畢業(yè)設計（論文）簡易函數(shù)信號發(fā)生器的設計

1、陜西理工學院畢業(yè)設計信號發(fā)生器設計已做過調(diào)試引 言盡管近30年來以大規(guī)模集成工藝為依托的各種數(shù)字電路的問世，逐漸代替了各種傳統(tǒng)的模擬電路的應用領域，但是物理世界畢竟還是模擬的，與物理世界各種現(xiàn)象的接口，仍然需要靠模擬電路來承擔。即便在某一功能塊中，模擬電路所占份量可能很少，但是這一部分或許是整個系統(tǒng)就設計和實現(xiàn)來說最具挑戰(zhàn)性的部分，而且往往在系統(tǒng)性能上起著關鍵作用。尤其是當速度和功率成為至關重要的因素時，模擬電路就更顯突出。運算放大器和各種模擬集成電路是應用最為廣泛的一類模擬器件。隨著及程度的提高、性能的改善，愈來愈受到人們的青睞；在工業(yè)控制、遙控遙測、儀表儀器等領域成為不可或缺的器件。傳統(tǒng)上

2、隸屬于模擬電子學領域的很多功能，今天都用數(shù)字形式給予實現(xiàn)了。然而，物理世界本來就是模擬的，這表明，總是需要模擬電路去適應這些物理信號，像與傳感器相連的電路，以及把模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，供進一步處理，和從數(shù)字信息轉(zhuǎn)換回模擬信息供物理世界再利用等這樣一些電路，都還需要用到模擬電路。因此，當今的許多應用，最好是由混合模式的集成電路（混合模式ic）和系統(tǒng)來提出。它依賴模擬電路與物理世界接口，而數(shù)字電路則用作處理和控制。即便這個模擬電路或許進展這個芯片面積的一小部分，但它往往卻是設計中極具挑戰(zhàn)性的部分，并且在整個系統(tǒng)的性能上起著關鍵作用。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

3、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?！半娮庸ぷ髋_”，即ewb（electronic workbench），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。ewb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(jié)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)生了劃時代的變化，極大地提高了設計質(zhì)量與效率。ewb與電路分析軟件“pspice”完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采用圖形方式創(chuàng)建電路等優(yōu)點。ewb有龐

4、大的原器件庫和比較齊全的儀器儀表庫。在本設計中將采用數(shù)-模結(jié)合的集成電路來實現(xiàn)方波和三角波的輸出。函數(shù)發(fā)生器是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。當調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)時，還可以獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。因此廣泛用于儀器儀表中。函數(shù)信號發(fā)生器的功能是產(chǎn)生據(jù)由指定特征，例如頻率、幅度、形狀以及占空比的波形，有時會通過適當?shù)目刂菩盘?，將這些特征設計成可在外部編程的。一般來說，信號發(fā)生器是利用某些反饋形式以及像電容那樣其特征與事件有關的器件儀器來實現(xiàn)。 作 者 2006-6-201 緒論1.1 本課題相關背景知識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

5、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?！半娮庸ぷ髌脚_”，即ewb（electronics workbench），是將先進的計算機技術應用在電子設計與仿真過程中的新技術，它已被廣泛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。ewb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(jié)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)生了劃時代的變化，極大地提高了設計質(zhì)量與效率。ewb與電路分析軟件pspice完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采用圖形方式創(chuàng)建電路等優(yōu)點。ewb還有龐大

6、的元器件庫和比較齊全的儀器儀表庫。集成電路（ic: integrated circuit）是指通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容、電感等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體晶片（如硅，或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能的一種器件。1965年，intel公司創(chuàng)始人之一的gorden e.moore博士在研究存儲器芯片上晶體管增長數(shù)的時間關系時預測，芯片上晶體管數(shù)目每隔18個月翻一番或每三年翻兩番，這一關系稱為摩爾定律（moores law）。集成電路從19世紀60年代開始發(fā)展至今，其規(guī)模幾乎仍然按照摩爾定律發(fā)展。從標志ic水平的兩個

