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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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Schematic Drawing、SPI
8、CE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。滞回比较电路RC 积分电路反馈网络输出方波图 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
9、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和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的作用。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，则同相输入端电位。通过R对电容C正向充电。反相输入端电位随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，趋于；一旦，再稍增大，就从跃变为，与此同时从跃变为。随后，又通过R对电容C放电。反相输入端电位随时间t增长而逐渐降低
10、，当t趋近于无穷时，趋于；一旦，再稍减小，就从跃变为，与此同时，从跃变为，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：其中：当输出为高电平时：当输出为低电平时：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。电容上电压和电路输出电压波形如下图所示：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，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内的时间与的时间相等，即方波。对T1由暂态过程公式：对充电过程，t = 时：t = 0 时：即：得：则振荡频率：
11、可知，调整电压比较器的电路参数、和可以改变方波发生电路的振荡幅值，调整电阻、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
12、路。占空比为： 其中： 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。控制和的比值即可得到输出高低电平宽度不同的波形。当动臂上移时，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，即可连续地改变其占空比的大小。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-三角波发生电路图因此，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
13、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： 其中， 输出电压为：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
14、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。当信号直接基本放大器A反馈网络 F1-12混合或反相网络尚未连成闭环的增益为A的放大器和反馈网络F加到放大器的书入端时，放大器提供一个输出信号。反馈网络的输出为，混合电路（现在就是一个反相器）的输出为由图1-1，环路增益为环路增益=假定恰好将信号调整到完全等于外加的输入信号。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。当然要注意，=这种说法意味着和的瞬时值在所有时刻都完全相等。条件=等价于，即环路增益必须等
15、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=等同于和的幅度、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，所以我们有如下重要原则：正弦振荡器的工作频率是这样一个频率，在该频率下，信号从输入端开始，经过放大器和反馈网络后，又回到输入端时，引入的总相移正好是零（当然，或者是2的整数倍）。更简单地说，正弦振荡器的频率取决于环路增益的相移为零这一条件。虽然还可以总结出其他可用来确定频率的原则，但可以证明，它们同上述原
16、则是一致的。附带说明一下，满足上述条件的频率可能不止一个，这并不是不可理解的。在这种偶然情况下，有可能在几个频率处同时振荡，或在所允许的几个频率中某一频率处出现振荡。只要电路能振荡，其频率就由上述原则来确定。显然还必须满足另一个条件，即和的幅度必须相等。该条件概括为下述原则：在振荡频率处，如果放大器的转移增益和反馈网络的反馈系数的乘积（环路增益的幅值）小于1，则振荡不能维持下去。环路增益为1，即这个条件叫做巴克豪森判据。当然，这个条件意味着不仅要求，而且要求AF的相位为零。上述原则与反馈公式是一致的。因为如果，则，这可以解释为，即使没有外加信号电压，也仍然有输出电压。若干实际的考虑 参考图可以
17、看出，如果在振荡频率处正好为1，那么将反馈信号接到输入端，再除去外部信号源将不会造成任何影响。三级点传递函数在S平面上的根轨迹。无反馈时（）的极点是,和。而加入反馈后的极点是,和如果小于1，那么除去外部信号源将会导致停振。现在假定大于1，那么，最初出现在输入端的信号，例如是1v，再绕路一周又回到输入端时，其幅值将大于1v。然后这个较大的电压又会以更大的电压再出现于输入端，如此循环往复。于是，似乎在不受放大器中有源器件的非线性的限制时，振幅的增大才能继续下去。随着振幅的增大，有源器件的非线性变得更加明显。这种非线性的出现，就限制了震荡的幅度，这是所有实际振荡器工作的基本特征，正如以下讨论所表明的
18、那样：条件并不是给出的可取值范围，而是给出一个单一的精确值。限假设即使最初能满足这个条件，由于电路元件特性，特别是晶体管特性受老化、温度和电压等影响发生变化（漂移），于是很显然，如果整个振荡器听其自然，则在很短的时间内，就会变得不是小于1，就是大于1。在前一种情况下，只是振荡停止而已，而在后一种情况下，我们就有需要用非线性来限制振幅。环路增益正好为1的振荡器，实际上是一个根本不能实现的理想装置。所以，在实际振荡器的调试中，总是要调整多少比1大一些（比方说大50%），以保证在晶体管和电路参数发生偶然变化时，不致下降到1以下。上述两条原则是在纯理论基础上必须要满足的，同时，我们根据实际的考虑，在添
19、上第三条一般原则，即：在每个实际的振荡器中，环路增益都略大于1，并且振荡幅度由非线性特性来限制。 电路的仿真在proteus上画出各电路图，检查无误后进行仿真，得出仿真波形图。（1）方波发生电路：图4-1 方波发生电路图图4-2 方波发生电路仿真结果图（2）宽度可调的矩形波发生电路：图4-3宽度可调的矩形波发生电路图图4-4 宽度可调的矩形波发生电路仿真结果图（3）三角波-方波发生电路图4-5三角波-方波发生电路图图4-6 三角波-方波发生电路仿真结果图5 小结强化训练可以培养我们综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题，可以锻炼我们的实践能力，是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。
20、在这几天的强化训练期间，我曾失落过，也曾一度因看到结果而热情高涨。从开始时的满腔激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味成长。在这强化训练的几天里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次强化训练使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在具体实践的过程中难免会遇到过各种各样的问题，在设计的过程中，我发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过该强
21、化训练，使我对高频电子线路、模拟电子技术和数字电子技术的学习有了一个系统地、整体的认识，把原来零散的章节学习组合成了一个整体，进一步了解了调制的概念，收获很大。在做proteus仿真的过程中我遇到了很多问题，比如说我认为两根线是连接在一起的，但是放大后却发现两根线是互不相连的，一个节点就可以导致整个实验的失败，可谓是牵一发而动全身，因此，在画电路图时，一定要仔细，把每个点、每根线都连接好，这样最后调试的时候才不容易出错。在做调制器电路的时候，我把电路连接好后观测不到波形，检查连线都没有问题，最后终于发现原来是我错把-5V的电源弄成+5V的电源了，因此无法观测到波形。在用示波器同时观察两个波形时
22、，可以把其中一个信道的颜色设为红色或者其它颜色，以方便区分。当我看到示波器上清晰地显示出理论波形时，兴奋之情难以言表。对我而言，从这次强化训练中学到的知识上很重要，精神上的丰收也很重要。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！6 参考文献1 刘泉通信电子线路（第二版）武汉：武汉理工大学出版社，20052 谢自美电子线路设计实验测试（第三版）武汉：华中科技大学出版社，20063 俞加琦高频电子线路西安：西安电子科技大学出版社，1997 4 周润景，张丽娜，刘印群. PROTEUS入门实用教程.机械工业出版社,20075 朱清慧,张凤蕊. Proteus教程-电子线路设计制版与仿真.北京： 清华大学出版社6 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,20017 康华光模拟电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006
