基于555的波形发生器设计可在四个通道输出4种波形

ID:654376 · 发表于 2019-12-9 09:55

设计制作要求

使用 555 时基电路产生频率为 20kHz-50kHz 的方波Ⅰ作为信号源；利用此方波Ⅰ，可在四个通道输出 4 种波形：每通道输出方波Ⅱ、三角波、正弦波每通道输出的负载电阻均为 600 欧姆。

五种波形的设计要求

（1）使用 555 时基电路产生频率 20kHz-50kHz 连续可调，输出电压幅度为1V 的方波Ⅰ；

（2）使用数字电路 74LS74，产生频率 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度为 1V 的方波Ⅱ；

（3）使用数字电路 74LS74，产生频率 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的三角波；

（4）产生输出频率为 20kHz-30kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的正弦波Ⅰ

电源只能选用+10V 单电源，由稳压电源供给，不得使用额外电源。

第2章方案选择
2.1 有源积分方案

由一片NE555产生20-50khz的方波再经过通道1输出，由于74ls74内涵两个D触发器，每个可以实现二分频，将两个D触发器串联即可实现四分频。四分频得到5-10KHZ的方波二，再有源积分得到三角波，由于峰峰值得要求所以对波形适当的放大得到3V的三角波，20-50KHZ的方波由基波和多次谐波叠加而成，使用低通滤波得到基波即可，这样放大得到3V的正弦波。

2.2 无源积分方案

由一片NE555产生20-50khz的方波再经过通道1输出，由于74ls74内涵两个D触发器，每个可以实现二分频，将两个D触发器串联即可实现四分频。四分频得到5-10KHZ的方波二，再无源积分得到三角波，由于峰峰值得要求所以对波形适当的放大得到3V的三角波，方波可以根据傅里叶函数分解成许多正弦波，然后利用低通滤波器将其他频率的波滤除，即可得到正弦波，本级只需要20-30KHZ的基波，所以使用低通滤波即可，经过实验测试，两级低通无源滤波可以得到良好的正弦波这样放大得到3V的正弦波。

由于题目客观要求底加上运放的数量控制，最终选择无源积分方案

2.3 工程实践问题的思路

在这里要注意利用74ls74分频的时候，因为74ls74对电源电压的要求，所以不能直接给74ls74采用10v供电，必须将电源经过电阻分压再给74ls74供电，在这里我们采用470Ω和510欧姆的电阻用来给电阻分压。分压得到的电压满足74ls74的电源要求。由于74芯片对电源电压的要求高，这里使用一个恒流源，得到一个满足要求的供电电压，无源滤波后一定要加直流耦合电容，不然无法得到正弦波，这里和仿真时恰恰相反。在滤波电路设计时应还要注意一点，电阻的阻值不应该太小，最好不要低于150，因为在滤波时其实也有个电容充电的过程，如果电阻太小的话，电流将会很大，而555的输出电流是比较小的，如果电流太大，方波输出将会变形失真。

设计pcb时一点要注意几点：电源端口，测试端口一定要加，滤波电容靠近芯片电源引脚，布线要粗一点，线也要隔开一点，不然之间会有寄生耦合现象，对信号的干扰也是相当可观的

第3章电路设计与仿真

3.1 系统设计

由一片NE555产生20-50khz的方波再经过通道1输出，由于74ls74内涵两个D触发器，每个可以实现二分频，将两个D触发器串联即可实现四分频。四分频得到5-10KHZ的方波二，再有源积分得到三角波，由于峰峰值得要求所以对波形适当的放大得到3V的三角波，20-50KHZ的方波由基波和多次谐波叠加而成，使用低通滤波得到基波即可，这样放大得到3V的正弦波。

