简易函数信号发生器的设计--三角波[1]

陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 40 页 引引 言言 尽管近 30 年来以大规模集成工艺为依托的各种数字电路的问世 逐渐代替了各种传统的模拟 电路的应用领域 但是物理世界毕竟还是模拟的 与物理世界各种现象的接口 仍然需要靠模拟电 路来承担 即便在某一功能块中 模拟电路所占份量可能很少 但是这一部分或许是整个系统就设 计和实现来说最具挑战性的部分 而且往往在系统性能上起着关键作用 尤其是当速度和功率成为 至关重要的因素时 模拟电路就更显突出 运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器件 随着及程度的提高 性能的 改善 愈来愈受到人们的青睐 在工业控制 遥控遥测 仪表仪器等领域成为不可或缺的器件 传 统上隶属于模拟电子学领域的很多功能 今天都用数字形式给予实现了 然而 物理世界本来就是 模拟的 这表明 总是需要模拟电路去适应这些物理信号 像与传感器相连的电路 以及把模拟信 息转换为数字信息 供进一步处理 和从数字信息转换回模拟信息供物理世界再利用等这样一些电 路 都还需要用到模拟电路 因此 当今的许多应用 最好是由混合模式的集成电路 混合模式 IC 和系统来提出 它依赖模拟电路与物理世界接口 而数字电路则用作处理和控制 即便这个模 拟电路或许进展这个芯片面积的一小部分 但它往往却是设计中极具挑战性的部分 并且在整个系 统的性能上起着关键作用 随着电子技术和计算机技术的飞速发展 电子电路及其应用系统设计手段也越来也越先进 传 统的电子电路与系统设计方法 周期长 耗材多 效率低 难以满足电子技术飞速发展的要求 电子工作台 即 EWB Electronic Workbench 是将先进的计算机技术应用电子设计与仿真过 程的新技术 它已被广泛的应用于电子电路分析 设计 仿真 印制电路板的设计等各项工作之中 EWB 为使用者提供了一个集成一体化的设计与试验环境 创建电路 试验分析和结果输出在一个集 成菜单系统中可以全部完成 使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化 极大地提高了设计质 量与效率 EWB 与电路分析软件 PSpice 完全兼容 而且具有界面形象逼真 操作方便 采用图 形方式创建电路等优点 EWB 有庞大的原器件库和比较齐全的仪器仪表库 在本设计中将采用数 模结合的集成电路来实现方波和三角波的输出 函数发生器是一种可以 同时产生方波 三角波和正弦波的专用集成电路 当调节外部电路参数时 还可以获得占空比可调 的矩形波和锯齿波 因此广泛用于仪器仪表中 函数信号发生器的功能是产生据由指定特征 例如 频率 幅度 形状以及占空比的波形 有时会通过适当的控制信号 将这些特征设计成可在外部编 程的 一般来说 信号发生器是利用某些反馈形式以及像电容那样其特征与事件有关的器件仪器来 实现 作 者 2006 6 20 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 40 页 1 绪论 1 11 1 本课题相关背景知识本课题相关背景知识 随着电子技术和计算机技术的飞速发展 电子电路及其应用系统设计手段也越来越先进 传统 的电子电路与系统设计方法 周期长 耗材多 效率低 难以满足电子技术飞速发展的要求 电 子工作平台 即 EWB Electronics Workbench 是将先进的计算机技术应用在电子设计与仿真 过程中的新技术 它已被广泛应用于电子电路分析 设计 仿真 印制电路板的设计等各项工作之 中 EWB 为使用者提供了一个集成一体化的设计与试验环境 创建电路 试验分析和结果输出 在 一个集成菜单系统中可以全部完成 使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化 极大地提高了 设计质量与效率 EWB 与电路分析软件 PSpice 完全兼容 而且具有界面形象逼真 操作方便 采 用图形方式创建电路等优点 EWB 还有庞大的元器件库和比较齐全的仪器仪表库 集成电路 IC Integrated Circuit 是指通过一系列特定的加工工艺 将晶体管 二极管等有源 器件和电阻 电容 电感等无源器件 按照一定的电路互连 集成 在一块半导体晶片 如硅 或砷化镓 上 封装在一个外壳内 执行特定电路或系统功能的一种器件 1965 年 Intel 公司创始人之一的 Gorden E Moore 博士在研究存储器芯片上晶体管增长数的 时间关系时预测 芯片上晶体管数目每隔 18 个月翻一番或每三年翻两番 这一关系称为摩尔定律 Moore s Law 集成电路从 19 世纪 60 年代开始发展至今 其规模几乎仍然按照摩尔定律发展 从标志 IC 水平的两个指标 集成规模 Integration Scale 和特征尺寸 Feature Size 来看 目 前单个芯片上已经可以制作含有几百万个晶体管的一个完整的数字系统或数模混合的电子系统 集 成电路的特征尺寸也已发展到深亚微米水平 0 18工艺已经走向规模化生产 m 随着应用领域的不断扩展 社会对集成电路芯片的需求量和种类越来越多 消费者对产品的整 机性能要求越来越高 而集成电路设计技术与制造技术水平也在迅速发展 越来越多性价比好的电 路不断推出 在这种需求牵引和技术进步的双重作用下 集成电路正在向集成系统 IS Integrated System 发展 