【正文】 ...................................................... 21 （一）仿真軟件 ..................................................................................................... 21 （二）仿真過(guò)程 ..................................................................................................... 22 正弦波電路仿真 ...................................................................................... 22 矩形波電路仿真 ...................................................................................... 24 （三）數(shù)據(jù)測(cè)量與分析 ......................................................................................... 26 五、結(jié)論 .......................................................................................................................... 29 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................... 30 致 謝 .............................................................................................................................. 31 1 實(shí)用信號(hào)源的設(shè)計(jì)與仿真 一、 引言 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展， 電子信息系統(tǒng)在我們的生活中越來(lái)越重要。 另外， 信號(hào)源作 為一種通用電子測(cè)試儀器是 軍隊(duì) 進(jìn)行高科技戰(zhàn)爭(zhēng)不可缺少的一種測(cè)試儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)信號(hào)源的要求越來(lái)越高 。最常見(jiàn)和常用的信號(hào)就是正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)。 （一） 課題設(shè)計(jì)要 求 正弦波信號(hào)源 (1)信號(hào)頻率： 20Hz～ 2kHz 步進(jìn)調(diào)整 。 2 脈沖波信號(hào)源 (1) 信號(hào)頻率： 20Hz～ 20kHz 步進(jìn)調(diào)整 。 (3)脈沖占空比： 2%～ 98%步進(jìn)可調(diào) 。 （ 二 ） 信號(hào)源研究狀況 本課題通過(guò)研究分析設(shè)計(jì)出一種可以產(chǎn)生頻率，幅度或占 空比可調(diào)的正弦信號(hào)源與脈沖信號(hào)源的波形產(chǎn)生電路。 波形發(fā)生器是一種常用的測(cè)量?jī)x器，廣泛用于科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和教學(xué)實(shí)踐等領(lǐng)域 。當(dāng)然市面上 也有信號(hào)發(fā)生器，這些信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生滿(mǎn)足各種要求的各種波形，但價(jià)格十分昂貴。并且原理易懂，方便實(shí)用，波形輸出穩(wěn)定，可用于簡(jiǎn)單電路的信號(hào)源輸入。查閱資料可知，對(duì)于正弦信號(hào)源，最基本的可以用振蕩電路產(chǎn)生。 綜上所述：利用模擬電路基礎(chǔ)和數(shù)字電路基礎(chǔ)書(shū)本知識(shí)就可以生成正弦信號(hào)源和脈沖信號(hào)源。 二 、 方案分析 （ 一 ） 正弦信號(hào)源 正弦信號(hào)源在實(shí)驗(yàn)室和電子工程設(shè)計(jì)中有著十分重要的作 用，而傳統(tǒng)的正弦信號(hào)源根據(jù)實(shí)際需要一般價(jià)格昂貴，低頻輸出時(shí)性能不好且不便于自動(dòng)調(diào)節(jié)，工程實(shí)用性較差。由它產(chǎn)生的正弦信號(hào)廣泛地應(yīng)用于量測(cè)、遙控、通信、自動(dòng)控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè)備中，同時(shí)也可作為模擬電子電路的測(cè)試、控制信號(hào)。 相位平衡條件 2AF nn? ? ? ? ???? 取 整 數(shù) ），說(shuō)明反饋電壓 .fU 與輸入電壓 .iU 同相，即正反饋，正反饋是通過(guò)振蕩器電路來(lái)保證的。因此相位平衡條件又可寫(xiě)為： 2Y Z F nn? ? ? ? ? ? ? ??? 取 整 數(shù) ） （ 2–4） 相位是頻率的函數(shù) [4]，在晶體管的特征頻率遠(yuǎn)大于振蕩頻率時(shí)，可近似認(rèn)為 Y? 與頻率無(wú)關(guān)，且數(shù)值很小。所以，相位平衡條件決定了振蕩器的工作頻率。判斷一個(gè)電路是否滿(mǎn)足相位平衡條件的方法是斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處給放大 5 電路加頻率為 0f 的輸入電壓 .iU ，并給定瞬時(shí)極性，如圖 所示；然后以 .iU極性判斷輸出電壓 .0U 的極性，從而得到反饋電壓 .fU 的極性；若 .fU 與 .iU 極性相同，說(shuō)明滿(mǎn)足相位平衡條件，電路可能產(chǎn)生正弦波振蕩 [5]，反之則不能。凡滿(mǎn)足 fiUU? 的點(diǎn)即為滿(mǎn)足振幅平衡條件的平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)這些點(diǎn)的輸出電壓 0U 值，就是振蕩器產(chǎn)生的電壓幅值。若等于 1 則滿(mǎn)足幅值平衡條件，電路可產(chǎn)生正弦振蕩，否則不能。換言之，若電路不滿(mǎn)足相位條件，則不可能振蕩，也就無(wú)需判斷是否滿(mǎn)足幅值平 衡條件了。除此之外，要使電路能產(chǎn)生正弦波振蕩還必須滿(mǎn)足下列條件： (a)放大電路要有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)且動(dòng)態(tài)信號(hào)必須能夠輸入、輸出和放大； (b)電路必須滿(mǎn)足正弦波振蕩的相位條件； (c)電路必須滿(mǎn)足正弦波振蕩的幅度條件。放大電路可以由三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等分立元件構(gòu)成，也可以由集成運(yùn)算放大電路外接電阻電容等構(gòu)成。 集成運(yùn)算放大電路由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成，它有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。 