555信号发生器

第一章、设计任务及要求
设计要求：用 555 定时器设计一个信号发生器，要求输出方波、三角波、正 弦波并，设计输出电压及频率
第二章、信号发生器设计方案
2.1 总体设计方案论证及选择： 方案一：通过 RC 震荡电路产生正弦波，然后经过过零比较器，产生三角波， 在通过积分电路产生方波。其中，RC 震荡电路为 RC 桥式正弦振荡电路，然后通过 放大器构成过零比较器来实现方波的转换，在通过反向积分电路来实现方波到三 角波的转化。 方案二：可以由晶体管、运放 IC 等通用器件制作，更多的则是用专门的函 数信号发生器 IC 产生。 早期的函数信号发生器 IC， 如 L8038、 BA205、 XR2207/2209 等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有 300kHz，无法产生更高频率的 信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。 方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波 可以通过模电中的方波发生电路来产生，也可以通过数电中的 555 多谐振荡电路 来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现， 也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。 可行性分析： 纵观以上 N 种方案，对比如下，本着自己动手的观念，首先排除第二种用集成 芯片的方法，因为这种方法对设计的要求太低；其次分析方案一可得其 RC 桥式正 弦震荡电路的占空比受 R 和 C 共同影响，调节频率时需要调节的元器件参数太多， 比较繁琐，并且此震荡电路的频率也不是很好的满足设计的要求。所以综上所述， 选择方案三来实现本次的课程设计：555 多谐振荡器的频率很好计算和调节，并且 输出的波形比较准确；波到三角波的转化可通过简单 RC 积分电路来实现；角波到 正弦波可通过简单 RC 低通滤波器来实现也可通过折现法或者差分法来实现。分析 方案得：各个不分的实现有多种办法，但也许理论上比较好的方法在实践中由于 环境的种种原因可能并不是最好的，所以最终的方案的细节有待在试验仿真中作 进一步的确定。 2.2 函数信号发生器总体方案框图 首先，将 555 定时器接成多谐震荡电路，多谐震荡电路的输出便是方波，接 着接一个 RC 积分电路，从而产生三角波，最后接一个无源低通滤波器，从而产生 正弦波。如框图 2.2-1 所示。
振荡频率
f 1 / T 1.44 /(( R 3 R 2 2 R5)C1
经过计算， 对应到电路的仿真图， 选取 C6 为 10uF， R4 = R5 =47K 欧姆。 当 RV1=1K 欧姆最大时，频率即为 1HZ（如图 3.3-5)。 3.2 方波——三角波转换电路原理图 由积分电路构成方波—三角波产生电路， 方波经反向积分电路积得到三角波。 方案一：简单的积分电路（由电阻和电容构成）。如图 3.2-1。
地触发端
图 3.1-2
参数计算： 改进型多谐振荡电路主要改进了电容充电和放电的回路，使得回路的时间常 数相同即可，再此引入二极管来分开充电和放电回路。 高电平，充电时间
T 1 ( R3 R5)C ln 2 0.7( R3 R5)C1
（ 公式 3-1） （ 公式 3-2）
低电平，放电时间
-1-
Biblioteka Baidu
方波
三角波
正弦波
图 2.2-1
第三章、单元电路原理与电路
3.1 方波发生电路 3.1.1 方案选择 方案一：占空比可调的矩形波放声，电路占 空 比 的 改 变 方 法 ：使 电 容 的 正 向和反向充电时间常数不同。 利用二极管的单向导电性可以引导电流流经 不同的通路。 方案二：改进型 555 多谐振荡器电路，接法：先将 555 定时器接成施密特触发 器，再将输出经 RC 积分电路接回输入端即可。 对比如上两个方案，方案一的频率性较差，并且输出电压受到稳压二极管的 影响，输出电压幅值不能改变；而方案二频率调节理与方案一很是相似，但是方 案二的频率表达式比较简洁，容易计算，而且方案二的输出电压幅值的改变可通 过对 555 定时器的供电的改变来实现，对于占空比，已对原始的多谐振荡器做了 些许改动，能达到 1/2 的要求。综上，选择方案二。 555 定时器的工作原理： 555 定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路， 其组成电路框图如图 22.32 所示。555 定时器有二个比较器 A1 和 A2，有一个 RS 触发器，R 和 S 高电平有效。三极管 VT1 对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极 管 VT2 是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三 个 5kW 电阻组成的分压器，由此可以获得 和 两个分压值，一般称为阈值。555 定时器的 1 脚是接地端 GND，2 脚是低触发端 TL，3 脚是输出端 OUT，4 脚是清 除端 Rd，5 脚是电压控制端 CV，6 脚是高触发端 TH，7 脚是放电端 DIS，8 脚是 电源端 VCC。555 引脚如图 3.1-1，引脚功能如表 3.1-1。 表 3.1-1
电子技术课程设计报告 （555 信号发生器）
姓 学
名 号
专业年级 指导教师 设计时间
目
录
第一章、设计任务及要求.......................................................................................................... - 1 第二章、信号发生器设计方案.................................................................................................. - 1 2.1 总体设计方案论证及选择........................................................................................... - 1 2.2 函数信号发生器总体方案框图 .................................................................................... - 1 第三章、单元电路原理与电路.................................................................................................. - 2 3.1 方波发生电路................................................................................................................ - 2 3.1.1 方案选择............................................................................................................. - 2 3.2 方波——三角波转换电路原理图 ................................................................................ - 4 3.3 三角波——正弦波转换电路原理图 ............................................................................ - 5 第四章 电路的安装与调试........................................................................................................ - 8 第五章 设计总结...................................................................................................................... - 11 5.1 经验.............................................................................................................................. - 11 5.2 不足.............................................................................................................................. - 11 5.3 感想.............................................................................................................................. - 11 附录............................................................................................................................................ - 11 元件清单列表.................................................................................................................... - 11 参考文献.................................................................................................................................... - 11 鸣谢............................................................................................................................................ - 11 -
T 2 ( R 2 R5)C ln 2 0.7( R 2 R5)C1
占空比
-3-
q T 1 /(T1 T 2) ( R3 R 5) /( R 2 R 5) 0.5
（ 公式 3-3） （ 公式 3-4） （ 公式 3-5）
方波周期
T T 1 T 2 0.7(( R3 R 2 2 R 5)C1)
图 3.1-1
-2-
555 定时器功能如表 3.1-2，用 555 定时器接成多谐震荡电路如图 3.1-2。 表 3.1-2
清零端 0 1 1 1 1 高触发端 × 0 1 0 1 × 1 0 0 1
555 定时器功能表
Q 0 × 1 1 0 放电管 导通 保持 截止 截止 导通 功能 直接清零 保持 置1 置1 清零
图 3.2-1 方案二：带有放大器的积分电路（由放大器和电阻电容构成）。如图 3.2-2。
-4-
图 3.2-2 对比如上两个方案，在方波的频率改变的情况下，都需改变充电电容，因为 方波频率变大时， 要求积分时间短， 即电容的容量要小， 以达到快速充电的要求， 否则波形失真；当方波频率变小时，要求积分时间要长，这时增大电容的容量， 否则将产生梯形式的方波。两个方案相对没有理论上的优劣，现选择方案一。 原理：输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。 电路结构如图， 积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯 齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里要提的 是电路的时间常数 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。 3.3 三角波——正弦波转换电路原理图 由三角波转换为正弦波有三种方案，分别是采用低通滤波电路、利用差分放 大电路的传输曲线、采用折线法选择，具体实现如下： 方案一：低通滤波电路（通过简单ＲＣ电路来实现） ，如图 3.3-1。