2015 年電賽測評試題——多種波形發生器
本次數模課程設計選擇2015年全國電賽測試題作爲題目要求，主要涉及555定時器、積分/微分電路和濾波器的設計與使用。另外，此電路將用於另一篇博文《接口課程設計——一種基於MFC的自動測量系統》的被測電路。
對於想要獲取此設計報告word/PDF排版和“歷年綜合測評題題目及仿真”的同學，歡迎光顧小生寒舍 GitHub：https://github.com/ChromeWei?tab=repositories 也可到本平臺下載處下載，不過花費積分。
直接獲取方式：關注微信公衆號邁微電子研發社，回覆“電賽測評題”，獲取歷屆測評題及參考仿真文件。
特此感謝， 課程設計過程中陳老師給予的悉心指導和幫助！另外，感謝當時寫報告時一份來自百度文庫的報告參考，很多內容是從那邊來的。
摘要
模擬電路中，多種波形產生電路屬於信號的運算與處理電路，它主要由信號產生電路、信號運算電路、信號處理電路構成。555 定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規模集成器件，可通過一定數目的電容、電阻構成多諧振盪器。74LS74 是一種上升沿雙 D 觸發器芯片，可以對信號分頻處理。LM324 爲四通道運放集成芯片，可以構成信號基本運算電路。
本設計的基本目標：使用 555 多諧振盪器產生方波作爲信號源，由 74LS74對信號進行四分頻處理，由 LM324 四運放芯片對信號分別獨立進行積分運算、低通濾波運算，帶通濾波運算從而得到所需波形。通過理論計算分析，最終實現規定的電路要求，並做成實物，經過反覆檢測，符合設計要求。
關鍵字： 波形產生；分頻；信號運算；信號處理
第一章 題目分析與方案設計
1.1 題目分析
1.1.1 明確題目要求
（1）使用 555 時基電路產生頻率 20kHz-50kHz 連續可調，輸出電壓幅度爲1V 的方波Ⅰ；
（2）使用數字電路 74LS74，產生頻率 5kHz-10kHz 連續可調，輸出電壓幅度爲 1V 的方波Ⅱ；
（3）使用數字電路 74LS74，產生頻率 5kHz-10kHz 連續可調，輸出電壓幅度峯峯值爲 3V 的三角波；
（4）產生輸出頻率爲 20kHz-30kHz 連續可調，輸出電壓幅度峯峯值爲 3V 的正弦波Ⅰ；
（5）產生輸出頻率爲 250kHz，輸出電壓幅度峯峯值爲 8V 的正弦波Ⅱ；
方波、三角波和正弦波的波形應無明顯失真（使用示波器測量時）。頻率誤差不大於 5%；通帶內輸出電壓幅度峯峯值誤差不大於 5%。
1.1.2 分析框圖
1.2 方案設計
使用555和外圍電路構成多諧振盪器，產生20kHz-50kHz的方波作爲信號源，利用此方波作爲基本信號。
將基本信號通過電阻分壓可得到電壓幅度 1V、20kHz-50kHz連續可調的方波I；
將基本信號通過74LS74雙D觸發器進行四分頻，然後電阻分壓得到 5kHz-10kHz 連續可調電壓幅度爲 1V 的方波 II；
將方波 II 通過由 LM324 四通道運放構成的積分電路，得到 5kHz-10kHz 連續可調電壓幅度峯峯值爲 3V 的三角波；
將方波 I 通過由 LM324 四通道運放構成的低通濾波器，得到 20kHz-50kHz 連續可調電壓幅度峯峯值爲 3V 的正弦波 I；
將基本信號固定頻率，然後通過由 LM324 四通道運放構成的帶通濾波器，得到 250 kHz 左右的正弦波，再通過由 LM324 四通道運放構成的低通濾波器，得到 250k 峯峯值 8V 的正弦波 II。
第二章 多波形產生電路設計
2.1 設計原理
555 多諧振盪器：電源接通時，555 的 3 腳輸出高電平，同時電源通過 R1R2向電容 c 充電，當 c 上的電壓到達 555 集成電路 6 腳的閥值電壓（2/3 電源電壓）時，555 的 7 腳把電容裏的電放掉，3 腳由高電平變成低電平。當電容的電壓降到 1/3 電源電壓時，3 腳又變爲高電平，同時電源再次經 R1R2 向電容充電。這樣周而復始，形成振盪。
