作者：立創EDA
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簡介

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一個方波產生電路，頻率為2KHz，占空比為50%；并設計濾波器從方波獲得的正弦波。

1、設計要求

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設計一個頻率為2KHz，占空比為50%的方波并從方波通過濾波器產生正弦波的電路。

2、 總體設計方案

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根據設計要求，需要先產生一個2KHz的方波，方波的產生可以通過555時基電路產生、或者使用門電路及RC電路組合產生、使用運算放大器與RC電路產生、也可以使用單片機產生一個PWM波形。該案例選用了簡單穩定的555時基電路進行設計。正弦波可以由產生的方波通過一個二階帶通濾波器設計產生。電路系統框圖如下所示：

在對該項目進行設計之前需要了解電路設計的流程，大致可以分為以下幾個階段。該項目可以先進行仿真驗證后再對原理圖及PCB進行設計。

3 、原理分析

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3.1、方波產生電路

使用555定時器產生一個頻率和占空比可調的方波電路。555定時器因內部電壓標準使用了3個5KΩ的電阻，所以取名為555芯片。555系列的芯片因為價格低廉，外圍電路簡單，常用于定時器、脈沖產生器以及振蕩電路的設計，基于這些特點，555定時器應用十分廣泛，在很多小設計中都能看到它的身影。
使用555定時器可以搭建一個單穩態電路，如果需要在非穩態多諧振蕩器工作，在每個周期連續觸發，需要將2腳和6腳連接起來。如果想要做到占空比和頻率都可以調整，那么可以使用兩個可變電阻與兩個二極管連接到電路中，如下圖所示：

當電源通電時，通過RP1和D1向C1進行充電，當電容充電到2/3VCC時開始放電，通過D2，RP2和RP1到7腳內部的放電管，當放電到1/3VCC時，往復充放電流程。

根據公式可知頻率和占空比由RP1和RP2值共同決定，調節RP1或RP2時，頻率和占空比均有改變，調試方法為先調整RP2確定頻率后再細調RP1，需要反復調節RP1和RP2，才能同時達到所要求的頻率和占空比。
3.2 正弦波產生電路
對方波進行傅里葉變換可知，方波是由多個幅值和頻率不同的正弦波所組成的，帶通濾波器的作用就是將需要的波形保留下來，把多余頻率的波形濾除。根據設計要求可知可知二階帶通濾波器參數：中心頻率為2KHz，增益為1，設定帶寬為200Hz，可設計出相應電路。RP1是決定中心頻率電阻，由于計算參數及元件誤差，RP1用100Ω可調電阻代替。由于單電源供電，所以用R3和R4提升電壓。

4、仿真圖設計

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4.1 仿真圖創建
將立創EDA標準版模式切換到仿真模式，新建一個工程并命名為：波形產生與變換設計，將自動生成的圖紙保存到工程文件夾中，命名為：波形產生與變換設計_Sim。

在選擇仿真器件時需要注意只能在仿真模式下的仿真基礎庫與仿真擴展庫中的系統庫器件進行調用，用戶貢獻的仿真庫不確保能夠正常仿真運行。在該項目中所有仿真器件都可以在仿真基礎庫中進行調用。在繪制仿真圖時有以下幾點注意事項：

（1）555定時器放置后可以單擊選中后按鍵盤上的X鍵進行翻轉，得到3腳朝右的樣式；

（2）TL072運放在基礎庫中找到三端運算放大器，放置在圖紙中后雙擊修改器件名稱為TL072即可，同樣可以使用X鍵或Y鍵進行翻轉，便于接線；

（3）示波器連接輸出接口可以用網絡標簽、網絡端口或者直接接線三種方式；

（4）在進行仿真調試時，分步進行，先驗證555多諧振蕩器后再設計正弦波轉換電路；

（5）參考圖波形與要求不符，需自行調整滑動變阻器參數得到所需結果。

4.2仿真驗證
點擊仿真后，使用示波器查看儀表功能觀察波形情況，移動T1和T2時間軸，查看波形周期與頻率大小，多次調整RX1和RX2的值得到所需結果。生成一個穩定的2KHz的方波后繪制正弦波轉換電路，調整RX3，使得正弦波輸出穩定。需要注意的是每次調整參數后需要重新點擊運行仿真，運行仿真快捷鍵為F8。

5 、原理圖設計

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5.1 添加原理圖
仿真驗證通過后相信大家都迫不及待的想開始進行原理圖的設計，不要急，需要先把仿真圖保存后將仿真模式切換到標準模式才能進行原理圖和PCB圖的設計。由于一個工程中最終參與到PCB設計的器件來源于原理圖中，仿真圖中的器件不應該參與到PCB里面，在設計之前需要先對仿真圖里的器件進行設置，將里面的器件設為不轉到PCB和不加入BOM，這點非常重要！然后選擇之前創建的工程文件夾，右鍵，新建原理圖，對創建的圖紙進行命名為：波形產生與變換設計_SCH，這樣一個工程下面就有一個仿真圖文件與一個原理圖文件了，接下來請開始原理圖的設計。

5.2 電源輸入電路
該案例電源輸入范圍可以在直流9V至12V，輸入方式設置了DC插座輸入、接線端子輸入以及排針輸入三種方式，適應不同場景的電源供電，也可根據實驗室情況自行修改供電方式，在使用時接一路作為輸入即可，切勿多路電源同時輸入。

三種輸入方式分別接上VCC_IN和GND的電氣符號，通過D1二極管后輸出VCC給系統進行供電，二極管D1起著防反接的作用，避免上面芯片燒毀。用一個限流電阻和LED燈設計一個簡單的電源指示電路。當電路通電時，LED點亮。該部分器件都可以在標準模式下的基礎庫中進行調用。VCC_IN電氣符號可以通過放置一個VCC符號后修改名稱得到，作用于網絡標簽與網絡端口一致，起著給導線命名的作用。電路連接如下圖所示：

