正弦波振蕩電路信號產生電路設計

正弦波振蕩電路信號產生電路設計徐素莉，趙紅英(河南科技大學電子信息工程學院河南洛陽471003)

信號產生電路的作用是產生具有一定頻率和幅度的正弦波、矩形波和鋸齒波等波形。信號產生電路廣泛應用于通信系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。OrCAD／PSpice作為一種功能強大的電子電路仿真分析設計軟件，它可以根據(jù)給定電路的結構和參數(shù)，對電路進行基本性能分析，它無需任何實際元器件，可用預先設計出的各種功能的應用程序取代了大量的儀器儀表。電路設計工作者可以通過這些應用程序進行各種分析、計算和校驗，完成所需特殊電路的設計工作。在PSpice環(huán)境下，本文實現(xiàn)了信號產生電路中正弦波、矩形波和鋸齒波發(fā)生電路的設計并應用PSpice對其進行了仿真和分析。1OrCAD／PSpice簡介OrCAD／PSpice是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，整個軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個模塊組成，使用時是一個整體，但各個部分有各自的窗口。設計者利用鼠標和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設計周期。它是全功能通用的仿真軟件，集成了直流分析、交流分析、噪聲分析、瞬態(tài)分析、溫度分析等仿真功能。軟件還集成了諸多數(shù)學運算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學運算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運算，這些都是其他軟件所無法比擬的。另外，設計者還可以對仿真結果的窗口進行編輯，如添加窗口、修改坐標、疊加圖形等，還具有保存和打印圖形的功能，給用戶提供制作所需圖形的更快捷、更簡便的方法。2信號產生電路設計與OrCAD／PSpice分析2.1文氏橋正弦波振蕩電路文氏橋正弦波振蕩電路能產生振蕩頻率調節(jié)范圍寬、波形好的正弦波，廣泛應用于通信系統(tǒng)。文氏橋正弦波振蕩由文氏電橋與一個集成運放μA741組成的同相放大電路組成，如圖1所示。文氏電橋的兩個臂RC串一并聯(lián)網絡構成，另外兩個臂由放大電路的反饋電阻構成。令R1=R2=R，C1=C2=C，R3+R4=Rf，根據(jù)文氏橋正弦波振蕩電路的振蕩條件，可以推出放大電路的電壓增益Av=1+Rf／R5≥3，即Rf≥2R5。在PSpice環(huán)境中將圖中R5的SET屬性設置為0.14，即可滿足條件。文氏橋正弦波振蕩電路的理論振蕩頻率為f0=1／(2πRC)。由于電源電壓的波動、電路參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，使正弦波的輸出幅度不穩(wěn)定。這里采用二極管來穩(wěn)幅和加速起振。在PSpice環(huán)境中設置瞬態(tài)分析類型和參數(shù)(0～500ms)進行分析，得到Vo輸出波形。將橫坐標軸時間改為300～500ms，如圖2所示。觀察起振時間約為400ms，利用標尺(Cursor)測量出波形的振蕩周期為T=460.011-453.755=6.256ms，求出振蕩頻率。同時計算出理論振蕩頻率，可以看出誤差很小。2.2555矩形波振蕩電路利用多用途的單片集成電路555時基電路組成矩形波振蕩電路如圖3所示。接通電源后，電源V1通過R1，R2對電容充電，C點電壓Vc按指數(shù)規(guī)律上升。當Vc上升到(2／3)V1時，由于555時基電路內部的比較器和觸發(fā)器的作用，電容C1經R2開始放電，直到Vc下降到(1／3)V1時，又開始重復充電、放電從而形成無穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩。理論振蕩周期為：T=t1+t2=0.7(R1+R2)C1+0.7R2C1=21μs理論占空比為：其中t1和t2分別為電容的充電時間和放電時間。調節(jié)R1或R2或C1可改變振蕩周期。在PSpice環(huán)境中設置瞬態(tài)分析類型和參數(shù)，進行分析，得到輸出Vo，Vc和Vd波形如圖4所示。利用標尺測量出輸出波形的振蕩周期為：T=47.192-25.626=21.566μs占空比為：與理論值非常接近。2.3鋸齒波發(fā)生電路由集成運算放大器組成的鋸齒波發(fā)生電路如圖5所示。運放U1為同相輸入滯回比較器，運放U2為積分運算電路。主要利用二極管的單向導電性使積分電路兩個方向的積分通路不同，可得到鋸齒波發(fā)生電路。設二極管導通時的等效電阻可忽略不計，電位器的滑動端在中間位置。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為Uz。當Uo1=+Uz時，D2導通，D1，D3截止，輸出電壓Uo隨時間線性下降；當Uo1=-Uz時，D1，D3導通，D2截止，輸出電壓Uo隨時間線性上升。在PSpice環(huán)境中設置瞬態(tài)分析類型和參數(shù)，進行分析，得到Uo1和Uo的波形如圖6所示。測量得到振蕩周期為T=4.9592-2.2924=2.6668ms，則振蕩頻率為。調整R1和R2的阻值可以改變鋸齒波的幅值；調整R1，R2和電位器的阻值以及C的容量，可以改變振蕩頻率；調整電位器滑動端的位置，可以改變Uo1的占空比以及鋸齒波上升和下降的斜率。3結語本文采用集成運算放大器和555時基電路等，完