1. 多种波形发生电路
1.1 题目说明
1.1.1 可用器件
1 个 555 定时器芯片（每个 555 定时器芯片包含 1 个 555 定时器电路）、1 个 74LS74 芯片（每个 74LS74 芯片包含 2 个上升沿 D 触发器）和 1 个通用四运放 LM324 芯片（每个 LM324 芯片包含 4 个通用运算放大器）设计中可使用电阻、电容和电位器。555 定时器芯片、74LS74 芯片和 LM324芯片的数量不能超出题目要求，不能使用上述芯片以外的其它任何器件或芯片。
1.1.2 设计要求
1.五种波形的设计要求
（1）使用 555 时基电路产生频率为 20kHz-50kHz 连续可调，输出电压幅度为1V 的方波 I；
（2）使用上升沿 D 触发器，产生频率为 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度为 1V 的方波 II；
（3）使用上升沿 D 触发器，产生频率为 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的三角波；
（4）产生输出频率为 20kHz-30kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的正弦波 I；
（5）产生输出频率为 250kHz，输出电压幅度峰峰值为 8V 的正弦波 II。
方波、三角波和正弦波输出波形应无明显失真（使用仿真工具自带示波器测
量时）。频率误差不大于 5%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。
2．电源只能选用+10V 单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源。
3．要求预留方波 I、方波 II、三角波、正弦波 I、正弦波 II 和电源的测试端子。
4．每通道输出的负载电阻 600 欧姆应标示清楚、置于明显位置，便于检查。
1.1.3 设计方案论证
方波I由555时基电路产生；方波I经过74LS74的两个上升沿触发得到四分频后的方波II；方波II经过LM324构成的积分运算电路得到三角波；方波I通过LM324构成的低通滤波器滤出高次谐波得到正弦波I；50KHZ的方波I通过2个LM324构成的带通滤波器得到5次谐波-250KHZ的正弦波。
1.2 仿真电路设计
1.2.1 脉冲波发生器电路
1.2.1.1 方案介绍
本电路中的 脉冲波信号采用NE555定时器的定时器电路实现，可实现脉冲频率和占空比的调节。
NE555是常用的时基电路芯片，它结构简单，应用广泛，由分压器、比较器、R-S触发器、放电管和缓冲器组成。
图1.2.1.1 NE555内部电路
图1.2.1.2 NE555应用电路
接通电源后，电源通过R1和R2对电容C充电，当 Uc《1/3VCC时，振荡器输出OUTPUT=1，放电管截止。当UC充电到≥2/3VCC后，振荡器输出OUTPUT翻转成0，此时放电管导通，使放电端 （DIS） 接地，电容C通过 R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出OUTPUT又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端 （DIS）不接地，电源 VCC通过 R1和R2又对电容C充电，又使Uc 从1/3VCC上升到 2/3VCC， 触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。
脉冲宽度 TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定：TH=0.7（R1+R2）C，由电容C充电时间决定，脉冲周期 T≈TH+TL。根据题目要求，需要8KHZ-10KHZ的脉冲波，且脉冲的占空比可调整。
1.2.1.2 理论分析与计算
考虑频率指标：（为了避免占空比变化对频率的影响，选择R1《《R2，TL TH）
1.2.1.3 电路系统设计
根据电路频率需求，选择5K 的电位计作为调整频率的电阻，输出的电压经过电位计R5的分压，输出到下一级，经验证后电路图如下：
图1.2.1.3.1 555时基电路参数选择
1.2.1.4 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.1.4.1 通道1 方波I信号
1.2.2 四分频电路
1.2.2.1 电路系统设计
四分频电路采用的是两个74LS74N上升沿触发器，可实现4分频的效果，输出四分频后的信号在经过电位计R26分压输出，仿真电路图如下：
图1.2.2.1.1四分频电路
1.2.2.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.2.3.1 通道2四分频后的方波
1.2.3 三角波电路
1.2.3.1 方案介绍
由方波转为三角波需要积分电路来实现，本设计中采用LM324构成的积分运算电路来实现，可达到5KHZ-10KHZ，Vpp=5V方波输入，Vpp=3V三角波输出的结果。
下图为以集成运算放大器为核心元件的基本反相积分运算电路，输入电压uI经电阻R加至运算放大器的反相输入端，C为反馈电容，引入电压并联负反馈，R’为平衡电阻，uO为输出电压。
1.2.3.2 理论分析与计算
调节电容C，和电阻R的参数可以调节三角波的幅值，
