基于proteus的信号发生器的设计

基于proteus的信号发生器的设计摘要信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器，其频率范围可从几个微赫到几十兆赫，除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。本设计是使用集成运算放大器设计的一种宽度可调的矩形波发生器。它主要由反相输入的滞回比较器和RC电路组成，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。而使电容的正向和反向充电时间常数不同，利用二极管的单向导电性引导电流流经不同的通路，就形成占空比可调的矩形波发生电路。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。关键字：信号发生器、宽度可调、矩形波、锯齿波、时间常数1.概述在电子技术日新月异的形势下，信息技术随之迅猛发展。信息是存在于客观世界的一种事物现象，人们正是通过信息的获取、存储、传输和处理等来不断认识和改造世界的。而信号作为信息的载体，是指带有信息的随时间或其他自变量变化的物理量或物理现象，信号时使用极为广泛的基本概念，无论是在自然科学领域，还是在社会科学领域都存在大量的应用研究问题。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器，其频率范围可从几个微赫到几十兆赫，除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。脉冲信号发生器能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。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。proteus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。proteus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。proteus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。Proteus还具有有庞大的原器件库和比较齐全的仪器仪表库。本设计是使用集成运算放大器设计的一种宽度可调的矩形波发生器。它主要由反相输入的滞回比较器和RC电路组成，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。而使电容的正向和反向充电时间常数不同，利用二极管的单向导电性引导电流流经不同的通路，就形成占空比可调的矩形波发生电路。2.Proteus简介有了protel、Multisim、proteus、psice等一系列的软件的存在，就此便可以以虚代实、以软代硬，独立建立一个完善的虚拟实验室。代替了在实验室和教室里的以实物进行实践的方式，可以在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。因此这一系列的软件受到广大电子设计爱好者的青睐，是他们工作、学习上难得的工具软件，也因此它们在全球得到了广泛应用。其中，Proteus软件提供多达30多个元件库，元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。它的功能强大，集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。它还提供多种现实存在的虚拟仪器，这些仪表有极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响。此外，Proteus软件还有图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：系统总体执行效果和对软件的分步调试。它还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。在用Proteus进行仿真和程序调试时，只要关心从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。它还提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如示波器、373、led等。3.电路原理与设计3.1方波发生电路3.1.1整体设计思路由集成运放构成的方波发生器，包括迟滞比较电路和RC积分电路两大部分。电路原理图如下所示。图3-1方波发生电路原理框图因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间，即RC积分电路。3.1.2电路的设计方波发生电路图如下图所示，它由反相输入的滞回比较器和RC积分电路组成。其中RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换，而输出端引入的限流电阻0R和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的作用。滞回比较电路RC积分电路反馈网络输出方波图3-2方波发生电路图图3-3滞回比较曲线工作原理：设某一时刻输出电压ZUU0，则同相输入端电位TcUu。0u通过R对电容C正向充电。反相输入端电位cu随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，cu趋于zU；一旦TcUu，再稍增大，0u就从ZU跃变为ZU，与此同时cu从ZU跃变为ZU。