555信号发生器课程设计解析

西北农林科技大学电子技术课程设计

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指导教师

日期6月17日—6月28日

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...................................................................................................................... - 12 -

5.1经验：.......................................................................................................................... - 12 -

5.2不足：.......................................................................................................................... - 12 -

5.3感想：.......................................................................................................................... - 12 - 附录 ........................................................................................................................................... - 12 - 元件清单列表.................................................................................................................... - 12 - 参考文献.................................................................................................................................... - 13 - 鸣谢 ........................................................................................................................................... - 13 -

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。

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

图3.1-1

方波

三角波 正弦波

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3.1-2 555定时器功能表

清零端高触发端地触发端Q 放电管功能

0 ××0 导通直接清零

1 0 1 ×保持保持

1 1 0 1 截止置1

1 0 0 1 截止置1

1 1 1 0 导通清零

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

R

R

R

C

=

=（公式3-1）

+

R

T+

3

(7.0

)5

1

2

ln

(

1C

3

)5

低电平，放电时间

R

C

R

R

=

1

=（公式3-2）

+

R

T+

2

2C

)5

2

(7.0

)5

(

ln

2

占空比

R

=R

+

R

=

q（公式3-3）

+

T

T

T

R

)5

)5

/(

2

5.0

3

(

1=

/(

1

)2

+

方波周期

T+

T

R

+

=

)1

=（公式3-4）

+

R

T

3

2

R

)5

((

2

7.0

2

1C

振荡频率

T

R

R

f+

+

=（公式3-5）

R

=

)5

2

2

/1C

3

1

.1

44

/((

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）。

方案二：带有放大器的积分电路（由放大器和电阻电容构成）。

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。

图3.3-1

方案二：利用差分放大电路的传输曲线（差分放大器的非线性传输曲线）。如图3.3-2。

图3.3-2

方案三：通过折线法来实现。如图3.3-3。

图3.3-3

对比如上方案：

方案一利用低通滤波器将三角波变换成正弦波，将三角波按傅里叶级数展开

)5sin 25

1

3sin 91(sin 8

)(2???-+-=

wt wt wt U wt u m π 其中Um 是三角波的幅值。根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。当然，也可以利用带通滤波器实现上述变换； 方案二利用差分放大器的非线性传输曲线来实现，具体原理如图3.3-4所示：

图3.3-4

方案三的电路连接比较复杂，而且需要的元器件也比较多，调试也比较不方便。

综上所述，及根据试验的结果来看，方案二和方案三的结果波形并不理想，而且调节繁琐，故选择方案一来实现三角波到正弦波的转换。总电路图如图3.3-5。

图3.3-5

参数计算：当RV1=1K欧姆时，

计算值： f=1HZ

UA(max)=4.8V (方波)

UB(max)=3.6V (三角波)

UC(max)=3.6V (正弦波)

实测值：

f=1HZ

UA(max)=5V (方波)

UB(max)=3.8V (三角波)

UC(max)=3.6V (正弦波)

调节RV1可改变相关参数大小,对比计算值与实测值发现，实验存在一定误差，但结果与理论相符。

第四章电路的安装与调试

在绘制电路的原理图时，可采用了multisim和proteus软件，我分别采用了multisim和proteus软件，但结果采的是proteus的实验结果，multisim仿真原理图见图4-1，proteus仿真原理图见图4-2。

图4-1

图4-2

Proteus仿真及调试过程：首先设置好实验相关参数，接着画原理图，最后运行（用示波器观察波形）。一开始运行的时候示波器上并未出现预期的波形，经反复检查后发现电容C6并未与电路连接上，只是单纯地摆放了上去。再将电容C6与电路连接上后，示波器上出现了不规则的波形。接下来便是反复地修改参数。最后根据波形选择了合理的参数。波形如图4-3所示。

图4-3

Altium designer制板过程：首先新建工程（在工程下建原理图和PCB图），接着画原理图，最后是绘制PCB板。该过程的主要问题是PCB板的绘制。其中连线比较复杂，同一层的线不能交叉，因此需要在适当的时候打孔将两层的线连接起来。自动布置的线很乱并且有尖角效应，因此最好己动手布置。第一次我把线连接完后，老师问我引出端在哪，结果我把引出端放到了板子的中间。于是我又重新摆放了一下器件，这一次子线又乱了，又得重连，接着我又重新开始连线。连完线后就开始铺铜，铺完铜后我又给板子相应的地方加上泪滴。在这之后板子就做好了。该过程的相关图片PCB原理图如图4-4、连线图如图4-5、板子如图4-6、4-7。

图4-4

图4-5

图4-6 板子顶层

图4-7 板子底层

第五章设计总结

5.1经验：

信号发生器是本次课程设计的比较简单的一个题目，经过两周的设计，我基本完成了本课题所需要求。本设计最大的特色就是信号发生流程相对简单明了，易于理解。但是，它的难度：电路对各元件的参数选择要求比较高，调整波形相对而言不方便。因此最好根据波形来调节参数。调节参数的时候先调节一个值，把其它值固定，在调节这个值的时候可以先调成几个等间距的值，根据波形大致确定范围，然后再微调。另外在制板子的时应该把器件摆放好再连线，先整体布局一下再开始连，有必要的时候通过打孔将两层的线连接起来。

5.2不足：

本次实验虽然简单，但是走了不少弯路。在用proteus仿真的时候由于粗心没有把器件与线路连接好，以为是原理图有问题，于是就不停地修改原理图，浪费了很多时间。在制板的时候由于一开始没有把器件摆放好，重连了很多次线。

5.3感想：

鉴于这次我选的课题比较简单，设计的过程不是很复杂，可能我学到的东西没有其他同学多（接触的元器件很少，具体的操作也涉及得很少）。但是我还是很开心，从原理图的绘制到最终的pcb板的生成，都是自己一步一步做出来的，课程设计的整个过程，自己都做得比较认真。遇到问题也积极地问老师和同学，在这里很感谢三位老师的指导，要是没有老师的指导，估计自己也做不出来。这次课程设计收获了很多。其中一方面是专业相关的知识及动手能力。另一方面是发现问题并且解决问题的能力，自学能力等等。

最后，我感觉通过具体的实践，自己动手，深刻感知了实践的重要性，明白了理解和应用还是有所不同的，我们应该朝着更高的要求即灵活的应用去努力。附录

元件清单列表

序号名称型号参数数量备注

1 555定时器LS555ID 1

2 电阻—— 5

3 电容—— 5

4 滑动变阻器—— 1

参考文献

1.阎石?《数字电子技术基础（第五版）》?清华大学出版社?2006年5月?（ISBN 978-7-04-019383-1）

2.童诗白?《模拟电子技术基础（第四版）》?高等教育出版社?2006年5月?(ISBN 978-7-04-018922-3)

鸣谢

感谢杨蜀秦老师、胡瑾老师、候俊才老师的悉心指导，老师渊博的知识、严谨的

治学态度、敏锐的学术洞察力、活跃的思想、以及平易近人的师长风范，也使我

们受益匪浅。值此论文完成之际，谨向老师致以深深的敬意和衷心的感谢。特别

感谢我的指导老师杨蜀秦老师，即使很简单的问题，杨老师也很有耐心地、细心

地指导。同样感谢我的同学们，感谢你们的无私帮助。