【模拟电路】波形产生与变换设计（555+运放）

作者：立创EDA
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简介

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。

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，将里面的器件设为不转到PCB和不加入BOM，这点非常重要！然后选择之前创建的工程文件夹，右键，新建原理图，对创建的图纸进行命名为：波形产生与变换设计_SCH，这样一个工程下面就有一个仿真图文件与一个原理图文件了，接下来请开始原理图的设计。

5.2 电源输入电路
该案例电源输入范围可以在直流9V至12V，输入方式设置了DC插座输入、接线端子输入以及排针输入三种方式，适应不同场景的电源供电，也可根据实验室情况自行修改供电方式，在使用时接一路作为输入即可，切勿多路电源同时输入。

三种输入方式分别接上VCC_IN和GND的电气符号，通过D1二极管后输出VCC给系统进行供电，二极管D1起着防反接的作用，避免上面芯片烧毁。用一个限流电阻和LED灯设计一个简单的电源指示电路。当电路通电时，LED点亮。该部分器件都可以在标准模式下的基础库中进行调用。VCC_IN电气符号可以通过放置一个VCC符号后修改名称得到，作用于网络标签与网络端口一致，起着给导线命名的作用。电路连接如下图所示：

5.3 555多谐振荡器电路
在原理图中放置脉宽和频率可调方波电路时除了NE555外，其它元器件都可以在标准模式下的基础库中进行调用，对于初学者来说可以按以下封装进行选择型号进行放置：

在放置NE555这个器件的时候可以在元件库中进行搜索选型，尽量找库存充足且价格合适的型号，封装优先选择直插的。选中后放置在原理图中的芯片引脚排列可能与参考图不一致，不影响电路设计，保证连线准确即可。如何自定义修改符号引脚并保存调用请查看视频教程。

5.4 二阶带通有源滤波器电路
在放置方波转正弦波电路时核心器件为TL072这款芯片，可以在元件库中直接搜索TL072IP（IP为芯片厂的标号），选择立创商城库别的TL072IP.2这个子库进行调用，至于为什么不能用TL072IP.1，那就是因为.1的库不带电源引脚，当电路中需要两路运放时，可以将.1和.2两个子库一起放置到原理图中。

Vo1和Vo2是网络端口，电阻电容及滑动变阻器选型都可以在基础库中调用，可以参考前面方波产生电路进行选择，其中电阻选择封装为：R_AXIAL-0.4。具体元器件选型请查看视频教程。

5.5 排针接口
为了便于电路测试，需要添加一些排针接口接到电路的输出以及GND引脚，使用示波器勾住对应的排针即可进行测试。由于该电路中共两路输出，所以使用了四个2pin的排针，该器件在基础库中连接器类别的第一个，选择封装为HDR-M-2.54_1x2进行放置即可。每个排针分别接上GND或网络端口与对应的电路进行连接。

5.6 元器件选型说明
每个元器件的符号选择性很多，实际应用过程中需要考虑实用性以及可维护性进行选择。作为一名电子工程师，我们应该在设计原理图的时候进行选型。不同厂家提供的器件各有差异，所以最佳的器件选择思路是在元件库中搜索我们所需要的器件，选择需要的封装、厂商，查看所选器件的价格、品牌与库存等相关信息。这里以NE555进行举例，在立创EDA标准版的元件库中搜索NE555，选择合适的型号进行使用。搜索结果如下图所示：

项目原理图设计整理后如下所示：

6、PCB设计

完成原理图设计之后先注意检查电路是否连接对，网络是否有缺失没有接上的情况。全部检查无误后点击原理图顶部菜单栏中的设计-原理图转PCB开始PCB的设计。

6.1 外形设计
生成PCB后需要设定一个PCB外形，外形的大小需要根据元器件的数量大小以及外壳或个人意愿进行设计，秉承着大小合适，美观的原则，该项目可以设定一个长80mm，宽60mm的长方形作为PCB板的大小。注意在设计PCB外形时尽量不要超过10cm*10cm，超过后价格会稍微偏高。

6.2 元器件布局
原理图中的器件转到PCB后元器件布局比较乱，在设计PCB的第二步需要对元器件进行分类和布局，分类的依据是将各个电路模块的器件放置到一起，使用立创EDA提供的布局传递功能可以很快地对每个电路模块进行布局，注意接口器件应放置在板子边缘，方便接线与操作。

6.3 PCB走线
来到这一步，再回头看看你已经完成了波形产生与变换设计电路的仿真图、原理图和PCB元器件的布局，就差最后一个步骤：PCB走线。

PCB走线在设计双层电路板时分为顶层走线和底层走线，其中顶层走线默认是红色线，底层为蓝色线，走线也就是在电路板中连接铜线。选择层与元素中的层，然后将两个相同网络的焊盘连接起来就可以了。看似简单的连连看，其实其中需要我们耐心的进行调整，元器件的摆放布局也会影响走线的难度。在该项目的走线中提供以下几点参考建议：

（1）电源线设置为30mil，信号线设为20mil宽度

（2）走线使用底层走线，便于在校内自制PCB

（3）GND不用接线，使用底层覆铜即可

（4）走线过程中优先走直线，需要拐弯的地方以钝角或圆弧拐弯为主

（5）完成走线后添加合适的丝印标记说明该PCB板的用途以及接口功能。

7 调试注意事项

PCB设计完成之后导出Gerber文件到工厂进行PCB打样，购买相关元器件后准备进行焊接调试。在焊接调试过程中有以下几点注意事项：

（1）焊接过程中注意用电安全，手不要接触到烙铁头，免得烫伤

（2）焊接过程中先按元器件的低到高进行焊接

（3）测试过程中先通电检查电压是否正常，然后逐级调试，先调整RP2与RP1产生稳定的2KHz，占空比50%的方波，使用示波器查看J3输出的波形是否正常。然后再调整RP3使J5排针输出稳定的2KHz正弦波。

至此，波形产生与变换-基于555与运放的设计项目流程结束。波形的产生变换实验是模拟电路领域里面一个非常重要的内容，也在全国大学生电子设计大赛的综合测评中作为赛事项目，感兴趣的同学可以自行扩展其它波形产生与变换的方法，欢迎来到立创开源平台上分享你的想法。

8、项目资料

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

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