1 明达职业技术学院 实训(实践)报告 20102011 学年 第二学期 信息工程系 电子信息工程技术 专业 班级 09 电信（一）班学号 43093122课题名称 波形发生器的设计与制作 学生姓名 苏 欣 指导教师 王 青 2011-6-242 波形发生器的设计与制作 【摘要】 本课题采用模拟电子技术，由 555 定时器和分立元件构成振荡电路和整形电路， 产生三种波形。 波形发生器是用来 产 生一种或多种特定波形的装置，这 些波形通常有正弦波、方波、三角波、 锯齿波，等等。以前，人 们常用 模拟电 路来产生 这种波形，其缺点是电路结构复杂 ，所 产生的波 形种类有限。随着 单片机技术的发展，采用 单片机电路产生各种 波形的 方法已变的越来越普遍。 虽然，可能 产生的波形会呈微小 的阶梯状， 但是， 只要设计得当， 这一问题可以得到一定的 解决。本设计使用的是 555_virtual 构成的发生器,可产生三角波、方波、正弦波等多种特殊波形和任意波形， 波形的频率 可用程序控制改变 本设计制作的波形发生器，可以 输出多种标准波形，如方波、正弦波、三角波、锯齿波等 【关键词】 多谐振荡器 555 定时器 比较器 电阻 电容 引言波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。 如设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。传统的信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生 各种波形。它在电子信息、通信、工业等领域曾发挥了很大的作用。但是采用这种技术 的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、 方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。随着微处理器性能的提 高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。它扩展了波形发生 器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制 D/A，就可以得到各种简单波形。但由于微处理器的速度限制，这种方式的波形发生器分 辨率较低，频率切换速度较慢。从2007年2月到2007年4月，在系统研究国内外波形发生器的基础上提出了基于 Matlab和FPGA技术的波形发生器，在FPGA内开辟高速存储器ROM做查询表，通过 Matlab获得波形数据存入ROM中，波形数据不断地，有序地从ROM中送到高速D/A转换 器对存储器的波形数据进行转换。因此只要改变FPGA中查找表数据就可以产生任意波形， 因此该研究方法可以产生任意波形。随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和 进步，同时这也对相应的测试仪器和测试手段提出了更高的要求，而波形发生器已成为 测试仪器中至关重要的一类，因此在国内发展波形发生器具有重大意义和实际价值。例 如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电 视信号以及神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器捕获的波形等。当然在电子电路及电子设备中一般都需要一组或几组搞完了定性的直流电源供电，3 直流电源的作用之一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，其次是作为整个电子电 路的能源。干电池、畜电池把化学能转化为电能，应该说是一种高质量的电源，但他们 的成本高，使用不方便。所以这里主要用传统的方法把电网电压的单向交流电（200V ,50 HZ） ，通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换为 12V直流电源，实现 直流电源的性能指标及对多波形信号发生器电路的驱动。 一、 总体方案的设计与选择 1.1、方案（一）的基本基本构想和原理： 1、电路基本构想与组成： 在电路中，运放A1组成是比较器，A2是起反向积分的作用的按反相积分器，同时A1与 A2共同组成了正反馈回路，形成自激振荡。由A1输出正负对称的方波，输出电压经过R9 与R10的分压后输入A2的反相端，经A2进行计分运算后，输出三角波；输出的三角波，再 经过R7、C2和R8、C3两次积分后输出正弦波。在电路中的不同的点取输出由此组成了可 以同时产生正弦波、方波和三角波的电路。在次电路中使用LM324集成运放、电阻、电容 以及稳压管来构成基本的电路。基本思路框图-(1)如下：图-（1） 整体电路草图如图-（2）所示 图-（2） A1 反相 比较器 A2 反相 积分器 R7、C2和 R8、C3滤波电 路 方波 三角波 正弦波4 1.2、方案（二）的基本构想与电路原理： 1.电路基本原理（设计思路）用555组成多谐振荡器产生方波信号，以方波作为输入信号进入积分电路输出生成三 角波，再由三角波作为下一个积分电路的输入信号，积分电路输出生成正弦波。其原理框图如下：方波 三角波 二、方案的选择及原理说明：经过 对比发现，方案一比方案二简单，所用元器件较少，因此选择方案一进行实验。 1、555定时器原理 1） 、555定时器内部结构 555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特 触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。国产双极型定时器CB555的电路结构图如图（8） 。 它由比较器C1和C2、SR所存器和集电极开路的放电三极管Td三部分组成。CB555的电 路结构图(8)如下： 图(7) 它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5 的等值电阻串联而成。vI1是比较器C1的输入端，vI2是比较器C2输入端。