Proteus信号发生器

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 ４电路的仿真 ............................................................... 10 5 小结 ..................................................................... 13 6 参考文献 ................................................................. 14

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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。

关键字：信号发生器、宽度可调、矩形波、锯齿波、时间常数

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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。

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。

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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、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。

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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。

反馈网络 滞回比较电路 RC 积分电路 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Ｒｏ和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的作用。

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uC C

R－＋R3R2∞图3-2 方波发生电路图 图3-3 滞回比较曲线

△Rouo＋ VDz1VDz2 ±Uz

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：

UR2UOFUOR2R3UR2UOHFUOHR2R3当输出U0为高电平时：

当输出U0为低电平时：

R2UUOLFUOL R2R3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：

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uo uC＋UzR2UzR2R3UzT2OR2UzR2R3t－UzT1－Uz图3-4 电压传输特性曲线

振荡周期为：

TT1T2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RC，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内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：

tuC(t)UC()[UC()UC(0)]e对充电过程，t = ∞时：

U（UoHUZC）t = 0 时：

即：

U（FUOLFUZC0）uC(t)UZ[FUZUZ]et得：

1F2RT2T12ln2RCln(12) 1FR3则振荡频率：

f1T12RCln(12R2)R3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。

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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

R3R2VDz3VDz4±UzCuC－＋RRW′RWVD2∞＋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路。

T11''RrRCRRrd2R1CT1wd112ww12 其中：占空比为： R’w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τ1

和τ2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＝Ｔ１/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。

△Rouo 7

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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３-６ 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

CR－－E＋＋∞A＋uo－S＋E－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，T 12

R2RCaR1T22R2RCaR18

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输出电压为：

uo



1t2a(UDUZ)dtuo(t1)RCt11a(UDUZ)T2UTRC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。

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４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

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（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

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（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

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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。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，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！

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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，2005

[2] 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，2006 [3] 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,2007

[5] 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,2001 [7] 康华光．模拟电子技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社，2006

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