7、指標集成規(guī)模（integration scale）和特征尺寸（feature size）來看，目前單個芯片上已經(jīng)可以制作含有幾百萬個晶體管的一個完整的數(shù)字系統(tǒng)或數(shù)?；旌系碾娮酉到y(tǒng)，集成電路的特征尺寸也已發(fā)展到深亞微米水平，0.18工藝已經(jīng)走向規(guī)?；a(chǎn)。隨著應用領域的不斷擴展，社會對集成電路芯片的需求量和種類越來越多，消費者對產(chǎn)品的整機性能要求越來越高。而集成電路設計技術與制造技術水平也在迅速發(fā)展，越來越多性價比好的電路不斷推出。在這種需求牽引和技術進步的雙重作用下，集成電路正在向集成系統(tǒng)（is：integrated system）發(fā)展，即在一個微電子芯片上將信息的采集、傳輸、存儲、處理等功能

8、集成在一起而構(gòu)成系統(tǒng)芯片（soc：system on chip）。為實現(xiàn)soc，提出了更多的基礎研究、設計技術研究及工藝技術研究的方向。此外，這種微電子技術一旦與其他學科相結(jié)合，將會誕生出一些嶄新的學科，mems技術和dna生物芯片就是突出的例子。前者是微電子技術與機械、光學等領域結(jié)合而誕生的，后者則是與生物技術結(jié)合的產(chǎn)物。根據(jù)集成電路的器件結(jié)構(gòu)類型、集成規(guī)模、使用的基片材料、電路功能以及應用領域，對集成電路分類的結(jié)果如圖1.1所示。集成電路按器件結(jié)構(gòu)分類雙集成電路mos集成電路bimos集成電路集成度小規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路特大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路基

9、片材料單片集成電路混合集成電路電路的功能數(shù)字集成電路模擬集成電路數(shù)?；旌霞呻娐窇妙I域標準通用集成嗲路專用集成電路圖1.1 集成電路分類1.2 函數(shù)信號發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀目前，市場上的信號發(fā)生器多種多樣，一般按頻帶分為以下幾種:超高頻:頻率范圍1mhz以上，可達幾十兆赫茲；高頻: 幾百干赫茲到幾兆赫茲；低頻: 頻率范圍為幾十赫茲到幾百千赫；超低頻:頻率范圍為零點幾赫茲到幾百赫茲；超高頻信號發(fā)生器，產(chǎn)生波形一般用lc振蕩電路。高頻、低頻和超低頻信號發(fā)生器，大多使用文氏橋振蕩電路，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，

10、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。用單片計算機inte18031，加上一片dac0832,就可以做成一個簡單的信號發(fā)生器，其頻率受計算機運行的程序的控制。我們可以把產(chǎn)生各種波形的程序，寫在eprom中，裝入本機，按用戶的選擇，運行不同的程序，產(chǎn)生不同的波形。再在dac0832輸出端加上一些電壓變換電路，就完成了一個頻率、幅值、零點均可調(diào)的多功能信號發(fā)生器的設計。1.3 函數(shù)信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢中國電子測量儀器，隨著世界高科技發(fā)展的潮流，走進了高科發(fā)展的道路，為我國國民經(jīng)濟、科學教育、特別是國防軍事的

11、發(fā)展做出了巨大貢獻。我國電子測量儀器在若干重大領域取得了突破性進展，為我國電子測量儀器走向世界水平奠定了良好的基礎。1.4 課題完成的工作及研究內(nèi)容熟悉ewb仿真軟件的環(huán)境，掌握ewb操作過程。利用ewb仿真軟件完成設計頻率為、失真度小的方波和三角波發(fā)生器的工作，研究其頻率、幅度是否可調(diào)。2 電路仿真2.1 ewb仿真軟件概述 ewb是electronics workbench的縮寫，稱為電子工作平臺，是一種在電子技術界廣為用的優(yōu)秀計算機仿真設計軟件，被譽為計算機里的電子實驗室。 其特點是圖形界面操作，易學、易用，快捷、方便，真實、準確，使用ewb可實現(xiàn)大部分硬件電路實驗的功能。電子工作平臺的

12、設計試驗工作區(qū)好像一塊面包板，在上面可建立各種電路進行仿真實驗。電子工作平臺的器件庫可為用戶提供350多種常用模擬和數(shù)字器件， 設計和試驗時可任意調(diào)用。虛擬器件在仿真時可設定為理想模式和實模式，有的虛擬器件還可直觀顯示，如發(fā)光二極管可以發(fā)出紅綠藍光，邏輯探頭像邏輯筆那樣可直接顯示電路節(jié)點的高低電平，繼電器和開關的觸點可以分合動作，熔斷器可以燒斷，燈泡可以燒毀，蜂鳴器可以發(fā)出不同音調(diào)的聲音，電位器的觸點可以按比例移動改變阻值。電子工作平臺的虛擬儀器庫存放著數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表、雙通道 1000mhz 數(shù)字存儲示波器、999mihz數(shù)字函數(shù)發(fā)生器、可直接顯示電路頻率響應的波特圖儀、1

