1、開放實驗課程作業題 目： 多波形產生電路 姓 名： 專業班級： 學 號： 院 （系）： 指導教師： 完成時間： 2015年12月 4日 2015 年 12月 4 日多波形產生電路摘 要運算放大器是模擬電路中的特殊的放大器，只要適當選取外部元件，就能構成各種運算電路，如放大、加法、減法、微分和積分等，并因此而得名。方波集成運放應用范圍十分廣泛，有基本放大電路、比較器電路、簡單濾波器電路等。正弦波、三角波、矩形波等波形產生電路也可由此產生。通過對波形發生器的原理以及構成分析，可設計一個能變換出三角波、正弦波、鋸齒波、方波的函數波形發生器。本次設計采用555定時器產生10kHZ-50kHZ方波經分壓

2、產生1v方波I。再經過74LS74雙D觸發器連接成四分頻電路，產生5kHZ-10kHZ的方波II。方波2經積分電路產生三角波。正弦波I我們采用三節低通濾波經過運放可得。方波2由基波經帶通濾波，選頻出250kHZ的正弦波，再經低通濾波與比例放大電路產生出8v的波形得到正弦波II。關鍵詞 運算放大器/積分電路/低通濾波器/帶通濾波/比例放大目 錄中文摘要1 設計方案選擇1設計方案12 多波形產生電路設計22.1設計原理22.2 整體流程框圖33 單元電路設計43.1 555多諧振蕩器43.2 74LS74分頻電路53.3 積分電路63.4 低通濾波器83.5 帶通濾波器94 元件參數選擇104.1

3、 555多諧振蕩器104.2 74ls74分頻器104.3 積分電路104.4 低通濾波器114.5 通濾波器帶11個人體會12致謝13(附錄）151 設計方案選擇1 設計方案555時基電路選取方案：時基電路的選取因為此次要產生一個基波，作為后級的信號處理的輸入端，則需要產生一個占空比固定，頻率可調的方波，本著以最簡單的電路來完成要求，我們采用模擬電子技術書上介紹的555和外圍電路構成多諧振蕩器3，產生20kHz-50kHz的波形并經電阻分壓產生1v的方波I作為基波。利用此方波作為基本信號。分頻電路選取：74LS74這個集成塊是一個雙D觸發器，其功能比較的多，可用作寄存器，移位寄存器，振蕩器，

4、單穩態，分頻計數器等功能。除此之外，數字電路總的集成塊的用途都是相當的多，可以根據情況靈活的運用。所以我們采用74ls74雙D觸發器進行四分頻10，然后電阻分壓得到5kHz-10kHz連續可調電壓幅度為1V的方波II；三角波產生電路選取：將方波II通過由LM324四通道運放構成的積分電路，得到5kHz-10kHz連續可調電壓幅度峰峰值為3V的三角波；正弦波I產生電路選?。悍讲ㄊ怯珊芏嗖ㄐ委B加組成的，所以我們采用濾波的方法來得到我們所需要的波形。但濾波電路有好多種如：無源和有源低通濾波，高通濾波，帶通濾波電路，帶阻濾波電路，我們采用了最簡潔的方法即將方波I通過由LM324四通的道運放中的其中之一

5、通道構成的三階無源低通濾波器，得到20kHz-50kHz連續可調電壓幅度峰峰值為3V的正弦波I；250kHz正弦波產生方案：因為要產生固定的250kHz頻率所以我們決定采用帶通濾波器。將基本信號固定頻率，然后通過由LM324四通道的運放構成的帶通濾波器，得到250kHz左右的正弦波，再通過由LM324四通道運放構成的低通濾波與比例放大電路，得到250k峰-峰值8V的正弦波II。2 多波形產生電路設計2.1設計原理用555定時器組成多諧振蕩器形成方波信號將其分壓成幅值1v的，并將此方波作為基波成為濾波電路的輸入信號，通過濾波電路產生并輸出正弦波，由電位器來改變輸出波形的頻率而；另一條路徑的方波信

6、號輸入數字電路74LS74，產生頻率持續可調的方波。經由LM324放大器組成的積分電路得到三角波1-3。555多諧振蕩器：電源接通時，555的3腳輸出高電平，同時電源通過R1，Rp1向電容c充電，當c上的電壓到達555集成電路6腳的閥值電壓（2/3電源電壓）時，555的7腳把電容里的電放掉，3腳由高電平變成低電平。當電容的電壓降到1/3電源電壓時，3腳又變為高電平，同時電源再次經R1,R2向電容充電。這樣周而復始，形成振蕩3。74ls74四分頻：74LS74是個雙D觸發器，把其中的一個D觸發器的Q非輸出端接到D輸入端，時鐘信號輸入端CLOCK接時鐘輸入信號，這樣每來一次CLOCK脈沖，D觸發器

