【正文】 廣 ,只要外圍電路稍作配置 ,即可構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器、多諧振蕩器或施密特觸發(fā)器 ,因而可在定時(shí)、檢測、控制、報(bào)警等方面。 555 定時(shí)器的工作原理工作原理 : 。其 電路圖與工作波形如下圖 1(a)(b)所示 : 圖 1 555 電路圖與工作波形 當(dāng)接通 VCC 后 ,VCC 經(jīng) R1 和 R2對 C充電。當(dāng) Uc上升到 2VCC/3 時(shí) ,Uo0,T 導(dǎo)通 ,C通過 R2和 T放電 ,Uc下降。當(dāng) Uc下降到 VCC/3時(shí) ,Uo又由 0變?yōu)?1,T截止 ,VCC又經(jīng) R1和 R2對 C充電。如此重復(fù)上述過程 ,在輸出端 Uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。 其第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度 tp1,即 uc 從 VCC/3 充電上升到 2VCC/3 所需的時(shí)間 : tp1≈ +R2C 第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬 度 tp2,即 uc 從 2VCC/3 放電下降到 VCC/3 所需的時(shí)間 : tp2≈ 振蕩周期 : T=tp1+tp2≈ +2R2C 根據(jù)以上公式 :將 R11k,R2 為滑動(dòng)變阻器 ,調(diào)節(jié) R2 的阻值即可改變振蕩周期與頻率。 這里是利用 NE555 定時(shí)器內(nèi)部的比較器和電容電阻的 RC 充放電來實(shí)現(xiàn)方波的輸出 ,555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器 ,可以調(diào)節(jié)頻率到 300K 赫茲左右的對稱的方波。用這個(gè)方案 ,成本低廉 ,性價(jià)比高 ,比較實(shí)現(xiàn)與方便 , 但是他的穩(wěn)定性受到了外部元器件的影響比較大 ,而且無負(fù)電壓輸出 ,它在振蕩頻率比較高時(shí)頻率 的穩(wěn)定性不夠。 石英晶振組成高穩(wěn)定度的頻率源 這里是使用石英晶振作為高穩(wěn)定度的頻率參考源 ,并且分頻與倍頻電路是由計(jì)數(shù)器和鎖相環(huán)來組成 ,以此產(chǎn)生 300K 赫茲的方波信號。使用該方法產(chǎn)生的方波信號穩(wěn)定度比較高 ,但是需要搭建石英晶體振蕩器電路 ,并且進(jìn)行鎖相環(huán)的分頻與倍頻設(shè)置 ,所需的電路較復(fù)雜 ,故不作考慮。 運(yùn)放非線性產(chǎn)生方波 該電路是簡單多謝震蕩電路 ,有良好的穩(wěn)定性 ,缺點(diǎn)主要是由于運(yùn)放的壓擺率不夠 ,轉(zhuǎn)化速率受壓擺率的影響。所以應(yīng)當(dāng)選用壓擺率較大的運(yùn)放 ,減少失真 ,TI公司的高速運(yùn)放 THS4011壓擺率比較高 ,是電壓型運(yùn)放 ,使用合適的阻容參數(shù) ,可以達(dá)到課題所需的 300 千赫茲的振蕩頻率方波。 本例采用第三種方案 ,電路的結(jié)構(gòu)簡單 ,產(chǎn)生的方波也比較穩(wěn)定 ,最符合題意要求。 使用晶振產(chǎn)生方波 本電路使用晶振外加邏輯芯片 74HC14 來產(chǎn)生方波 ,電路簡單 ,單產(chǎn)生的波形容易受到干擾而出現(xiàn)尖峰以及失真 ,故不采用本電路。 038 產(chǎn)生方波 038 是一種高精度的芯片 ,只需要很少的外圍電路就能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波、三角波以及正弦波。頻率范圍寬 ,本電路只需要 300K 赫茲的頻率 ,所以適 用于本設(shè)計(jì)電路 ,所產(chǎn)生波形穩(wěn)定可靠 ,基本無明顯失真 ,但是考慮到由于 038 市場價(jià)格比較貴 ,性價(jià)比就不是那么高了 ,因此 ,本方案待定 ,不做考慮。 