13、6路數(shù)字信號邏輯分析儀、16位數(shù)字信號發(fā)生器等，這些虛擬儀器隨時可以拖放到工作區(qū)對電路進行測試，并直接顯示有關數(shù)據(jù)或波形。電子工作平臺還具有強大的分析功能， 可進行直流工作點分析， 暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，高版本的ewb還可以進行傅立葉變換分析、噪聲及失真度分析、零極點和蒙特卡羅等多項分析。2.1.1 ewb的特點與其他電子電路仿真軟件相比，ewb的特點是：1) 界面直觀、操作方便。ewb改變了一般電子電路仿真軟件必須采用文本方式創(chuàng)建電路和選擇元器件及測試儀器與儀表的方法，采用圖形方式創(chuàng)建電路，即直接從屏幕上的元器件庫和儀器庫中選取電路元器件和測試儀器與儀表。2) 電路元器件豐富。ewb提供了數(shù)千種電

14、路元器件及其理想值，并與目前常用的電子電路分析軟件pspice的元器件庫完全兼容，同時還可以根據(jù)需要新建或擴充元器件庫。3) 仿真手段符合實際。ewb提供的虛擬儀器與實際儀器極為相似，利用虛擬儀器對電路進行仿真實驗如同使用真實儀器進行電路實驗，便于學習與使用。雖然ewb在電子電路設計與仿真的許多地方都應用廣泛，但他還是存在一些缺點：首先，ewb不能實現(xiàn)通過編程來實現(xiàn)的電路設計與仿真；其次，ewb是一種理想的環(huán)境，在此環(huán)境下工作的電路以及仿真結(jié)果都是理想值，與實際電路的測試仿真結(jié)果有誤差。2.1.2 ewb的主要功能1) 電路分析功能ewb提供了豐富而詳細的電路分析方法，不僅提供了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)、時

15、域與頻域、線形與非線性，和噪聲與失真等常規(guī)的電路分析方法。同時還提供了傅立葉、電路極-零點、靈敏度和電路容差等電路分析方法，幫助設計這分析電路特性。2) 故障設置功能可以設置實際實驗中不容易做到的開路、短路和漏電等故障，觀察和分析電路狀態(tài)，加深對理論知識的理解。3) 存儲功能在仿真的同時，可以存儲所有測試點的數(shù)據(jù)、波形及測試儀器的工作狀態(tài)，并能力儲備仿真電路所有元器件清單。4) 與其他軟件兼容于共享功能ewb提供的元器件庫與pspice的元器件庫完全兼容，同時，在ewb平臺上設計的電路原理圖可以直接輸出到protel和orcad等軟件平臺上，自動排出印制電路板圖，從而大大加快電子產(chǎn)品開發(fā)速度，

16、提高設計工作效率。5) 模擬電路與數(shù)字電路混合的模擬功能ewb以spice3f5為模擬軟件核心，可以在系統(tǒng)中任意集成模擬與數(shù)字元器件，并能自動實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。6) 波形即時顯示功能可以在電路仿真過程中實時顯示需要觀察的波形。7) 下拉式電路編輯菜單功能可以使電路元器件的輸入更為方便快捷。2.1.3 ewb對電路進行設計和試驗仿真的基本步驟1. 用虛擬器件在工作區(qū)建立電路；2. 選定元件的模式、參數(shù)值和標號；3. 連接信號源等虛擬儀器；4. 選擇分析功能和參數(shù)；5. 激活電路進行仿真；6. 保存電路圖和仿真結(jié)果。2.2 ewb的工作界面啟動ewb5.0c，可以看到electronics workb