即在一个微电子芯片上将信息的采集 传输 存储 处理等功能集成在一起而构成 系统芯片 SOC System On Chip 为实现 SOC 提出了更多的基础研究 设计技术研究及工艺 技术研究的方向 此外 这种微电子技术一旦与其他学科相结合 将会诞生出一些崭新的学科 MEMS 技术和 DNA 生物芯片就是突出的例子 前者是微电子技术与机械 光学等领域结合而诞生 的 后者则是与生物技术结合的产物 根据集成电路的器件结构类型 集成规模 使用的基片材料 电路功能以及应用领域 对集成 电路分类的结果如图 1 1 所示 集成电路 按器件结构分类 双集成电路 MOS 集成电路 BiMOS 集成电路 集成度 小规模集成电路 中规模集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 特大规模集成电路 巨大规模集成电路 基片材料 单片集成电路 混合集成电路 电路的功能 数字集成电路 模拟集成电路 数模混合集成电路 应用领域 标准通用集成嗲路 专用集成电路 图 1 1 集成电路分类 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 40 页 1 21 2 函数信号发生器的发展现状函数信号发生器的发展现状 目前 市场上的信号发生器多种多样 一般按频带分为以下几种 超高频 频率范围1MHz以上 可达几十兆赫兹 高频 几百干赫兹到几兆赫兹 低频 频率范围为几十赫兹到几百千赫 超低频 频率范围为零点几赫兹到几百赫兹 超高频信号发生器 产生波形一般用LC振荡电路 高频 低频和超低频信号发生器 大多使用文氏桥振荡电路 即 RC 振荡电路 通过改变电容和 电阻值 改变频率 用以上原理设计的信号发生器 其输出波形一般只有两种 即正弦波和脉冲波 其零点不可调 而且价格也比较贵 一般在几百元左右 在实际应用中 超低频波和高频波一般是 不用的 一般用中频 即几十赫兹到几十千赫兹 用单片计算机 Inte18031 加上一片 DAC0832 就 可以做成一个简单的信号发生器 其频率受计算机运行的程序的控制 我们可以把产生各种波形的 程序 写在 EPROM 中 装入本机 按用户的选择 运行不同的程序 产生不同的波形 再在 DAC0832 输出端加上一些电压变换电路 就完成了一个频率 幅值 零点均可调的多功能信号发生 器的设计 1 31 3 函数信号发生器的发展趋势函数信号发生器的发展趋势 中国电子测量仪器 随着世界高科技发展的潮流 走进了高科发展的道路 为我国国民经济 科学教育 特别是国防军事的发展做出了巨大贡献 我国电子测量仪器在若干重大领域取得了突破 性进展 为我国电子测量仪器走向世界水平奠定了良好的基础 1 41 4 课题完成的工作及研究内容课题完成的工作及研究内容 熟悉 EWB 仿真软件的环境 掌握 EWB 操作过程 利用 EWB 仿真软件完成设计频率为 失 z kH1 真度小的方波和三角波发生器的工作 研究其频率 幅度是否可调 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 40 页 2 电路仿真 2 12 1 EWBEWB 仿真软件概述仿真软件概述 EWB 是 Electronics Workbench 的缩写 称为电子工作平台 是一种在电子技术界广为 用的优秀计算机仿真设计软件 被誉为 计算机里的电子实验室 其特点是图形界面操作 易学 易用 快捷 方便 真实 准确 使用 EWB 可实现大部分硬件电路实验的功能 电子工作平台的设计试验工作区好像一块 面包板 在上面可建立各种电路进行仿真实验 电 子工作平台的器件库可为用户提供 350 多种常用模拟和数字器件 设计和试验时可任意调用 虚 拟器件在仿真时可设定为理想模式和实模式 有的虚拟器件还可直观显示 如发光二极管可以发出 红绿蓝光 逻辑探头像逻辑笔那样可直接显示电路节点的高低电平 继电器和开关的触点可以分合 动作 熔断器可以烧断 灯泡可以烧毁 蜂鸣器可以发出不同音调的声音 电位器的触点可以按比 例移动改变阻值 电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表 数字电压表 数字万用表 双通 道 1000MHz 数字存储示波器 999MIHz 数字函数发生器 可直接显示电路频率响应的波特图仪 16 路数字信号逻辑分析仪 16 位数字信号发生器等 这些虚拟仪器随时可以拖放到工作区对电路 进行测试 并直接显示有关数据或波形 电子工作平台还具有强大的分析功能 可进行直流工作 点分析 暂态和稳态分析 高版本的 EWB 还可以进行傅立叶变换分析 噪声及失真度分析 零极 点和蒙特卡罗等多项分析 2 1 12 1 1 EWBEWB 的特点的特点 与其他电子电路仿真软件相比 EWB 的特点是 1 界面直观 操作方便 EWB 改变了一般电子电路仿真软件必须采用文本方式创建电路和选择元 器件及测试仪器与仪表的方法 采用图形方式创建电路 即直接从屏幕上的元器件库和仪器库 中选取电路元器件和测试仪器与仪表 2 电路元器件丰富 EWB 提供了数千种电路元器件及其理想值 并与目前常用的电子电路分析软 件 PSpice 的元器件库完全兼容 同时还可以根据需要新建或扩充元器件库 3 仿真手段符合实际 EWB 提供的虚拟仪器与实际仪器极为相似 利用虚拟仪器对电路进行仿真 实验如同使用真实仪器进行电路实验 便于学习与使用 虽然 EWB 在电子电路设计与仿真的许多地方都应用广泛 但他还是存在一些缺点 首先 EWB 