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标准版 【模拟电路】波形产生与变换设计(555+运放)

简介:设计一个方波产生电路,频率为2KHz,占空比为50%;并设计滤波器从方波获得的正弦波。

开源协议: GPL 3.0

发布时间: 2022-07-21 13:23:04
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描述

1 设计要求

        设计一个频率为2KHz,占空比为50%的方波并从方波通过滤波器产生正弦波的电路。

2 总体设计方案

        根据设计要求,需要先产生一个2KHz的方波,方波的产生可以通过555时基电路产生、或者使用门电路及RC电路组合产生、使用运算放大器与RC电路产生、也可以使用单片机产生一个PWM波形。该案例选用了简单稳定的555时基电路进行设计。正弦波可以由产生的方波通过一个二阶带通滤波器设计产生。电路系统框图如下所示:

        在对该项目进行设计之前需要了解电路设计的流程,大致可以分为以下几个阶段。该项目可以先进行仿真验证后再对原理图及PCB进行设计。

3 原理分析

3.1 方波产生电路

        使用555定时器产生一个频率和占空比可调的方波电路。555定时器因内部电压标准使用了3个5KΩ的电阻,所以取名为555芯片。555系列的芯片因为价格低廉,外围电路简单,常用于定时器、脉冲产生器以及振荡电路的设计,基于这些特点,555定时器应用十分广泛,在很多小设计中都能看到它的身影。

        使用555定时器可以搭建一个单稳态电路,如果需要在非稳态多谐振荡器工作,在每个周期连续触发,需要将2脚和6脚连接起来。如果想要做到占空比和频率都可以调整,那么可以使用两个可变电阻与两个二极管连接到电路中,如下图所示:

        当电源通电时,通过RP1和D1向C1进行充电,当电容充电到2/3VCC时开始放电,通过D2,RP2和RP1到7脚内部的放电管,当放电到1/3VCC时,往复充放电流程。

        根据公式可知频率和占空比由RP1和RP2值共同决定,调节RP1或RP2时,频率和占空比均有改变,调试方法为先调整RP2确定频率后再细调RP1,需要反复调节RP1和RP2,才能同时达到所要求的频率和占空比。

3.2 正弦波产生电路

        对方波进行傅里叶变换可知,方波是由多个幅值和频率不同的正弦波所组成的,带通滤波器的作用就是将需要的波形保留下来,把多余频率的波形滤除。根据设计要求可知可知二阶带通滤波器参数:中心频率为2KHz,增益为1,设定带宽为200Hz,可设计出相应电路。RP1是决定中心频率电阻,由于计算参数及元件误差,RP1用100Ω可调电阻代替。由于单电源供电,所以用R3和R4提升电压。

4 仿真图设计

4.1仿真图创建

        将立创EDA标准版模式切换到仿真模式,新建一个工程并命名为:波形产生与变换设计,将自动生成的图纸保存到工程文件夹中,命名为:波形产生与变换设计_Sim。

        在选择仿真器件时需要注意只能在仿真模式下的仿真基础库与仿真扩展库中的系统库器件进行调用,用户贡献的仿真库不确保能够正常仿真运行。在该项目中所有仿真器件都可以在仿真基础库中进行调用。在绘制仿真图时有以下几点注意事项:

(1)555定时器放置后可以单击选中后按键盘上的X键进行翻转,得到3脚朝右的样式;

(2)TL072运放在基础库中找到三端运算放大器,放置在图纸中后双击修改器件名称为TL072即可,同样可以使用X键或Y键进行翻转,便于接线;

(3)示波器连接输出接口可以用网络标签、网络端口或者直接接线三种方式;

(4)在进行仿真调试时,分步进行,先验证555多谐振荡器后再设计正弦波转换电路;

(5)参考图波形与要求不符,需自行调整滑动变阻器参数得到所需结果。

4.2仿真验证

        点击仿真后,使用示波器查看仪表功能观察波形情况,移动T1和T2时间轴,查看波形周期与频率大小,多次调整RX1和RX2的值得到所需结果。生成一个稳定的2KHz的方波后绘制正弦波转换电路,调整RX3,使得正弦波输出稳定。需要注意的是每次调整参数后需要重新点击运行仿真,运行仿真快捷键为F8。

5 原理图设计

5.1 添加原理图

        仿真验证通过后相信大家都迫不及待的想开始进行原理图的设计,不要急,需要先把仿真图保存后将仿真模式切换到标准模式才能进行原理图和PCB图的设计。由于一个工程中最终参与到PCB设计的器件来源于原理图中,仿真图中的器件不应该参与到PCB里面,在设计之前需要先对仿真图里的器件进行设置,