11、了，需要進行改進。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。改進后的電路仿真圖如下圖5。VGCVCCtcvA30 ：圖5改進后的脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路改進后的電路對脈沖波發(fā)生電路的參數(shù)也進行了調(diào)整，讓脈沖波的占空比接近 半。鋸齒波發(fā)生電路是一個反向比例運算電路，由公式'Rf 'Uo =u < R )參數(shù)的選擇如下:由 Uo =1V取Rf =10KR-35KJ對該電路進行軟件仿真得到理論上的鋸齒波波形，見圖6。圖中另一個波形是NE555芯片的輸出波形。圖6改進電路后的脈沖波和鋸齒波的仿真

12、波形得到的鋸齒波的峰峰值約為 1V ,頻率與NE555芯片產(chǎn)生的脈沖波頻率保持一致, 滿足實驗要求，就完成了鋸齒波波形發(fā)生電路的理論設(shè)計。(3)正弦波發(fā)生電路在電路的設(shè)計初期， 一次正弦波，也就是8KHz 10KHz的正弦波發(fā)生電路是采用的是截止頻率為 i =10KHz的二階壓控電壓源低通濾波器，電路圖見下圖圖7二階壓控電壓源低通濾波器原理圖根據(jù)截至頻率fc=10KHz ,查圖確定電容的標稱值10IO2 I 解101L04以雁)Z-(Hi)3)截止頻率工=(1 - 0 ) Hh(h)截止隨率£ =(加工0, Hz圖8 二階壓控電壓源低通濾波電路參數(shù)選取參考圖取 C =3.3nF查表確

13、定電容 Ci的值，以及 K=1時對應(yīng)的電阻。A1246810R1.4221.1260.8240.6170.5210.462R15.3992.2501.5372.0512.4292.742R1開路6.7523.1483.2033.3723.560R06.7529.44416.01223.60232.038R0.33CC2C2C2C2C表1二階壓控電壓源低通濾波器參數(shù)表因為低通濾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1V ,所A =1R, =1.422KJR2 =5.399KC1 =0.33C =0.33 3.3nF =1nF將上列阻值乘以計算出來的K值。R =1.422 3 4KI

14、 1R2 =5.399 3 16KJ進行電路仿真后電路圖如圖Rfl iQkOR7 10kDR21WOO R385%RS1。寓wv-R19C6HF33nFR27-Wr 16kQR2&MA-iDhDfTobelC7WV ICfcflR23-VA- 1仇口ViUL V V(p-p)i 4B1 mV V(rms): 5.00 V V(de)s 呈M V I: HJ9 mAl(p-p)s 前后 UA i(rw)i B.34 mA I(dc)； &箝 mA FhMJ： 1D.1 kHtR3Q?？?,5nF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

15、弦波產(chǎn)生電路） ，藍色的 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1V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1V的鋸齒波，下部分是一次正弦波，頻率與鋸齒波保持一致，但是峰峰值沒有達到實驗要求的1V ,有所衰減。于是對電路的參數(shù)重新選擇。A =2R1 =1.126 3 ： 3.3K jR2 =2.250 3 ： 6.8KR3 =6.752 3,20KR4 V6.752 3 ： 20KJCi =0.33C =0.33 3.3nF =1nF修改后的仿真電路圖如下R2810kQ10C6北3.3nF二1nFLM324AI10gF

16、R27R32 -w.20kn R29圖11改進后的二階壓控電壓源低通濾波電路再次進行波形的仿真，結(jié)果如下圖:圖12改進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了1V ,對電路進行理論分析，發(fā)現(xiàn)因V; 4.52V VM：9S6mV V(rmE): 5-01V V(dc)： S.OOV I： -2,9uA I(p-p): 46s3uA Ifrms)： 22.4 nAI(dc): 35.9 nA電 4.53 V V(jD-p): 965 mV V(rrre5): 5.01V '；(dc)： 5.00 VI: 7,55mA I(p-p): 1.61 mA lfrms)； 8

17、.35 mA I(dc):S.33nnAFreq0.99 kHz Freq.3 8.99Jd-tz3- i 的.-1，為使用的單電源，偏置電阻 10K夏影響了原本與地直接只有 10KC的R3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Av =1+-R4進行電阻的調(diào)整。取R3 =100KC得到的滿足條件的峰峰值為 1V的一次正弦波。上面的波形是從鋸齒波 3發(fā)生電路輸出的鋸齒波， 下面的是經(jīng)過低通濾波器之后產(chǎn)生的一次正弦波波形，兩個波形的峰峰值單位都是 5V/Div ,可知波形在8KHz 10KHz的仿真結(jié)果都滿足實驗要 求。該部分的仿真設(shè)計就完成了。L ：i:下k，/隨V: 5.