不能实现通过编程来实现的电路设计与仿真 其次 EWB 是一种理想的环境 在此环境下工作的电 路以及仿真结果都是理想值 与实际电路的测试仿真结果有误差 2 1 22 1 2 EWBEWB 的主要功能的主要功能 1 电路分析功能 EWB 提供了丰富而详细的电路分析方法 不仅提供了瞬态与稳态 时域与频域 线形与非线性 和噪声与失真等常规的电路分析方法 同时还提供了傅立叶 电路极 零点 灵敏度和电路容 差等电路分析方法 帮助设计这分析电路特性 2 故障设置功能 可以设置实际实验中不容易做到的开路 短路和漏电等故障 观察和分析电路状态 加深对理 论知识的理解 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 40 页 3 存储功能 在仿真的同时 可以存储所有测试点的数据 波形及测试仪器的工作状态 并能力储备仿真电 路所有元器件清单 4 与其他软件兼容于共享功能 EWB 提供的元器件库与 PSpice 的元器件库完全兼容 同时 在 EWB 平台上设计的电路原理图 可以直接输出到 Protel 和 Orcad 等软件平台上 自动排出印制电路板图 从而大大加快电子 产品开发速度 提高设计工作效率 5 模拟电路与数字电路混合的模拟功能 EWB 以 Spice3F5 为模拟软件核心 可以在系统中任意集成模拟与数字元器件 并能自动实现 信号转换 6 波形即时显示功能 可以在电路仿真过程中实时显示需要观察的波形 7 下拉式电路编辑菜单功能 可以使电路元器件的输入更为方便快捷 2 1 32 1 3 EWBEWB 对电路进行设计和试验仿真的基本步骤对电路进行设计和试验仿真的基本步骤 1 用虚拟器件在工作区建立电路 2 选定元件的模式 参数值和标号 3 连接信号源等虚拟仪器 4 选择分析功能和参数 5 激活电路进行仿真 6 保存电路图和仿真结果 2 22 2 EWBEWB 的工作界面的工作界面 启动 EWB5 0C 可以看到 Electronics Workbench 主窗口 它有菜单栏 常用工具栏 元器件 选取栏和电路原理图编辑窗口组成 如图 2 1 所示 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 40 页 刷新 打开 存盘 打印 剪切 复制 粘贴 旋转 水平翻转 垂直翻转 创子电路 分析曲线 元器件特征 缩小 放大 在线帮助 图 2 1 EWB 主窗口 由图可以看到 EWB 模拟了一个实际的电子工作台 主窗口的最上层是菜单栏 从中可以选择 电路分析 实验与仿真等各种命令 第二层是常用工具栏 从中可以选择各种操作命令 第三层是 元器件库栏 从中可以选取电路实验所需的各种元器件与测试仪器 下面最大的区域便是电路原理 图编辑窗口 也可以成为电路工作区 在这里可以进行电路的连接 测试与仿真 最下层是电路描 述框 用于电路说明 2 32 3 EWBEWB 的工具栏的工具栏 EWB 的工具栏如图 2 2 所示 其中各按键名称及其功能如下 图 2 2 EWB 工具栏 1 刷新 清除电路工作区 准备生成新电路 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 40 页 2 打开 打开电路文件 3 存盘 保存电路文件 4 打印 打印电路文件 5 剪切 将选中的电路剪切至剪贴板 6 复制 将选中的电路复制至剪贴板 7 粘贴 将剪贴板中的内容粘贴至电路工作区 8 旋转 将选中的元器件逆时针旋转 90 度 9 水平翻转 将选中的元器件水平翻转 180 度 10 垂直翻转 将选中的元器件垂直翻转 180 度 11 创子电路 生成子电路 12 分析曲线 调出曲线分析框 13 元器件特征 调出元器件特征对话框 14 缩小 将电路按一定比例缩小 15 放大 将电路按一定比例放大 16 在线帮助 调出与选中对象有关的帮助内容 2 42 4 EWBEWB 的元器件与仪器库栏的元器件与仪器库栏 EWB 元器件库栏由 14 个元器件库组成 如图 2 3 所示 单击元器件库中的某一个图标即可打 开该元器件库 1 2 3 4 5 6 7 图 2 3 元器件库 1 自定义元器件库 自定义元器件库中保存的元器件是 使用者根据需要 自己创建的在 EWB 元器件库中没有收入的元器件和在电路设计中创建的子电路 可以在电路设计中随时调用 2 信号源库 信号源库及各器件名称如图 2 4 所示 图 2 4 信号源库 3 基本元器件库 基本元器件库及其各元器件名称如图 2 5 所示 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 40 页 图 2 5 基本元器件库 4 二极管库 二极管库及其元器件名称如图 2 6 所示 图 2 6 二极管库 5 模拟集成器库 模拟集成器库其元器件名称如图 2 7 所示 图 2 7 模拟集成器件库 2 52 5 元器件的操作使用元器件的操作使用 1 根据电路需要 现在元器件库栏中打开该元器件库的下拉菜单 然后从元器件库中将选中的 元器件拖拽到电路工作区 2 选择单个元器件的方法 单击要选中的元器件 被选中的所有元器件都以红色显示 便于识 别 选择多个元器件的方法 Ctrl 单击需要的所有元器件 被选中的所有元器件都以红色显示 如果要同时选中一组相邻的元器件 可以在电路工作取得适当位置拖拽画出一个矩形区域 包围在 该矩形区内的一组元器件即被同时选中 取消选中元器件的方法 取消所有被选中元器件的选中状态 只需但既工作取得空白部分 要 取消某一元器件的选中状态 