555定时器产生三种波形发生器讲解

目录摘要........................................................2第一章方案提出.............................................3第二章电路的基本组成及工作原理.............................4第一节系统组成框图......................................4第二节方波的产生........................................5第三节由方波输出为三角波（利用积分器来实现）............7第四节由三角波输出正弦波................................9第三章555定时器的介绍.....................................10第一节电路组成.........................................11第二节引脚的作用.......................................12第三节基本功能.........................................13第四章元件清单............................................15第五章总结................................................16附录及参考文献.............................................17第一节附录............................................17一多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器.........17二电路原理图.......................................19第二节参考文献........................................20摘要各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。波形产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转化成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，又称为振荡器或波形发生器。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。波形发生器通过与波形变换电路相结合，它能产生正弦波、矩形波、三角波和阶梯波等各种波形，能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器等。关键字：方案确定、参数计算、信号、发生器等。第一章方案提出三种波形都是比较简单且常见的波形，产生的方法由很多种，可以先产生方波，然后得到三角波和正弦波，也可以先得到正弦波，然后翻过来再输出另外两种波形;可以用集成芯片，同时也可以用运用各种元器件来实现振荡电路。（1）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器。（2）可以选用专门的函数信号发生器，如8038（3）由555定时器所构成的多谐振动器产生方波,方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。比较以上几种方案：（1）方案比较简单同时也能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。（2）它们虽然能够甚好的实现波形的产生但是功能较少，太单一。（3）过程相对来说比较繁琐，但是思路很明亮，同时，555定时器所构成的多谐振动器产生方波是一种和常用的信号产生器，很具有实用价值，同时，也很容易买到，同时选用改进的555多谐振荡形式产生方波可以通过调节可调电阻的阻值来调节产生方波的频率，产生的方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，可以有效地抑制零点漂移因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。因此，就我个人而言，选择第三种方案。用改进过的555多谐振荡形式产生方波，经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。电路图如下图.第二章电路的基本组成及工作原理由原理图可知该店路由三部分组成，555定时器构成多谐振动器、积分器、差分放大电路。第一节系统组成框图三角波方波正弦波555定时器积分网络差分放大电路图2.1.1总体框图第二节方波的产生有555定时器构成多谐振动器产生方波（如下图）1KR10.01uFC1Cap0.01uFC2CapTRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U?NE555N+12V1KR220KR23D1DiodeD2Diode20KR2120KR221KR3方波图2.2.1方波产生电路当电容c2被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通+12V电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器C经R2，R23，R21他们此时说分的总阻值设为R1’放电,放电所需的时间为：tPL=R1’Cln2≈0.7R1’C；当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R22、R21所分得的阻值为R2`向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为tPH=R2`Cln2≈0.7R2`C；当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为f=1/(tPL+tPH)≈1.43/[(R1’+R2’)C]稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图见图2.2.2。图2.2.2同时电路的频率可以通过调节电阻R21、R22、R23来改变电路的频率，从而使得电路的频率可以在一定的范围内进行调节。第三节由方波输出为三角波（利用积分器来实现）A-+0.01uFC3Cap10uFC4Cap0.01uFC5Cap三角波方波100K4图2.3.1波形发生器及图形如上图是一个由方波转换为三角波的电路图及其输出波形当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。当为矩形波时，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。第四节由三角波输出正弦波100R258KR102.7KR86.8KR11100R133.3KR95.6KR75.6KR6Q12N3904Q22N3904Q32N3904Q42N3904100uFC750uFC6Cap-12V+12V三角波正弦波50KR5ResTap100uFC8图2.4.1波形转换分析表明，传输特性曲线的表达式为：iC=aI/[1+exp(-Uid/UT)]I——差分放大器的恒定电流；UT——温度的电压当量，当室温为25oc时，≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为Uid(t)=[4*Um*(t-T/4)]/T(0=t=T/2)Uid(t)=[-4*Um*(t-3*T/4)]/T(T/2=t=T)式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C6,C7为隔直电容，C7为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。隔直电容C6、C7要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。RE13=100欧与R25=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。第三章555定时器的介绍555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。第一节电路组成图12.1-1为555集成定时器555定时器的电气原理图和电路符号，其由五个部分组成：（1）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；（2）两个电压比较器C1和C2：v+＞v－，vo=1；v+＜v－，vo=0。（3）基本RS触发器；（4）放电三极管T及缓冲器GCC&&&1RSTG5kΩ5kΩ5kΩ12VRvvvCCDICI1I2OOv,(1)(7)(2)(6)(5)(8)(4)(3)电源复位12658437Ov,vI2vI1vvICVCCvO555(a)(b)DR阈值输入控制电压触发输入放电端图3.1.1555定时器的电气原理图和电路符号(a)原理图（b）电路符号第二节引脚的作用1引脚：接地端，与地相接；2引脚：触发输入端；3引脚:电压输出端；4引脚：RD复位端：当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5引脚:电压控制端；若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。6引脚:阈值输入端；7引脚：放电端；8引脚：电源输入端。外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。一般用5V。第三节基本功能当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31（1）当vI1ccV32，vI2ccV31时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。（2）当vI1ccV32，vI2ccV31时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。（3）当vI1ccV32，vI2ccV31时，比较器C1输出高电平，C2也输出高电平，即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。由于阈值输入端(vI1)为高电平（ccV32）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。因为触发输入端(vI2)为低电平（ccV31）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（T