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可变占空比方波发生器的设计与应用
I
摘要
方波发生器在我们的学习生活中具有广泛的应用。在实验室中我们经常将方波作为信号源应用到各种电路中，同样在生活中，一些电子、电气设备的控制模块也需要方波，因此对于方波的产生与控制的研究具有现实意义。本文研究了可变占空比方波发生器的电路原理及组成结构，利用Multisim仿真工具进行电子电路的设计和仿真分析，并利用最终的设计方案进行简单应用分析。主要采用模拟电路、数字电路以及数模结合的方式进行设计，其中模拟电路主要是利用迟滞电压比较器，数字电路主要是利用555定时器。另外对于所设计电路产生方波信号占空比的改变，主要是通过控制电路中电阻R参数来相应进行调节。最终设计出集成运放电路方波发生器、555定时器方波发生器、555定时器+集成运放方波发生器三种设计方案。综合比较三种方案的优缺点，最终确定555定时器+集成运放方波发生器最为合适进行应用，并设计出LED灯光控制器、四相激励电机电路调速控制器、断线报警器等应用。
关键词：Multisim，方波发生器，占空比，迟滞电压比较器，555定时器
可变占空比方波发生器的设计与应用
II
ABSTRACT
Square wave generator has widely used in our study and life. In the lab, we often make square wave as signal source that is applied to various circuits. Meanwhile, some of the electrical and electronic equipment control module also need the square wave signal in our life. So, the research on the engendering and controlling of square wave has practical significance. This paper discusses the circuit’s principle and structure about the square wave generator of variable duty cycle, and the Multisim simulation tools is used to design electronic circuit and analyze simulation experiment result. Besides, the final design is used to make some simple application analysis. The paper mainly adopts artificial circuit, digital circuit and digilogue circuit. Artificial circuits mainly use the hysteresis voltage comparator, and the digital circuit mainly use the 555 timer. In addition, the circuit of design generates a square wave signal whose duty cycle is adjusted by the parameter of resistance R. Finally, I design three kinds of plans which comprise the square wave generator of integrated operational amplifier , the square wave generator of 555 timer and the square wave generator of integrated operational amplifier + 555 timer. Comparing the advantages and disadvantages of three kinds of solutions, I choose a design that is the square wave generator of integrated operational amplifier + 555 timer to make some applications. Finally, I design three applications which comprise LED lights controller, four-phases speed of motor controller and wire break alarm.
Key words:Multisim, square wave generator, duty cycle, the hysteresis voltage comparator,
555 timer
可变占空比方波发生器的设计与应用
III
目 录
1绪论 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.1 课题的背景 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.2 课题研究的现状与意义 ----------------------------------------------------------------------------------- 1 1.3 课题研究的内容与难点 ----------------------------------------------------------------------------------- 1
2 Multisim 软件的介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------- 3
2.1 Multisim简介 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.2 Multisim 软件发展 ----------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.3 Multisim 软件特点 ----------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.4 Multisim 软件的电路设计应用 ----------------------------------------------------------------------- 4 2.5 Multisim 软件的教学应用 ------------------------------------------------------------------------------ 5 2.6 Multisim 电路仿真步骤 ---------------------------------------------------------------------------------- 6
3 电路方案的设计 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
3.1 集成运放电路方波发生器 -------------------------------------------------------------------------------- 7 3.2 555定时器方波发生器 ------------------------------------------------------------------------------------ 9 3.3 555定时器+集成运放方波发生器 ------------------------------------------------------------------ 12
4 可变占空比方波发生器的仿真设计 ---------------------------------------------------------------- 14
4.1 集成运放电路方波发生器的仿真设计 ------------------------------------------------------------ 14 4.2 555定时器方波发生器的仿真设计 ---------------------------------------------------------------- 17 4.3 555定时器+集成运放方波发生器的仿真设计 ------------------------------------------------ 19
5 可变占空比方波发生器的应用 ------------------------------------------------------------------------ 23
5.1 应用一：LED灯光控制器 ------------------------------------------------------------------------------- 23 5.2 应用二：四相激励电机电路调速控制器 -------------------------------------------------------- 23 5.3 应用三：断线报警器 ------------------------------------------------------------------------------------- 26
6 结论 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27 参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 28 致 谢 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29
可变占空比方波发生器的设计与应用
1
1绪论
1.1 课题的背景
方波作为一种信号源，在我们的日常生活中经常用到。在步入二十世纪时，电子信息科学刚刚的发展时候，人们对于电子的认识还处于初级阶段，而此时电子科学家们已经看到方波发生器的广阔发展空间。尤其是方波作为信号源在电子设备中应用，对整个电子设备的发展起到巨大促进作用。
方波发生器的发展的初期，其被用作测试和检测的仪器，用于电路信号的检测和测量。但由于受限于基础科学的发展薄弱和基本元器件的生产与研发能力不足，方波发生器设备的体积较大，结构很复杂，功耗非常大，易损坏，所以初期发展较为缓慢。
随着电子技术快速发展，使得方波发生器朝着体积小，结构简单，多功能，智能化的方向不断进步。方波发生器的巨大进步，又使得方波发生器的应用进一步扩展，在电灯控制，电机变速调节，安防预警等多方面有着广阔的应用。
1.2 课题研究的现状与意义
方波经常被用作测试和测量电路信号，进行定性与定量分析，在实验室中是一种常用的测试工具。方波发生器的实现方法多种多样，主流的主要有两大类：一是采用分立元件的实现方式，具体是依靠模拟电路、数字电路、以及模拟和数字结合的集成电路来结构电路，实现方波的产生。其对于频率和波形的调节，依靠手动完成，往往架构的电路体积较大、可靠性与精度较差。二是采用单片函数发生器的实现方式，其具有可靠性好，波形可自动转换的优点，但其频率调整和精度无法保证。目前市场上常见的产品也主要是这两种类型，但都因其存在着缺点而无法满足人们需要[1]。
由于方波信号的特性具有较强的应用性，因此电子设备厂商经常利用方波的特性进行应用开发。现实中我们将方波发生器广泛应用到智能家居，电机调速控制，分频与定时处理，这些电路中方波信号都主要起到的控制作用，都主要利用方波信号的脉冲对电路进行控制，因此研究占空比的调节是方波发生器的关键。而可变占空比方波发生器经常是作为一些仪器仪表研发中的信号源，并且由于可变占空比方波作为高性能、高效率控制的不可或缺的信号，在电机控制、温度控制中的应用越来越广泛等原因下展开的。因此对可变占空比方波发生器加以进一步研究具有重要的意义。
1.3 课题研究的内容与难点
本次课题是设计一个可变占空比方波信号发生器，设计出可以产生出可变占空比方波信号的电路，并利用仿真软件Multisim 13进行电路设计、电气检查、仿真分析及性能测试，最终通过元器件的参数的控制实现占空比可调的方波发生器。