只需使用 Ctrl 单击该元器件 3 元器件的移动 移动元器件至特定的位置 只要拖动该元器件即可 如果移动的元器件为多 个 则必须先用前面的方法选中这些元器件 然后用鼠标的左键拖拉其中的任意一个元器件 则所有选中的元器件就会一起移动到指定的位置 需注意的是与其连接得导线也会重新排列 如果只是想为移动某个 或某些 元器件的位置 也可以先选中它 们 然后再使用键盘上 的箭头键作为小的移动 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 40 页 4 元器件的调整 为便于电路的合理布局和连线 经常需要对元器件进行调整 这些调整包括 旋转 垂直翻转和水平翻转等 在元器件被选中状态下 可用下面三种方式实现 1 菜单方式 菜单栏中命令如下 Circuit Rotate 电路 旋转 Circuit Flip Vertical 电路 垂直翻转 Circuit Flip Horizintal 电路 水平翻转 2 工具栏图标方式 3 热键方式 Ctrl R 旋转 5 元器件的复制 要复制元器件有以下三种方式 1 菜单方式 菜单栏中命令为 Edit Copy 编辑 复制 Edit Paste 编辑 粘贴 2 工具栏图标方式 3 热键方式 复制 Ctrl C 粘贴 Ctrl V 6 元器件的删除 要删除被选中的元器件 按键盘 Delete 键 或菜单命令 Edit Delete 编辑 删除 和 Edit Cut 编辑 剪切 即可 此外 直接将元器件拖拉回其元器件库 打开状态 也 可实现删除 2 62 6 元器件的参数设置元器件的参数设置 在电路中 元器件的参数设置是非常重要的一个环节 通过参数调整 可以改变电路的性能指 标及测试电路的工作状态等 2 72 7 导线的编辑操作导线的编辑操作 2 7 12 7 1 导线的连接导线的连接 如图 2 8 所示 连接 12V 电源和地 将鼠标指向 12V 电源的端点 出现一个节点 按鼠标左键 并拖动出一根导线 拉住导线并指向地的端点 使其出现小圆点 释放鼠标左键 即完成了导线的 连接 图 2 8 连接 12V 电源和地 2 7 22 7 2 导线颜色的改变导线颜色的改变 双击要改变颜色的导线 可弹出 Wire Properties 对话框如图 2 9 a 选择 Schematic Options 选项并按下 Set Wire Color 按钮 然后选择合适的颜色 如图 2 9 b 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 40 页 图 2 9 改变导线的颜色 2 7 32 7 3 导线的删除导线的删除 对准要删除的导线 单击鼠标右键 可得图 2 10 所示菜单 选择 Delete Wire 即可删除导线 对准要删除的导线的一端 按住左键拖动圆点 使导线离开元器件端点 放开左键 导线则自 动删除 如图 2 10 b 图 2 10 导线的删除 2 7 42 7 4 弯曲导线的调整弯曲导线的调整 如图 2 11 所示 元器件位置与导线不在同一条直线上 可以选中该元器件 然后用四个箭头 键微调该元器件的位置 这种微调方法也可用于对一组选中的元器件的位置的调整 图 2 11 弯曲导线的调整 2 7 52 7 5 导线上插入和删除元件导线上插入和删除元件 如图 2 12 a 所示 在导线中插入元器件 只要将元器件直接拖动放置在导线上 然后释放即 可插入电路中 如图 2 12 b 删除元器件 只需选中该稳压二极管 按 Delete 键即可 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 40 页 图 2 12 导线上插入元器件 2 7 62 7 6 节点的使用节点的使用 节点是一个小圆点 存放在基本器件库中 一个节点有上 下 左 右四个连接点可以连接来 自四个方向的导线 如图 2 13 所示 将一条导线伸展到另一条导线时会自动产生连接点 并可以 赋予标识 图 2 13 节点 1 节点的调整 如果导线接入的节点的方向不适合 会造成导线不必要的弯曲 如图 2 14 a 所示 可以把导线的接点从左边改为右边 如图 2 14 b 所示 整个电路就更整 齐 美观 图 2 14 节点的调整 2 节点的标识 编号与颜色 在电路中 EWB 自动为每个节点分配了一个编号 如图 2 15 所示 是否显示 节点编号可由菜单 Circuit Schematic Options 命令的 Show Hide 对话框设置 或双击节点 可得出设 置节点对话框 在对话框中对节点进行标识 编号与颜色的设置 如图 2 16 所示 图 2 15 节点的标号显示 图 2 16 单一节点的设置对话框 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 40 页 2 7 72 7 7 测试仪器的使用测试仪器的使用 测试仪器图标放置在一起库中 使用测试仪器的步骤为 1 从一起库中拖动仪器图标到电路工作区 2 把仪器图标连接到电路中的测试点 3 双击仪器图标使之放大成展示面板 以便进行实验观察 4 将放大的仪器拖放到适合的观察位置 5 根据测试要求调整仪器上的控制 旋钮 6 开始仿真 2 7 82 7 8 电路的激活电路的激活 一旦创建好了电路并接上了测试仪器 就可以对电路进行特性测试方针 若要激活电路进行仿 真 可通过三种方式实现 1 图标按钮方式 单击窗口右上角的电源开关 2 菜单方式 在 Analysis 菜单选择 Activate 3 