17、ench主窗口，它有菜單欄、常用工具欄、元器件選取欄和電路原理圖編輯窗口組成，如圖2.1所示。圖2.1 ewb主窗口由圖可以看到，ewb模擬了一個實際的電子工作臺。主窗口的最上層是菜單欄，從中可以選擇電路分析、實驗與仿真等各種命令；第二層是常用工具欄，從中可以選擇各種操作命令；第三層是元器件庫欄，從中可以選取電路實驗所需的各種元器件與測試儀器；下面最大的區(qū)域便是電路原理圖編輯窗口，也可以成為電路工作區(qū)，在這里可以進行電路的連接，測試與仿真；最下層是電路描述框，用于電路說明。2.3 ewb的工具欄ewb的工具欄如圖2.2所示，其中各按鍵名稱及其功能如下：在線幫助放大縮小元器件特征分析曲線創(chuàng)子電路

18、垂直翻轉(zhuǎn)水平翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)粘貼復制剪切打印存盤打開刷新圖2.2 ewb工具欄1) 刷新：清除電路工作區(qū)，準備生成新電路。2) 打開：打開電路文件。3) 存盤：保存電路文件。4) 打?。捍蛴‰娐肺募?) 剪切：將選中的電路剪切至剪貼板。6) 復制：將選中的電路復制至剪貼板。7) 粘貼：將剪貼板中的內(nèi)容粘貼至電路工作區(qū)。8) 旋轉(zhuǎn)：將選中的元器件逆時針旋轉(zhuǎn)90度。9) 水平翻轉(zhuǎn)：將選中的元器件水平翻轉(zhuǎn)180度。10) 垂直翻轉(zhuǎn)：將選中的元器件垂直翻轉(zhuǎn)180度。11) 創(chuàng)子電路：生成子電路。12) 分析曲線：調(diào)出曲線分析框。13) 元器件特征：調(diào)出元器件特征對話框。14) 縮?。簩㈦娐钒匆欢ū壤s小。1

19、5) 放大：將電路按一定比例放大。16) 在線幫助：調(diào)出與選中對象有關的幫助內(nèi)容。2.4 ewb的元器件與儀器庫欄ewb元器件庫欄由14個元器件庫組成，如圖2.3所示，單擊元器件庫中的某一個圖標即可打開該元器件庫。1 2 3 4 5 6 7圖2.3 元器件庫1）自定義元器件庫 自定義元器件庫中保存的元器件是：使用者根據(jù)需要，自己創(chuàng)建的在ewb元器件庫中沒有收入的元器件和在電路設計中創(chuàng)建的子電路，可以在電路設計中隨時調(diào)用。2）信號源庫 信號源庫及各器件名稱如圖2.4所示。圖2.4 信號源庫3）基本元器件庫 基本元器件庫及其各元器件名稱如圖2.5所示。圖2.5 基本元器件庫4）二極管庫 二極管庫及

20、其元器件名稱如圖2.6所示。圖2.6 二極管庫5）模擬集成器庫 模擬集成器庫其元器件名稱如圖2.7所示。圖2.7 模擬集成器件庫2.5 元器件的操作使用（1）根據(jù)電路需要，現(xiàn)在元器件庫欄中打開該元器件庫的下拉菜單，然后從元器件庫中將選中的元器件拖拽到電路工作區(qū)。（2）選擇單個元器件的方法：單擊要選中的元器件，被選中的所有元器件都以紅色顯示，便于識別。選擇多個元器件的方法：ctrl+單擊需要的所有元器件，被選中的所有元器件都以紅色顯示。如果要同時選中一組相鄰的元器件，可以在電路工作取得適當位置拖拽畫出一個矩形區(qū)域，包圍在該矩形區(qū)內(nèi)的一組元器件即被同時選中。取消選中元器件的方法：取消所有被選中元器

21、件的選中狀態(tài)，只需但既工作取得空白部分。要取消某一元器件的選中狀態(tài)，只需使用ctrl+單擊該元器件。（3）元器件的移動。移動元器件至特定的位置，只要拖動該元器件即可。如果移動的元器件為多個，則必須先用前面的方法選中這些元器件，然后用鼠標的左鍵拖拉其中的任意一個元器件，則所有選中的元器件就會一起移動到指定的位置。需注意的是與其連接得導線也會重新排列。如果只是想為移動某個（或某些）元器件的位置，也可以先選中它（們），然后再使用鍵盤上的箭頭鍵作為小的移動。（4）元器件的調(diào)整。為便于電路的合理布局和連線，經(jīng)常需要對元器件進行調(diào)整，這些調(diào)整包括旋轉(zhuǎn)、垂直翻轉(zhuǎn)和水平翻轉(zhuǎn)等。在元器件被選中狀態(tài)下，可用下面三

