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摘要

如見大量的信息是加載在電信號上，我們想要了解這些電信號就從幾種最根本的電信開場研究。多種波形的產生就是使用各種根本的電子元器件對電信號產生，運算，處理等電路。555芯片是一個可以產生多諧振蕩的芯片，配合其他電子器件可以產生方波等。74LS74是以個有著四個雙D觸發(fā)器的芯片，我們可以把它連接為一個四分頻的電路；RC積分器就是使用電容的充放電對方波積分產生三角波；LM324是有四個運放的芯片，我們可以使用這些運放搭建低通濾波電路，和振蕩器產生正弦波。

1選題背景

這是一個信息時代，如今電子科技飛速開展，盡管未來量子通信以其優(yōu)良的保密性，是未來開展的方向。但是電子技術依然是這個時代的主題。信息的處理就是對信號的處理。模擬信號是信號中最重要的組成局部。對模擬信號的處理就涉及各種電路的設計。

溫度，壓力等，各種連續(xù)信號經相應的電子設備轉換為模擬電信號，對這些電信號的處理就是我們所做的。信號的產生就對我們的研究提供了很好的源頭。

1.1指導思想

方波，三角波，正弦波是很重要的波形，方波的產生可以有555芯片配合電阻電容產生，對方波的處理有分頻，積分等，可以生成其他頻率，形狀的波形。使用74LS74組成的四分頻電路，可以對輸入的信號的頻率進展四分之一的變化。方波的積分就可以產生三角波。正弦波是自然界中最重要的波，我們任何周期波由傅里葉變換可以得到任何頻率的正弦波。

1.2方案論證

方案一：使用555芯片產生方波Ⅰ，四分頻電路生成方波Ⅱ，RC積分電路對方波Ⅱ積分后產生三角波，使用有源低通濾波電路對方波Ⅰ濾波處理產生正弦波Ⅰ，最后用運放構建的正弦波振蕩電路產生250KHz。

方案二：使用555芯片產生方波Ⅰ，四分頻電路生成方波Ⅱ，使用有源積分電路產生三角波，使用有源低通濾波電路產生正弦波Ⅰ，最后使用250KHz的帶通濾波電路對方波濾波就可以產生250KHz的正弦波。

由于有源積分電路，和帶通電路在搭建的時候有一點的難度，站在簡化電路的角度講，我們選擇第一方案。

1.3根本設計任務

首先是一個20KHz到50KHz的方波Ⅰ的產生，可以利用555產生一個脈沖的方波，再利用外接的電阻電容調節(jié)脈沖的頻率。

1.4電路特點

電路原理簡單明了，電路設計簡潔。精度不是很高，但是抗干擾能力有所加強，

2電路設計

2.1總體方框圖

方波5-10KHz

方波20-50KHz

74LS74四分頻

RC積分電路

555振蕩器

三角波5-10KHz

正弦波20-30KHz

正弦波250KHz

正弦振蕩電路

低通濾波電路

圖2-1總體方案框圖

2.2工作原理

如圖2-1所示，五種波形的產生的設計思路是：使用555芯片產生單諧振蕩的方波Ⅰ，由于此頻率是較高的頻率，而且和方波Ⅱ的頻率是四分之一關系，于是我們可以是用74LS74構成的四分頻電路對方波Ⅰ進展分頻處理就可以得到方波Ⅱ；從方波Ⅱ到三角波，由于其頻率是一致的，可以使用積分電路對方波Ⅱ進展積分，就可以得到三角波。我們知道任何周期函數都可以寫成許多頻率不同的正弦波的疊加。同樣，可以把一個周期信號分解為正弦信號。正弦波Ⅰ可以使用低通濾波器對方波Ⅰ進展濾波。就可以得到全段頻率的正弦波Ⅰ。方波Ⅱ由于頻率太高，要是使用帶通太難實現(xiàn)，于是我們采用一個可以產生250KHz的振蕩器。經過以上所有步驟就可以實現(xiàn)五種波形的產生。

3各種主要電路及部件的工作原理

3.1方波Ⅰ的產生：555振蕩電路

圖3-1-1

555定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型〔TTL〕工藝制作的稱為555，用互補金屬氧化物〔CMOS〕工藝制作的稱為7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器556/7556。555定時器的電源電壓范圍寬，可在4.5V-16V工作，7555可在3-18V工作，輸出驅動電流約為200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。