74LS74 四分頻：74LS74 是個雙 D 觸發器，把其中的一個 D 觸發器的 Q 非輸出端接到 D 輸入端，時鐘信號輸入端 CLOCK 接時鐘輸入信號，這樣每來一次 CLOCK脈衝，D 觸發器的狀態就會翻轉一次，每兩次 CLOCK 脈衝就會使 D 觸發器輸出一個完整的方波，這就實現了二分頻。把同一片 74LS74 上的兩路 D 觸發器串聯起來，其中一個 D 觸發器的輸出作爲另一個 D 觸發器的時鐘信號，這就實現了四分頻。
LM324:四通道運算放大器，與一定數目的電阻電容可以構成積分電路、低通濾波器、帶通濾波器，從而實現信號的運算處理。
2.2 整體流程框圖
如圖 2-1 展示了此多波形產生電路的基本工作流程，經過仿真驗證證明此電路的可行性。
第三章 單元電路設計
3.1 555 多諧振盪器
由 555 定時器和外接元件 R1、R2 和 C 構成的多諧振盪器，2 腳與 6 腳直接相連，電路沒有穩態，只有兩個暫穩態，電路也不需要外加觸發信號，利用電源通過 R1、R2 向電容 C 充電，使電路產生震盪，電容在 1/3VCC 和 2/3VCC之間充電和放電，其仿真波形如圖 3-2 所示，實測波形如圖 3-3 所示。
調節電位器 R2 的阻值就可以調整所產生方波的頻率。外部元件的穩定性決定了多諧振盪器的穩定性，該電路用少量的元件就可以獲得高精度震盪頻率和較強的功率輸出能力，輸出的方波經過電阻分壓就得到了穩定的 20kHz-50kHz 連續可調的方波 I，且方波的幅度爲 999.983mV。
所以該電路符合設計要求。
3.2 74LS74 分頻電路
一個 74LS74 集成芯片有兩個 D 觸發器，一個 D 觸發器可以組成一個二分頻電路，把其中的一個 D 觸發器的 Q 非輸出端接到 D 輸入端，時鐘信號輸入端 CLOCK接時鐘輸入信號，這樣每來一次 CLOCK 脈衝，D 觸發器的狀態就會翻轉一次，每兩次CLOCK脈衝就會使D觸發器輸出一個完整的正方波，這就實現了信號二分頻。二分頻電路輸入信號過零上升沿每到來一次二分頻器狀態翻轉一次便可得到二分頻，把兩個 D 觸發器串聯起來，就是四分頻電路。於是基本方波信號就被分頻成了 5kHz-10 kHz 的方波，然後經過分壓電路，就得到 5kHz-10 kHz 的方波幅值爲 1V 的方波 II。
74LS74 四分頻電路原理如圖 3-4 所示，仿真效果如圖 3-5 所示 ，實測效果如圖 3-6 所示。
3.3 積分電路
積分電路可以用來進行波形變換 ， 由於交流信號需要和偏置電壓複合，以偏置電壓爲參考點，交流信號分別位於正負半周，爲了使積分輸出的波形更穩定，也爲了使電路輸出振幅符合題意要求，需要設置參考電壓。這裏設置的參考電壓爲 2.5V，由於只有 10V 單電源供電，選用 5V 穩壓管，將電壓穩到 5V，然後進行分壓，從而得到 2.5V 參考電壓，其電路如圖 3-7 所示。積分電路是使輸出信號與輸入信號的時間積分值成比例的電路，積分電路可將矩形脈衝波轉換爲三角波，積分電路原理如圖 3-8 所示。
電路將 5kHz-10kHz 連續可調的方波進行積分，得到 5kHz-10kHz 峯峯值 3V的三角波，其仿真波形如圖 3-9 所示，實測波形如圖 3-10 所示。
3.4 低通濾波器
低通濾波器由兩節 RC 濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點。低通濾波器是容許低於截止頻率的信號通過， 但高於截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。低通濾波器的作用是抑制高頻信號，通過低頻信號。簡單理解，可認爲是通低頻、阻高頻。低通濾波器包括有源低通濾波器和無源低通濾波器，無源低通濾波器通常由電阻、電容組成，也有采用電阻、電感和電容組成的。有源低通濾波器一般由電阻、電容及運算放大器構成，這裏所用的是有緣低通濾波器。低通濾波器電路圖如圖3-10。
任何週期信號，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。而貫穿時域與頻域的方法之一，就是傳中說的傅里葉分解。此處 20kHz-30kHz 的方波信號就可以用低通濾波器將其中的正弦波分離出來然後得到電壓峯峯值爲 3V、連續可調的 20kHz-30kHz 正弦波信號 I。仿真信號如圖 3-11，實測信號如圖 3-12。