18、34 VV: 5. M VVj952 mVV(p七):LOtV5,Q1 vv(nns)! S.otv5,00 Vvtdc)： 4.99 VF 35.BuA - I： 9.17mA75.3uAI(p-p)： fflAl(rrns)- 13.9 uAI。：乩1 (dcj: 37.0 nAI(dr):亂史 <n4FfttJ.; S.OikHZ 斤弭：日,O3kHE圖13最終的8KHz一次正弦波仿真波形躬9 mV5.01VVdcj： 5.00VT: 19.8liAl(p-p):uAIM： 36.7u4 &：軸金nAFreq.: 10.1 kHzV： 4.95 V圖14最終的9KHz 一次

19、正弦波仿真波形V: 5.20 V V(p-p): 539 mV V(jTTSj： 5.01V Vtck)： 5.00 V I; 8l66 -nAl(p-pj 1.&5 3Ifrms)： B.JSmAI(dt): 8.33 mAFreq.: 10,1 khz 訃一圖14最終的10KHz 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)計思路是通過一個通帶為24KH z 30KH z的帶通濾波器。設(shè)計該濾波器是采用的無限增益多路反饋( MFB)電路。該電路的電路圖 如下所示。圖15無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R1R22R1R2 RCBWfoBW（BW

20、 ：二：二 Wo時）Av =R32R為了使通帶更加平坦，應(yīng)該盡量使Q值大，查二階無限增益多路反饋帶通濾波器設(shè)計用表表2無限增益多路反饋電路參數(shù)選擇表歸一化電路元件值（KC ）Q電 路 元 件增益12468105R1R2R37.9580.16215.9153.9790.16615.9151.9890.17315.9151.3260.18115.9150.9950.18915.9150.7960.19915.91510R1R2R315.9150.08031.8317.9580.08031.8313.0790.08131.8312.6350.08231.8311.9890.08331.8311.59

21、20.08431.831參數(shù)選擇如下：A =8Q =10R1 = 1.989K 1R2 = 83 1R3 =31.831K11圖16無限增益多路反饋電路（帶通濾波器）對電路進行波形仿真時發(fā)現(xiàn)，當接入一個波形發(fā)生器進行測試的時候， 輸出的波形不會隨著輸入信號的頻率變化而變化，始終為17KHz左右，于是想到?jīng)]有接輸入信號，直接查看輸入端和輸出端的波形，結(jié)果如下:*善 ：的M二誓Ei 1M1：錦上 雌:用5事 Fmq.: L7.EIH:圖17無限增益多路反饋電路的自激振蕩仿真波形此*.口學(xué)(HjMl的 2 前. 臂E： 5.1>¥ MKi iWM I： 右昌法3.33SAH7dg 附

22、 g在使* r-K|.: ITJ iitr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，兩個探針 A/B分別放在輸入和輸出端。這里沒有輸入的信號，輸出卻穩(wěn) 定在將近18KHz ,可知電路產(chǎn)生了自激震蕩。對電路進行改進，重新選取參數(shù)Q =5A =10R1 =0.796KR2 =200，R3 =16K'1R1R22 R R2 R3wo33.6nF8 103 200T'8M103 M200M16M103M(2兀父27父103 2對電路的波形進行仿真，發(fā)現(xiàn)峰峰值比較小，與實驗要求差距較大，由2 R R2R3, 一 W2 =/1一2-y, Av,可知，縮小 R

23、的值會使放大倍數(shù) Av增大，而且R1 R2 R3c2 R對通帶的中心頻率 w0影響也較小。電容值取實驗室有的電容C=3.3nF。改進后圖18改進后的無限增益多路反饋電路對電路進行仿真，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驗要求的，但是峰峰值沒有達到要求的9V。兩個波形的峰峰值單位分別是1V / Div和5V / Divb V; 5.12V1i(p-p): 1.08 V¥rms): 5.01VI 4.99 Vj I： -LS9fflAL 3,22 mAI- LrmsJ: 1.16 mAhB.91uAFreq,: 0.02kHzV； 3.56 V

24、V(P1>) :6.56 V '.'(rms): 5.«V ¥tk: 4,97V T: 1.97mA 3(p-p:工節(jié)mA1.27 mALtk)： -3.18 uA Freq.： 24r0kHz圖19 24 KHz三次正弦波仿真波形h V:4,50V LC8 VVfrms); 5.03 V Vdt： 5.00 V1: 371 uAI(p-p): L98mA 'I(rms)； 1-20 mA1(10： 67.5 nA Freq.: 0.68kH；V: 7,S7V n8fm 6.35V Vfrms):141V ；(dc) 5.00 V 1： -S68UAKrins)： 1 屆 mA I de): 1.84 uA Frtq.L ZAO kHl圖20 27KH z三次正弦波仿真波形V： 5.50 VV(p-p)： 1.08 v V(rms): 5.0