基于proteus的信號發(fā)生器的設計

1、基于proteus的信號發(fā)生器的設計摘要信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領域中有著廣泛的應用。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器，其頻率范圍可從幾個微赫到幾十兆赫，除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領域。本設計是使用集成運算放大器設計的一種寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生器。它主要由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。而使電容的正向和反向充電時間常數(shù)不同，利用二極管的單向?qū)щ娦砸龑щ娏髁鹘?jīng)不同的通路，就形成占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。高頻、低頻和超低頻信號發(fā)生器，大多使用文氏

2、橋振蕩電路，即RC振蕩電路，通過改變電容和電阻值，改變頻率。用以上原理設計的信號發(fā)生器，其輸出波形一般只有兩種，即正弦波和脈沖波，其零點不可調(diào)。而且價格也比較貴，一般在幾百元左右。在實際應用中，超低頻波和高頻波一般是不用的，一般用中頻，即幾十赫茲到幾十千赫茲。關鍵字：信號發(fā)生器、寬度可調(diào)、矩形波、鋸齒波、時間常數(shù)1. 概述在電子技術日新月異的形勢下，信息技術隨之迅猛發(fā)展。信息是存在于客觀世界的一種事物現(xiàn)象，人們正是通過信息的獲取、存儲、傳輸和處理等來不斷認識和改造世界的。而信號作為信息的載體，是指帶有信息的隨時間或其他自變量變化的物理量或物理現(xiàn)象，信號時使用極為廣泛的基本概念，無論是在自然科學

3、領域，還是在社會科學領域都存在大量的應用研究問題。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領域中有著廣泛的應用。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器，其頻率范圍可從幾個微赫到幾十兆赫，除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領域。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。脈沖信號發(fā)生器能產(chǎn)生寬度、幅度和重復頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，或用作模擬信號來測試雷達、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)

4、的性能。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等領域內(nèi)，如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。隨著電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，電子電路及其應用系統(tǒng)設計手段也越來也越先進。傳統(tǒng)的電子電路與系統(tǒng)設計方法，周期長、耗材多、效率低，難以滿足電子技術飛速發(fā)展的要求。proteus是將先進的計算機技術應用電子設計與仿真過程的新技術，它已被廣泛的應用于電子電路分析、設計、仿真、印制電路板的設計等各項工作之中。proteus為使用者提供了一個集成一體化的設計與試驗環(huán)境，創(chuàng)建電路、試驗分析和結果輸出在一個集成菜單系統(tǒng)中可以全部完成，使電子電路及系統(tǒng)的設計產(chǎn)生了劃時代

5、的變化，極大地提高了設計質(zhì)量與效率。proteus具有界面形象逼真、操作方便，采用圖形方式創(chuàng)建電路等優(yōu)點。Proteus還具有有龐大的原器件庫和比較齊全的儀器儀表庫。本設計是使用集成運算放大器設計的一種寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生器。它主要由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。而使電容的正向和反向充電時間常數(shù)不同，利用二極管的單向?qū)щ娦砸龑щ娏髁鹘?jīng)不同的通路，就形成占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。2. Proteus 簡介有了protel、Multisim、proteus、psice等一系列的軟件的存在，就此便可以以虛代實、以軟代硬，獨立建立一個完善的虛擬實驗室。代

6、替了在實驗室和教室里的以實物進行實踐的方式，可以在計算機上學習電工基礎，模擬電路、數(shù)字電路、單片機應用系統(tǒng)等課程，并進行電路設計、仿真、調(diào)試等。因此這一系列的軟件受到廣大電子設計愛好者的青睞，是他們工作、學習上難得的工具軟件，也因此它們在全球得到了廣泛應用。其中，Proteus軟件提供多達30多個元件庫，元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。它的功能強大，集電路設計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術學科涉及的電路進行設計與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M

7、行設計和仿真，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。它還提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器，這些儀表有極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結果的影響。此外，Proteus軟件還有圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。對于單片機硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus 提供了兩種方法：系統(tǒng)總體執(zhí)行效果和對軟件的分步調(diào)試。它還提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試，這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。在用Proteus進行仿真和程序調(diào)試時，只要關心從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。它還提供Schematic Drawi

8、ng、SPICE仿真與PCB設計功能，同時可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真，例如示波器、373、led等。3. 電路原理與設計3.1方波發(fā)生電路3.1.1整體設計思路由集成運放構成的方波發(fā)生器，包括遲滯比較電路和RC積分電路兩大部分。電路原理圖如下所示。滯回比較電路RC 積分電路反饋網(wǎng)絡輸出方波圖 3-1 方波發(fā)生電路原理框圖因為矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)應按一定的時間間隔交替變化，即產(chǎn)生周

9、期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時間，即RC 積分電路。3.1.2 電路的設計方波發(fā)生電路圖如下圖所示，它由反相輸入的滯回比較器和RC積分電路組成。其中RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，而輸出端引入的限流電阻和兩個背靠背的雙向穩(wěn)壓管起到了雙向限幅的作用。圖3-2 方波發(fā)生電路圖 圖3-3 滯回比較曲線工作原理：設某一時刻輸出電壓，則同相輸入端電位。通過R對電容C正向充電。反相輸入端電位隨時間t增長而逐漸升高，當t趨近于無窮時，趨于；一旦，再稍增大，就從躍變?yōu)?，與此同時從躍變?yōu)?。隨后，又通過R對電容C放電。反相輸入端電位隨時間t增