7、的狀態就會翻轉一次，每兩次CLOCK脈沖就會使D觸發器輸出一個完整的方波，這就實現了二分頻。把同一片74LS74上的兩路D觸發器串聯起來，其中一個D觸發器的輸出作為另一個D觸發器的時鐘信號，這就實現了四分頻。LM324:四通道運算放大器，與一定數目的電阻電容可以構成積分電路、低通濾波器、帶通濾波器，比例放大，從而實現信號的運算處理7-9。圖2-1 LM324結構圖2.2 整體流程框圖圖2-2 多波形產生器設計框圖如圖2-1展示了此多波形產生電路的基本工作流程，經過仿真驗證證明此電路的可行性。3 單元電路設計3.1 555多諧振蕩器由555定時器和外接元件R1、Rp1和C構成的多諧振蕩器，2腳與

8、6腳直接相連，電路沒有穩態，只有兩個暫穩態，電路也不需要外加觸發信號，利用電源通過R1、Rp1向電容C充電，使電路產生震蕩，電容在1/3VCC和2/3VCC之間充電和放電，利用Multisim仿真波形如圖3-2所示。 圖3-1 555多諧振蕩器圖3-2 仿真波形圖3-3 實物波形調節電位器Rp1的阻值就可以調整所產生方波的頻率。外部元件的穩定性決定了多諧振蕩器的穩定性，該電路用少量的元件就可以獲得高精度震蕩頻率和較強的功率輸出能力，輸出的方波經過電阻分壓就得到了穩定的20kHz-50kHz連續可調的方波I。所以該電路符合設計要求。3.2 74LS74分頻電路一個74LS74 集成芯片有兩個D觸

9、發器，一個D觸發器可以組成一個二分頻電路，把其中的一個D觸發器的Q非輸出端接到D輸入端，時鐘信號輸入端CLOCK接時鐘輸入信號，這樣每來一次CLOCK脈沖，D觸發器的狀態就會翻轉一次，每兩次CLOCK脈沖就會使D觸發器輸出一個完整的正方波，這就實現了信號二分頻。二分頻電路輸入信號過零上升沿每到來一次二分頻器狀態翻轉一次便可得到二分頻，把兩個D觸發器串聯起來，就是四分頻電路。于是基本方波信號就被分頻成了5kHz-10 kHz的方波，然后經過分壓電路，就得到5kHz-10 kHz的方波幅值為1V的方波II。74LS74四分頻電路原理如圖3-4所示：圖3-4 74LS74四分頻觸發器實物效果如圖3-

10、5所示：圖3-5 實物波形圖3-6 四分頻電路仿真3.3 積分電路積分電路主要用于波形變換、放大電路失調電壓的消除及反饋控制中的積分補償等場合。簡化積分電路圖見圖3-5所示。由圖可以看出，輸入信號經過了一個電阻后經過反饋流到電容上，但此時認為電容的初始電量為零，故此時給電容充電。由理想運算放大器的虛短、虛斷性質得： （3-1）所以 （3-2）積分電路可將矩形脈沖波轉換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉換為拋物波。這里設置的參考電壓為2.5V，由于只有10V單電源供電，選用5V穩壓管，將電壓穩到5V，然后進行分壓，從而得到2.5V參考電壓，其電路如圖3-7所示。積分電路是使輸出信號與輸入信號的時間

11、積分值成比例的電路，積分電路可將矩形脈沖波轉換為三角波，積分電路原理圖如圖3-8所示。 圖3-7 參考電壓圖3-8 簡化積分電路圖電路將5kHz-10kHz連續可調的方波進行積分，得到5kHz-10kHz峰峰值3V的三角波，積分電路原理如圖3-9所示；其仿真波形如圖3-10所示。圖3-9 利用DXP繪制的積分電路原理圖圖3-10 仿真波形其仿實物波形如圖3-11所示。圖3-11 實物波形3.4 低通濾波器低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。低通濾波器由兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點。

12、低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。低通濾波器的作用是抑制高頻信號，通過低頻信號。簡單理解，可認為是通低頻、阻高頻。低通濾波器包括有源低通濾波器和無源低通濾波器，無源低通濾波器通常由電阻、電容組成，也有采用電阻、電感和電容組成的。有源低通濾波器一般由電阻、電容及運算放大器構成，這里所用的是有緣低通濾波器。低通濾波器電路圖如圖3-12。圖3-12 低通濾波器任何周期信號，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。而貫穿時域與頻域的方法之一是傅里葉分解。此處20kHz-30kHz的方波信號就可以用低通濾波器將其中的正弦波分離出來然后得到電壓峰峰值

13、為3V、連續可調的20kHz-30kHz正弦波信號I。仿真信號如圖3-13。圖3-13 低通濾波仿真波形實物波形如圖3-14：圖3-14 實物波形3.5 帶通濾波器帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對。任何一個周期信號都可以展開成傅里葉級數，也就是若干次正弦波之和，根據這一原理，可以用帶通濾波器，將頻帶設置在250kHz左右就可以。本電路將通頻帶設置在250kHz+20Hz之間，得到諧波分量，然后再用低通濾波器將高于250kHz的諧波分量濾除，即得到250kHz的正弦波分量。此處帶通濾波器和低通濾波器共同工作對50k