热键方式 按 Ctrl G 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 40 页 3 电路设计 3 13 1 电路设计框图电路设计框图 TP1TP1 TP2TP2 3 23 2 可行性及原理分析可行性及原理分析 获取方波波形的途径不外乎有两种 一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的 方波 另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化的波形变换为符合要求的方波 而要实现 三角波波形 常用有集成运放构成的积分电路 输出波形的要求与方波一样 都是 1 失真度 Z kH 小 所以 可以先通过积分电路得到三角波 再通过对三角波进行整形而得到方波 为了避免积分 其对滞留开环增益过大 而导致波形失真度大 在此 我将采用闭环振荡电路的设计方案 3 2 13 2 1 555555 定时器的结构和功能定时器的结构和功能 555 定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路 利用它能极方便的构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器 由于使用灵活 方便 所以 555 定时器在波形的产生与变换 测量 与控制 家用电器 电子玩具等许多领域中得到了应用 正因为如此 自从 Signetics 公司于 1972 年推出这种产品以后 国际上各主要的电子器件公 司也都相继地生产了各自的 555 定时器产品 尽管产品型号繁多 但所有双极型产品型号最后的 3 位数码都是 555 所有 COMS 产品型号最后的 4 位数码都是 7555 而且 它们的功能和外部引脚的 排列完全相同 为了提高集成度 随后又产生了双定时器产品 556 双极型 和 7556 COMS 型 图 3 1 时国产双极型定时器 CB555 的电路结构图 它有比较器 基本 RS 触发器和集 21 C和C 电极开路的放电三极管三部分组成 D T 三角波信号 发生器 三角波 方 波转换电路 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 40 页 图 3 1 CB555 的电路结构图 是比较器的输入端 也称阈值端用 TH 标注 是比较器的输入端 也称触发端 I v 1 C 2I v 2 C 用标注 和的参考电压 电压比较的基准 和由经三个 5K电阻分压给TR 1 C 2 C 1R v 2R v CC V 出 在控制电压输入端悬空时 如果外接固定电压 则 CO V 1R v CC V 3 2 2R v CC V 3 1 CO V 1R v CO V 2R v CC V 2 1 2R v CC V 2 1 2R v CO V 2 1 是置零输入端 只要在端加上低电平 输出端便立即被置成低电平 不受其他输入 D R D R o v 端状态的影响 正常工作时必须使处于高电平 图中 1 8 为器件引脚的编号 D R 由图可知 当 时 比较器的输出 0 比较器的输出 1 基本 1I v 1R v 2I v 2R v 1 C 1C v 2 C 2C v RS 触发器被置 0 导通 同时为低电平 D T o v 当时 1 1 触发器的状态保持不变 因而和输出的状态也维持 1I v 1R v 2I v 2R v 1C v 2C v D T 不变 当 CC V 3 2 CC V 3 1 低导通 1 CC V 3 1 不变不变 1 CC V 3 2 CC V 3 2 R1时 占空系数近似为 50 21 21 2RR RR T t D PH 图 3 4 多谐振荡器的电路图和波形图 由仿真结果我们知道 电路的振荡周期 T 占空系数 D 仅与外接元件 R1 R2和 C 有关 不 受电源电压变化的影响 改变 R1 R2 即可改变占空系数 其值可在较大范围内调节 改变 C 的值 可单独改变周期 而不影响占空系数 另外 复位端 4 也可输入 1 个控制信号 复位端 4 为低电平 时 电路停振 3 2 33 2 3 运算放大器运算放大器 运算放大器 operational amplifier 或简称为 op amp 放大器是一种二端口器件 它接 受一个成为输入的外加信号 产生一个成为输出的信号并使输出 增益 输入 这里增益是某一种 合适的比例常数 满足于这一定义的器件称为线性放大器 以区别于具有非线性输入 输出关系的 器件 一个放大器接受来自上面某个源的输入 并将它的输出向下输送到某个负载 决定于输入和输 出信号的属性 可有不同类型的放大器 最普遍的就是电压放大器 它的输入和输出都是电 I v O v 压 这个放大器的每一端口都能用戴维南等效给予建模 它有一个电压源和一个串联电阻组成 输 入端口通常起一个纯无源的作用 所以只用一个电阻来建模称之为该放大器的输入电阻 输出 i R 端口用一个表明与有关的电压控制电压源 VCVS 和一个称为输出电阻的串联电阻来建 I v O v O R 模 值得注意的是 输入源也是用戴维南等效给于建模的 它由源电压和串联电阻构成 输 S v S R 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 40 页 出负载起无源的作用 用电阻建模 在输出端口应用电压分压器公式得出 L R IOC LO L O vA RR R v 注意到 当不存在任何负载 时 就有 所以称为无载或开路电压增 