波形发生器——方波三角波正弦波

简易波形发生器—方波三角波正弦波

   本实验试图以NE555定时器、电阻、电容等元件通过有效组合，制作一个波形发生器，通过示波器观察所得的信号波形。通过接入电阻不同的位置，使信号发生器分别输出正弦波、三角波和方波。

  大概的思路是以NE555定时器组成的多谐振荡器为核心，通过多谐振荡器产生方波，然后由RC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

总体流程

2.1总体设计流程

图1 总体设计流程框图

2.2总电路图

图2 函数发生器总电路图

2.3 仿真电路图

为了对本实验得到的波形作进一步验证，在仿真软件上进行电路仿真

图3 仿真电路图

3 基本原理

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。如下图为本组实验出现的正弦波波形畸变。

3.1 总电路图原理

  555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。由于R3+RP》R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源指示灯。

3.2 各组成部分原理

3.2.1方波发生电路的工作原理

图 由555定时器组成的多谐振荡器

  多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

  用555定时器组成的多谐振荡器接通电源后，电容C被充电，当电容C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= ( R3 +Rp) C2ln2

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp 向电容器C2充电，Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的时间为：

tpH= (R1+R3+ Rp) C2ln2=0.7( R1+R3+ Rp) C2

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。其震荡频率为：

f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R1+2R3+2Rp) C2

3.2.2三角波发生电路的工作原理

  RC积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。此外，RC积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。

  由555定时器组成的多谐振荡器输出的方波经C耦合输出，再经R与C积分，构成接近三角波。其基本原理是电容的充放电原理。

3.2.2正弦波发生电路的工作原理

图 低通滤波器将三角波变换为正弦波

  在三角波电压为固定频率或频率变化的情况下，要以低通滤波的方法将三角波变化为正弦波。

4 电路的实验结果及分析

  把电路板的电源接好，将输出端接示波器，进行整体测试、观察。针对其出现的问题，进行排查校验，使其满足实验要求。得到以下三个波形图，分别为方波、三角波、正弦波。

  实验结果分析：方波和三角波的波形比较好，正弦波的波形有毛刺和失真波形失真可通过调节RP，改变幅频、幅值大小。正弦波失真是因为积分电路中充放电的时间不够。