这里选择C=50nF，可通过调节R使得输出三角波Vpp=3V，R’是平衡电阻，一般选择R’=R。RF是为了防止积分饱和和截止现象，一般取RF》10R。
1.2.3.3 电路系统设计
图1.2.3.3.1 积分电路
1.2.3.4 仿真方案与仿真测试结果
题目要求在5KHZ-10KHZ通频带内输出电压峰峰值变化小于5%，电路设计考虑这一限制，故选择时间常数使得积分电容在7.5KHZ左右饱和这一工作点进行，其中7.5KHZ输入、5KHZ输入、10KHZ输入分别如下，基本满足5%增益误差的要求。
图1.2.3.4.1 通道4 7.5KHZ输出三角波
图1.2.3.4.2 通道4 10KHZ输出三角波
图1.2.3.4.3 通道4 5KHZ输出三角波出现小部分饱和削顶
1.2.4 正弦波I电路
1.2.4.1 理论分析与计算
根据方波的傅里叶分解我们可以知道，以25KHZ，Vpp=5V的脉冲波为例，其是由27KHZ-Vpp=5V的基波，27KHZ、45KHZ、63KHZ……。等多次奇谐波组成的，为了得到Vpp=1V的基波，需要LM324构成的低通滤波器，实现20KHZ-30KHZ，AM=1的增益。
低通滤波器参数我采用的是TI公司的滤波器EDA软件FiterPro设计，滤波器参数设计如下图所示
图1.2.4.1.1 FilterPro 设置低通滤波器参数
1.2.4.2 电路系统设计
根据FiterPro给出的参数连接电路，经过调试后的电路如下：
图1.2.4.2.1 30KHZ低通滤波器Mutisim电路图
1.2.4.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.4.3 通道3 25KHZ正弦波I
1.2.5 正弦波II电路
1.2.5.1 理论分析与计算
输入的信号为Vpp=5V的50KHZ方波信号，250KHZ为5次谐波，峰峰值为1.2V，为了达到Vpp=9V，需要250KHZ增益约为8。
图1.2.5.1.1 输入50KHZ方波频谱分析
带宽可为100KHZ从而设置带通滤波器参数如下：
图2.2.5.1.2 FiterPro带通滤波器参数设置
图2.2.5.1.3 FiterPro提供的2阶带通滤波器电路参数
1.2.5.2 电路系统设计
带通滤波器输入信号为Vpp=5V频率为250KHZ的0-1方波信号，输出为250KHZ的正弦波信号。
图1.2.5.1 250KHZ带通滤波器电路
1.2.4.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.5.3.1 通道1 250KHZ正弦波II
1. 多种波形发生电路
1.1 题目说明
1.1.1 可用器件
1 个 555 定时器芯片（每个 555 定时器芯片包含 1 个 555 定时器电路）、1 个 74LS74 芯片（每个 74LS74 芯片包含 2 个上升沿 D 触发器）和 1 个通用四运放 LM324 芯片（每个 LM324 芯片包含 4 个通用运算放大器）设计中可使用电阻、电容和电位器。555 定时器芯片、74LS74 芯片和 LM324芯片的数量不能超出题目要求，不能使用上述芯片以外的其它任何器件或芯片。
1.1.2 设计要求
1.五种波形的设计要求
（1）使用 555 时基电路产生频率为 20kHz-50kHz 连续可调，输出电压幅度为1V 的方波 I；
（2）使用上升沿 D 触发器，产生频率为 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度为 1V 的方波 II；
（3）使用上升沿 D 触发器，产生频率为 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的三角波；
（4）产生输出频率为 20kHz-30kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的正弦波 I；
（5）产生输出频率为 250kHz，输出电压幅度峰峰值为 8V 的正弦波 II。
方波、三角波和正弦波输出波形应无明显失真（使用仿真工具自带示波器测
量时）。频率误差不大于 5%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。
2．电源只能选用+10V 单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源。
3．要求预留方波 I、方波 II、三角波、正弦波 I、正弦波 II 和电源的测试端子。
4．每通道输出的负载电阻 600 欧姆应标示清楚、置于明显位置，便于检查。
1.1.3 设计方案论证
方波I由555时基电路产生；方波I经过74LS74的两个上升沿触发得到四分频后的方波II；方波II经过LM324构成的积分运算电路得到三角波；方波I通过LM324构成的低通滤波器滤出高次谐波得到正弦波I；50KHZ的方波I通过2个LM324构成的带通滤波器得到5次谐波-250KHZ的正弦波。
1.2 仿真电路设计
1.2.1 脉冲波发生器电路
1.2.1.1 方案介绍
本电路中的 脉冲波信号采用NE555定时器的定时器电路实现，可实现脉冲频率和占空比的调节。
NE555是常用的时基电路芯片，它结构简单，应用广泛，由分压器、比较器、R-S触发器、放电管和缓冲器组成。
图1.2.1.1 NE555内部电路