圖3-1-2555電路產生方波

工作原理：設電容的初始電壓Uc＝０，t＝０時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端Vth＝Vo＝<1/3Ｖcc，比擬器Ａ1輸出為高電平，Ａ２輸出為低電平，即RD=0，SD=1〔1表示高電位，0表示低電位〕，R?S觸發(fā)器置１，定時器輸出uo=1此時Q=1，定時器內部放電三極管截止，電源VCC經R1，R2向電容Ｃ充電，Uc逐漸升高。當Uc上升到1/3Vcc時，A2輸出由０翻轉為１，這時RD=SD=0，R?S觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<t1期間，定時器輸出u0為高電平１。t=t1時刻，Uc上升到2/3Vcc，比擬器A1的輸出由１變?yōu)椋?，這時RD=1，SD=0，R?S觸發(fā)器復０，定時器輸出u0=0。t1<t<t2期間，Q=0，放電三極管Ｔ導通，電容Ｃ通過R2放電。VC按指數規(guī)律下降，當VC<2/3VCC時比擬器A1輸出由０變?yōu)椋?，Ｒ－Ｓ觸發(fā)器的RD=0,SD=0，Ｑ的狀態(tài)不變，UO的狀態(tài)仍為低電平。T=t2時刻，Vcc下降到1/3Vcc，比擬器A2輸出由1變?yōu)?，R---S觸發(fā)器的RD=0，SD=1，觸發(fā)器處于1，定時器輸出UO=1。此時電源再次向電容C放電，重復上述過程。[1]

輸出信號時間參數：

，，

振蕩頻率：

占空比：

3.2方波Ⅱ的產生：74LS74分頻電路

圖3-3-1

74LS74中含有兩個獨立的D觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數據輸入〔D〕、置位輸入〔〕復位輸入〔〕、時鐘輸入〔CP〕和數據輸出〔Q、/Q〕。、的低電平使輸出預置或去除，而與其它輸入端的電平無關。當、均無效〔高電平式〕時，符合建設時間要求的D數據在CP上升沿作用下傳送到輸出端。

圖3-2-2四分頻電路產生方波Ⅱ

74LS74是個雙D觸發(fā)器，把其中的一個D觸發(fā)器的Q非輸出端接到D輸入端，時鐘信號輸入端CLOCK接時鐘輸入信號，這樣每來一次CLOCK脈沖，D觸發(fā)器的狀態(tài)就會翻轉一次，每兩次CLOCK脈沖就會使D觸發(fā)器輸出一個完整的正方波，這就實現(xiàn)了2分頻。把同一片74LS74上的兩路D觸發(fā)器串聯(lián)起來，其中一個D觸發(fā)器的輸出作為另一個D觸發(fā)器的時鐘信號，還可以實現(xiàn)4分頻。[2]

3.3三角波的產生：RC積分電路

圖3-3-1積分電路產生三角波

積分電路定義輸出信號與輸入信號的積分成正比的電路，稱為積分電路。積分電路原理從圖中可以看出，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,當t=to時，Uc=Oo.隨后C充電，由于RC≥Tk,充電很慢，所以認為Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫icdt這就是輸出Uo正比于輸入Ui的積分〔∫icdt〕RC電路的積分條件：RC≥Tk積分電路可將矩形脈沖波轉換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉換為拋物波。電路原理很簡單，都是基于電容的沖放電原理，這里就不詳細說了，這里要提的是電路的時間常數R*C，構成積分電路的條件是電路的時間常數必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。

3.4正弦波Ⅰ的產生：低通濾波電路

圖3-4-1

LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。LM324系列是低本錢的四路運算放大器，具有真正的差分輸入。在單電源應用中，它們與標準運算放大器類型相比具有幾個明顯的優(yōu)勢。該四路放大器可以工作于低至3.0V或高達32V的電源電壓，靜態(tài)電流是MC1741的五分之一左右〔每個放大器〕。共模輸入范圍包括負電源，因此在眾多應用中無需外部偏置元器件。輸出電壓范圍也包括負電源電壓。

圖3-4-2低通濾波電路產生正弦波Ⅰ

LM324是四運放集成電路，每個運放都是一個獨立的運放，采用共同的供電源。這是一個低通濾波電路，采用電位器可以對過濾的正弦波進展調整使之不會過分失真。

3.5正弦波Ⅱ的產生：正弦振蕩器

圖3-5正弦振蕩器產生正弦波Ⅱ

該振蕩電路的振蕩頻率是：

選取相應參數后可以實現(xiàn)250KHz的正弦波振蕩電路，產生正弦波。[3]

4原理總圖

圖4-1電路原理總圖

5元器件清單

元件

參數

個數

555

1

74LS74

1

LM324

1

電容

103

4

電容

104

2

電位器

100K/10K/2K

3

電阻

400/600/5K/1K/20K

4，5，1，2，1

6調試過程及仿真結果

6.1通電前的檢查

首先通電之前我的仿真時可以出結果的，但是在把原理圖轉化為實物圖的時候我還是很小心翼翼地檢查每一根線路的導通情況，測量每個元器件的參數是否到達理論的要求，并盡可能的將誤差降到最小。首先是最根本的電阻總是選取和理論最接近的。還有各種芯片，采用先焊底座，再插元器件的方法，即防止了焊接時的損壞，又使芯片可以更換。

