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信号产生与变换电路的设计
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摘要:
通过555定时器构成多谐振荡器产生占空比为0.5的方波,然后分别通过积分、低通滤波、带通滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。放大器件为LM324N四路放大器。实验包括仿真与实际连线两步,仿真采用Multisim仿真软件,连线采用面包板。
1、设计思路与整体框图
根据题目要求,本次设计的基本完成思路是采用555定时器构成多谐振荡器产生占空比为0.5的方波,然后分别通过积分、低通滤波、带通滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。
整体框图如下:
图1 整体框图
2、硬件电路设计
2.1 方波发生电路的设计与计算
图2 方波产生电路
利用555与外围元件构成多谐振荡器,来产生方波的原理。用555定时器组成的多谐振荡器如图1所示。接通电源后,电容C2被充电,当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平,同时555内放电三极管T导通,此时电容C2通过R3、Rp放电,Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时,V0翻转为高电
平。电容器C2放电所需的时间为:
tpL= 0.7R2C2
当放电结束时,T截止,Vcc将通过R1、R3、Rp 向电容器C2充电,Vc由Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的时间为:
tpH=0.7R1C2
当Vc上升到2Vcc/3时,电路又翻转为低电平。如此周而复始,于是,在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图2,其震荡频率为:
f=1/(tpL+tpH)
图3 方波波形
2.2 三角波发生电路的设计与计算
图4 三角波产生电路
图5 三角波仿真波形图
如上图是一个由方波转换为三角波的电路图以及输出波形图,当A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vi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。当输入为矩形波时,输出便成为三角波。此外,由于电容和滑动变阻器的存在,使得输出的三角波在输入矩形波频率一定的时候也能适当调整,同时电容的存在,又滤除了其他波的干扰。提高了系统的抗干扰性。
2.3 基波正弦波产生电路的设计与计算
图6 正弦波电路
基波正弦波产生电路采用有源低通二阶滤波电路构成,二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC环节和反相比例放大电路构成。
其通带电压放大倍数:
其传递函数:
其中:Wo=1/RC 为截止角频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。
为品质因数,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
下图为输入方波,输出正弦波的设计电路及仿真波形。
图7 正弦仿真波形
2.4 3次正弦波产生电路的设计与计算
3倍频率的正弦波通过带通滤波器对输入的方波滤波,提取出三次谐波,经放大后输出为3倍频率正弦波。原理与2.3类似,但本实验为两RC电路分别构成低通高通滤波电路,级联,构成所谓的带通滤波电路,对电阻R及电容C进行调节,从而实现对实验要求的3次谐波的提取。
以下为原理图:
图8 三次谐波电路
仿真波形如下:
图9 三次谐波波形
通带增益:
品质因数:
F=2khz △F=0.8KHZ
电压增益:
中心频率:
令
则
故而可以得到中心频率的增益为:
而中心频率时有A0
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