14、Hz的方波進行選擇分離，得到固定頻率250kHz峰-峰值8V的正弦波。電路如圖3-11所示。該電路圖所對應的仿真波形如圖3-12所示。圖3-11 正弦波選頻電路圖3-12 正弦波選頻電路仿真波形4 元件參數選擇4.1 555多諧振蕩器555電路要求R1、R2均應大于或等于，但R1+R2應小于。其輸出信號的時間參數是： （4-1）所以調節R2的阻值，就可以調節所產生方波的頻率，然后調節輸出端的滑動變阻器就可以調節所產生方波的幅值。4.2 74ls74分頻器分頻就是用同一個時鐘信號通過一定的電路結構轉變成不同頻率的時鐘信號。四分頻就是通過有分頻作用的電路結構，在時鐘每觸發4個周期時，電路輸出1個周

15、期信號。用一個脈沖時鐘觸發一個計數器，計數器每計4個數就清零一次并輸出1個脈沖，那么這個電路就實現了四分頻功能【6】。cp接時鐘，(接地)，就是Q端接高電平，D端接Q非，值位復位端都接地。這就組成了一個二分頻D觸發器，兩個D觸發器串聯，就構成了四分頻器。4.3 積分電路若要進行積分電路信號的積分運算，可選用基本積分電路。首先確定時間常數:的大小決定了積分速度的快慢。其次選擇電路元件：當時間常數=RC確定后，就可以選擇R和C的值，積分電路的輸入電阻Ri=R，因此往往希望R的值大一些。最后確定RP、Rf：RP為靜態平衡電阻，用來補償偏置電流所產生的失調;在積分電容的兩端并聯一個電阻Rf，防止積分漂

16、移所造成的飽和或截止現象。于是得到計算公式： （4-2）4.4 低通濾波器低通濾波器是有兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點就是輸入阻抗高，輸出阻抗低。低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的濾波裝置。20kHz-30kHz的方波經過低通濾波器后可以將20kHz-30kHz正弦波過濾出來。低通濾波器的通帶電壓增益： （4-3）4.5 帶通濾波器帶通濾波器的帶寬為上限截止頻率與下限截止頻率之差。為低邊截止角頻率，為高邊截止角頻率，為中心角頻率。帶通濾波器有兩個阻帶:和，因此帶寬。品質因數 ：3dB帶寬B=1/（*R3*C）也可根據設計確定的Q、fo、Ao

17、值，求出帶通濾波器的各元件參數值。 （4-4）上式中， C取0.01uf。帶通濾波器亦可用于一般的選頻放大。5 個人體會時間過得真快，轉眼間開放創新實驗室電子設計就要結束了。在這里我學到了很多，通過這次設計，我真切的明白了一個道理：理論與現實總是有那么一點差距！ 對于我個人的理論學習來說，我在運用的時候發現在這方面欠缺很多。有時候的一個小小的知識點就能打斷自己的整個思路，經過別人的提醒之后才發現自己犯的錯誤是那么愚蠢。同時也讓我明白，做任何事都不能閉門造車，要學會與人交流，在思想的碰撞中發現新的問題，學到新的學習方法與思維方式。團隊的分工很重要，只有明確了分工才能使一個團隊有條不紊的

18、合作下去，不會使一些人閑著，而另一些人忙不可開交。實物測試時由于電壓有毛刺對波形穩定產生影響，為了使波形測試時穩定，采用了直流電壓源供電使輸出波形較穩定，并且工作在電源提供的電壓范圍之內，否則會出現失真。通過幾天的努力，從查資料到畫仿真電路圖，認認真真的學習每一個知識點，當仿真畫出來之后，心里想著這樣不就成功了嗎?？墒钱斘椅易龀鰧嵨锖蟛胖溃簩嵺`很重要！電路做出來后，按照仿真上的焊接完畢之后，試過后發現按照仿真的值來根本達不到我們想要的結果。最后開始一個電阻一個電容的換。最后終于調出來后發現電路中的電容電阻基本上全部換了個遍。作業設計發端之始，思緒全無，舉步維艱。剛開做是一片茫然，但通過逐漸的

19、了解學習，對于題目的認識不斷明了?；剡^頭來才發現原來課程設計也就是這么回事。我深深的明白做任何事情都不能怕，要自己認真的動手做起來，不能在那光思考不行動。一些問題當你真的在實際中遇到了，你會發現其實并不難解決。對于我自己來說下一步學習要注重理論知識的提高，努力使自己做到最好。團結就是力量。課程設計的過程中我們遇到了很多煩惱。為了調到一個理想的波形，我們花了好長時間都不見好轉。那時的自己煩惱無比，真的就想放棄。但最后還是自己心中的不甘讓自己繼續下去。最后當然得到了自己理想的結果?；仡^觀之，一切的辛苦都是值得地 。 致 謝即將要結束，在這一周的時間里，接觸并學到了很多新的知識。在此期間老師提供技術支持給予了我們很大的幫助，積累了寶貴的經驗。在這次做開放創新實驗室課程作業過程中首先要感謝老師的辛勤