555定时器构成的方波、三角波、正弦波发生器 设计报告要点

电子技术课程设计说明书

题目：555定时器构成的方波、三角波、正弦波发生器系部：歌尔科技学院

专业：

班级：2013级1班

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指导教师:

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目录

1 设计任务与要求 (1)

2 设计方案 (1)

2.1 设计思路 (1)

2.1.1 方案一原理框图 (1)

2.1.2 方案二原理框图 (2)

2.2 函数发生器的选择方案 (2)

2.3 实验器材 (3)

3 硬件电路设计 (4)

3.1 555定时器的介绍 (4)

3.2 电路组成 (4)

3.3 引脚的作用 (5)

3.4 基本功能 (5)

4 主要参数计算与分析 (7)

4.1 由555定时器产生方波 (7)

4.2 由方波输出为三角波 (9)

4.3 由三角波输出正弦波 (10)

5 软件设计 (12)

5.1 系统组成框图 (12)

5.2 元件清单 (13)

6 调试过程 (14)

6.1 方波---三角波发生电路的安装与调试 (14)

6.1.1 按装方波——三角波产生电路 (14)

6.1.2 调试方波——三角波产生电路 (14)

6.2 三角波---正弦波转换电路的安装与调试 (14)

6.2.1 按装三角波——正弦波变换电路 (14)

6.2.2 调试三角波——正弦波变换电路 (14)

6.2.3 总电路的安装与调试 (15)

6.2.4 调试中遇到的问题及解决的方法 (15)

7 结论 (16)

8 附录 (17)

8.1 用mulstisim 12设计的方波仿真电路图如图8-1 (17)

8.2 用mulstisim 12设计的三角波仿真电路图如图8-3 (18)

8.3 用mulstisim 12设计的正弦波仿真电路图如图8-5 (19)

8.4 电源参考电路图 (20)

参考文献 (21)

1 设计任务与要求

(1) 555定时器构成的方波发生器电路输出频率范围：

10-1KH可调；占空比0-100%连续可调；

输出方波Vp_p<=12v;

输出三角波Vp-p>0.2v;

输出正弦波Vp-p<1v;

(2)写出详细的电路工作原理、参数计算；

(3)画出仿真电路图；

(4)仿真测试并记录结果：

A.输出方波的仿真结果；

B.输出三角波的仿真结果；

C.输出正弦波的仿真结果；

(5)设计以上电路工作电源：

A.画出电源电路图；

B.写出电源电路工作原理、参数计算；

(6)制作实物；

2 设计方案

2.1 设计思路

2.1.1 方案一原理框图

图2-1 方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图

首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。

2.1.2 方案二原理框图

图2-2 正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图

RC 正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过RC 正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。

2.2 函数发生器的选择方案

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题未采用单片函数发生器模块8038。

方案一的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且

成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来

调整。而方案二，关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案一简单方便。综上所述，我们选择方案一。

2.3 实验器材

电阻，555定时器，滑动变阻器，电容，电解电容，二极管，晶体管，示波器，741及导线若干。

主要芯片的作用：

（1）555定时器：产生方波；

（2）741：将方波转换成三角波；

3 硬件电路设计

3.1 555定时器的介绍

555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS 定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为318V，最大负载电流在4mA以下。

3.2 电路组成

（1）图3-2，图3-3为555集成定时器555定时器的内部逻辑图和引脚图，其由五个组成：

（2）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；

（3）两个电压比较器C1和C2：

图3-1 电气原理图

v+＞v－，vo=1；

v+＜v－，vo=0。

（3）基本RS触发器；

（4）放电三极管T及缓冲器G

图3-2 555定时器内部逻辑图图3-3引脚图

3.3 引脚的作用

1引脚：接地端，与地相接；

2引脚：触发输入端；

3引脚: 电压输出端；

4引脚：RD复位端：当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5引脚: 电压控制端；若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6引脚: 阈值输入端；

7引脚：放电端；

8引脚：电源输入端。外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

3.4 基本功能

当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31

（1）当vI1>，vI2>时，比较器 C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS 触发器被臵0，放电三极管T 导通，输出端vO 为低电平。

（2）当vI1<，vI2<时，比较器 C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS 触发器被臵1，放电三极管T 截止，输出端vO 为高电平。

（3）当vI1<，vI2>时，比较器 C1输出高电平，C2也输出高电平，即基本RS 触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。