22、種方式實現(xiàn)：1) 菜單方式，菜單欄中命令如下：circuit/rotate 電路/旋轉(zhuǎn)circuit/flip vertical 電路/垂直翻轉(zhuǎn)circuit/flip horizintal 電路/水平翻轉(zhuǎn)2) 工具欄圖標方式：3) 熱鍵方式：ctrl+r 旋轉(zhuǎn)（5）元器件的復制。要復制元器件有以下三種方式：1) 菜單方式：菜單欄中命令為：edit/copy （編輯/復制）、edit/paste （編輯/粘貼）2) 工具欄圖標方式3) 熱鍵方式：復制 ctrl+c 粘貼 ctrl+v（6）元器件的刪除。要刪除被選中的元器件，按鍵盤delete鍵，或菜單命令edit/delete（編輯/刪除）和

23、edit/cut（編輯/剪切）即可。此外，直接將元器件拖拉回其元器件庫（打開狀態(tài)）也可實現(xiàn)刪除。2.6 元器件的參數(shù)設置在電路中，元器件的參數(shù)設置是非常重要的一個環(huán)節(jié)。通過參數(shù)調(diào)整，可以改變電路的性能指標及測試電路的工作狀態(tài)等。2.7 導線的編輯操作2.7.1 導線的連接如圖2.8所示，連接12v電源和地。將鼠標指向12v電源的端點，出現(xiàn)一個節(jié)點，按鼠標左鍵并拖動出一根導線，拉住導線并指向地的端點，使其出現(xiàn)小圓點，釋放鼠標左鍵，即完成了導線的連接。圖2.8 連接12v電源和地2.7.2 導線顏色的改變雙擊要改變顏色的導線，可彈出wire properties對話框如圖2.9(a)，選擇sche

24、matic options選項并按下set wire color按鈕，然后選擇合適的顏色。如圖2.9(b)。圖2.9 改變導線的顏色2.7.3 導線的刪除對準要刪除的導線，單擊鼠標右鍵，可得圖2.10所示菜單，選擇delete wire即可刪除導線。對準要刪除的導線的一端，按住左鍵拖動圓點，使導線離開元器件端點，放開左鍵，導線則自動刪除。如圖2.10(b)。圖2.10 導線的刪除2.7.4 彎曲導線的調(diào)整如圖2.11所示，元器件位置與導線不在同一條直線上，可以選中該元器件，然后用四個箭頭鍵微調(diào)該元器件的位置，這種微調(diào)方法也可用于對一組選中的元器件的位置的調(diào)整。圖2.11 彎曲導線的調(diào)整2.7.

25、5 導線上插入和刪除元件如圖2.12(a)所示，在導線中插入元器件：只要將元器件直接拖動放置在導線上，然后釋放即可插入電路中，如圖2.12(b)。刪除元器件，只需選中該穩(wěn)壓二極管，按delete鍵即可。圖2.12 導線上插入元器件2.7.6 節(jié)點的使用節(jié)點是一個小圓點，存放在基本器件庫中，一個節(jié)點有上、下、左、右四個連接點可以連接來自四個方向的導線，如圖2.13所示。將一條導線伸展到另一條導線時會自動產(chǎn)生連接點，并可以賦予標識。圖2.13 節(jié)點1) 節(jié)點的調(diào)整。如果導線接入的節(jié)點的方向不適合，會造成導線不必要的彎曲，如圖2.14(a)所示。可以把導線的接點從左邊改為右邊，如圖2.14(b)所示

26、，整個電路就更整齊、美觀。圖2.14 節(jié)點的調(diào)整2) 節(jié)點的標識、編號與顏色。在電路中，ewb自動為每個節(jié)點分配了一個編號，如圖2.15所示。是否顯示節(jié)點編號可由菜單circuit/schematic options命令的show/hide對話框設置?；螂p擊節(jié)點，可得出設置節(jié)點對話框，在對話框中對節(jié)點進行標識、編號與顏色的設置。如圖2.16所示。 圖2.15 節(jié)點的標號顯示 圖2.16 單一節(jié)點的設置對話框2.7.7 測試儀器的使用測試儀器圖標放置在一起庫中，使用測試儀器的步驟為：1) 從一起庫中拖動儀器圖標到電路工作區(qū)。2) 把儀器圖標連接到電路中的測試點。3) 雙擊儀器圖標使之放大成展示面