分頻電路設(shè)計(jì)方案 方案一 :可以使用編程的方法來實(shí)現(xiàn)方波電路的分頻。他的原理和集成計(jì)數(shù)器相差不是很大 ,實(shí)現(xiàn)起來也十分的容易 ,但是編程分頻后得到的時(shí)鐘有可能會出現(xiàn)許多不穩(wěn)定的因素 ,如出現(xiàn)尖峰、失真等情況 ,這種方案適合于頻率要求不高的電路設(shè)計(jì) ,因此不采用此方案。 方案二 :使用數(shù)字電路來設(shè)計(jì)分頻電路 ,這里是通過數(shù)字芯片來實(shí)現(xiàn)的。此分頻電路利用 TI公司的計(jì)數(shù) \脈沖分 配器 CD4017B以及 D觸發(fā)器 CD4013B作為分頻電路 ,使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)對任意的整數(shù)頻率進(jìn)行分頻 ,電路結(jié)構(gòu)簡單 ,比較穩(wěn)定 ,所以根據(jù)系統(tǒng)要求 ,我選擇方案二 ,此方案容易實(shí)現(xiàn)分頻。 相移電路方案分析 移相是由于電路附帶的電容以及電感引起的 ,在方波 正弦波的轉(zhuǎn)換過程中 ,相移是在所難免的 ,這就要通過移相來解決附加相移。移相電路是對分頻濾波以后的各個(gè)諧波信號進(jìn)行相位的調(diào)整 ,使它們的相位關(guān)系能同步 ,因此本設(shè)計(jì)是根據(jù)相位超前與相位滯后的理論 ,分別設(shè)置積分電路與微分電路 ,根據(jù)需求 ,設(shè)計(jì)相應(yīng)的電 路滿足系統(tǒng)需要。 方案一 :在上述變換電路中曾出現(xiàn)過 RC 積分電路的應(yīng)用 ,則會產(chǎn)生一定的相移 ,為了使合成波形達(dá)到相位要求 ,必須實(shí)現(xiàn)三路波形同步 ,這里的移相電路便實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能 ,使用運(yùn)放做移相電路。此電路主要也運(yùn)用了電容的電流超前電壓 90 度這一特性。但其不是單純的無源電路而是結(jié)合了集成運(yùn)放的有源電路 ,其體積小、性能穩(wěn)定 ,輸入阻抗高 ,輸出阻抗低 ,由它組成的移相電路具有電路簡單、工作可靠、成本低、波形好、適應(yīng)性強(qiáng) ,而且可以提供 180176。的相移。 見圖 2所示。其中圖 2(a)實(shí)現(xiàn)滯后相移 90 o。圖 2(b)實(shí)現(xiàn) 超前相移 90 o。 圖 1(a)滯后電路 圖 1(b)超前電路 圖 2移相電路 方案二 :等幅移向電路 如圖 3 所示 ,為等幅移向電路 ,通過改變電阻 ,電容值可以使信號的相位移動(dòng) ,改變原有的相位 ,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)相位同步的目的。 圖 3 等幅移相電路 令 ,則輸出輸入的相位差為 ,下面是用 multisim 仿真等幅移相器的波形信號頻率假定為 f10k 赫茲 ,固定電容值為 ,改變的阻值 ,可以調(diào)整電路信號的相位 ,達(dá)到 相位同步的作用。 方案三 :使用數(shù)字移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)。主要分為兩類 :一類為是運(yùn)用直接數(shù)字式頻率合成技術(shù) DDS。一類是利用單片機(jī)計(jì)數(shù)延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn) 。一類是先將模擬信號或移相角數(shù)字化 ,經(jīng)移相后再還原成模擬信號。 DDS 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電路較為復(fù)雜 。以 D/A 轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)的移相 ,雖然所用元件少 ,但輸出信號的頻率難以細(xì)調(diào) ,特別是移相的最小單位太大 ,只適合于對頻率要求不高 ,且移相角度固定的場合 。