由于阈值输入端(vI1) 为高电平（>

）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH ）。

因为触发输入端(vI2)为低电平（<

）时，定时器输出高电平，因此也将

该端称为低触发端（TL ）。

如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～VCC 之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。

另外，RD 为复位输入端，当RD 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo 为低电平，即RD 的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。 555定时器功能如表3-1

表3-1 555定时器功能表

4 主要参数计算与分析

4.1 由555定时器产生方波

图4-1 方波产生电路

当电容C1被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通+12V电源后，电容C1被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C1通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。

电容器C1经R2，R3，他们此时所分的总阻值为R1向电容C1放电,放电所需的时间为：

tPL=R1*C1* ln2≈0.7* R1*C1；

当C1放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2所分得的阻值为R3向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为

tPH=R3*C2* ln2≈0.7*R3*C2；

当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为

f=1 / (tPL+tPH) ≈1.43 /[ (R1+R2) *C1]

稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C 开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图见图4-2。

图4-2 电路的电压波形图

4.2 由方波输出为三角波

图4-3 三角波的产生电路

图4-4 输入及输出电压波形

当741很大时，运放两输入端为"虚地"，忽略流入放大器的电流，令输入电压为Vi输出为Vo，流过电容C的电流为i1则，

有即输出电压与输入电压成积分关系。

当为固定值时

上式表明输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。当为矩形波时，便成为三角波。

4.3 由三角波输出正弦波

图4-5 正弦波的产生电路

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

Ic=I/[1+exp(-Uid/UT)]

I ——差分放大器的恒定电流；

UT ——温度的电压当量，当室温为25摄氏度时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

Uid(t)=[4*Um*(t-T/4)]/T (0<=t<=T/2)

Uid(t)=[-4*Um*(t-3*T/4)]/T (T/2<=t<=T) 式中 Um——三角波的幅度；

T——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，

（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。

（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中R5调节三角波的幅度，R9调整电路的对称性，其并联电阻R10用来减小差分放大器的线性区。电容C5为隔直电容，C8为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

隔直电容C5要取得较大，因为输出频率很低，取c5=500微法，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，c6,c7 可取得较小，一般为几十皮法至0.01微法。R9=100欧与R10=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。

5 软件设计

5.1 系统组成框图

图5-1 总体框图

5.2 元件清单

表5-1 电路图中的所有元件

6 调试过程

6.1 方波---三角波发生电路的安装与调试

6.1.1 按装方波——三角波产生电路

（1）把741集成块插入面包板，注意布局；

（2）分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

（3）按图接线，注意直流源的正负及接地端。

6.1.2 调试方波——三角波产生电路

（1）接入电源后，用示波器进行双踪观察；

（2）调节可调电阻R8，使三角波的幅值满足指标要求；

（3）调节可调电阻R5，微调波形的频率；

（4）观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。

6.2 三角波---正弦波转换电路的安装与调试

6.2.1 按装三角波——正弦波变换电路

（1）在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；

（2）搭生成直流源电路，注意各相关的阻值选取；

（3）接入各电容及电位器，注意滤波电容的选取；

（4）按图接线，注意直流源的正负及接地端。

6.2.2 调试三角波——正弦波变换电路

（1）接入直流源后，把C5接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；

（2）测试V1、V2的电容值，当不相等时调节R9使其相等；

（3）测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；

（4）在C5端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；

6.2.3 总电路的安装与调试

（1）把两部分的电路接好，进行整体测试、观察

（2）针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。

6.2.4 调试中遇到的问题及解决的方法

（1）方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。

（2）调试时没有波形出现。用万用表测量各个结点是否有电流通过，以便检查电路连接是否正常。

（3）调节电位器时，波形的没有任何变化。可能是电位器的连接方法有问题，也可能是电位器本身无法调节。

7 结论

为期两个星期的课程设计已经结束，在这两星期的学习、设计、焊接过程中我们感触颇深。使我们对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我们掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

通过对函数信号发生器的设计，我们还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我们不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我们感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！

其次，这次课程设计提高了我们团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。

在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啦。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。

还有就是在实验中，好多同学被电烙铁烫伤了，这不得不让我们想起安全问题，所以在以后的实验中我们应该注意安全，特别是在特殊的地方或者使用特殊工具时，如电烙铁，一定要特别注意，不让危险事故发生。

还有值得我们自豪的就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术，当然，我们也有很多不足的地方，浪费了很多材料，锡焊还不是很会用，焊接的很粗糙。

最后用一句话来结束吧：“实践是检验真理的唯一标准”。