数字电路课程设计概论

信号产生与变换电路的设计

摘要：在工程技术研究中，经常需要对各种各样的电子信号进行变换和测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源是值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。信号产生与变换电路，能够给被测电路提供所需要的波形。本设计采用以555定时器为主的数字电路作为信号的产生源。由分立元件和模拟集成电路构成积分、滤波电路。在选用电阻的过程中，使用可调电阻，可改变信号产生于变换电路的系统参数，实现对电路波形的调节，具有灵活的功能，提高了设计的应用价值。

关键字信号产生信号变换

1、设计思路与整体框图

在本信号产生与变换电路中，要求使用555定时器和LM324产生四种波形，其中，方波、三角波、正弦基波，如图1所示。并要求能输出正弦三次谐波。且幅值大于等于500mv 。

方波

三角波正弦波

图1 设计电路中的波形

根据题目要求，本次设计的基本完成思路是，首先由555定时器组成多谐振荡器产生方波，然后由LM324组成有源积分电路将方波转化为三角波，最后用二阶有源带通滤波电路将方波转化为正弦波，最后，将方波引入另一个由LM324组成的二阶有源带通滤波电路中，得到三次谐波。如图2，为整体设计思路。

图2 信号产生与变换电路的整体设计思路

在电路的搭建与其间的选择上，将遵循以上设计思路，进行设计。

2、硬件电路设计

2.1 方波发生电路的设计与计算

方波产生电路的核心部分是，由555定时器组成的多谐振荡电路如图3所示。由于电路中的二极管1D 、2D 的单向导电性，使电容1C 的充放电回路分开，调节电位器3R 的值，就可调节多谐振荡器的占空比。cc V 通过1R 和3R 的一部分记为

12R 、1D 向电容1C 充电，充电时间为

1127.0C R t pH （2.1.1）

电容器1C 通过2D 、2R 和3R 的一部分记为22R 以及555中的三极管放电，放电时间为

1227.0C R t pH ≈ （2.1.2）

因而，振荡频率为

C

R R t t f pL pH )(43

.112212+≈+=

（2.1.3）

电路输出波形的占空比为

%100(%)22

1212

⨯+=

R R R q （2.1.4）

VCC

R350kΩ

Key=A

图3 555定时器组成的多谐振荡电路

为满足方波输出需求，需将占空比调至50%，取振荡频率为2KHz ，带入式（2.1.1—2.1.4）中，可以得出，12R 1C =22R 1C =410575.3-⨯S ，取12R =22R =35k Ω，

F 01.01u C =。为使占空比可调，选用两个10k Ω的电阻与一个50k Ω的可调电阻

串联。即可实现占空比可调，振荡频率为2KHz 。

2.2 三角波发生电路的设计与计算

对方波进行有源积分即可实现输出三角波。有源积分电路的电路图如图4所示，积分电路的工作原理如下：由于集成运放的反相输入端“虚地”与“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则c r i i -=，故,可得积分电路输入电压和输出电压的关系。该积分电路符合惯性环节的特征，令1R 与滑动变阻器6R 串联的等效电阻为61R 。故可以得出传递函数为：

1

1)1()

()

(3561561

3535+-

=+-=+

-==

Ts k

s C R R R R s

C R s

C R s U s U G r c s （2.2.1） 其中，

61

5

R R k =

（2.2.2） 35C R T = （2.2.3）

R5

图4 三角波发生电路

由于61R 可调，故可以改变放大倍数，实现对三角波的幅值可调。其中，时间常数T 由积分电路输入信号的周期决定。由于在积分的过程中，电压上升段与电压下降段的斜率是一样的，故可以输出三角波，而且幅值可调。

2.3 基波正弦波产生电路的设计与计算

三角波作为正弦波产生电路的输入信号。将输入的三角波信号进行带通滤波，通过一个二阶有源带通滤波电路，如图5所示，将三角波转化为基波正弦波。其中2R 与7C 组成低通网络，4C 与3R 组成高通网络，两者串联就组成了带通滤波电路，另一部分为同相比例放大电路。

VCC

图5 基波正弦波产生电路

为了计算的简便，设R R =1，R R 23=，则由KCL 方程可以算出带通滤波的传递函数为

()()

2

A 31A (s)A sCR sCR sCR

VF VF +-+=

（2.3.1） 式中VF A 为同向比例放大电路的电压增益，同样要求3A

()⎪⎪

⎪

⎪⎭⎪

⎪⎪⎪

⎬⎫-==-=

VF 00A 311A 3A A Q RC w VF VF （2.3.2）

则 ()2

000

1A s A ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++

=

w s Qw s

Qw s （2.3.3）

其中)RC w 10=，既是特征角频率，也是带通滤波电路的中心角频率。

令jw s =带入式（2.3.3），则有