6.2通電檢查

再就是加上5V電壓，并觀察沒有芯片發(fā)熱，電路也可以正常工作。于是就進一步使用示波器來測試所要的波形。

6.3結果分析

圖6-3-1

如圖6-3-1的比照結果我們可以看出，方波Ⅰ的結果還是比擬讓人滿意的，但是還是不免有一點失真，在方波的峰值出現(xiàn)了一點小的抖動。可能是我的電路受到外界的干擾引起的。也有可能是我的電路之間的信號相互影響造成的。

圖6-3-2

如圖6-3-2的結果。我們可以清楚的看出方波Ⅱ的頻率是方波Ⅰ的四分之一。記得在實際的電路中這里有比擬大的波形抖動，于是我還在這里加了一個電容來減少這種誤差。讓人興奮的是這真的可以起作用。盡管仿真的是后不需要，但是在實際的應用中可能有各種的影響。這就讓我們更能深入的知道一個電子器件的最根本作用。

圖6-3-3

圖6-3-3就是最根本的積分電路。由于我為了在實際的電路中簡化電路，我使用了最簡單的積分電路。但是這造成的影響就是仿真的結果有失真，如圖可以看出由于充放電時間的不適宜，導致三角波的上升、下降不是一條直線，這就使結果發(fā)生了不如理想狀態(tài)的失真。但是在要求不高的情況下采用此電路可以很有效的簡化電路。

圖6-3-4

圖6-3-4是一個又低通濾波后的產生的正弦波，這個電路是比擬簡單的幾乎沒有什么可以出的錯誤。但是在實際的電路中為了使電路方便調節(jié)我還是在電路中使用了一個電位器。在電路波形出現(xiàn)較大的失真的時候我們可以對其調節(jié)使產生的結果盡可能的保持正弦波

圖6-3-5這是有一個振蕩器產生的正弦波?？梢钥闯龅氖钦也ǖ念l率是不可調的，但是這就導致了頻率有一點誤差。要是使用一個電位器就可以很好的彌補這一缺憾。

7小結

回望這次課程設計，從選題到我焊接成功再到調試出波形。我比擬深刻的了解了555怎樣產生方波等很多的電路知識。在對電路焊接后的漫長調試時間中我一步步的查找原因，改正線路，發(fā)現(xiàn)了不少的如連接不嚴密造成的斷路，和引腳焊錯的小問題。更正之后使用示波器也出現(xiàn)了小小的問題，我知道了在使用儀器的時候要提前檢查一下儀器是否可以正常工作的很多方法。這在我以前的學習中是不可能遇到的，但是這就是課設的意義所在，將我們平常所學轉化我實際生產所需。記得在一次調試的時候，我的一個方波出現(xiàn)了失真，是在水平的地方有兩個小的毛刺。我調節(jié)每一個電位器對此進展調節(jié)，但是都沒有什么效果。當我疑心是否是因為有外界的干擾造成的時候。旁邊的一個同學跟我說，你可以試試往輸出加一個電容。我就加了一個，沒想到的是真的可以，失真明顯減少了。可以看出的是我太相信仿真的原理圖，原理圖上沒有的元器件我是不會往電路上面加的，但是，這是一個錯誤的想法。實踐也證明了這一點。

8設計體會及今后改良意見

8.1體會

漫長的課設完畢后，從仿真電路到我實際的焊接都要我自己親自完成。我感覺在實際的電子設計中我們要學會活學活用，不能局限于仿真結果，比方善于利用電容的濾波特性。同時在實際的電路連接中不能完全相信仿真的結果。畢竟仿真是一個很理想的結果。在實際的焊接中也要善于檢查電路，在連接一處電路是就要趕緊檢查電路是否有虛焊，而且要細心一定不能因為線多而出現(xiàn)電線的連接錯誤，這是致命的錯誤，一定不可以出現(xiàn)。如果設計不合理就會出現(xiàn)在調試的過程中有很多問題，有的是簡單的短路，斷路，有的是電線的連接錯誤，總之，這些錯誤將為后來的調試產生很巨大的影響。總之經過漫長的調試時間，以及各種的修改還是使得我的電路相對更加完善，每種波形的產生更加穩(wěn)定。這不僅鍛煉了我的動手能力，還使得我的專業(yè)能力有了一定的加強，更好的使用理論指導實踐。

作為