L R IOCO vAv OC A 益 在输入端口应用电压分压器公式得出 消去并经整理得到源电压 负载增益 S iS i I v RR R v I v 为 当信号从源向负载传播时 首先在输入端口受到某些衰减 然后 LO L OC iS i S O RR R A RR R v v 在放大器内部放大 最后在输出端口又有额外的衰减 这些衰减统称之为加载效应 OC A 3 2 43 2 4 三角波发生电路三角波发生电路 在直流稳压电源提供电压的条件下 电容的充电和放电过程 就产生了三角波 基于这个原理 最常见而且比较好实现的方法就是运用集成运放构成的积分电路 在自控系统中 常用积分电路作 为调节环节 此外 还广泛应用于波形的产生和变换以及仪器仪表之中 以集成运放作为放大电路 利用电阻和电容作为反馈网络 可以实现这种运算电路 在图 2 5 所示的积分电路中 由于集成运放的同相输入端通过接地 为 虚 2I v0 NP uu 地 电路中 电容 C 中电流等于电阻 R 中电流 输出电压与电容上电压的关系为 R u ii I RC CO uu 而电容上电压等于其电流的积分 故 dtu RC dti C u ICO 11 图 2 5 积分电路 在求解到时间段的积分值时 1 t 2 t 1 2 1 1 tudtu RC u O t t IO 陕西理工学院毕业设计 第 21 页 共 40 页 t t t Vo Vo I v t t Vo 式中为积分其实时刻的输出电压 即积分运算的起始值 积分的终值是时刻的输出电压 1 tuO 2 t 当为常数时 I u 112 1 tuttu RC u OIO 当输入为节约信号时 若时刻电容上的电压为零 则输出电压波形如图 3 6 a 所示 当输入为 0 t 方波和正弦波时 输出电压波形分别如图 3 6 b 和 3 6 c 所示 I v I v t a b 陕西理工学院毕业设计 第 22 页 共 40 页 c 图 3 6 积分运算电路在不同输入情况下的波形 a 输入为阶跃信号 b 输入为方波 c 输入为正弦波 在实用电路中 为了防止低频信号增益过大 常在电容上并联一个电阻加以限制 如图 2 7 所 示 图 3 7 积分电路 3 2 53 2 5 总电路分析总电路分析 根据前面的介绍分析 可以得到总设计电路图如图 3 8 所示 陕西理工学院毕业设计 第 23 页 共 40 页 图 3 8 方波和三角波发生器的综合电路 如图所示 整个电路是一个数 模混合集成电路 主要由两部分构成 由 LM741 集成运放构成 的积分电路是三角波发生电路 而由 555 定时器构成的电路是整形电路将积分电路产生的三角波整 形为方波 在前面已经介绍过 产生方波的方法不外乎有两种 一种是通过各种多谐振荡器直接产 生方波 另一种则是利用各种整形电路将原有的周期性的波形整形为符合要求的波形 在本设计中 我采用第二种 因为根据要求要产生频率为 1 失真度小的三角波和方波 所以用整形电路比 Z kH 较方便 更容易实现这一任务 LM741 集成运放的工作电压为 所以我用的直流电压源的伏值为 LM741 集成运V12 V12 放的外围电路是由电容 C 和电阻 R 构成 而为了实现频率可调 所以 R 是由一个电阻和一个电位器 组成 通过恒流源交替的对电容充电和放电 就形成了三角波 555 定时器构成的同相迟滞比较器起到整形的作用 这正是我所设计的地方 由 555 定时器的 5 脚 控制电压输入端 作为信号输入端 由 2 6 脚提供参考电压 当时 Q 0 故 CCI Vv 3 1 0 1 c v1 2 c v0 o v 当时 故保持低电平不变 CCICC VvV 3 2 3 1 1 21 cc vv o v 当时 Q 1 故 1 CCI Vv 3 2 1 1 c v0 2 c v o v 陕西理工学院毕业设计 第 24 页 共 40 页 所以 滞回电压值为 CCCCCC VVVU 3 1 3 1 3 2 正好与 2 6 脚作为信号输入端 参考电压由 5 脚提供的反相迟滞比较器的情况相反 调节电位器可改变输出波形的频率 还可以通过改变 R1 和 R2 的比例来改变频率的大小 但是 改变频率的同时也会改变占空比 当占空比为 50 时 输出波形呈对称波形 当占空比为某一值时 三角波可变为锯齿波 而要改变输出波形的频率 则要改变直流电压的伏值 因为输出波形的幅度取决于供电源的伏 值 3 2 63 2 6 设计电路仿真波形图设计电路仿真波形图 图 3 8 设计电路仿真波形图 由波形图得知 电容在与之间充电的时间为方波周期的一半 所以就有 CC V 3 1 CC V 3 2 CCCC T CCCC VVdt R VV C3 1 3 2 2 1 1 2 1 0 CC T CC VdtV RC3 1 2 11 2 1 0 RC f RC T T RC4 3 3 4 3 1 22 1 陕西理工学院毕业设计 第 25 页 共 40 页 这是占空比为 50 时的频率 当占空比不为 50 时 输出波形的频率的计算过程如下 设 R1 上的电压为 E RR R u 21 2 1 R2 上的电压为 E RR R u 21 2 2 当方波电压为 E 时 由运放虚短路得 电阻 R 的电压等于 R1 上的电压 积分电流 RRR ER R uII H 11 21 1 1 1 2 1 3R RRC TH 2 1 1 3R RRC TL 周期 21 2 21 3RR RC TTT RR LH 占空比 21 2 RR R T T D H 例如 当 50K 时 频率 输出波形如图 3 9 所示 