Proteus信號(hào)發(fā)生器.doc

目 錄摘 要11 概要22 Proteus 簡(jiǎn)介33 電路原理及設(shè)計(jì)43.1 方波發(fā)生電路43.1.1 整體電路原理43.1.2 電路的設(shè)計(jì)43.2 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路73.3三角波方波發(fā)生電路8電路的仿真105 小結(jié)136 參考文獻(xiàn)14摘 要信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)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(hào)發(fā)生器，其頻率范圍可從幾個(gè)微赫到幾十兆赫，除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)是使用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。而使電容的正向和反向充電時(shí)間常數(shù)不同，利用二極管的單向?qū)щ娦砸龑?dǎo)電流流經(jīng)不同的通路，就形成占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。關(guān)鍵字：信號(hào)發(fā)生器、寬度可調(diào)、矩形波、鋸齒波、時(shí)間常數(shù)1 概要在電子技術(shù)日新月異的形勢(shì)下，信息技術(shù)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(chǔ)、傳輸和處理等來不斷認(rèn)識(shí)和改造世界的。而信號(hào)作為信息的載體，是指帶有信息的隨時(shí)間或其他自變量變化的物理量或物理現(xiàn)象，信號(hào)時(shí)使用極為廣泛的基本概念，無(wú)論是在自然科學(xué)領(lǐng)域，還是在社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域都存在大量的應(yīng)用研究問題。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)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(hào)發(fā)生器，其頻率范圍可從幾個(gè)微赫到幾十兆赫，除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)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(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。脈沖信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用作模擬信號(hào)來測(cè)試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)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。本設(shè)計(jì)是使用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。而使電容的正向和反向充電時(shí)間常數(shù)不同，利用二極管的單向?qū)щ娦砸龑?dǎo)電流流經(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(jiǎn)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(shí)、以軟代硬，獨(dú)立建立一個(gè)完善的虛擬實(shí)驗(yàn)室。代替了在實(shí)驗(yàn)室和教室里的以實(shí)物進(jìn)行實(shí)踐的方式，可以在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)，模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等課程，并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等。因此這一系列的軟件受到廣大電子設(shè)計(jì)愛好者的青睞，是他們工作、學(xué)習(xí)上難得的工具軟件，也因此它們?cè)谌虻玫搅藦V泛應(yīng)用。其中，Proteus軟件提供多達(dá)30多個(gè)元件庫(kù)，元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等，有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、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(qiáng)大，集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。它還提供多種現(xiàn)實(shí)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(duì)測(cè)量結(jié)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(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來。對(duì)于單片機(jī)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(duì)軟件的分步調(diào)試。它還提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試，這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。在用Proteus進(jìn)行仿真和程序調(diào)試時(shí)，只要關(guān)心從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。它還提供Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計(jì)功能，同時(shí)可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如示波器、373、led等。3 電路原理及設(shè)計(jì)3.1 方波發(fā)生電路3.1.1 整體電路原理由集成運(yùn)放構(gòu)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(luò)輸出方波圖 3-1 方波發(fā)生電路原理框圖因?yàn)榫匦尾妷褐挥袃煞N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?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，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(shí)間，即RC 積分電路。3.1.2 電路的設(shè)計(jì)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(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，而輸出端引入的限流電阻和兩個(gè)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(shè)某一時(shí)刻輸出電壓uO=+UZ，則同相輸入端電位uc=+UT。uO通過R對(duì)電容C正向充電。