1、低頻函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與PSPICE仿真蔡忠法按照下列條件和要求設(shè)計一個低頻信號發(fā)生器：(i同時輸出方波、三角波、正弦波三種波形。(2頻率范圍為10Hz10kHz,能夠以手控方式改變頻率。(3為了保證良好的控制特性，可分三段控制：10Hz100Hz,100Hz1kHz,1kHz10kHz。(4方波的輸出幅值 5V三角波的輸出幅值為 5V,正弦波的輸出幅值3V。一、理論設(shè)計方波三角波發(fā)生電路采用由積分器與滯回比較器組成的電路，如圖1所示。電路中，VREF1是對稱調(diào)節(jié)點，Vref2是零位調(diào)節(jié)點，當(dāng)Vrefi和Vref2都接地時的輸出波形如 2所不通 過分析，可以得到：圖1方波三角波發(fā)生電路V0l

2、圖2方波三角波發(fā)生電路波形三角波的輸出幅值為方波的輸出幅值為三角波和方波的頻率為,式中R由Ri與冗1串聯(lián)而成，C取Ci、C2或C3。根據(jù)設(shè)計要求，穩(wěn)壓管 Dzi、Dz2應(yīng)取穩(wěn)壓值在5V以上的穩(wěn)壓管，仿真時用 D1N750V穩(wěn) 壓值為4.7V),則方波的輸出幅值為 Vz=5,4V 0取R3=20 kQ, R4=21.6 kQ<R4可由一個20 kC的固定電阻與一個2 kC的可變電阻串聯(lián)而成)，則三角波的輸出幅值為5V。Ci取0.1 F,對應(yīng)于10Hz700Hz的頻率，C2取0.0i F,對應(yīng)于100HzikHz的頻率，C3取0.001 F,對應(yīng)于ikHz70kHz的頻率 ,則取Ri=20

3、kC, Rwi =300kC即可。R2、R5為集成運放的平衡補償電阻，取 R2=20kQ, R5=i0kQo R是穩(wěn)壓管的限流電阻，設(shè)集成運放飽和輸出電壓為14V,取R6=2kC,則穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電流約為 8mA。當(dāng)要求輸出對稱的方波或三角波時，一般使用情況下，VREFi和VREF2都接地。只有在方波的占空比不為50%,或三角波的正負幅度不對稱時，可通過改變 VREFi和VREF2的大小 和方向來加以調(diào)整。 Vrefi用于調(diào)整方波的占空比，當(dāng) VREFi >0時，方波的占空比A50%； 當(dāng)Vrefi0時，方波的占空比v 50%。Vrefi的范圍應(yīng)在+Vz與-Vz之間，Vrefi可通過電阻器

4、與電阻對電源分壓來獲得，在此不再贅述。VREF2用于調(diào)整三角波的零位，當(dāng)VREF2>0時，三角波上移，但三角波的峰峰值幅度保持不變；當(dāng)VREF2V0時,三角波下移。VREF2的范圍應(yīng)在日與叵之間，VREF2也可通過電阻器與電阻對 電源分壓來獲得。正弦波信號由三角波經(jīng)過折線法將三角波波形轉(zhuǎn)化為近似的正弦函數(shù)波形，輸出近似 的正弦電壓波形。折線法的轉(zhuǎn)換原理如圖3所示，圖中假設(shè)在T/2時間內(nèi)均勻地設(shè)置了六個斷點，即作為七段逼近，每段按時間均勻分布為T/i4。圖3折線法轉(zhuǎn)換原理若設(shè)正弦波在過零點處的斜率與三角波斜率相同，即。由此可推斷出各斷點上應(yīng)校正到的電平值設(shè)Vim = 5 V)三角波轉(zhuǎn)換為正

5、弦波的電路如圖 4所示。電路中，DiD6組成二極管網(wǎng)絡(luò)，在輸入信號的正半周內(nèi)，由Di D3實現(xiàn)逐段校正，在負半周內(nèi)，則由 D4D6實現(xiàn)逐段校正。三極管 Ti、T2構(gòu)成電壓跟隨器，提供 出1、處2、封3電壓，作為各二極管 的動作電平。運放 A組成電壓跟隨器，作為函數(shù)轉(zhuǎn)換器與負載之間的緩沖隔離。圖4三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換電路二極管可以采用D1N4148 ,設(shè)其開啟電壓為0.5V,則可以確定各二極管的動作電平ViV3：在0T/14段內(nèi)，Di D6均不導(dǎo)通，所以， WJ在 T/14T/7段內(nèi)，僅Di導(dǎo)通，所以，_,即I ,得 閆 ° 因此，選擇 R4=2.2 k£*5,則 R5=7.

