课程设计——多种波形产生电路

2
模拟数字混合电子系统设计——多种波形产生电路
摘要
模拟电路中，多种波形产生电路属于信号的运算与处理电路，它主要由信号 产生电路、信号运算电路、信号处理电路构成。555 定时器是一种模拟和数字功 能相结合的中规模集成器件，可通过一定数目的电容、电阻构成多谐振荡器。 74ls74 是一种上升沿双 D 触发器芯片，可以对信号分频处理。LM324 为四通道运 放集成芯片，可以构成信号基本运算电路。本课程设计的基本目标：使用 555 多谐振荡器产生方波作为信号源，由 74ls74 对信号进行四分频处理，由 LM324 四运放芯片对信号分别独立进行积分运算、低通滤波运算，带通滤波运算从而得 到所需波形。通过理论计算分析，最终实现规定的电路要求，并做成实物，经过 反复检测，符合设计要求。
6
模拟数字混合电子系统设计——多种波形产生电路
将通频带设置在 250kHz+20Hz 之间，得到谐波分量，然后再用低通滤波器将高于 250kHz 的谐波分量滤除，即得到 250kHz 的正弦波分量。此处带通滤波器和低通 滤波器共同工作对 50kHz 的方波进行选择分离，得到固定频率 250kHz 峰峰值 8V 的正弦波。电路如图 3-5 所示。
74ls74 四分频：74LS74 是个双 D 触发器，把其中的一个 D 触发器的 Q 非输 出端接到 D 输入端，时钟信号输入端 CLOCK 接时钟输入信号，这样每来一次 CLOCK 脉冲，D 触发器的状态就会翻转一次，每两次 CLOCK 脉冲就会使 D 触发器输出一 个完整的方波，这就实现了二分频。把同一片 74LS74 上的两路 D 触发器串联起 来，其中一个 D 触发器的输出作为另一个 D 触发器的时钟信号，这就实现了四分 频。
3.2 积分电路
图 3-2 仿真波形
积分电路可以用来进行波形变换，由于交流信号需要和偏置电压复合，以偏 置电压为参考点，交流信号分别位于正负半周多种波形产生电路
也为了使电路输出振幅符合题意要求，需要设置参考电压。这里设置的参考电压 为 2.5V，由于只有 10V 单电源供电，选用 5V 稳压管，将电压稳到 5V，然后进 行分压，从而得到 2.5V 参考电压。积分电路是使输出信号与输入信号的时间积 分值成比例的电路，积分电路可将矩形脉冲波转换为三角波，积分电路原理如图 3-3 所示。
图 3-5 正弦波选频电路
3.4 低通滤波器
图 3-6 仿真波形
低通滤波器由两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，其中同相比例放 大电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。低通滤波器是容许低于截止频率的 信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器的作 用是抑制高频信号，通过低频信号。简单理解，可认为是通低频、阻高频。低通 滤波器包括有源低通滤波器和无源低通滤波器，无源低通滤波器通常由电阻、电 容组成，也有采用电阻、电感和电容组成的。有源低通滤波器一般由电阻、电容 及运算放大器构成，这里所用的是有缘低通滤波器。低通滤波器电路图如图 3-7。
第二部分 多波形产生电路设计
3
模拟数字混合电子系统设计——多种波形产生电路
2.1 整体流程框图
图 2-1 多波形产生器设计框图
如图 2-1 为多波形产生电路的基本工作流程
2.2 设计原理
555 多谐振荡器：电源接通时，555 的 3 脚输出高电平，同时电源通过 R1R2 向电容 c 充电，当 c 上的电压到达 555 集成电路 6 脚的阀值电压（2/3 电源电压） 时，555 的 7 脚把电容里的电放掉，3 脚由高电平变成低电平。当电容的电压降 到 1/3 电源电压时，3 脚又变为高电平，同时电源再次经 R1R2 向电容充电。这 样周而复始，形成振荡。
图 3-1 555 多谐振荡器
调节电位器 R2 的阻值就可以调整所产生方波的频率。外部元件的稳定性决 定了多谐振荡器的稳定性，该电路用少量的元件就可以获得高精度震荡频率和较 强的功率输出能力，输出的方波经过电阻分压就得到了稳定的 20kHz-50kHz 连续 可调的方波 I。所以该电路符合设计要求。
关键词：多种波形产生 分频 信号运算 信号处理
第一部分 设计方案
使用 555 和外围电路构成多谐振荡器，产生 20kHz-50kHz 的方波作为信号源， 利用此方波作为基本信号。将基本信号通过电阻分压可得到电压幅度 1V、 20kHz-50kHz 连续可调的方波 I；将基本信号通过 74ls74 双 D 触发器进行四分频， 然后电阻分压得到 5kHz-10kHz 连续可调电压幅度为 1V 的方波 II；将方波 II 通 过由 LM324 四通道运放构成的积分电路，得到 5kHz-10kHz 连续可调电压幅度峰 峰值为 3V 的三角波；将方波 I 通过由 LM324 四通道运放构成的低通滤波器，得 到 20kHz-50kHz 连续可调电压幅度峰峰值为 3V 的正弦波 I；将基本信号固定频 率，然后通过由 LM324 四通道运放构成的带通滤波器，得到 250 kHz 左右的正弦 波，再通过由 LM324 四通道运放构成的低通滤波器，得到 250k 峰峰值 8V 的正弦 波 II。