1 R Z kHf9 1 陕西理工学院毕业设计 第 26 页 共 40 页 图 3 9 仿真波形图 当直流电源为 20V 输出波形的幅度就会增大 但是频率不变 如图 3 10 所示 陕西理工学院毕业设计 第 27 页 共 40 页 图 3 10 改变直流电压源后的输出波形图 4 结论 陕西理工学院毕业设计 第 28 页 共 40 页 R 是由一个电阻和一个电位器组成 使用电位器的目的是为了实现频率的可调 C 不变 当 R 13 f 7 692 R 不变 当 C 10 f 3 3 而和不但起分压作用 而且也 k Z kHnF Z kH 1 R 2 R 可以起到调节频率和占空比的作用 当和的比例为 1 1 时 输出波形为对称波形 增大 1 R 2 R 1 R 占空比减小 改变和的比例 还可能会得到锯齿波 由此分析得出 1 R 2 R RC f 4 3 因为输出波形的幅度是由直流电源的电压的值所决定的 所以 若要对输出波形的幅度进行调 节 则可通过改变直流电源的伏值来实现 致 谢 陕西理工学院毕业设计 第 29 页 共 40 页 首先我要感谢我的指导老师 龙光利老师 龙老师治学严谨 学识渊博 思想深邃 为我营造 了一种良好的精神氛围 授人以鱼不如授人以渔 置身其间 使我不仅接受了全新的思想观念 树 立了宏伟的学术目标 领会了基本的思考方式 掌握了通用的研究方法 而且还明白了许多待人接 物与为人处世的道理 其严以律己 宽以待人的崇高风范 朴实无华 与无微不至 感人至深的人 文关怀 倍感亲切 岂是三言两语能够说得清 道得明的 我无法用准确生动的语言来淋漓尽致地 描述自己的真实感受 只好将它深深地埋在心底 化作一道虔诚的祝福 其次 我要感谢我的同组搭档 在我们遇到困难时 我们能互相鼓励 互相帮助 我们的协助 工作才能使我们在设计中克服种种难题 顺利地完成设计任务 在此 我衷心地祝愿导师合家欢乐 一生平安 同时 也将祝福送给每一位帮助过我的师长 参考文献 陕西理工学院毕业设计 第 30 页 共 40 页 1 孙惠章 基于 EWB 简易函数信号发生器的设计 J 电子制作 2006 143 2 48 49 2 曾兴雯 刘乃安 陈健 高频电路原理与分析 西安 西安电子科技大学出版社 1994 26 32 3 蒋丽伟 最新 EWB 电子仿真软件 J 电子制作 2005 135 6 35 38 4 张政 学用 EWB 分析电路的静态工作点 J 电子制作 2005 134 5 36 5 骆新全 黄玲玲 电路仿真与 PCB 设计 PSpice8 0 Multisim2001 及 Protel99 SE 的应用 北京 北京航空航天大学出版社 2004 30 42 6 李忠波 袁宏 电子设计与仿真技术 机械工业出版社 2004 1 26 7 江明 单片机控制多功能信号发生器 学位论文 吉林大学学报 2004 第 12 卷 3 8 张跃勤 张文希 汤怀清 智能函数信号发生器 长沙大学学报 2002 第 16 卷 2 9 塞尔吉欧 弗朗哥 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 西安 西安交通大学出版社 2004 418 423 陕西理工学院毕业设计 第 31 页 共 40 页 外文翻译 WAVE FORM GENERATORS 1 The Basic Priciple of Sinusoidal Oscillators Many different circuit configurations deliver an essentially sinusoidal output waveform even without input signal excitation The basic principles governing all these oscillators are investigated In addition to determining the conditions required for oscillation to take place the frequency and amplitude stability are also studied Fig 1 1 show an amplifier a feedback network and an input mixing circuit not yet connected to form a closed loop The amplifier provides an output signal as a consequence of the signal applied o X i X directly to the amplifier input terminal The output of the feedback network is and iOf AFXFXX the output lf the mixing circuit which is now simply an inverter is iff AFXXX Form Fig 1 1 the loop gain is Loop gain FA X X X X i f i f Base amplifier A Feedback network F i X 1 1 2 ff XX Mixing or inverting network iO AXX Fig 1 1 An amplifier with transfer gain A and feedback