Proteus信號發(fā)生器.doc

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目 錄摘 要11 概要22 Proteus 簡介33 電路原理及設計43.1 方波發(fā)生電路43.1.1 整體電路原理43.1.2 電路的設計43.2 寬度可調的矩形波發(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136 參考文獻14摘 要信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。能夠產生多種波形，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、放電實現輸出狀態(tài)的自動轉換。而使電容的正向和反向充電時間常數不同，利用二極管的單向導電性引導電流流經不同的通路，就形成占空比可調的矩形波發(fā)生電路。關鍵字：信號發(fā)生器、寬度可調、矩形波、鋸齒波、時間常數1 概要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象，信號時使用極為廣泛的基本概念，無論是在自然科學領域，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，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。能夠產生多種波形，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，就需要能夠產生高頻的振蕩器。脈沖信號發(fā)生器能產生寬度、幅度和重復頻率可調的矩形脈沖的發(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字系統(tǒng)的性能。在工業(yè)、農業(yè)、生物醫(yī)學等領域內，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。本設計是使用集成運算放大器設計的一種寬度可調的矩形波發(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、放電實現輸出狀態(tài)的自動轉換。而使電容的正向和反向充電時間常數不同，利用二極管的單向導電性引導電流流經不同的通路，就形成占空比可調的矩形波發(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、數字電路、單片機應用系統(tǒng)等課程，并進行電路設計、仿真、調試等。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，不僅能夠對電工、電子技術學科涉及的電路進行設計與分析，還能夠對微處理器進行設計和仿真，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字信號。在用Proteus進行仿真和程序調試時，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 Drawing、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 電路原理及設計3.1 方波發(fā)生電路3.1.1 整體電路原理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；因為產生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉換，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)，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現輸出狀態(tài)的自動轉換，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uO=+UZ，則同相輸入端電位uc=+UT。uO通過R對電容C正向充電。反相輸入端電位uc隨時間t增長而逐漸升高，當t趨近于無窮時，uc趨于+UZ；一旦uc=+UT，再稍增大，uO就從+UZ躍變?yōu)?UZ，與此同時uc從+UT躍變?yōu)?UT。隨后，uO又通過R對電容C放電。反相輸入端電位uc隨時間t增長而逐漸降低，當t趨近于無窮時，uc趨于-UZ；一旦uc=-UT，再稍減小，uO就從-UZ躍變?yōu)?UZ，與此同時，uc從-UT躍變?yōu)?UT，電容又開始反向充電。而上述過程周而復始，電路產生了輸出狀態(tài)的自動轉換，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：當輸出U0為高電平時：當輸出U0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間常數均為RC，而且充電的總幅值也相等，因而在一個周期內uO=+UZ的時間與uO=-UZ的時間相等，即方波T1 = T2。對T1由暫態(tài)過程公式：對充電過程，t = 時：t = 0 時：即：得：則振蕩頻率：可知，調整電壓比較器的電路參數R1、R2和UZ可以改變方波發(fā)生電路的振蕩幅值，調整電阻R1、R2、R3和電容C的數值可以改變電路的振蕩頻率。3.2 寬度可調的矩形波發(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，即可實現矩形波寬度可調，因此可以利用二極管的單向導電性使積分電容C充電和放電的時間常數不等。寬度可調的矩形波發(fā)生電路如下圖所示：圖3-5 寬度可調的矩形波發(fā)生電路圖工作原理：C充電時，充電電流經R、電位器的下半部、二極管D2；C放電時，放電經R、二極管D1、電位器的上半部。由于充、放電時間常數不同，這樣就得到了矩形波電路。占空比為： 其中： Rw是電位器中點到下端的電阻，和是二極管導D1、D2的導通電阻?？刂?和2的比值即可得到輸出高低電平寬度不同的波形。當Rw動臂上移時，充電時間常數將大于放電時間常數，則波形變寬，反之則變窄。因此通過調節(jié)Rw，即可連續(xù)地改變其占空比D/T的大小。而運放的轉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輸出的方波經積分器A2積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉形成方波，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： 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a和積分時常數RC可以調節(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作量程內的頻率細調。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）寬度可調的矩形波發(fā)生電路：圖4-3寬度可調的矩形波發(fā)生電路圖圖4-4 寬度可調的矩形波發(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、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、模擬電子技術和數字電子技術的學習有了一個系統(tǒng)地、整體的認識，把原來零散的章節(jié)學習組合成了一個整體，進一步了解了調制的概念，收獲很大。在做proteus仿真的過程中我遇到了很多問題，比如說我認為兩根線是連接在一起的，但是放大后卻發(fā)現兩根線是互不相連的，一個節(jié)點就可以導致整個實驗的失敗，可謂是牽一發(fā)而動全身，因此，在畫電路圖時，一定要仔細，把每個點、每根線都連接好，這樣最后調試的時候才不容易出錯。在做調制器電路的時候，我把電路連接好后觀測不到波形，檢查連線都沒有問題，最后終于發(fā)現原來是我錯把-5V的電源弄成+5V的電源了，因此無法觀測到波形。在用示波器同時觀察兩個波形時，可以把其中一個信道的顏色設為紅色或者其它顏色，以方便區(qū)分。當我看到示波器上清晰地顯示出理論波形時，興奮之情難以言表。對我而言，從這次強化訓練中學到的知識上很重要，精神上的豐收也很重要。挫折是一份財富，經歷是一份擁有。這次實習必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！6 參考文獻1 劉泉通信電子線路（第二版）武漢：武漢理工大學出版社，20052 謝自美電子線路設計實驗測試（第三版）武漢：華中科技大學出版社，20063 俞加琦高頻電子線路西安：西安電子科技大學出版社，1997 4 周潤景，張麗娜，劉印群. PROTEUS入門實用教程.機械工業(yè)出版社,20075 朱清慧,張鳳蕊. Proteus教程-電子線路設計制版與仿真.北京： 清華大學出版社6 楊翠娥.高頻電子線路實驗與課程設計. 哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,20017 康華光模擬電子技術基礎（第五版）北京：高等教育出版社，2006