555定时器产生三种波形发生器.doc

目 录

摘要 2
第一章 方案提出 3
第二章 电路的基本组成及工作原理 4
第一节 系统组成框图 4
第二节 方波的产生 5
第三节 由方波输出为三角波（利用积分器来实现） 7
第四节 由三角波输出正弦波 8
第三章 555定时器的介绍 10
第一节 电路组成 10
第二节 引脚的作用 11
第三节 基本功能 12
第四章 元件清单 14
第五章 总结 15
附录及参考文献 16
第一节 附录 16
一 多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器 16
二 电路原理图 18
第二节 参考文献 19

摘要

各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。波形产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转化成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，又称为振荡器或波形发生器。
在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
波形发生器通过与波形变换电路相结合，它能产生正弦波、矩形波、三角波和阶梯波等各种波形，能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器等。
关键字：方案确定、参数计算、信号、发生器等。

第一章 方案提出

三种波形都是比较简单且常见的波形，产生的方法由很多种，可以先产生方波，然后得到三角波和正弦波，也可以先得到正弦波，然后翻过来再输出另外两种波形;可以用集成芯片，同时也可以用运用各种元器件来实现振荡电路。

（1）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器。
（2）可以选用专门的函数信号发生器，如8038
（3）由555定时器所构成的多谐振动器产生方波, 方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。

比较以上几种方案：

（1）方案比较简单同时也能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。
（2）它们虽然能够甚好的实现波形的产生但是功能较少，太单一。
（3）过程相对来说比较繁琐，但是思路很明亮，同时，555定时器所构成的多谐振动器产生方波是一种和常用的信号产生器，很具有实用价值，同时，也很容易买到，同时选用改进的555多谐振荡形式产生方波可以通过调节可调电阻的阻值来调节产生方波的频率，产生的方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，可以有效地抑制零点漂移因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
因此，就我个人而言，选择第三种方案。用改进过的555多谐振荡形式产生方波，经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。电路图如下图.

第二章 电路的基本组成及工作原理

由原理图可知该店路由三部分组成，555定时器构成多谐振动器、积分器、差分放大电路。
第一节 系统组成框图
图2.1.1总体框图

三角波

方波

正弦波

555定时器
积分网络
差分放大电路

第二节 方波的产生

有555定时器构成多谐振动器产生方波（如下图）

图2.2.1 方波产生电路
当电容c2被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通+12V电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。
电容器C经R2，R23，R21他们此时说分的总阻值设为R1’放电,放电所需的时间为：
tPL=R1’C ln2≈0.7 R1’C；
      当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R22、R21所分得的阻值为R2`向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为
                              tPH=R2`C ln2≈0.7R2`C；
　    当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为
f=1 / (tPL+tPH) ≈1.43 /[ (R1’+R2’) C]
稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图见图2.2.2。

图2.2.2
同时电路的频率可以通过调节电阻R21、R22、R23来改变电路的频率，从而使得电路的频率可以在一定的范围内进行调节。
第三节 由方波输出为三角波（利用积分器来实现）

图2.3.1 波形发生器及图形
如上图是一个由方波转换为三角波的电路图及其输出波形
 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 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 为矩形波时， 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。
第四节 由三角波输出正弦波

图2.4.1 波形转换
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
iC=aI/[1+exp(-Uid/UT)]

I ——差分放大器的恒定电流；
UT ——温度的电压当量，当室温为25oc时， ≈26mV。
如果Uid为三角波，设表达式为
Uid(t)=[4*Um*(t-T/4)]/T (0<=t<=T/2)
Uid(t)=[-4*Um*(t-3*T/4)]/T (T/2<=t<=T)
式中 Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波，
（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。
（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C6,C7为隔直电容，C7为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。
隔直电容C6、C7要取得较大，因为输出频率很低，取 ，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多， 可取得较小， 一般为几十皮法至0.1微法。RE13=100欧与R25=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。

第三章 555定时器的介绍

555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
     目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。

第一节 电路组成

图12.1-1为555集成定时器555定时器的电气原理图和电路符号，其由五个部分组成：
（1）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；
（2）两个电压比较器C1和C2：
v+＞v－，vo=1；
v+＜v－，vo=0。
（3）基本RS触发器；
（4）放电三极管T及缓冲器G

图3.1.1 555定时器的电气原理图和电路符号
(a)原理图 （b）电路符号

第二节 引脚的作用

1引脚：接地端，与地相接；
2引脚：触发输入端；
3引脚: 电压输出端；
4引脚：RD复位端：当 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5引脚: 电压控制端；若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6引脚: 阈值输入端；
7引脚：放电端；
8引脚： 电源输入端。外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

第三节 基本功能
当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为和
（1）当vI1>，vI2>时，比较器 C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。
（2）当vI1<，vI2<时，比较器 C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。
（3）当vI1<，vI2>时，比较器 C1输出高电平，C2也输出高电平，即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
由于阈值输入端(vI1) 为高电平（>）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。
因为触发输入端(vI2)为低电平（<）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL）。
如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～VCC之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。
另外，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平，即RD的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。
表3.3.3 555定时器功能表
阈值输入(vI1) 触发输入(vI2) 复位(RD) 输出(vO) 放电管T
× × 0 0 导通
< < 1 1 截止
> > 1 0 导通
< > 1 不变 不变

第四章 元件清单

符号
类型
数目
R22 R23
可调电阻
2
R1,R2,R3
电阻
3
R4
可调电阻
1
R6,R7
电阻
2
R13
电阻
1
R5
滑动电阻
1
R25
滑动电阻
1
R8，R9
电阻
2
R10,R11
电阻
2
D1，D2
二极管
2
A
运放
1
Q1,Q2,Q3,Q4
三极管
4
C1,C2,C3,C5
电容
4
C4
电容
1
C6,C7,C8
电容
3
NE555
555计时器
1

第五章 总结

经过这些天的课程设计，使我明白课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验和综合，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还很多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都容易懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在这次的设计中虽然遇到了很多的问题，认识了一些以前不了解或者不知道的元件，有些虽然没有用到，但是学习是无限的，虽然第一次做课程设计有很多困难，但是，当自己搞成的 时候有无比的喜悦，一种很自豪的感觉。我感觉设计是对学习知识的运用和个人自己的能力的全面体现，体现了一个人学以致用的能力。只有在真正的运用中才能更好的掌握知识，这样的学习才会有效率，才能长久的记忆。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。同时，通过对多种方案的分析讨论让我们明白在对于不同的环境和要求相应的要作出最合适的选择的合理性和重要性。

附录及参考文献

第一节 附录

一 多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器

在数字电路中,常常需要一种不需外加触发脉冲就能够产生具有一定频率和幅度的矩形波的电路。由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波成分,因此我们称这种电路为多谐振荡器。它常常用作脉冲信号源。多谐振荡器没有稳态,只具有两个暂稳态,在自身因素的作用下,电路就在两个暂稳态之间来回转换。

电路组成及其工作原理：
图6.1.1用555定时器构成的多谐振荡器
如图6.1.1为555定时器构成的多谐振荡器，接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。

振荡频率的估算和占空比可调电路

电容C充电时间：
电容C放电时间：
电路谐撼振频率f的估算：
振荡周期为：
振荡频率为：
占空比D：

二 电路原理图

图6.2.2 原理图
第二节 参考文献
张晓东、吴有仓，电工实用电子制作，国防工业出版社，2005年1月
康华光，电子技术基础，高教出版社，2003年
李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
王景先，电子设计软件应用，清华大学校内出版社，2003年
姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
郑家龙、王小海、章安元，集成电子技术基础教程，高等教育出版社2004年7月

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