27、板，以便進行實驗觀察。4) 將放大的儀器拖放到適合的觀察位置。5) 根據(jù)測試要求調(diào)整儀器上的控制“旋鈕”。6) 開始仿真。2.7.8 電路的激活一旦創(chuàng)建好了電路并接上了測試儀器，就可以對電路進行特性測試方針。若要激活電路進行仿真，可通過三種方式實現(xiàn)：1) 圖標按鈕方式：單擊窗口右上角的電源開關。2) 菜單方式：在analysis菜單選擇activate。3) 熱鍵方式：按ctrl+g。3 電路設計3.1 電路設計框圖tp1三角波方波轉(zhuǎn)換電路三角波信號發(fā)生器tp23.2 可行性及原理分析獲取方波波形的途徑不外乎有兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的方波，另一種則是通過各種整形

28、電路把已有的周期性變化的波形變換為符合要求的方波。而要實現(xiàn)三角波波形，常用有集成運放構(gòu)成的積分電路，輸出波形的要求與方波一樣，都是1、失真度小。所以，可以先通過積分電路得到三角波，再通過對三角波進行整形而得到方波。為了避免積分其對滯留開環(huán)增益過大，而導致波形失真度大，在此，我將采用閉環(huán)振蕩電路的設計方案。3.2.1 555定時器的結(jié)構(gòu)和功能555定時器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，利用它能極方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以，555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領域中得到了應用。正因為如此，自從signetics公司

29、于1972年推出這種產(chǎn)品以后，國際上各主要的電子器件公司也都相繼地生產(chǎn)了各自的555定時器產(chǎn)品。盡管產(chǎn)品型號繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號最后的3位數(shù)碼都是555，所有coms產(chǎn)品型號最后的4位數(shù)碼都是7555。而且，它們的功能和外部引腳的排列完全相同。為了提高集成度，隨后又產(chǎn)生了雙定時器產(chǎn)品556（雙極型）和7556（coms型）。圖3.1時國產(chǎn)雙極型定時器cb555的電路結(jié)構(gòu)圖。它有比較器、基本rs觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管三部分組成。圖3.1 cb555的電路結(jié)構(gòu)圖是比較器的輸入端（也稱閾值端用th標注），是比較器的輸入端（也稱觸發(fā)端，用標注）。和的參考電壓（電壓比較的基準），和由經(jīng)三個

30、5k電阻分壓給出。在控制電壓輸入端懸空時，=，=。如果外接固定電壓，則=，=。是置零輸入端。只要在端加上低電平，輸出端便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使處于高電平。圖中18為器件引腳的編號。由圖可知，當，時，比較器的輸出=0，比較器的輸出=1，基本rs觸發(fā)器被置0，導通，同時為低電平。當時, =1,=1,觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變,因而和輸出的狀態(tài)也維持不變。當,低導通1不變不變1r1時，占空系數(shù)近似為50。圖3.4 多諧振蕩器的電路圖和波形圖由仿真結(jié)果我們知道：電路的振蕩周期t、占空系數(shù)d，僅與外接元件r1、r2和c有關，不受電源電壓變化的影響；改變r1、r2，即可改變

31、占空系數(shù)，其值可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；改變c的值，可單獨改變周期，而不影響占空系數(shù)。另外，復位端4也可輸入1個控制信號。復位端4為低電平時，電路停振。3.2.3 運算放大器運算放大器（operational amplifier），或簡稱為op-amp。放大器是一種二端口器件，它接受一個成為輸入的外加信號，產(chǎn)生一個成為輸出的信號并使輸出=增益輸入，這里增益是某一種合適的比例常數(shù)。滿足于這一定義的器件稱為線性放大器，以區(qū)別于具有非線性輸入-輸出關系的器件。一個放大器接受來自上面某個源的輸入，并將它的輸出向下輸送到某個負載。決定于輸入和輸出信號的屬性，可有不同類型的放大器。最普遍的就是電壓放大器，它的輸

