方波的产生及波形变换

常熟理工学院电气与自动化工程学院
课程设计说明书
课程名称：电子技术课程设计
设计题目：方波的产生及波形变换
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
设计时间：2014年1月12日
电气与自动化工程学院课程设计评分表
课程设计题目：方波的产生及波形变换
班级：学号：姓名：
指导老师：
2014 年 1 月日
目录
课程设计任务书。

4 第一章信号发生器的总体设计。

.。

5 1.1设计思路。

5 第二章波形电路。

6 2.1方波发生电路的工作原理。

6 2.2三角波波发生电路的工作原理，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，8 2.3正弦波波发生电路的工作原理，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，8 2.4波形产生总体结构图，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，9 第三章仿真.。

11 3.1仿真图，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，11 3.2仿真结果分析，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，12 第四章收获和体会。

15 第五章参考文献.。

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电子技术课程设计任务书
课题名称方波产生和波形变换电路
一、设计目的
1.了解集成运放电路的组成和使用；
2.了解集成运放几种典型应用电路的工作原理；
3.掌握利用运算放大器设计方波产生电路、波形变换电路和调试的方法。

二、设计内容与要求
1.利用多个运算放大器设计一个方波产生和波形变换电路；
2.对产生的方波信号的幅度和频率不做统一规定，请自行设计，产生的方波信号经积分电路得到三角波，再对三角波进行有源低通滤波，最终得到正弦波；
3.电路工作电源为±12V；
4.画出电路图，写出完整的报告；
5.用面包板搭出电路，并调试之。

三、总体方案参考
四、设计报告内容要求
1.写出你考虑该问题的基本设计思路，画出一个实现电路功能的大致框图。

2.画出框图中的各部分电路，只允许采用运放芯片实现方波产生、波形变换和低通滤波。

对各部分电路的工作原理应作出说明。

3.画出整个设计电路的原理电路图，并简要地说明电路的工作原理。

4.评分依据：①设计思路；②单元电路正确与否；③整体电路是否完整；④电路原理说明是否基本正确；⑤报告是否清晰；⑥答辩过程中回答问题是否基本正确。

五、课程设计说明书的格式
1．评分表
2．封面
3．目录
4．正文
（1）课程设计任务书；
（2）总体设计方案（画出一个实现电路功能的大致框图）；
（3）单元电路（各组成部分电路）设计及其原理说明；
（4）元器件的选择及其相关技术数据、参数的计算；
（5）总体电路原理图及整个电路的工作原理。

5．课程设计中的收获和体会
6．参考文献
第一章信号发生器的总体设计
1.1设计思路
信号发生器一般由一个电路产生方波或者正弦波，通过波形变换得到其他几种波形。

考虑到RC震荡产生正弦波的频率调节不方便且可调频率范围较窄，本设计采用先产生方波，后变换得到其他几种波形的设计思路。

采用555组成的多谐振荡器可以在接通电源后自行产生矩形波，再通过积分电路将矩形波转变为三角波，再经积分网络转变为正弦波。

其结构框图如下图1-1所示
图1-1波形变换结构框图
而要实现这一功能，需要Multisim软件来协助绘图，Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，通过Multisim和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程，本次设计使用Multisim进行仿真观看波形。

第二章波形电路
2.1方波发生电路的工作原理
555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。

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态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。

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态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

555定时器产品有TTL型和CMOS型两类。

TTL型产品型号的最后三位都是555，CMOS型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。

它由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。

其结构图如图2-1所示
图2-1 555定时器结构图
分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。

如5端悬空（也可对地接上0.01uF左右的滤波电容），则比较器C1的参考电压为32 Vcc，加在同相端，C2的参考电压为3Vcc，加在反相端。

u11是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；u12是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端。

RD 是直接复位输入端。

当￣RD 为低电平时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。

u11和u12分别为6端和2端的输入电压。

当u11>32 Vcc，u12>3Vcc时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。

当u11<32 Vcc，u12<3Vcc时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。

当u11<2/3Ucc，u12>1/3Ucc 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。

接通电源后，电容C2被充电，当V c 上升到32 Vcc时，使V0为低电平放电三极管T导通，此时电容C2通过R3.R7.T放电，V c下降。

当V c下降到3Vcc时，V0翻转为高电平。

放电结束时，T截止，Vcc通过R2→R3→RP→C2向电容C2充电，当V c从3Vcc上升到32 Vcc时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，在输出端得到一个周期性的矩形波。