10、長而逐漸降低，當t趨近于無窮時，趨于；一旦，再稍減小，就從躍變?yōu)?，與此同時，從躍變?yōu)?，電容又開始反向充電。而上述過程周而復始，電路產(chǎn)生了輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，便輸出方波。上述電路輸出狀態(tài)發(fā)生跳變的臨界條件為：其中：當輸出為高電平時：當輸出為低電平時：剛開始振蕩建立時，由于電路中的電擾動，并通過正反饋，使輸出很快變?yōu)楦唠娖交虻碗娖?。電容上電壓和電路輸出電壓波形如下圖所示：圖3-4 電壓傳輸特性曲線振蕩周期為：而方波發(fā)生電路中電容正向充電與反向充電的時間常數(shù)均為，而且充電的總幅值也相等，因而在一個周期內(nèi)的時間與的時間相等，即方波。對T1由暫態(tài)過程公式：對充電過程，t = 時：t = 0 時：即：得：

11、則振蕩頻率：可知，調(diào)整電壓比較器的電路參數(shù)、和可以改變方波發(fā)生電路的振蕩幅值，調(diào)整電阻、和電容C的數(shù)值可以改變電路的振蕩頻率。3.2 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路輸出波形高電平的寬度T1與周期T的比值即為占空比，方波的占空比為50%。由以上的方波發(fā)生器電路可以看出，如果設法改變充、放電時間常數(shù)，即可實現(xiàn)矩形波寬度可調(diào)，因此可以利用二極管的單向?qū)щ娦允狗e分電容C充電和放電的時間常數(shù)不等。寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路如下圖所示：圖3-5 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路圖工作原理：C充電時，充電電流經(jīng)R、電位器的下半部、二極管D2；C放電時，放電經(jīng)R、二極管D1、電位器的上半部。由于充、放電時間常數(shù)不同，這樣就得

12、到了矩形波電路。占空比為： 其中： 是電位器中點到下端的電阻，和是二極管導D1、D2的導通電阻?？刂坪偷谋戎导纯傻玫捷敵龈叩碗娖綄挾炔煌牟ㄐ?。當動臂上移時，充電時間常數(shù)將大于放電時間常數(shù)，則波形變寬，反之則變窄。因此通過調(diào)節(jié)，即可連續(xù)地改變其占空比的大小。而運放的轉(zhuǎn)換速率將影響脈沖前、后沿的陡度，欲要得到窄脈沖輸出，必須選用SR高的運放。3.3三角波方波發(fā)生電路產(chǎn)生三角波的基本方法是用恒定的電流給電容器充電或放電?；倦娐穲D如下所示：圖-三角波發(fā)生電路圖因此，可以把滯回比較器和積分器首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如下圖所示。則比較器A1輸出的方波經(jīng)積分器A2積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器

13、自動翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構成三角波方波發(fā)生器。圖3-7 三角波-方波發(fā)生電路圖可得周期為： 其中， 輸出電壓為：三角波-方波發(fā)生電路輸出波形如下圖所示：圖3-8 三角波-方波發(fā)生電路輸出波形改變分壓系數(shù)a和積分時常數(shù)RC可以調(diào)節(jié)振蕩周期（或頻率）， 卻不改變輸出的幅值。通常用RC作頻率量程切換，RW作量程內(nèi)的頻率細調(diào)。電路的最高振蕩頻率取決于積分器A2的壓擺率和最大輸出電流，最低振蕩頻率取決于積分漂移。 3.4正弦振蕩器基本原理許多不同組態(tài)的電路，即使在沒有輸入信號激勵的情況下，也能輸出一個基本上是正弦形的輸出波形。我們將在下文討論所有這些振蕩器的基本原理，除了確定產(chǎn)生振蕩所需的條件之外，還

14、研究振蕩頻率和振幅的穩(wěn)定問題。圖表示了放大器、反饋網(wǎng)絡和輸入混合電路尚未連成閉環(huán)的情況。當信號直接基本放大器A反饋網(wǎng)絡 F1-12混合或反相網(wǎng)絡尚未連成閉環(huán)的增益為A的放大器和反饋網(wǎng)絡F加到放大器的書入端時，放大器提供一個輸出信號。反饋網(wǎng)絡的輸出為，混合電路（現(xiàn)在就是一個反相器）的輸出為由圖1-1，環(huán)路增益為環(huán)路增益=假定恰好將信號調(diào)整到完全等于外加的輸入信號。由于放大器無法辨別加給它的輸入信號的來源，于是就會出現(xiàn)如下情況：如果除去外加信號源，而將2端同1端接在一起，則放大器將如以前一樣，繼續(xù)提供一個同樣的輸出信號。當然要注意，=這種說法意味著和的瞬時值在所有時刻都完全相等。條件=等價于，即環(huán)