32、入和輸出都是電壓。這個放大器的每一端口都能用戴維南等效給予建模，它有一個電壓源和一個串聯(lián)電阻組成。輸入端口通常起一個純無源的作用，所以只用一個電阻來建模稱之為該放大器的輸入電阻。輸出端口用一個表明與有關的電壓控制電壓源（vcvs）和一個稱為輸出電阻的串聯(lián)電阻來建模。值得注意的是，輸入源也是用戴維南等效給于建模的，它由源電壓和串聯(lián)電阻構(gòu)成；輸出負載起無源的作用，用電阻建模。在輸出端口應用電壓分壓器公式得出，注意到，當不存在任何負載（）時，就有。所以稱為無載或開路電壓增益。在輸入端口應用電壓分壓器公式得出，消去并經(jīng)整理得到源電壓-負載增益為，當信號從源向負載傳播時，首先在輸入端口受到某些衰減，然后

33、在放大器內(nèi)部放大，最后在輸出端口又有額外的衰減。這些衰減統(tǒng)稱之為加載效應。3.2.4 三角波發(fā)生電路在直流穩(wěn)壓電源提供電壓的條件下，電容的充電和放電過程，就產(chǎn)生了三角波?；谶@個原理，最常見而且比較好實現(xiàn)的方法就是運用集成運放構(gòu)成的積分電路。在自控系統(tǒng)中，常用積分電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)；此外，還廣泛應用于波形的產(chǎn)生和變換以及儀器儀表之中，以集成運放作為放大電路，利用電阻和電容作為反饋網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)這種運算電路。在圖2.5所示的積分電路中，由于集成運放的同相輸入端通過接地，為“虛地”。電路中，電容c中電流等于電阻r中電流：，輸出電壓與電容上電壓的關系為：而電容上電壓等于其電流的積分，故圖2.5 積分電

34、路 在求解到時間段的積分值時式中為積分其實時刻的輸出電壓，即積分運算的起始值，積分的終值是時刻的輸出電壓。 當為常數(shù)時，當輸入為節(jié)約信號時，若時刻電容上的電壓為零，則輸出電壓波形如圖3.6(a)所示。當輸入為方波和正弦波時，輸出電壓波形分別如圖3.6(b)和3.6(c)所示。 t t vovott（b）（a）tvot（c）圖3.6 積分運算電路在不同輸入情況下的波形(a)輸入為階躍信號 (b)輸入為方波 (c)輸入為正弦波在實用電路中，為了防止低頻信號增益過大，常在電容上并聯(lián)一個電阻加以限制。如圖2.7所示。圖3.7 積分電路3.2.5 總電路分析 根據(jù)前面的介紹分析，可以得到總設計電路圖如圖

35、3.8所示：圖3.8 方波和三角波發(fā)生器的綜合電路如圖所示，整個電路是一個數(shù)-?；旌霞呻娐罚饕蓛刹糠謽?gòu)成，由lm741集成運放構(gòu)成的積分電路是三角波發(fā)生電路，而由555定時器構(gòu)成的電路是整形電路將積分電路產(chǎn)生的三角波整形為方波。在前面已經(jīng)介紹過，產(chǎn)生方波的方法不外乎有兩種，一種是通過各種多諧振蕩器直接產(chǎn)生方波，另一種則是利用各種整形電路將原有的周期性的波形整形為符合要求的波形。在本設計中我采用第二種，因為根據(jù)要求要產(chǎn)生頻率為1、失真度小的三角波和方波，所以用整形電路比較方便，更容易實現(xiàn)這一任務。lm741集成運放的工作電壓為，所以我用的直流電壓源的伏值為。lm741集成運放的外圍電路是由

36、電容c和電阻r構(gòu)成，而為了實現(xiàn)頻率可調(diào)，所以r是由一個電阻和一個電位器組成。通過恒流源交替的對電容充電和放電，就形成了三角波。555定時器構(gòu)成的同相遲滯比較器起到整形的作用。這正是我所設計的地方。由555定時器的5腳（控制電壓輸入端）作為信號輸入端，由2-6腳提供參考電壓。當時，q=0，故；當時，故保持低電平不變；當時，q=1，故=1；所以，滯回電壓值為：。正好與2-6腳作為信號輸入端，參考電壓由5腳提供的反相遲滯比較器的情況相反。調(diào)節(jié)電位器可改變輸出波形的頻率，還可以通過改變r1和r2的比例來改變頻率的大小，但是改變頻率的同時也會改變占空比。當占空比為50%時，輸出波形呈對稱波形，當占空比為