3.2 555时基电路产生基本方波I

基于555的方波电路，由于频率要求不高，选择R1=R2=1KΩ，和一个10k的精密可调电阻和一个103的电容控制频率即可，用二极管整流控制充放电回路。

基于555的基本方波产生电路

3.3 分频电路产生方波II

由于74ls74内涵两个D触发器，每个可以实现二分频，将两个D触发器串联即可实现四分频

分频电路

3.4 积分电路产生三角波

积分电路要求不高，使用RC无源积分即可，然后适当放大。

三角波产生电路

3.5 滤波电路产生正弦波

本级采用二级RC低通滤波电路，可以的到良好的正弦波，然后放大即可。

正弦波产生电路

3.6 总的仿真电路

总仿真电路图

第4章电路安装调试和测试4.1 实验仪器

1、低频信号发生器EE1641B（一台）可以不用；

2、双踪示波器COS5020或TDS210（一台）；

3、直流稳压电源（双路输出）（一台）；

4、数字万用表UT2003（一只）；

5、实验面包板（一块）；

6、元器件及工具（一盒）；

7、电烙铁。

4.2 安装调试

板子焊好之后，开始测试，可以得到良好的方波1频率幅度全部达到要求并且有很多盈余，接着测试二级方波和三角波结果发现什么也没有，我又测了正弦波，发现正弦波效果很好，这下奇怪了有头有尾，怎么中间没有，由于调试经验不足我也不知从何说起，于是QQ问了邓老师，邓老师叫我测试一下芯片电源是否工作正常，我测了电源引脚的电压，果不其然74ls74由于达不到工作电压没有工作，我仔细检查了pcb的连线，按照邓老教我的调试思路，先测电压是否正常，再检查电路是否有断裂现象，在测试分压电路正常并没有什么错误，我心想电路都是亲手调试过的，波形都十分好，出现这种情况一定是连接问题，其实测试到分压正常，问题点已经很明确了，范围缩小到了74电源与分压电路的连接问题上，用万用表测试74只得到了3.3V的电压而分压确是4.9v，中间只有一根导线和几个焊盘，应该电压是要相等的，我用万用表测试电阻，结果有1.3kΩ，这是介于短路与断路之间的问题，这可能就是虚焊造成的寄生阻抗吧，我又重新把那条线焊接了一下，在铜线上铺了一层焊锡，一测试方波2正常了，再测试三角波，发现三角波波形很好，只是幅度只有十几毫伏，显然324没有正常放大，按照之前的调试思路324工作正常，接着测试运算放大器的输入输出电压，发现同相输入端电压为0v，偏置出现了问题，检查偏置发现无论那个点电压都是0v，这下问题就很明了，电源没有接进来，查看pcb图发现很短的有一根很短的线漏了，没有连接起来，连接起来后电路都正常了。经过对电路的调试，我也发现自己的某些不足，完整的把所有的过程都经历了一遍以后，发现自己突然间什么都明白了，尤其是操作这一块，柳暗花明。理论也有不足点，解决理论题的解题经验不足。

，于是我决定以后要更加努力学习理论知识。

这次课程设计我们注意到各个细节，并达到了相关要求，但从这次设计过程中也让我们学到了很多平时没有接触过的知识，收获还是颇多的，更加了解了放大器的使用与性能，将理论知识理解的更加透彻！再者，我们在这次设计中也明白不管做什么事都必须要仔细，冷静，要始终保持一颗坚持不懈的心完成好任务，体会这个过程带给我们的快乐和知识，结果固然重要，过程也同样精彩！总之无论做什么事情都要有一个清晰的思路。

4.3 基波方波测试结果

1.基准方波

图1 10kHz-50kHz-1V方波

表1 基本方波测试结果对比

理论值		仿真值		实测值		误差
频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比
20kHz	50%	20kHz	50%	20.2kHz	49.4%	1%	0.6%
30kHz	50%	30kHz	50%	30.1kHz	49.1%	0.3%	0.9%
40kHz	50%	40kHz	50%	40.1kHz	49.4%	0.2%	0.6%
50kHz	50%	50kHz	50%	50.1kHz	49.0%	0.2%	1%

随着频率增加，时间常数减小，由电容放电不均匀造成的尖峰变大。

4.4 方波II测试结果

图2 5-10KHZ方波2-1V方波

表2 基本方波测试结果对比

理论值		仿真值		实测值		误差
频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比
5kHz	50%	5kHz	50%	5.05kHz	50.0%	0.1%	0%
7.5kHz	50%	7.5kHz	50%	7.51kHz	50.0%	0.1%	0%
10kHz	50%	10kHz	50%	10.1kHz	49.8%	0.1%	0.2%
12.5kHz	50%	12.5kH	50%	12.7kHz	50.2%	0.1%	0.2%

这里74ls74滤波效果很好，我加了三级滤波。方波最大可以达到4.1V的峰峰值，经过74略有衰减。这里就为积分电路埋下伏笔，使得积分电路的三角波幅度只有很多盈余。解决了不少问题。

4.5 三角波测试结果

图* 7kHz-1V三角波

表3 基本方波测试结果对比

理论值		仿真值		实测值		误差
频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比
5kHz	50%	5kHz	50%	5.05kHz	50.0%	0.1%	0%
7.5kHz	50%	7.5kHz	50%	7.51kHz	50.0%	0.1%	0%
10kHz	50%	10kHz	50%	10.1kHz	49.8%	0.1%	0.2%
12.5kHz	50%	12.5kH	50%	12.7kHz	50.2%	0.1%	0.2%

调节积分电阻可以改善波形的失真使三角波好看

4.6 正弦波测试结果

图4 20-30Khz-1V正弦波

表4 基本方波测试结果对比

理论值		仿真值		实测值		误差
频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比	频率	占空比
20kHz	50%	20kHz	50%	20.2kHz	49.4%	1%	0.6%
30kHz	50%	30kHz	50%	30.1kHz	49.1%	0.3%	0.9%
40kHz	50%	40kHz	50%	40.1kHz	49.4%	0.2%	0.6%
50kHz	50%	50kHz	50%	50.1kHz	49.0%	0.2%	1%