反相輸入端電位uc隨時(shí)間t增長(zhǎng)而逐漸升高，當(dāng)t趨近于無(wú)窮時(shí)，uc趨于+UZ；一旦uc=+UT，再稍增大，uO就從+UZ躍變?yōu)?UZ，與此同時(shí)uc從+UT躍變?yōu)?UT。隨后，uO又通過R對(duì)電容C放電。反相輸入端電位uc隨時(shí)間t增長(zhǎng)而逐漸降低，當(dāng)t趨近于無(wú)窮時(shí)，uc趨于-UZ；一旦uc=-UT，再稍減小，uO就從-UZ躍變?yōu)?UZ，與此同時(shí)，uc從-UT躍變?yōu)?UT，電容又開始反向充電。而上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了輸出狀態(tài)的自動(dòng)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：U- = U+ 其中：當(dāng)輸出U0為高電平時(shí)：當(dāng)輸出U0為低電平時(shí)：剛開始振蕩建立時(shí)，由于電路中的電擾動(dòng)，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uC和電路輸出電壓uO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(shí)間常數(shù)均為RC，而且充電的總幅值也相等，因而在一個(gè)周期內(nèi)uO=+UZ的時(shí)間與uO=-UZ的時(shí)間相等，即方波T1 = T2。對(duì)T1由暫態(tài)過程公式：對(duì)充電過程，t = 時(shí)：t = 0 時(shí)：即：得：則振蕩頻率：可知，調(diào)整電壓比較器的電路參數(shù)R1、R2和UZ可以改變方波發(fā)生電路的振蕩幅值，調(diào)整電阻R1、R2、R3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(shè)法改變充、放電時(shí)間常數(shù)，即可實(shí)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(shí)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(shí)，充電電流經(jīng)R、電位器的下半部、二極管D2；C放電時(shí)，放電經(jīng)R、二極管D1、電位器的上半部。由于充、放電時(shí)間常數(shù)不同，這樣就得到了矩形波電路。占空比為： 其中： Rw是電位器中點(diǎn)到下端的電阻，和是二極管導(dǎo)D1、D2的導(dǎo)通電阻。控制1和2的比值即可得到輸出高低電平寬度不同的波形。當(dāng)Rw動(dòng)臂上移時(shí)，充電時(shí)間常數(shù)將大于放電時(shí)間常數(shù)，則波形變寬，反之則變窄。因此通過調(diào)節(jié)Rw，即可連續(xù)地改變其占空比D/T的大小。而運(yùn)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(yùn)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)比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構(gòu)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： T=T1+T2 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(shí)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(xì)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。 電路的仿真在proteus上畫出各電路圖，檢查無(wú)誤后進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)果圖5 小結(jié)強(qiáng)化訓(xùn)練可以培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，可以鍛煉我們的實(shí)踐能力，是對(duì)我們實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。在這幾天的強(qiáng)化訓(xùn)練期間，我曾失落過，也曾一度因看到結(jié)果而熱情高漲。從開始時(shí)的滿腔激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無(wú)不令我回味成長(zhǎng)。在這強(qiáng)化訓(xùn)練的幾天里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多的東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次強(qiáng)化訓(xùn)練使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在具體實(shí)踐的過程中難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，在設(shè)計(jì)的過程中，我發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過該強(qiáng)化訓(xùn)練，使我對(duì)高頻電子線路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)有了一個(gè)系統(tǒng)地、整體的認(rèn)識(shí)，把原來零散的章節(jié)學(xué)習(xí)組合成了一個(gè)整體，進(jìn)一步了解了調(diào)制的概念，收獲很大。在做proteus仿真的過程中我遇到了很多問題，比如說我認(rèn)為兩根線是連接在一起的，但是放大后卻發(fā)現(xiàn)兩根線是互不相連的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗，可謂是牽一發(fā)而動(dòng)全身，因此，在畫電路圖時(shí)，一定要仔細(xì)，把每個(gè)點(diǎn)、每根線都連接好，這樣最后調(diào)試的時(shí)候才不容易出錯(cuò)。在做調(diào)制器電路的時(shí)候，我把電路連接好后觀測(cè)不到波形，檢查連線都沒有問題，最后終于發(fā)現(xiàn)原來是我錯(cuò)把-5V的電源弄成+5V的電源了，因此無(wú)法觀測(cè)到波形。在用示波器同時(shí)觀察兩個(gè)波形時(shí)，可以把其中一個(gè)信道的顏色設(shè)為紅色或者其它顏色，以方便區(qū)分。當(dāng)我看到示波器上清晰地顯示出理論波形時(shí)，興奮之情難以言表。對(duì)我而言，從這次強(qiáng)化訓(xùn)練中學(xué)到的知識(shí)上很重要，精神上的豐收也很重要。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。這次實(shí)習(xí)必將成為我人生旅途上一個(gè)非常美好的回憶！6 參考文獻(xiàn)1 劉泉通信電子線路（第二版）武漢：武漢理工大學(xué)出版社，20052 謝自美電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（第三版）武漢：華中科技大學(xué)出版社，20063 俞加琦高頻電子線路西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997 4 周潤(rùn)景，張麗娜，劉印群. 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