5.3 555多諧振蕩器電路
在原理圖中放置脈寬和頻率可調方波電路時除了NE555外，其它元器件都可以在標準模式下的基礎庫中進行調用，對于初學者來說可以按以下封裝進行選擇型號進行放置：

在放置NE555這個器件的時候可以在元件庫中進行搜索選型，盡量找庫存充足且價格合適的型號，封裝優先選擇直插的。選中后放置在原理圖中的芯片引腳排列可能與參考圖不一致，不影響電路設計，保證連線準確即可。如何自定義修改符號引腳并保存調用請查看視頻教程。

5.4 二階帶通有源濾波器電路
在放置方波轉正弦波電路時核心器件為TL072這款芯片，可以在元件庫中直接搜索TL072IP（IP為芯片廠的標號），選擇立創商城庫別的TL072IP.2這個子庫進行調用，至于為什么不能用TL072IP.1，那就是因為.1的庫不帶電源引腳，當電路中需要兩路運放時，可以將.1和.2兩個子庫一起放置到原理圖中。

Vo1和Vo2是網絡端口，電阻電容及滑動變阻器選型都可以在基礎庫中調用，可以參考前面方波產生電路進行選擇，其中電阻選擇封裝為：R_AXIAL-0.4。具體元器件選型請查看視頻教程。

5.5 排針接口
為了便于電路測試，需要添加一些排針接口接到電路的輸出以及GND引腳，使用示波器勾住對應的排針即可進行測試。由于該電路中共兩路輸出，所以使用了四個2pin的排針，該器件在基礎庫中連接器類別的第一個，選擇封裝為HDR-M-2.54_1x2進行放置即可。每個排針分別接上GND或網絡端口與對應的電路進行連接。

5.6 元器件選型說明
每個元器件的符號選擇性很多，實際應用過程中需要考慮實用性以及可維護性進行選擇。作為一名電子工程師，我們應該在設計原理圖的時候進行選型。不同廠家提供的器件各有差異，所以最佳的器件選擇思路是在元件庫中搜索我們所需要的器件，選擇需要的封裝、廠商，查看所選器件的價格、品牌與庫存等相關信息。這里以NE555進行舉例，在立創EDA標準版的元件庫中搜索NE555，選擇合適的型號進行使用。搜索結果如下圖所示：

項目原理圖設計整理后如下所示：

6、PCB設計

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完成原理圖設計之后先注意檢查電路是否連接對，網絡是否有缺失沒有接上的情況。全部檢查無誤后點擊原理圖頂部菜單欄中的設計-原理圖轉PCB開始PCB的設計。

6.1 外形設計
生成PCB后需要設定一個PCB外形，外形的大小需要根據元器件的數量大小以及外殼或個人意愿進行設計，秉承著大小合適，美觀的原則，該項目可以設定一個長80mm，寬60mm的長方形作為PCB板的大小。注意在設計PCB外形時盡量不要超過10cm*10cm，超過后價格會稍微偏高。

6.2 元器件布局
原理圖中的器件轉到PCB后元器件布局比較亂，在設計PCB的第二步需要對元器件進行分類和布局，分類的依據是將各個電路模塊的器件放置到一起，使用立創EDA提供的布局傳遞功能可以很快地對每個電路模塊進行布局，注意接口器件應放置在板子邊緣，方便接線與操作。

6.3 PCB走線
來到這一步，再回頭看看你已經完成了波形產生與變換設計電路的仿真圖、原理圖和PCB元器件的布局，就差最后一個步驟：PCB走線。

PCB走線在設計雙層電路板時分為頂層走線和底層走線，其中頂層走線默認是紅色線，底層為藍色線，走線也就是在電路板中連接銅線。選擇層與元素中的層，然后將兩個相同網絡的焊盤連接起來就可以了。看似簡單的連連看，其實其中需要我們耐心的進行調整，元器件的擺放布局也會影響走線的難度。在該項目的走線中提供以下幾點參考建議：

（1）電源線設置為30mil，信號線設為20mil寬度

（2）走線使用底層走線，便于在校內自制PCB

（3）GND不用接線，使用底層覆銅即可

（4）走線過程中優先走直線，需要拐彎的地方以鈍角或圓弧拐彎為主

（5）完成走線后添加合適的絲印標記說明該PCB板的用途以及接口功能。

7 調試注意事項

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PCB設計完成之后導出Gerber文件到工廠進行PCB打樣，購買相關元器件后準備進行焊接調試。在焊接調試過程中有以下幾點注意事項：

（1）焊接過程中注意用電安全，手不要接觸到烙鐵頭，免得燙傷

（2）焊接過程中先按元器件的低到高進行焊接

（3）測試過程中先通電檢查電壓是否正常，然后逐級調試，先調整RP2與RP1產生穩定的2KHz，占空比50%的方波，使用示波器查看J3輸出的波形是否正常。然后再調整RP3使J5排針輸出穩定的2KHz正弦波。

至此，波形產生與變換-基于555與運放的設計項目流程結束。波形的產生變換實驗是模擬電路領域里面一個非常重要的內容，也在全國大學生電子設計大賽的綜合測評中作為賽事項目，感興趣的同學可以自行擴展其它波形產生與變換的方法，歡迎來到立創開源平臺上分享你的想法。

8、項目資料

工程：https://oshwhub.com/course-examples/bo-xing-chan-sheng-yu-bian-huan-she-ji-555-yun-fang

視頻：https://www.bilibili.com/video/BV1Qa411r7Gy

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【模拟电路】波形产生与变换设计（555+运放）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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