河南理工数电课程设计信号产生与变换电路的设计.doc

《电子技术》课程设计

信号产生与变换电路的设计
电气XXXXXXX
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、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、滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。
整体框图：

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2所示。接通电源后，电容C1被充电，当电容C1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C1通过R2、T放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容器C1放电所需的时间为：

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C1充电，Vc由Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的时间为：

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：

令R1=R2,即可得到占空比为50%的方波。

图3方波波形图

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基波正弦波产生电路图

图7基波正弦波波形图
为了计算简便，设R4=R,R5=2R,则由KCL列出方程，可导出带通滤波电路的传递函数为

式中AVF为同相比例放大电路的电压增益，同样要求AVF<3，电路才能稳定地工作。令

则有

上式为二阶带通滤波电路传递函数的典型表达式，其中w0=1（RC),既是特征角频率，也是带通滤波电路的中心角频率。令s=j 带入式2，则有

表明当=时，电路具有最大电压增益。则由方波频率周期可以计算出所选各元器件的值。

2.4三次正弦波产生电路的设计与计算 

图8三次正弦波产生电路

图9三次正弦波波形图
三次正弦波的产生工作原理与基波正弦波产生相似，只需要个该中心角频率与截止频率即可计算出三次正弦波产生电路各元器件的大小。

3电路仿真结果分析
整体电路图如下：

图10整体电路图
仿真结果分析： 
经过多次调整后，仿真结果与预期基本一致，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
实验结果：
按照仿真电路图插好面包板，在实验室使用示波器测得的实验结果如下：
方波
三角波
基波正弦波
三次正弦波
正常
正常
正常
基本正常

结果分析与体会：电子技术是一门理论与实践密切相关的学科，如果光靠理论，我们就会学的头疼，如果借助实验，效果就不一样了，特别是数字电子技术实验，能让我们自己去验证一下书上的理论，自己去设计，这有利于培养我们的实际设计能力和动手能力。
实物连接的过程中并不顺利，本来在仿真图上完美的结果，放到实物里就出现了很多问题:
1.连线的过程中总是出现各种问题，如方波开始不出现，调试后正常；
2.三次正弦波由于器材的准备不充分，未购买到合适的原件，出现了形似正弦波失的真波形，而且3次谐波变成了2次谐波；
3.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错误值，更有很大偏差；
4.同时在示波器上测试两个的信号是，有时无法正常出现波形，但在示波器上单独测试每一个波形却可以得到正常结果；
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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