以延時(shí)輸出方波的方式實(shí)現(xiàn)的移相 ,輸出信號的頻率以參考信號的頻率為準(zhǔn) ,而參考信號的頻率則可以精確給定 ,可用于對頻率要求高 ,且需無級移相 的場合 ,但其硬件電路比較復(fù)雜 ,綜合考慮不適合本設(shè)計(jì)需要。 根據(jù)題意可得 ,由于本電路設(shè)計(jì)的相位偏差不是很大 ,只需要細(xì)微的調(diào)整 ,所以選擇方案二等幅移相電路為本設(shè)計(jì)的移向方案 ,在不改變幅度的情況下 ,調(diào)整電路的相位。 波形變換電路分析 本設(shè)計(jì)有兩個(gè)地方需要進(jìn)行波形轉(zhuǎn)化 ,首先是將方波變成三角波 ,然后將三角波轉(zhuǎn)化成正弦波 ,這就需要一個(gè)濾波電路來完成。 由分頻電路產(chǎn)生的單極性方波需要經(jīng)過窄帶通濾波電路形成正弦波。其帶通的范圍很窄 ,要與各次諧波的頻率接近。 方案一 :使用由 LC 網(wǎng)絡(luò)組成的無源高 階巴特沃斯濾波器。其通帶內(nèi)相應(yīng)最為平坦 ,衰減特性和相位特性都很好 ,對器件的要求也不高。但其在低頻范圍內(nèi)有體積重量大 ,價(jià)格昂貴和衰減大等缺點(diǎn)。 方案二 :采用實(shí)時(shí) DSP 數(shù)字濾波技術(shù) ,數(shù)字信號靈活性大 ,可以在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上對信號進(jìn)行有效的濾波 ,但要進(jìn)行濾波 ,需要 A/D、 D/A 既有較高的轉(zhuǎn)換速率 ,處理器具有較高的運(yùn)算速度 ,成本高。 方案三 :以集成運(yùn)放為核心的有源濾波電路 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,所需元件少 ,成本低 ,且電路輸入阻抗高、輸出阻抗低 ,并有專門的設(shè)計(jì)軟件。所以根據(jù)實(shí)際情況 ,選擇方案三作為系統(tǒng)的濾波方 案。用集成運(yùn)放和 RC 網(wǎng)絡(luò)組成的二階有源濾波電路器的濾波效果更好 ,幅頻相應(yīng)更接近理想特性 ,此外 ,它還具有一定的增益。故方波轉(zhuǎn)三角波選此方案。 而三角波變正弦波采用無源 RC 濾波電路來完成 ,此電路的作用是濾除高頻信號 ,保留低頻信號 ,將三角波展開為傅里葉公式可知 ,三角波通過 RC 無源濾波電路后保留的是基波 ,濾除了高次諧波 ,得到基波的正弦波。 信號合成電路分析 運(yùn)放產(chǎn)生的方波信號在通過方波 三角波 正弦波的波形變換和移相以后 ,信號輸出的大小將有一定比例的衰減 ,在合成前是需要將各個(gè)諧波信號的幅值調(diào)整到要 求的大小 ,這樣才能使合成的波形無明顯失真。本設(shè)計(jì)采用的是由運(yùn)放構(gòu)成的反向比利運(yùn)算電路來實(shí)現(xiàn)波形大小的調(diào)整 ,采用的是反向疊加運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)方波信號合的成。 信號的檢測與顯示方案分析 信號的檢測和顯示部分用的是單片機(jī) MSP430 來完成的 ,由于檢測的信號最高頻率僅僅為 50KHz,檢測信號送到 MSP430 的 10 位 AD 轉(zhuǎn)換并換算 ,可以得到其幅值 ,將得到的幅值送給顯示器顯示。 顯示模塊 方案一 :使用液晶 LCD12864 作為顯示 液晶顯示屏 (LCD12864)是一種帶中文字庫的 ,具有四位或者八位 并行、兩線或三線串行的多種接口方式 ,它體積小、不耗電 ,能夠穩(wěn)定顯示不跳幀 ,屏幕面積大 ,畫質(zhì)清晰 ,分辨率為 128x64,其抗干擾的能力也很強(qiáng)等特點(diǎn)。 方案二 :數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管是一種由半導(dǎo)體組成的發(fā)光器件 ,他是是采用 BCD 編碼來顯示數(shù)字與字符 ,發(fā)光二極管是他的的基本單元。對其編程也相對容易 ,但是它