2015 年电赛测评试题——多种波形发生器
本次数模课程设计选择2015年全国电赛测试题作为题目要求，主要涉及555定时器、积分/微分电路和滤波器的设计与使用。另外，此电路将用于另一篇博文《接口课程设计——一种基于MFC的自动测量系统》的被测电路。
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特此感谢， 课程设计过程中陈老师给予的悉心指导和帮助！另外，感谢当时写报告时一份来自百度文库的报告参考，很多内容是从那边来的。
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。
关键字： 波形产生；分频；信号运算；信号处理
第一章 题目分析与方案设计
1.1 题目分析
1.1.1 明确题目要求
（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；
（5）产生输出频率为 250kHz，输出电压幅度峰峰值为 8V 的正弦波Ⅱ；
方波、三角波和正弦波的波形应无明显失真（使用示波器测量时）。频率误差不大于 5%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。
1.1.2 分析框图
1.2 方案设计
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 四通道运放构成的低通滤波器，得到 250k 峰峰值 8V 的正弦波 II。
第二章 多波形产生电路设计
2.1 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，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。
2.2 整体流程框图
如图 2-1 展示了此多波形产生电路的基本工作流程，经过仿真验证证明此电路的可行性。
第三章 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 3-2 所示，实测波形如图 3-3 所示。
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 20kHz-50kHz 连续可调的方波 I，且方波的幅度为 999.983mV。
所以该电路符合设计要求。
3.2 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。
74LS74 四分频电路原理如图 3-4 所示，仿真效果如图 3-5 所示 ，实测效果如图 3-6 所示。
3.3 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，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，其电路如图 3-7 所示。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换为三角波，积分电路原理如图 3-8 所示。
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 3-9 所示，实测波形如图 3-10 所示。
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3-10。
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，就是传中说的傅里叶分解。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 正弦波信号 I。仿真信号如图 3-11，实测信号如图 3-12。
3.5 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。本电路将通频带设置在 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 3-14 所示。
第四章 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 1kΩ，但 R1+R2 应小于 3.3MΩ。其输出信号的时间参数是：
T=tw1+tw2
tw1=0.7(R1+R2)C
tw2=0.7R2C
f=1/T
所以调节 R2 的阻值，就可以调节所产生方波的频率，然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 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。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。
4.3 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, 确定时间常数 τ=RC：τ 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 τ=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=1/（2πRC）
Vo=-(Vs/RC)*t=-(Vs/τ)t
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-30kHz 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：
Ao=Avf=1+Rf/R1
f=1/（2πRC）
4.5 带通滤波器
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 fo 处：
电压增益 Ao=B3/2B1
品质因数 ：3dB
带宽 B=1/（пR3C）
也可根据设计确定的 Q、fo、Ao 值，求出带通滤波器的各元件参数值。
R1=Q/（2пfoAoC）
R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC）
R3=2Q/（2пfoC）。
上式中， C 取 0.01Uf。带通滤波器亦可用于一般的选频放大。
第五章 实验结论
1.学生电源提供的电压对波形的影响
实物测试时由于电压有毛刺对波形稳定产生影响，为了上波形测试时稳定，采用了三节 18650 电池供电使输出波形较稳定，并且工作在电源提供的电压范围之内，否则会出现失真。并且仿真电路测试效果与实物测试相差甚大，所以电阻采用电位器测试，以便于调试。
2.单电源和双电源的区别及其对电路的影响
运放采用单电源供电时，积分电路不能工作，所以采用参考电压，以保证波形稳定，且振幅最大。
3.模块与模块之间的链接存在相互影响
虽然总体电路运行仿真成功，但是做成实物时，各功能模块的波形会受到其他模块的影响，失真交严重。处理办法是在各模块之间加入耦合电容。由于最后250kHz 正弦波，由于波形有毛刺，为了使波形稳定，串联进去一个磁珠，输出波形较为符合预期标准。所以整体电路设计符合设计目标。
4.软件仿真与实物有差别
仿真与实物效果相差甚远，需要耐心进行调试，有可能实物参数与仿真参数不符合，需要进行更换元件参数，然后再进行调试。
第六章 个人总结
此次电路课程设计，是一次不断发现问题、不断解决问题、不断领悟、不断获取的过程。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。同时，通过查阅相关资料解决所遇到的问题，也锻炼了我独立思考问题能力。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计，我了解了电子设计的一般步骤和设计中应注意的问题。简单完成课程设计本身并没有太大意义，但是对个人对待问题时的态度和处理事情的能力具有十分重要的训练意义。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书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，但可喜的是最终都得到了解决。
所遇到的问题： 所遇到的问题：
- 仪器使用上未注意到的点：信号发生器的输出端不能忘了按 Output Trigger这是最简单也是最容易范的问题。当信号的频率达到几十 KHz 的时候，示波器上需要看清楚时间轴是否为小单位（以 50us 合适）。
- 仿真电路调好后，波形和参数值都达到设计的要求，但最后实际焊接电路
板的时候，一些电路和电容的值无法实现。 - 在调试和测试的过程中，往往不能一次成功，这时候按照常规的测每个端点的波形与仿真波形不一致，多个变量下问题无法很快得到解决。
如何解决的：
- 合理规划实验板的焊接位置，布局规整有序。注意芯片引脚的排布、电子器件的极性可以更好的布局电路板。
- 电路设计规范。电源线统一用红色导线，地线统一用黑色导线，信号线用黄色和蓝色加以区别，这样可以减少电路设计时的不必要的麻烦。没做好一步最好做好笔记和标签。
- 仿真电路设计时，需要考虑现有器件中有的参数值，尽量减小误差。
- 设计报告的写作也是很重要的，一份好的设计报告能更好的与人交流，分享成果，以致为整个 project 的设计达到事半功倍的效果。
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。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于以后工作也有很大的帮助。
感谢这次课程，感谢陈老师和实验室同伴的指导帮助，让我顺利地完成了这次课程设计！
参考文献
- 华成英、童诗白，模拟电子技术基础，高等教育出版社，2015 年 7 月
- 阎石、王红，数字电子技术基础，高等教育出版社，20016 年 4 月
- 李瀚荪，电路分析基础，高等教育出版社，2012 年 10 月
- 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
- 康华光，电子技术基础，高教出版社，2006 年 1 月
附录
附录1 2015年全国大学生电子设计竞赛综合评测题
附录2 电路原理图
元件清单
附录3 PCB及实物照片
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