6、8 ki"5。在T/73T/14段內(nèi)，只有D1、D2導(dǎo)通，同理可得,故有 x ,所以通過計算后得 R5=2 kQo在3T/14 4T/14段內(nèi)，Di D3均導(dǎo)通，輸出電壓被二極管 D3嵌位，所以V。.+ 0.5 V =VO3=3.1V。轉(zhuǎn)折電平ViV3是由Ti組成的電壓跟隨器經(jīng)分壓后得到的，設(shè) Vbe=0.7V,則Ti管的基極電位Vb=V3+0.7V= 3.3V 0設(shè)R7與電位器的上半部分阻值之和為 0 , R8與電位器的下半部分阻值之和為 臼，則X ,即 X ,因此，取 R7=10 kQ, R8=2.7 kQ,電位器 Rw=1kC,這樣可以達到設(shè)計要求，理論上的值為,11。分壓電阻

7、Ri、R2、R3的阻值應(yīng)根據(jù)前述各個轉(zhuǎn)折電平來確定，為了使電壓源內(nèi)阻不影響各個轉(zhuǎn)折電壓，分 壓電阻的阻值應(yīng)選得遠小于R5和r6。由 x |Jx I ,得 Ri： R2： R3=i.5: i.83: i,取 R3=i50 Q,則 Ri=220 Q, R2=270 Qo電路中，輸入信號Vi應(yīng)與前述方波三角波發(fā)生電路中的三角波輸出端相連，為了使輸 入信號不受前級輸出電阻的影響，可在兩者之間接入一個運放組成的電壓跟隨器電路作為 隔離。二、PSPICE®真在Schematics程序中輸入并編輯好方波三角波發(fā)生電路，如圖5所示。其中穩(wěn)壓管采用DiN750,集成運放采用LM324 ,注意運放的輸入

8、端和電源端的位置；可變電阻采用R_var元件，電位器采用POT元件，需注意在放置電位器時應(yīng)保持電位器i腳位于左側(cè)，2腳位于右側(cè)，即按兩次 “CTRL+R后再按一次“CTRL+F ,即與電位器R的引腳保持一致。根據(jù) 所設(shè)計的參數(shù)，將 Ci設(shè)置為0.i F,可變電阻Rwi設(shè)置為VALUE=300k、SET=0.023即Rwi=3 00 kQXQ.023=6.9 kQ,對應(yīng)于 100Hz頻率），Rw2設(shè)置為 VALUE=2k、SET=0.8即 Rwi=2kQ>0.8=i.6kG）,電位器R02和R05都設(shè)置為VALUE=10k、SET=0.5即電位器的滑動端位于中間位置）OC1 T O.luF

9、R4W/ 20kR01 R02 POT R03V-b oVA跳VWo V-v+ o10k 10k Q,510kR04 RD5 POT ROBWv-AVVA_o V- 10k 10k 0.510kf=100Hz T=10ms圖5萬波三角波發(fā)生電路對電路設(shè)置瞬態(tài)分析，參數(shù)為 PrintStep= 20ns顯示間隔為20ns) , FinalTime = 20ms仿真 2個周期)，步長上限 (Step Ceiling為0.01 ms,并選中 “Skip initial transient solution 跳過初始偏置點的計算)，如圖 6所示。若沒有選中 "Skipinitial tran

10、sient solution，'則應(yīng)增大仿真時間如100ms),否則仿真后不能得到所產(chǎn)生的方波和三角波。圖6方波三角波發(fā)生電路的瞬態(tài)分析設(shè)置執(zhí)行仿真分析后，在 Probe中顯示輸出端outl和。ut2的電壓波形，如圖7所示。可測得其 周期 T=10.165 ms ,即頻率 f=98.4Hz。為了仿真10Hz時的波形，將可變電阻 Rwi設(shè)置為SET=0.83即弓產(chǎn)300kQx 0.83 250kC),并將瞬態(tài)分析時間改為 200ms,仿真后的波形如圖8所示，得其周期T=99.91 ms,即頻率 f=10.0Hz。LO"Oc5-nfg V(gait 1). V加lOufISbET

11、Lacie圖7方波三角波發(fā)生電路的輸出波形<100Hz) Vioutl * V(out2)圖8方波三角波發(fā)生電路的輸出波形<10Hz)同理可測得在不同電容容量下的頻率調(diào)整范圍，如表 1所示。以Ci=0.1 F為例，當(dāng)Rwi 的 SET=0.0 時的周期 T=7.6ms,頻率 f=132 Hz;當(dāng) Rw1 的 SET=1.0即 Rw1=300kG)時的周期T=118.8 ms,頻率f=8.4Hz。所以當(dāng)C1=0.1 F時頻率的調(diào)整范圍為 8.4 Hz132 Hz。在仿真過程中還會發(fā)現(xiàn)當(dāng)信號頻率增大時，方波的上升沿和下降沿明顯變差，說明運 放LM324的響應(yīng)速度滿足不了系統(tǒng)的要求，因此

