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1、目 录 摘 要 . . 1 1 概要 . . 2 2 Proteus 简介 . . 3 3 电路原理及设计 . . 4 3.1 方波发生电路. 4 3.1.1 整体电路原理 . . 4 3.1.2 电路的设计 . . 4 3.2 宽度可调的矩形波发生电路. 7 3.3 三角波方波发生电路. . 8 电路的仿真 . . 9 5 小结 . . 13 6 参考文献 . . 14 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，其频率围可从几个微赫到几十兆赫，除供通信、仪表和自动控制
2、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。 关键字：信号发生器、宽度可调、矩形波、锯齿波、时间常数 1 概要 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
3、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
4、，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的性能。在工业、农业、生物医学等领域，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。 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
5、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，
6、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 Prote
7、us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 、SPICE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 电路原理及设计 3.1 方波发生电路 3.1.1 整体电路原理 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。 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
8、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。 滞回比较电路RC 积分电路 反馈网络 输 出 方 波 图 3-2 方波发生电路图图
9、3-3 滞回比较曲线 工作原理：设某一时刻输出电压uO=+UZ ，则同相输入端电位uc=+UT 。uO通过 R对电 容 C正向充电。反相输入端电位uc 随时间 t 增长而逐渐升高，当t 趋近于无穷时， uc 趋 于+UZ ；一旦 uc=+UT ，再稍增大， uO就从+UZ跃变为 -UZ，与此同时 uc 从+UT跃变为 -UT。 随后， uO又通过 R对电容 C放电。反相输入端电位uc 随时间 t 增长而逐渐降低，当t 趋 近于无穷时， uc 趋于-UZ；一旦 uc=-UT，再稍减小， uO就从-UZ 跃变为+UZ ，与此同时， uc 从-UT 跃变为 +UT ，电容又开始反向充电。而上述过程周
10、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： U- = U+ 其中： 当输出 U0为高电平时： 当输出 U0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 uC和电路输出电压 uO波形如下图所示： HOHO FUU RR R U 32 2 OO FUU RR R U 32 2 LOLO FUU RR R U 32 2 R Ro u o R3 R2 C uC U z VDz1 V Dz2 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R
11、C ， 而且充电的总幅值也 相等，因而在一个周期uO=+UZ 的时间与 uO=-UZ的时间相等，即方波T1 = T2 。 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： 可知，调整电压比较器的电路参数R1 、R2和 UZ可以改变方波发生电路的振荡幅值， 调整电阻 R1 、R2、R3和电容 C的数值可以改变电路的振荡频率。 Uz Uz O z 32 2 U RR R z 32 2 U RR R U z T2 T1 Uz t uouC 21 TTT t CCCC eUUUtu)0()()()( ZoHC UUU）（ ZOLC FUFUU）（0 t
12、 ZZZC eUFUUtu)( ) 2 1ln(2 1 1 ln22 3 2 1 R R RC F F TT ) 2 1ln(2 1 1 3 2 R R RC T f 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
13、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 路。 占空比为： 21 11 T T 其中： 111 RrR C w d221 RRrR C ww d Rw 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 1 和2 的比值即可得到输出高低电平宽度不同的波形。 当 Rw 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 Rw，即可连续地改变其占空比D /T 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。 R R o u o R3 R2 C uC
14、U z V D2 R W R W V Dz3 V Dz4 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： T=T1+T2 其中， E E S R C u o A RC aR R T 1 2 1 2RC aR R T 1 2 2 2 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