3.5 帶通濾波器
帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備，也就是通過某一頻率範圍內的頻率分量、但將其他範圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器。任何一個週期信號都可以展開成傅里葉級數，也就是若干次正弦波之和，根據這一原理，可以用帶通濾波器，將頻帶設置在 250kHz 左右就可以。本電路將通頻帶設置在 250kHz+20Hz 之間，得到諧波分量，然後再用低通濾波器將高於 250kHz 的諧波分量濾除，即得到 250kHz 的正弦波分量。此處帶通濾波器和低通濾波器共同工作對 50kHz 的方波進行選擇分離，得到固定頻率 250kHz 峯峯值 8V 的正弦波。電路如圖 3-14 所示。
第四章 元件參數選擇
4.1 555 多諧振盪器
555 電路要求 R1、R2 均應大於或等於 1kΩ，但 R1+R2 應小於 3.3MΩ。其輸出信號的時間參數是：
T=tw1+tw2
tw1=0.7(R1+R2)C
tw2=0.7R2C
f=1/T
所以調節 R2 的阻值，就可以調節所產生方波的頻率，然後調節輸出端的滑動變阻器就可以調節所產生方波的幅值。
4.2 74LS74 分頻器
分頻就是用同一個時鐘信號通過一定的電路結構轉變成不同頻率的時鐘信號。四分頻就是通過有分頻作用的電路結構，在時鐘每觸發 4 個週期時，電路輸出 1 個週期信號。用一個脈衝時鐘觸發一個計數器，計數器每計 4 個數就清零一次並輸出 1 個脈衝，那麼這個電路就實現了四分頻功能。
Cp 接時鐘，Q=1,D=/Q=OUT,R=S=0(接地)，就是 Q 端接高電平，D 端接 Q非，值位復位端都接地。這就組成了一個二分頻 D 觸發器，兩個 D 觸發器串聯，就構成了四分頻器。
4.3 積分電路
若要進行積分電路信號的積分運算，可選用基本積分電路。
首先, 確定時間常數 τ=RC：τ 的大小決定了積分速度的快慢。
其次, 選擇電路元件：當時間常數 τ=RC 確定後，就可以選擇 R 和 C 的值，
積分電路的輸入電阻 Ri=R，因此往往希望 R 的值大一些。
最後,確定 RP、Rf：RP 爲靜態平衡電阻，用來補償偏置電流所產生的失調;在積分電容的兩端並聯一個電阻 Rf，防止積分漂移所造成的飽和或截止現象。
於是得到計算公式：
f=1/（2πRC）
Vo=-(Vs/RC)*t=-(Vs/τ)t
4.4 低通濾波器
低通濾波器是有兩節 RC 濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點就是輸入阻抗高，輸出阻抗低。低通濾波器是容許低於截止頻率的信號通過， 但高於截止頻率的信號不能通過的濾波裝置。20kHz-30kHz 的方波經過低通濾波器後可以將 20kHz-30kHz 正弦波過濾出來。
低通濾波器的通帶電壓增益：
Ao=Avf=1+Rf/R1
f=1/（2πRC）
4.5 帶通濾波器
帶通濾波器的帶寬爲上限截止頻率與下限截止頻率之差。在有源帶通濾波器的中心頻率 fo 處：
電壓增益 Ao=B3/2B1
品質因數 ：3dB
帶寬 B=1/（пR3C）
也可根據設計確定的 Q、fo、Ao 值，求出帶通濾波器的各元件參數值。
R1=Q/（2пfoAoC）
R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC）
R3=2Q/（2пfoC）。
上式中， C 取 0.01Uf。帶通濾波器亦可用於一般的選頻放大。
第五章 實驗結論
1.學生電源提供的電壓對波形的影響
實物測試時由於電壓有毛刺對波形穩定產生影響，爲了上波形測試時穩定，採用了三節 18650 電池供電使輸出波形較穩定，並且工作在電源提供的電壓範圍之內，否則會出現失真。並且仿真電路測試效果與實物測試相差甚大，所以電阻採用電位器測試，以便於調試。
