1、模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 1 信息工程学院 电子工程系 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 电子信息工程 班 级 国际 2 班 学生姓名 同组成员 实验台号 15号 指导教师 提交日期 2016 年 7 月 8 日 电话号码 报告评分 批改老师 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 2 目录 摘 要 . 3 第一部分 设计方案 3 第二部分 多波形产生电路设计 3 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
2、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 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 3 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
3、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。 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
4、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
5、低通滤波器，得到 250k峰峰值 8V的正弦波 II。 第二部分 多波形产生电路设计 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 4 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
6、，形成振荡。 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。 LM324:四通道运算放大器，与一定数目的电阻电容可以构成积分电路、低通滤波器、带通滤波器，从而实现信号的运算处理。 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路
7、5 第三部分 单元电路设计 3.1 555 多谐振荡器 由 555 定时器和外接元件 R1、 R2 和 C 构成的多谐振荡器， 2 脚与 6 脚直接相连，电路没有稳态，只有两个暂稳态，电路也不需要外加触发信号，利用电源通过 R1、 R2 向电容 C 充电，使电路产生震荡，电容在 1/3VCC 和 2/3VCC之间充电和放电 ， 其仿真波形 如图 3-1 所示 。 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
8、20kHz-50kHz连续可调的方波 I。 所以该电路符合设计要求。 图 3-2 仿真波形 3.2 积分电路 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，为了使积分输出的波形更稳定 ，模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 6 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
9、换为三角波， 积分 电路原理如图3-3所示 。 图 3-3 积分电路 电路将 5kHz-10kHz连续可调的方波进行积分 ， 得到 5kHz-10kHz峰峰值 3V的三角波，其仿真波形如图 3-4所示 。 图 3-4仿真波形 3.3 带通滤波器 带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备 ，也就是通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器 。 任何一个周期信号都可以展开成傅里叶级数，也就是若干次正弦波 之和，根据这一原理，可以用带通滤波器，将频带设置在 250kHz 左右 就可以 。本电路模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 7 将通频带设
10、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 。 图 3-5 正弦波选频电路 图 3-6 仿真波形 3.4 低通滤波器 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
11、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。 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 8 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
12、号 I。 仿真信号如图 3-11， 实测信号如图 3-8。 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
13、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。 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 9 74ls74四分频电路原理如图 3-9所示 ， 仿真效果如图 3-10 所示 图 3-9 分频电路原理 图 3-10 仿真波形 第四部分 元件参数选择 4.1 555 多谐振荡器 555电路要求 R1、 R2均应大于或等于 1k，但 R1+R2应小于 3.3M。其输出信号的时间参数是： T=tw1+tw2 tw1=0.7(R1+ 2)*C tw2=0.7 1*C f=1 所以调节 R2 的阻值，就可以调节所产生方波的频率，然
14、后调节输出端的滑动变阻器就可以调节所产生方波的幅值。 4.2 积分电路 若要进行积分电路信号的积分运算，可选用基本积分电路。首先确定时间常模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 10 数 =RC： 的大小决定了积分速度的快慢。其次选择电路元件 ： 当时间常数=RC确定后，就可以选择 R和 C的值，积分电路的输入电阻 Ri=R，因 此往往希望R 的值大一些。 最后确 定 RP、 Rf： RP 为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调 ;在积分电容的两端并联一个电阻 Rf， 防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。 于是得到计算公式 ： f= 12RC 0=- *t=-( )t 4.3 带通滤
15、波器 带通滤波器的带宽为上限截止频率与下限截止频率之差。在有源带通滤波器的中心频率 0处： 电压增益 0= 321品质因数 ： 3dB 带宽 B=1/（ *3*C） 也可根据设计确定的 Q、 0、 0值，求出带通滤波器的各元件参数值。 1= 2 00C2=Q/（ 22-0） *2 0C） 3=2Q/（ 2 0C）。 上式中， C取 0.01uF。带通滤波器亦可用于一般的选频放大。 4.4 低通滤波器 低通 滤波器是有两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点就是输入阻抗高，输出阻抗低。 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 滤波装置。 20kHz-3
16、0kHz的方波经过低通滤波器后可以将 20kHz-30kHz 正弦波过滤出来。 低通滤波器的通带电压增益： 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 11 0=1+1f= 12RC 4.5 74ls74 分频器 分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。四分频就是通过有分频作用的电路结构，在时钟每触发 4个周期时，电路输出 1个周期信号。用一个脉冲时钟触发一个计数器，计数器每计 4个数就清零一次并输出 1个脉冲，那么这个电路就实现了四分频功能。 Cp 接时钟， Q=1,D=/Q=OUT,R=S=0(接地 )，就是 Q 端接高电平， D 端接 Q 非，值位复位端都接地
17、。 这就组成了一个二分频 D触发器，两个 D触发器串联，就构成了四分频器。 第五部分 总结 在课程设计过程中，我不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节， 更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了我独立思考问题的能力和通过 团队合作 来解决 问题的习惯。虽然这只是一次简单 的课程设计，但通过这次课程设计我了解 课程设计的一般步骤 和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是对待问题时的态度和处理事情的能力。 回 顾起此课程设计， 感慨颇多，从理论到实践，学到很多很多的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书
18、本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但最终 在团队的努力下 都得到了解决。 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升， 不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力 上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会 了很多学习的方法。而这是以后最实用的，真的是受益匪浅。要面对未来 的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。 坐而模拟数
19、字混合电子系统设计 多种波形产生电路 12 言不如立而行，在今后的学习中，面对这些电路还是应该自己多动手实际操作才能会有深刻理解。 模拟数字混合电子系统设计 多种波形产生电路 13 第六部分 附录 整体电路 参考文献 1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社， 2005年 6月。 2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社， 2007 年 10月。 3 吉勇 ， 模拟电路 ， 科学出版社 ， 2007 年 6月。 4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社， 2005 年 6月。 5康华光，电子技术基础，高教出版社， 2003。 6. 田英，电子技术基础实践教程，山东科学技术出版社， 2003 年 10月。 7. 高吉祥，电子技术基础实验与课程设计，北京电子工业出版社， 2005。 8. 沙占友 ，电子技术设计指南，中国电力出版社， 2007。 9. 郭振民，电子设计自动化 EDA，中国水利水电出版社， 2010。 10.石磊， Altium Designer 中文版电路设计标准教程，清华大学出版社， 2011。
