数电课程设计(绝对独创)_数电课程设计实验报告

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信号产生与变换思路的设计

摘要：波形发生器是一种非常普遍的信号源，广泛的应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。它是能够自动产生正弦波、方波、三角波等电压波形的电路，其电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。而根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍产生方波、三角波、标准正弦波以及三倍频正弦波形的波形发生器设计方案。

在《模拟电子技术》和《数字电子技术》的学习基础上，针对课程要求，本电路由电阻、电容、运算放大器和经典的555定时器组成，设计时用到的运算放大器为LM324集成运放。本文利用脉冲数字电路原理设计了多种波形发生器，该波形发生器首先通过555数字芯片组成的多谐振荡器产生一个频率为1KHZ的方波，然后方波通过RC积分电路，RC滤波电路和带通滤波电路分别实现三角波、正弦波和正弦三次谐波的输出。关键词：多谐振荡器；积分电路；滤波电路；带通滤波电路

1、设计思路与整体框图

在本信号产生与变换电路中，要求使用555定时器和LM324产生四种波形，分别为方波、三角波、正弦基波和正弦三次谐波。且幅值均不小于500mv。

根据题目要求,本次设计的完成思路是，首先由555定时器组成多谐振荡器产生方波，然后由LM324组成RC积分电路将方波转化为三角波，再用二阶RC滤波电路将方波转化为正弦波，最后，将方波引入另一个LM324组成的二阶有源带通滤波电路，得到三次谐波。

如图为整体设计思路：

方波由555定时器组成的多谐振荡器积分电路滤波电路带通滤波电路放大放大三角波正弦基波正弦三次谐波放大图1-1 系统总体设计框图

2、硬件电路设计

2.1 方波发生电路的设计与计算

图2-1方波产生原理图

2.1.1方波产生电路的参数设计

图2-1所示电路的占空比已经固定不变，本电路可以看成占空比可调时的可变电阻为Rmax，图中，Vcc通过R1、D1向电容C1充电，充电时间为：tpH0.7R1C1，电容器C1通过R2、D2及555中的三极管T放电，放电时间为：tpL0.7R2C1，因而12振荡频率为：ftpH11.43tpL(R1R2)C1,电路输出波形的占空比为q(%)R1100%,R1R2代入电路中的设计参数后可得f1254HZ，占空比为q50%。

2.2 三角波发生电路的设计与计算

图2-2三角波产生原理图

2.2.1三角波产生电路的参数设计

将多谐振荡器输出的方波信号，通过RC积分电路的输入输出特性可知：

11v1vNvoi1dtIdtvovIdt

CCRRC输出将为输入的积分关系，通过RC的值即可调节三角波输出的斜率值。2.3 正弦基波产生电路的设计与计算

图2-3正弦基波产生原理图

2.3.1三角波产生电路的参数设计

根据方波的傅立叶分析可知，其可以分解为与方波频率相同的正弦基波以及幅值不同的各次谐波分量叠加而成。通过二阶有源低通滤波电路，将其正弦基波分量滤出，从而实现正弦基波的输出。由二阶有源滤波电路可知，其同相输入端电压为：Vp(s)的关系为Vp(s)vo(s),而VA(s)和Vp(s)AVFVA(s)，对节点A列写KCL方程可得：

1sRCVA(s)Vp(s)Vi(s)VA(s)[VA(s)Vo(s)]sC0，联立上式求解并令RRc11,Q代入传递函数后可得，电路的传递函数为：RC3AVFA(s)AVF2s2cQs2s2cQAoc2s2，由传递函数可知：只有当AoAVF3时，系统才能稳定工作。

2.4 三次正弦波产生电路的设计与计算

根据从方波中提取正弦基波的傅里叶分析等原理，在三次正弦谐波分量的提取中，考虑到三次正弦波的频率为基波分量角频率c的三倍，基于此我们采用低通滤波和高通滤波组成的带通滤波电路来完成三次正弦波的提取。

由有源带通滤波电路的传递函数同正弦基波电路参数计算，令sj带入其AVFAQ3AVFAo1中，并令0，则有A(j)，式中AVF为同相比例放大

RCo1jQ()1oQ3AVF电路的电压增益，同正弦基波提取相同，AVF3才能使电路稳定的工作当0时，电路具有最大的增益，此时0也即是我们所需提取出的三次正弦波的角频率。进而确定电路中的RC的参数值，完成本二阶带通滤波电路的参数计算。

图2-4 正弦三次谐波产生原理图

3、电路仿真结果

3.1方波仿真图

3.2三角波仿真图

3.3正弦基波仿真图

3.4三次谐波仿真图

4、电路实验结果分析

开始的时候，对软件还没完全熟悉。所以经常会遇到一些仿真失败的问题。不过后来都通过网上找资料以及查阅专业书《模拟电子技术》和《数字电子技术》等方法解决了，从中也学到了不少东西。深刻了解到仿真与实际电路有非常大的差别，虽然仿真成功了，但电路真正做出来的时候就几乎是错的。了解方波的设计比较容易而正弦三次谐波就相对来说难一点。必须在计算的基础上在不断的通过仿真调试才能达到要求的电路参数。经过不断的调试，输出的各波形的参数范围有些许的偏差，是因为在各原电路的参数设计上有一些偏差。三角波和正弦波有点失真是因为积分电路中充放电的时间不够。懂得了理论与实际的差距是很大的。同时这次的课程设计也增强了个人动手解决问题的能力。

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