2.單電源和雙電源的區別及其對電路的影響
運放採用單電源供電時，積分電路不能工作，所以採用參考電壓，以保證波形穩定，且振幅最大。
3.模塊與模塊之間的鏈接存在相互影響
雖然總體電路運行仿真成功，但是做成實物時，各功能模塊的波形會受到其他模塊的影響，失真交嚴重。處理辦法是在各模塊之間加入耦合電容。由於最後250kHz 正弦波，由於波形有毛刺，爲了使波形穩定，串聯進去一個磁珠，輸出波形較爲符合預期標準。所以整體電路設計符合設計目標。
4.軟件仿真與實物有差別
仿真與實物效果相差甚遠，需要耐心進行調試，有可能實物參數與仿真參數不符合，需要進行更換元件參數，然後再進行調試。
第六章 個人總結
此次電路課程設計，是一次不斷髮現問題、不斷解決問題、不斷領悟、不斷獲取的過程。最終的檢測調試環節，更進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。同時，通過查閱相關資料解決所遇到的問題，也鍛鍊了我獨立思考問題能力。雖然這只是一次簡單的課程設計，但通過這次課程設計，我瞭解了電子設計的一般步驟和設計中應注意的問題。簡單完成課程設計本身並沒有太大意義，但是對個人對待問題時的態度和處理事情的能力具有十分重要的訓練意義。
回顧起此課程設計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正爲社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。
在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。
所遇到的問題： 所遇到的問題：
- 儀器使用上未注意到的點：信號發生器的輸出端不能忘了按 Output Trigger這是最簡單也是最容易範的問題。當信號的頻率達到幾十 KHz 的時候，示波器上需要看清楚時間軸是否爲小單位（以 50us 合適）。
- 仿真電路調好後，波形和參數值都達到設計的要求，但最後實際焊接電路
板的時候，一些電路和電容的值無法實現。 - 在調試和測試的過程中，往往不能一次成功，這時候按照常規的測每個端點的波形與仿真波形不一致，多個變量下問題無法很快得到解決。
如何解決的：
- 合理規劃實驗板的焊接位置，佈局規整有序。注意芯片引腳的排布、電子器件的極性可以更好的佈局電路板。
- 電路設計規範。電源線統一用紅色導線，地線統一用黑色導線，信號線用黃色和藍色加以區別，這樣可以減少電路設計時的不必要的麻煩。沒做好一步最好做好筆記和標籤。
- 仿真電路設計時，需要考慮現有器件中有的參數值，儘量減小誤差。
- 設計報告的寫作也是很重要的，一份好的設計報告能更好的與人交流，分享成果，以致爲整個 project 的設計達到事半功倍的效果。
課程設計誠然是一門專業課，給我很多專業知識以及專業技能上的提升，不僅培養了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是以後最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對於以後工作也有很大的幫助。
感謝這次課程，感謝陳老師和實驗室同伴的指導幫助，讓我順利地完成了這次課程設計！
參考文獻
- 華成英、童詩白，模擬電子技術基礎，高等教育出版社，2015 年 7 月
- 閻石、王紅，數字電子技術基礎，高等教育出版社，20016 年 4 月
- 李瀚蓀，電路分析基礎，高等教育出版社，2012 年 10 月
- 李銀華，電子線路設計指導，北京航空航天大學出版社，2005 年 6 月
- 康華光，電子技術基礎，高教出版社，2006 年 1 月
附錄
附錄1 2015年全國大學生電子設計競賽綜合評測題
附錄2 電路原理圖
元件清單
附錄3 PCB及實物照片
上一篇：開篇序——一篇來自電子信息專業普通本科生的項目實踐分享
下一篇：半定製器件課程設計——基於FPGA的PS2鍵盤人機輸入顯示系統
歡迎各位訂閱我，謝謝大家的點贊和專注！我會繼續給大家分享我大學期間詳細的實踐項目。