37、某一值時，三角波可變?yōu)殇忼X波。 而要改變輸出波形的頻率，則要改變直流電壓的伏值，因為輸出波形的幅度取決于供電源的伏值。3.2.6 設計電路仿真波形圖圖3.8 設計電路仿真波形圖由波形圖得知，電容在與之間充電的時間為方波周期的一半，所以就有： 這是占空比為50%時的頻率，當占空比不為50%時，輸出波形的頻率的計算過程如下：設r1上的電壓為： r2上的電壓為：當方波電壓為e時，由運放虛短路得：電阻r的電壓等于r1上的電壓，積分電流，周期：占空比：例如：當=50k時，頻率，輸出波形如圖3.9所示圖3.9 仿真波形圖當直流電源為20v，輸出波形的幅度就會增大，但是頻率不變。如圖3.10所示。圖3.10

38、 改變直流電壓源后的輸出波形圖4. 結(jié)論 r是由一個電阻和一個電位器組成，使用電位器的目的是為了實現(xiàn)頻率的可調(diào)，c不變，當r=13，f=7.692;r不變，當c=10，f=3.3。而和不但起分壓作用，而且也可以起到調(diào)節(jié)頻率和占空比的作用，當和的比例為1：1時，輸出波形為對稱波形，增大，占空比減小。改變和的比例，還可能會得到鋸齒波。由此分析得出。 因為輸出波形的幅度是由直流電源的電壓的值所決定的，所以，若要對輸出波形的幅度進行調(diào)節(jié)，則可通過改變直流電源的伏值來實現(xiàn)。致 謝首先我要感謝我的指導老師，龍光利老師。龍老師治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，

39、置身其間，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華，與無微不至、感人至深的人文關懷，倍感親切，豈是三言兩語能夠說得清，道得明的。我無法用準確生動的語言來淋漓盡致地描述自己的真實感受，只好將它深深地埋在心底，化作一道虔誠的祝福。其次，我要感謝我的同組搭檔，在我們遇到困難時，我們能互相鼓勵，互相幫助。我們的協(xié)助工作才能使我們在設計中克服種種難題，順利地完成設計任務。在此，我衷心地祝愿導師合家歡樂，一生平安。同時，也將祝福送給每一位幫助過我的師長。參考文獻1 孫惠

40、章.基于ewb簡易函數(shù)信號發(fā)生器的設計j.電子制作，2006,143（2）. 48-492 曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析. 西安：西安電子科技大學出版社，1994. 26-323 蔣麗偉.最新ewb電子仿真軟件j.電子制作，2005,135（6）. 35-384 張政.學用ewb分析電路的靜態(tài)工作點j.電子制作，2005,134（5）. 365 駱新全，黃玲玲. 電路仿真與pcb設計pspice8.0,multisim2001及protel99 se的應用 北京：北京航空航天大學出版社，2004. 30-426 李忠波，袁宏. 電子設計與仿真技術. 機械工業(yè)出版社，2004.1-2

41、67 江明. 單片機控制多功能信號發(fā)生器. 學位論文. 吉林大學學報. 2004，第12卷（3）8 張躍勤，張文希，湯懷清. 智能函數(shù)信號發(fā)生器. 長沙大學學報，2002，第16卷（2）9 塞爾吉歐弗朗哥. 基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計. 西安：西安交通大學出版社，2004. 418-423外文翻譯wave-form generators1.the basic priciple of sinusoidal oscillators many different circuit configurations deliver an essentially sinusoidal output

42、 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 netwo

43、rk, 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 directly to the amplifier input terminal. the output of the feedback network is and the output lf the mixing circuit (which is now simply an inverte

44、r) is form fig.1-1 the loop gain is loop gain=base amplifierafeedback network f1-12mixing or inverting networkfig.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 id

45、entically equal to the externally applied input signal. since the amplifier has no means of distinguishing the source of the 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 t

46、he same output signal as before. note, of course, that the statement =means that the instantaneous values of andare exactly equal at all times. the condition=is equivalent to, or the loop gain must equal unity. the barkhausen criterion we assume in this discussion of oscillators that the entire circ

47、uit 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

48、 frequency ofandbe identical. since the phase shift introduced in a signal in being transmitted through a reactive 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 t

49、otal 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