12、實際調(diào)試時應(yīng)采用響應(yīng)速度較快的集成運 放。表1方波三角波發(fā)生電路仿真結(jié)果條件周期頻率調(diào)整范圍C1=0.1 F, Rw1 =07.6 ms132 Hz8.4 Hz132 HzC1=0.1 F, Rw1 =300 kC118.8 ms8.4 HzC1=0.01 F, Rw1 =00.87 ms1.1 kHz83 Hz1.1 kHzC1=0.01 F, Rw1 =300 kC12.1 ms83 HzC1=0.001 F, Rw1 =00.2 ms5.0 kHz0.8 kHz5.0 kHzC1=0.001 F, Rw1 =300 kC1.3 ms0.77 kHz在圖5所示電路中，電位器 冗2用于微調(diào)三

13、角波的電壓幅度，當(dāng) Rw2變化時，不僅三角波的電壓幅度會發(fā)生變化，而且方波和三角波的頻率也會發(fā)生變化，因此調(diào)試時應(yīng)先調(diào)節(jié)Rw2使三角波輸出適當(dāng)?shù)姆龋缓蟊３諶w2不變，再調(diào)節(jié)Rw1改變輸出信號頻率。圖9所示是設(shè)Rw1設(shè)置為SET=0.023,分析時間為20置Rw2=0時的輸出波形 <其它參數(shù)同圖7所對應(yīng)的參數(shù)，即ms,頻率 f=91.3ms),此時三角波的輸出幅度為5.45V,周期T=10.95Hz,與圖7所示的波形顯然發(fā)生了變化。Os£n.sLSwlsQ。 V(OUCZ)Time-圖9 Rw2變化對頻率和三角波幅度的影響電位器R02用于調(diào)整方波的占空比，圖 10所示是R02

14、的SET=0.6電位器的滑動端左移） 時的波形，此時運放 U1A的同相輸入端電位為+1V,波形的占空比50%。10msISqs20m? 17(out 1J 白 V(out2Tine圖10 Ro2對波形占空比的影響電位器R05用于調(diào)整三角波的零位，圖 11所示是R05白SET=0.6電位器的滑動端左移） 時的波形，此時運放 U2A的同相輸入端電位為+1V,三角波的波形上移。 V out. 1) a-T1U«圖11 R05對波形占空比的影響對于三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換電路，首先在Schematics程序中輸入并編輯好電路圖，如圖12所示。其中二極管采用 D1N4148, NPN型三極管采用Q

15、2N3904 , PNP型三極管采用Q2 N3906,集成運放采用LM324 ,電位器采用POT元件。根據(jù)所設(shè)計的參數(shù)，設(shè)置各個電阻 阻值，電位器RDR13都設(shè)置為VALUE=1k、SET=0.36需注意電位器POT元件的引腳方向 ）。信號源Vi采用分段線性電壓源VPWL元件），設(shè)信號Vi為峰值5V、周期1kHz的三角波，貝U VPWL 元件的參數(shù)應(yīng)設(shè)為：T1=0 , V1=0; T2=0.25ms, V2=5V ; T3=0.75ms, V3=-5V; T4=1.25ms, V4=5V ; T5=1.75ms, V5=-5V; T6=2ms, V6=0V。信號源Vi也可以采用VPULSE元件

16、，其參數(shù)為V1=-5V低電平為- 5V) , V2=5V高電平為5V) , TD=0延遲時間為0) , TR=0.5ms上升沿時間為0.5ms) , TF=0.5ms下降沿時間為 0.5 ms) , PW=0.001ms高電平時間為 0) , PER=1ms周期為1 ms,故低電平時間為0)。O2N39Q4產(chǎn)oRd W'2.2kUI A3irwiSa TR1,VvV4220R2AAAr270小7.8kD1N414ED1N4148 7D4本DI N4146R7*RO yc 270R3-VA150B AD1N414B TR1010k用2 POT1k 0.36R1127kRE2 1kR9網(wǎng),160D6 A D1N414GRid 2.7 kQ2網(wǎng) 必 3906"R15 POT1k 0.36圖12正弦波轉(zhuǎn)換電路對正弦波轉(zhuǎn)換電路設(shè)置瞬態(tài)分析，參數(shù)為 PrintStep= 20ns<顯示間隔為20ns） , FinalTime = 2ms<仿真2個周期），步長上限 （StepCeiling為0.01ms,并選中傅里葉分析