從本質(zhì)上看，集成運(yùn)放是一種高性能的直接耦合放大電路。 集成運(yùn)算放大器 按照參數(shù)可分為如下幾類(lèi) ： 1通用型運(yùn)算放大器 通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。例 uA741（單運(yùn)放）、 LM358（雙運(yùn)放）、 LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的 LF356都屬于此種。 2高阻型運(yùn)算放大器 這類(lèi)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高 ， 輸入偏置電流非常小 ， 一般 rid（ 109~1012） W， IIB 為幾皮安到幾十皮安。 用 FET 作輸入級(jí) ， 不僅輸入阻抗高 ， 輸入偏置電流低 ，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn) ， 但輸入失調(diào)電壓較大。 3低溫漂型運(yùn)算放大器 在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中 ,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有 OP0 OP2 AD508 及由 MOSFET 組成的 斬波穩(wěn)零型低漂移器件 ICL7650 等。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。 5低功耗型運(yùn)算放大器 由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便 ， 所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大 ， 必須使用低電源電壓供電、低功 率消耗的運(yùn)算放大器。2V ～ 177。 目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí) ,例如 ICL7600 的供電電源為 ， 功耗為 10mW， 可采用單節(jié)電池供電。在普通的運(yùn)算放大器中 ,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏 ， 輸出電流僅幾十毫安。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路 ， 即可輸出高電壓和大電流。150V ， mA791 集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá) 1A。經(jīng)過(guò)分析比較我選用 uA741 通用 型 集成運(yùn)放，該運(yùn)放的技術(shù)參數(shù)如表 2– 1，引腳排列圖及仿真圖標(biāo)如 (a) (b)所示。 表 2– 1 uA741通用集成運(yùn)放技術(shù)參數(shù)符號(hào) 參數(shù) 條件 最小值 典型值 最大值 單位 VOS 輸入失調(diào)電壓 — — 2 6 mV IOS 輸入失調(diào)電流 — — 20 200 nA IB 輸入偏置電流 — — 80 500 nA RIN 輸入電阻 — — MΩ VIDR 差模輸入電壓范圍 — 177。 — V CMRR 共模抑制比 VCM=177。3V～ 177。 10V 20 200 — V/mV VO 輸出電壓擺幅 RL≥ 10KΩ RL≥ 2KΩ 177。 177。 — V SR 擺率 RL≥ 2KΩ — — V/us RO 輸出電阻 V0=0， I0=0 — 75 — Ω IOS 輸出短路電流 — — 25 — mA IS 電源電流 — — mA Pd 功耗 VS=177。 RC 型選頻網(wǎng)絡(luò)的的振蕩頻率 較低，一般在 1MHZ以下； LC 選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩頻率在 1MHZ以上；石英晶體選頻網(wǎng)絡(luò)可以等效成 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是振蕩頻率非常穩(wěn)定。 實(shí)用的 RC 型選頻網(wǎng)絡(luò)有很多種，如 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)， RC 雙 T 網(wǎng)絡(luò)， RC移相網(wǎng)絡(luò)。 將電阻與電容串聯(lián)、電阻與電容并聯(lián)所組成的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò) [7]，如圖 ： 通常取 R1=R2=R， C1=C2=C。 當(dāng)信號(hào)頻率足夠低時(shí)， 1 RwC?? ，因而網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化電路及其電壓和電流的向量圖如圖 所示。 ， 且 .fU趨近于零。 .fU 滯后 .OU ，當(dāng)頻率趨近于無(wú)窮大時(shí)，相位滯后趨近于 90176。 可以想象，當(dāng)信號(hào)頻率從零逐漸變化到無(wú)窮大時(shí)， .fU 的相位將從 +90176。 。通過(guò)計(jì)算可以求出頻率特性和 f0。 由選頻網(wǎng)絡(luò)的上述分析可得必須匹配一個(gè)電壓放大倍數(shù)大于 3 的放大電 路使得 ..1?AF 才能構(gòu)成正弦振蕩電路。對(duì)于這部分負(fù)反饋電路可以選用 R1為正溫度系數(shù)的熱敏電阻，當(dāng) 0U 因某種原因增大時(shí)，流過(guò) R1和 Rf 的電流增大，使 R1功耗增大，導(dǎo)致溫度升高，因而使熱敏電阻 R1阻值增大，從而使 .A 數(shù)值減小， 0U 隨之減?。划?dāng) 0U 因某種原因減小時(shí)，各物理量與上述變化相反，從而使輸出電壓穩(wěn)定。 除此之外，還可在 Rf 串聯(lián)兩個(gè)并聯(lián)的二極管，如圖 ，利用電流增大時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻減小、電流減小時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻增大的特點(diǎn)，加入非線 性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)然，在采用整形的方法獲取矩形脈沖時(shí)，是以能夠找到頻率和幅度都符合要求的一種已有電壓信號(hào)為前提的。定量描述矩形脈沖特性的參數(shù)有： 脈沖周期 T— 周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔。 脈沖幅度 Vm— 脈沖電壓的最大變化幅度。 上升時(shí)間 tτ — 脈沖上升沿從 上升到 所需要的時(shí)間。 占空比 q— 脈沖寬度與脈沖周期的比值，亦即 wq t T＝ 。具有線路簡(jiǎn)單、功能靈活、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。 它由兩個(gè)比較器 C C2，基本 RS 觸發(fā)器和集電極開(kāi)路的放電三極管TD 三部分組成。而且它們的功能和外部引腳的排列完全相同，國(guó)產(chǎn)雙極型定時(shí)器 CB555 的電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳排列如圖 所示。 C1 和 C2 的參考電壓（電壓比較的基準(zhǔn)）VR1 和 VR2 由 VCC 經(jīng)三個(gè) 5kΩ電阻分壓給出。如果 VCO 外接固