随后，0u又通过R对电容C放电。反相输入端电位cu随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，cu趋于ZU；一旦TcUu，再稍减小，0u就从ZU跃变为ZU，与此同时，cu从ZU跃变为ZU，电容又开始反向充电。而上述过程周而复始，电路产生了输出状态的自动转换，便输出方波。上述电路输出状态发生跳变的临界条件为：UU其中：当输出0U为高电平时：当输出0U为低电平时：HOHOFUURRRU322OOFUURRRU322LOLOFUURRRU322△∞＋－＋RRouoR3R2CuC±UzVDz1VDz2刚开始振荡建立时，由于电路中的电扰动，并通过正反馈，使输出很快变为高电平或低电平。电容上电压cu和电路输出电压0U波形如下图所示：图3-4电压传输特性曲线振荡周期为：而方波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为RC，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内Z0Uu的时间与Z0-Uu的时间相等，即方波T2T1。对T1由暂态过程公式：对充电过程，t=∞时：t=0时：即：得：＋Uz－UzOz322URRRz322URRRUzT2T1－UztuouC21TTTtCCCCeUUUtu)]0()([)()(ZoHCUUU）（ZOLCFUFUU）（0tZZZCeUFUUtu][)()21ln(211ln22321RRRCFFTT则振荡频率：可知，调整电压比较器的电路参数1R、2R和ZU可以改变方波发生电路的振荡幅值，调整电阻1R、2R、3R和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。3.2宽度可调的矩形波发生电路输出波形高电平的宽度T1与周期T的比值即为占空比，方波的占空比为50%。由以上的方波发生器电路可以看出，如果设法改变充、放电时间常数，即可实现矩形波宽度可调，因此可以利用二极管的单向导电性使积分电容C充电和放电的时间常数不等。宽度可调的矩形波发生电路如下图所示：图3-5宽度可调的矩形波发生电路图工作原理：C充电时，充电电流经R、电位器的下半部、二极管D2；C放电时，放电经R、二极管D1、电位器的上半部。由于充、放电时间常数不同，这样就得到了矩形波电路。)21ln(21132RRRCTf△∞＋－＋RRouoR3R2CuC±UzVD2RW′RWVDz3VDz4占空比为：2111TT其中：111RrRCw'd221RRrRCww'dwR'是电位器中点到下端的电阻，和是二极管导D1、D2的导通电阻。控制1和2的比值即可得到输出高低电平宽度不同的波形。当wR'动臂上移时，充电时间常数将大于放电时间常数，则波形变宽，反之则变窄。因此通过调节wR'，即可连续地改变其占空比TTD/1的大小。而运放的转换速率将影响脉冲前、后沿的陡度，欲要得到窄脉冲输出，必须选用SR高的运放。3.3三角波－方波发生电路产生三角波的基本方法是用恒定的电流给电容器充电或放电。基本电路图如下所示：图３-６三角波发生电路图＋－E＋－ESRC＋－uoA－＋∞因此，可以把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如下图所示。则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波－方波发生器。图3-7三角波-方波发生电路图可得周期为：21TTT其中，输出电压为：RCaRRT1212RCaRRT1222TZDottZDoUTUUaRCtudtUUaRCu21)(1)()(121三角波-方波发生电路输出波形如下图所示：图3-8三角波-方波发生电路输出波形改变分压系数a和积分时常数RC可以调节振荡周期（或频率），却不改变输出的幅值。通常用RC作频率量程切换，RW作量程内的频率细调。电路的最高振荡频率取决于积分器A2的压摆率和最大输出电流，最低振荡频率取决于积分漂移。3.4正弦振荡器基本原理许多不同组态的电路，即使在没有输入信号激励的情况下，也能输出一个基本上是正弦形的输出波形。我们将在下文讨论所有这些振荡器的基本原理，除了确定产生振荡所需的条件之外，还研究振荡频率和振幅的稳定问题。图表示了放大器、反馈网络和输入混合电路尚未连成闭环的情况。当信号iX直接加到放大器的书入端时，放大器提供一个输出信号oX。反馈网络的输出为iOfAFXFXX，混合电路（现在就是一个反相器）的输出为iffAFXXX'由图1-1，环路增益为环路增益=FAXXXXifif'假定恰好将信号'fX调整到完全等于外加的输入信号iX。由于放大器无法辨别加給它的输入信号的来源，于是就会出现如下情况：如果除去外加信号源，而将2端同1端接在一起，则放大器将如以前一样，继续提供一个同样的输出信号oX。当然要注意，'fX=iX这种说法意味着'fX和iX的瞬时值在所有时刻都完全相等。条件'fX=iX等价于1AF，即环路增益必须等于1。巴克豪森判据在以下关于振荡器的讨论中我们假定，整个电路工作在线形状态，并且放大器或反馈网络或它们两者是含有电抗元件的。在这些条基本放大器A反馈网络FiX1-12ffXX'混合或反相网络iOAXX尚未连成闭环的增益为A的放大器和反馈网络F件下，能保持波形形状的唯一周期性波形是正弦波。对正弦波而言，条件'fX=iX等同于iX和'fX的幅度、相位和频率都完全一样的条件。因为信号在通过电抗网络时引入的相移总是频率的函数，所以我们有如下