C1和C2 K 的参考VR1和VR2由VCC经三个5k的电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时， 555多谐 振荡方波 产生电路 积分电路 积分电 路 正弦波5 VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发 信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触 发器 端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电 _ D R 压比较后，其结果作为基本RS触发器 端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态 _ D S 受比较器 、 的输出端控制。如果VCO外接固定电压，则 1 A 2 A VR1=VCO，VR2=1/2VCO。RD是置零端。只要在RD端加上低电平，输出端VCO边立即被 置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正+ 输 入 输 出 RD vI1 vI2 vO TD 0 X X 低 导通 1 2/3VCC 1/3 VCC 低 导通 1 2/3 VCC 1/3 VCC 不变 不变 1 2/3 VCC 1/3 VCC 高 截止 1 2/3VCC 1/3 VCC 高 截止 表-（1） 555定时器的管脚图-（8）： A A 图-（8） 1地 GND 5控制电压 2触发 6门限(阈值） 3输出 7放电 4复位 8电源电压 Vcc 2） 、多谐振荡器工作原理 由555定时器组成的多谐振荡器如图(9)所示，其中R 1 、R 2 和电容C为外接元件。 其工作波如图(10)所示。6 设电容的初始电压 0，t0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触 c U 发端 01/3 ，比较器 1 输出为高电平， 输出为低电平，即 ， TH V TL V _ 1 D R （1表示高电位，0表示低电位） ， 触发器置 1，定时器输出 此时 ， _ 0 D S R S 0 1 u _ 0 Q 定时器内部放电三极管截止，电源 经 ， 向电容C充电， 逐渐升高。当 上升到 cc V 1 R 2 R c u c u 1/3Vcc时， 输出由0翻转为1，这时 ， 触发顺保持状态不变。所以 2 A _ _ 1 D D R S R S 0t 期间，定时器输出 为高电平1。 1 t 0 u 时刻， 上升到2/3Vcc，比较器 的输出由1变为0，这时 ， ， 1 t t c u 1 A _ 0 D R _ 1 D S 触发器复0，定时器输出 。 R S 0 0 u 期间， ，放电三极管导通，电容C通过 放电。 按指数规律下降， 1 2 t t t _ 1 Q 2 R c u 当 2/3Vcc时比较器 输出由0变为1，R-S触发器的 ，Q的状态不变， 的 c u 1 A _ D R _ 1 D S 0 u 状态仍为低电平。 时刻， 下降到1/3 ，比较器 输出由1变为0，R-S触发器的 1， 2 t t c u cc V 2 A _ D R 0，触发器处于1，定时器输出 。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。 _ D S 0 1 u 通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出 ，电容放电时， 0，电容不 0 1 u 0 u 断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入， 却能输出矩形波。其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。 3） 、振荡周期 由图（D）可知，振荡周期 。 为电容充电时间， 电容放电时间如下： 1 2 T T T 1 T 2 T 充电时间 : 1 1 2 1 2 ( ) ln 2 0.7( ) T R R C R R C 放电时间 : 2 2 2 ln 2 0.7 T R C R C 矩形波的振荡周期: 1 2 1 2 1 2 ln 2( 2 ) 0.7( 2 ) T T T R R C R R C 因此改变 、 和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。 1 R 2 R 对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽 ） w t /（周期 T） ， 指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占 w t 空比 。 1 1 1 2 1 2 1 2 2 T T R R q T T T R R 方案二的整体电路图如下：7 元器件清单 图-（11） 555集成块 电阻 10k 电阻 10k 电阻 10k 电阻 62k 电阻 1k 电阻 510 发光二极管 BT-120 电解电容 100uF 电解电容 10uF 电容 0.47uF 电容 0.1uF 电容 0.1uF 电容 0.01uF 电容 0.01uF 电位器 20k 三 心得体会 历经两个星期的电子课程设计结束了，这两个星期中，在老师和的同学们的帮助 下，在组员的合作下我们组顺利的完成了这次课程设计任务。通过对多种波形发 生器的设计，我把理论联系到实际，把这个学期所学的模拟电路的知识和数字电路的8 知识真正在实践中联系起来。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的 理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识， 明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是 为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个 设计过程中，我感觉调试部分是最难的，因为理论计算的值在实际当中并不一定是最 佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一 个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，因此我在这方面也花 了很多的时间进行经验的积累。通过本次课程设计，我在提高自己的动手能力的同时 也将所学过的只是进行了应用，加深了自己对模拟电子技术的认识，提高了自己装接 电子元器件的水平。同时在制作的过程中我还遇到了很多的问题，而这次正好给了我 锻炼