其多谐振荡电路如图2-2所示
图2-2555定时器组成的多谐振荡器
电容C2放电所需的时间为：Tpl=(R3+RP ’)C2㏑2
电容C2充电所需的时间为：Tph=(R3+R2+RP ’)C2㏑2
占空比= Tpl +Tph Tph
振荡
频率f= （Tpl +Tph ）1
波形图大致如图2-3所示
图
图2-3多谐振荡器波形
2.2积分发生电路的工作原理
积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控
制中的积分补偿等场合。

电路的时间常数R*C ，构成积分电路的条件
是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。

结构
图如图2-4所示
图2-4积分电路结构图
Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk，充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫Uidt
这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫Uidt），RC电路的积分条件：RC≥Tk
当输入信号为方波时，积分电路的输出为三角波。

2.3有源低通滤波器
所谓的低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路，RC低通滤波器电路的组成如图2-5所示。

图2-5有源低通滤波
三角波可以分解成由无数不同频率的正弦波组成的复合波。

当输入信号为三角波时，用低通滤波器将其高频成分滤掉后，波形将不再有尖顶部分，波形变得圆滑，从而变成类正弦波。

图中的相位移动是由于RC网络成感性引起的。

电压放大倍数
令，则
R C低通电路的频响特性
的模和幅角为
RC低通电路的幅频特性
RC低通电路的相频特性2.4波形产生总体结构图
波形通过示波器显示，波形产生结构图如图2-6所示
图2-6波形产生结构图
第三章仿真
3.1波形图
3-1-1将周期调整为10ms，幅值为10V，方波的产生仿真图如图3-1所示
图3-1方波的仿真图
3-1-2经积分电路变换的三角波，周期为20ms,幅值为10V，其仿真图如图3-2所示
图3-2三角波的仿真图
3-1-3经有源低通滤波电路的正弦波调节周期为5ms，幅值为5V，仿真图如图3-3所示
图3-3正弦波的仿真图
3.2仿真结果分析
测量的结果如下：
计算的结果如下：
误差分析
1.测量时直流电源引起的误差
在MULTISIM仿真过程中，直流电源VCC接的是5V，而实际中的电源并不是准确的+5v。

2.元器件误差
在选择元器件时，没有适宜的阻值元器件电位器，用近似阻值的的电位器代替，从理论上讲，这样的调整会加大频率的可调范围。

在MULTISIM上仿真时，各种元器件的值都是按标准值计算的，而在实际的测量中，各种元器件的值都与标准值有出入。

3.焊接时导线引起的误差
在电路焊接的过程中，焊点、导线等也存在着不可避免的误差
4.测量是各种仪器仪表引起的误差
5.人为误差
缺陷：在实验测量波形图发现测得的正弦波很不明显，波形频率的可调范围小，误差较大。

正弦波不明显的可能原因：因为此电路中的正弦波是从三角波经低通滤波器而来，由傅里叶变换将三角波转变为直流及正弦波各次谐波的形式经过R5.C6组成的低通滤波器输出来，可能含有多次谐波，使所得的正弦波失真，所以要改善正弦波，可以考虑改电容的大小使其他谐波的影响降低。

波形频率的可调范围小的原因:在本实验的电路图中电位器RP的
1
最大值是20K，而R2有62K所以波形的频率为f= f=（Tpl +Tph ）
≈C21.43
由该式子可知RP 对整个电路的频率影响不大，所以要想扩大频率范围可以尝试加大RP 的阻值。

误差较大的原因：根据上述实验误差分析最后输出的波形应是每阶段误差的叠加，要减少误差，应该采用比较精确的仪器，而且本实验的设计也存在不妥之处，用三角波积分转变为正弦波在理想状态下也是一个近似值，而在实验过程中存在很多的干扰及试验中的累积性误差，是得到的波形存在较大的失真。

还有很多影响的因素在实验之前没有考虑到。

第四章收获和体会
经过这些天的课程设计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。

这次课程设计我了解到自己原来知识还比较欠缺。

要学习的东西还很多，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，吸取了很多精华，陶冶了自己的情操。

虽然设计过程中遇到了很多的问题，比如设计的电路图不出波形，或者波形不规则，没有适合的阻值等等，但是在身边的同学帮助下都一一解决了，当自己明白了之后有一种很自豪的感觉和无比的喜悦。

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。

此次设计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的喜悦。

‘
第五章参考文献
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课程设计答辩记录
电气与自动化工程学院自动化专业 ZB0213247 班级答辩人虞颖课程设计题目方波的产生及波形变换。