模拟数字混合电子系统设计——多种波形产生电路
信息工程学院 电子工程系
报告评分 批改老师
《模拟数字混合电子系统设计》 课程设计报告
多种波形产生电路
题目难度系数：9.0
专业 班级 学生姓名 同组成员 实验台号 指导教师 提交日期 电话号码
电子信息工程 国际 2 班
15 号 2016 年 7 月 8 日
1
2.1 整体流程框图 ..............................................................................4 2.2 设计原理 ......................................................................................4 第三部分 单元电路设计 ..........................................................................5 3.1 555 多谐振荡器 ...........................................................................5 3.2 积分电路 ......................................................................................5 3.3 带通滤波器 ..................................................................................6 3.4 低通滤波器 ..................................................................................7 3.5 74ls74 分频电路..........................................................................8 第四部分 元件参数选择 ..........................................................................9 4.1 555 多谐振荡器 ...........................................................................9 4.2 积分电路 ......................................................................................9 4.3 带通滤波器 ................................................................................10 4.4 低通滤波器 ................................................................................10 4.5 74ls74 分频器 ...........................................................................11 第五部分 总结.........................................................................................11 第六部分 附录.........................................................................................13
图 3-8 仿真波形
3.5 74ls74 分频电路
一个 74ls74 集成芯片有两个 D 触发器，一个 D 触发器可以组成一个二分频 电路，把其中的一个 D 触发器的 Q 非输出端接到 D 输入端，时钟信号输入端 CLOCK 接时钟输入信号，这样每来一次 CLOCK 脉冲，D 触发器的状态就会翻转一次，每 两次 CLOCK 脉冲就会使 D 触发器输出一个完整的正方波，这就实现了信号二分频。 二分频电路输入信号过零上升沿每到来一次二分频器状态翻转一次便可得到二 分频，把两个 D 触发器串联起来，就是四分频电路。于是基本方波信号就被分频 成了 5kHz-10 kHz 的方波，然后经过分压电路，就得到 5kHz-10 kHz 的方波幅值 为 1V 的方波 II。
7
模拟数字混合电子系统设计——多种波形产生电路
图 3-7 低通滤波器
任何周期信号，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。而贯穿时 域与频域的方法之一，就是傅里叶分解。此处 20kHz-30kHz 的方波信号就可以用 低通滤波器将其中的正弦波分离出来然后得到电压峰峰值为 3V、连续可调的 20kHz-30kHz 正弦波信号 I。仿真信号如图 3-11，实测信号如图 3-8。