15、路增益必須等于1。巴克豪森判據(jù) 在以下關于振蕩器的討論中我們假定，整個電路工作在線形狀態(tài)，并且放大器或反饋網(wǎng)絡或它們兩者是含有電抗元件的。在這些條件下，能保持波形形狀的唯一周期性波形是正弦波。對正弦波而言，條件=等同于和的幅度、相位和頻率都完全一樣的條件。因為信號在通過電抗網(wǎng)絡時引入的相移總是頻率的函數(shù)，所以我們有如下重要原則：正弦振蕩器的工作頻率是這樣一個頻率，在該頻率下，信號從輸入端開始，經(jīng)過放大器和反饋網(wǎng)絡后，又回到輸入端時，引入的總相移正好是零（當然，或者是2的整數(shù)倍）。更簡單地說，正弦振蕩器的頻率取決于環(huán)路增益的相移為零這一條件。雖然還可以總結出其他可用來確定頻率的原則，但可以證明，

16、它們同上述原則是一致的。附帶說明一下，滿足上述條件的頻率可能不止一個，這并不是不可理解的。在這種偶然情況下，有可能在幾個頻率處同時振蕩，或在所允許的幾個頻率中某一頻率處出現(xiàn)振蕩。只要電路能振蕩，其頻率就由上述原則來確定。顯然還必須滿足另一個條件，即和的幅度必須相等。該條件概括為下述原則：在振蕩頻率處，如果放大器的轉(zhuǎn)移增益和反饋網(wǎng)絡的反饋系數(shù)的乘積（環(huán)路增益的幅值）小于1，則振蕩不能維持下去。環(huán)路增益為1，即這個條件叫做巴克豪森判據(jù)。當然，這個條件意味著不僅要求，而且要求AF的相位為零。上述原則與反饋公式是一致的。因為如果，則，這可以解釋為，即使沒有外加信號電壓，也仍然有輸出電壓。若干實際的考慮

17、 參考圖可以看出，如果在振蕩頻率處正好為1，那么將反饋信號接到輸入端，再除去外部信號源將不會造成任何影響。三級點傳遞函數(shù)在S平面上的根軌跡。無反饋時（）的極點是,和。而加入反饋后的極點是,和如果小于1，那么除去外部信號源將會導致停振。現(xiàn)在假定大于1，那么，最初出現(xiàn)在輸入端的信號，例如是1v，再繞路一周又回到輸入端時，其幅值將大于1v。然后這個較大的電壓又會以更大的電壓再出現(xiàn)于輸入端，如此循環(huán)往復。于是，似乎在不受放大器中有源器件的非線性的限制時，振幅的增大才能繼續(xù)下去。隨著振幅的增大，有源器件的非線性變得更加明顯。這種非線性的出現(xiàn)，就限制了震蕩的幅度，這是所有實際振蕩器工作的基本特征，正如以下

18、討論所表明的那樣：條件并不是給出的可取值范圍，而是給出一個單一的精確值。限假設即使最初能滿足這個條件，由于電路元件特性，特別是晶體管特性受老化、溫度和電壓等影響發(fā)生變化（漂移），于是很顯然，如果整個振蕩器聽其自然，則在很短的時間內(nèi)，就會變得不是小于1，就是大于1。在前一種情況下，只是振蕩停止而已，而在后一種情況下，我們就有需要用非線性來限制振幅。環(huán)路增益正好為1的振蕩器，實際上是一個根本不能實現(xiàn)的理想裝置。所以，在實際振蕩器的調(diào)試中，總是要調(diào)整多少比1大一些（比方說大50%），以保證在晶體管和電路參數(shù)發(fā)生偶然變化時，不致下降到1以下。上述兩條原則是在純理論基礎上必須要滿足的，同時，我們根據(jù)實際

19、的考慮，在添上第三條一般原則，即：在每個實際的振蕩器中，環(huán)路增益都略大于1，并且振蕩幅度由非線性特性來限制。 電路的仿真在proteus上畫出各電路圖，檢查無誤后進行仿真，得出仿真波形圖。（1）方波發(fā)生電路：圖4-1 方波發(fā)生電路圖圖4-2 方波發(fā)生電路仿真結果圖（2）寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路：圖4-3寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路圖圖4-4 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路仿真結果圖（3）三角波-方波發(fā)生電路圖4-5三角波-方波發(fā)生電路圖圖4-6 三角波-方波發(fā)生電路仿真結果圖5 小結強化訓練可以培養(yǎng)我們綜合運用所學知識發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，可以鍛煉我們的實踐能力，是對我們實際工作能力的具體訓練

20、和考察過程。在這幾天的強化訓練期間，我曾失落過，也曾一度因看到結果而熱情高漲。從開始時的滿腔激情到最后汗水背后的復雜心情，點點滴滴無不令我回味成長。在這強化訓練的幾天里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多的東西，不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次強化訓練使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在具體實踐的過程中難免會遇到過各種各樣的問題，在設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過該強化訓練，使我對高頻電子線路、模擬電子技術和數(shù)字電子技術的學習有了一個系統(tǒng)地、