network F not yet connected to form a closed loop Suppose it should happen that matters are adjusted in such a way that the signalis identically equal to f X the externally applied input signal Since the amplifier has no means of distinguishing the source of the i X input signal applied to it it would appear that if the external source were removed and if terminal 2 were connected to terminal 1 the amplifier would continue to provide the same output signal as before o X Note of course that the statement means that the instantaneous values of andare exactly f X i X f X i X equal at all times The condition is equivalent to or the loop gain must equal unity f X i X1 AF The Barkhausen Criterion We assume in this discussion of oscillators that the entire circuit operates linearly and that the amplifier or feedback network or both contain reactive elements Under such circumstances the only periodic waveform which will preserve its form is the sinusoid For a sinusoidal waveform the conditionis equivalent to the condition that the amplitude phase and frequency of fi XX 陕西理工学院毕业设计 第 32 页 共 40 页 andbe identical Since the phase shift introduced in a signal in being transmitted through a reactive i X f X network is invariably a function of the frequency we have the following important principle The frequency at which a sinusoidal oscillator will operate is the frequency for which the total shift introduced as a signal proceed from the input terminals through the amplifier and feedback network and back again to the input is precisely zero or of course an integral multiple of 2 Stated more simply the frequency of a sinusoidal oscillator is determined by the condition that the loop gain phase shift is zero Although other principles may be formulated which may serve equally to determine the frequency these other principles may always be shown to be identical with that stated above It might be noted parenthetically that it is not inconceivable that the above condition might be satisfied for more than a single frequency In such a contingency there is the possibility of simultaneous oscillations at several frequencies or an oscillation at a single one of the allowed frequencies The condition given above determines the frequency provided that the circuit will oscillate ta all Another condition which must clearly be met is that the magnitud