图1.2.1.2 NE555应用电路
接通电源后，电源通过R1和R2对电容C充电，当 Uc《1/3VCC时，振荡器输出OUTPUT=1，放电管截止。当UC充电到≥2/3VCC后，振荡器输出OUTPUT翻转成0，此时放电管导通，使放电端 （DIS） 接地，电容C通过 R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出OUTPUT又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端 （DIS）不接地，电源 VCC通过 R1和R2又对电容C充电，又使Uc 从1/3VCC上升到 2/3VCC， 触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。
脉冲宽度 TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定：TH=0.7（R1+R2）C，由电容C充电时间决定，脉冲周期 T≈TH+TL。根据题目要求，需要8KHZ-10KHZ的脉冲波，且脉冲的占空比可调整。
1.2.1.2 理论分析与计算
考虑频率指标：（为了避免占空比变化对频率的影响，选择R1《《R2，TL TH）
1.2.1.3 电路系统设计
根据电路频率需求，选择5K 的电位计作为调整频率的电阻，输出的电压经过电位计R5的分压，输出到下一级，经验证后电路图如下：
图1.2.1.3.1 555时基电路参数选择
1.2.1.4 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.1.4.1 通道1 方波I信号
1.2.2 四分频电路
1.2.2.1 电路系统设计
四分频电路采用的是两个74LS74N上升沿触发器，可实现4分频的效果，输出四分频后的信号在经过电位计R26分压输出，仿真电路图如下：
图1.2.2.1.1四分频电路
1.2.2.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.2.3.1 通道2四分频后的方波
1.2.3 三角波电路
1.2.3.1 方案介绍
由方波转为三角波需要积分电路来实现，本设计中采用LM324构成的积分运算电路来实现，可达到5KHZ-10KHZ，Vpp=5V方波输入，Vpp=3V三角波输出的结果。
下图为以集成运算放大器为核心元件的基本反相积分运算电路，输入电压uI经电阻R加至运算放大器的反相输入端，C为反馈电容，引入电压并联负反馈，R’为平衡电阻，uO为输出电压。
1.2.3.2 理论分析与计算
调节电容C，和电阻R的参数可以调节三角波的幅值，
这里选择C=50nF，可通过调节R使得输出三角波Vpp=3V，R’是平衡电阻，一般选择R’=R。RF是为了防止积分饱和和截止现象，一般取RF》10R。
1.2.3.3 电路系统设计
图1.2.3.3.1 积分电路
1.2.3.4 仿真方案与仿真测试结果
题目要求在5KHZ-10KHZ通频带内输出电压峰峰值变化小于5%，电路设计考虑这一限制，故选择时间常数使得积分电容在7.5KHZ左右饱和这一工作点进行，其中7.5KHZ输入、5KHZ输入、10KHZ输入分别如下，基本满足5%增益误差的要求。
图1.2.3.4.1 通道4 7.5KHZ输出三角波
图1.2.3.4.2 通道4 10KHZ输出三角波
图1.2.3.4.3 通道4 5KHZ输出三角波出现小部分饱和削顶
1.2.4 正弦波I电路
1.2.4.1 理论分析与计算
根据方波的傅里叶分解我们可以知道，以25KHZ，Vpp=5V的脉冲波为例，其是由27KHZ-Vpp=5V的基波，27KHZ、45KHZ、63KHZ……。等多次奇谐波组成的，为了得到Vpp=1V的基波，需要LM324构成的低通滤波器，实现20KHZ-30KHZ，AM=1的增益。
低通滤波器参数我采用的是TI公司的滤波器EDA软件FiterPro设计，滤波器参数设计如下图所示
图1.2.4.1.1 FilterPro 设置低通滤波器参数
1.2.4.2 电路系统设计
根据FiterPro给出的参数连接电路，经过调试后的电路如下：
图1.2.4.2.1 30KHZ低通滤波器Mutisim电路图
1.2.4.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.4.3 通道3 25KHZ正弦波I
1.2.5 正弦波II电路
1.2.5.1 理论分析与计算
输入的信号为Vpp=5V的50KHZ方波信号，250KHZ为5次谐波，峰峰值为1.2V，为了达到Vpp=9V，需要250KHZ增益约为8。
图1.2.5.1.1 输入50KHZ方波频谱分析
带宽可为100KHZ从而设置带通滤波器参数如下：
图2.2.5.1.2 FiterPro带通滤波器参数设置
图2.2.5.1.3 FiterPro提供的2阶带通滤波器电路参数
1.2.5.2 电路系统设计
带通滤波器输入信号为Vpp=5V频率为250KHZ的0-1方波信号，输出为250KHZ的正弦波信号。
图1.2.5.1 250KHZ带通滤波器电路
1.2.4.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.5.3.1 通道1 250KHZ正弦波II
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