函数信号发生器的仿真与设计

安顺学院2009届专科毕业论文（设计） 专科生毕业论文（设计）题 目： 函数信号发生器的仿真与设计 姓 名： 王超 学 号： 200903073021 系 别： 物理与电子科学系 年 级: 2009 专 业： 电子信息工程技术 指导教师： 沈文忠 职称： 副教授 2012年4月28日17安顺学院毕业论文任务书物理与电子科学 系 电子信息工程技术 专业 2009 年级 学生姓名： 王超 毕业论文题目：函数信号发生器的仿真与设计任务下达日期：2011年11月15日毕业论文写作日期：2011年11月15日 至 2012年4月30日摘 要本文函数信号发生器的设计以555定时器组成的多谐振荡器为核心。主要思路是多谐振荡器在接通电源后能自行产生矩形波，方波通过积分电路将转变为三角波，三角波再经积分网络转变为正弦波，通过调节电路中相关电阻电容值可以改变占空比等波形参数，最终得到较好的波形。总电路使用软件Protuuse进行仿真，通过软件自带示波器观察最后所得到的波形，并通过失真分析仪研究波形失真度。 关键词：函数信号发生器 多谐振荡器 555定时器 Proteus7.8目 录引言11.概述11.1函数信号发生器作用意义11.2 本文函数信号发生器要求22.电路原理及主要元器件介绍22.1电路原理22.2 555 芯片介绍23.电路原理图43.1 函数信号发生器总电路图53.2 多谐振荡器电路介绍54.Proteus介绍65.电路的仿真及数据计算75.1 方波接线图75.2 三角波接线图95.3 正弦波接线图105.4 电路数据的计算与分析146.参考文献167.致谢17函数信号发生器的仿真与设计引言函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器，要求能够产生形状良好的方波，三角波，正弦波等波形，函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，常用于科研，生产。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。本次毕业设计旨在设计一函数信号发生器，并使用软件进行电路仿真，要求电路简单波形良好。函数信号发生器的设计方案有很多，本文采用纯硬件设计，以多谐振荡器产生方波，经过积分电路转变为三角波，再经过积分网络转变为正弦波，最后以软件Protuuse7.8进行仿真。 本文介绍了555定时器的参数，工作原理，及利用555定时器联接而成的多谐振荡器，介绍了总电路的联接方法及电路相关参数的设定，介绍了Protuuse7.8的使用方法及对本文所介绍函数信号发生器的仿真情况。在仿真过程中，记录波形参数，研究其失真度。在设计完毕初步进行仿真之后，发现得到的波形存在较大失真，通过调节电路的电阻电容值，波形得以改善，最终得到了令人较为满意的波形。考虑到电路准确度问题， 产生的波形可能会存在失真，在文章开头介绍了波形失真的定义，并介绍了波形失真的分析，计算方法。1.概述1.1函数信号发生器作用意义凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器，常用于科研，生产，维修和实验中。例如在教学实验中，常使用函数发生器的输出波形作为标准输入信号，接至放大器的输入端，配合测试仪器，例如用示波器定性观察放大器的输出端，判断放大器是否工作正常，否则，通过调整放大器的电路参数，使之工作在放大状态；然后，通过测试仪器，获得该放大器的性能指标。函数信号发生器产生信号频率的范围可从几个微赫到几十兆赫。而在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。因此函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。另外除供通信、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。 1.2 本文函数信号发生器要求1）、在给定的6V直流电源电压条件下，使用555芯片和运算放大器设计并制作一个多波形（方波、三角波和正弦波）发生器.2）、信号频率f：0.85kHz1.14kHz（实现频率可调）.3）、信号周期T：874us1.155ms 4）、输出电压峰峰值：方 波：2VVp-p5V 三角波：220mvVp-p340mv 正弦波：4mvVp-p14mv 2.电路原理及主要元器件介绍2.1电路原理本次设计采用555定时器组成多谐振荡器，在接通电源后自行产生矩形波，通过积分电路将矩形波转变为三角波，再经积分网络转变为正弦波。具体示意图如图1所示。三角波多谐振荡器方波正弦波 积分电路 积分电路 图 1 波形转换示意图2.2 555 芯片介绍555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，可以将输入的模拟信号变化为一定的数字信号输出，因而广泛应用于生产实践的各个领域。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、由两个与非门G1和G2组成的基本RS触发器（低电平触发）、放电三极管T以及输出反相缓冲器G3组成，其内部结构图如图2所示。 图 2 555 定时器内部结构图 引脚功能：Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（TR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。Vco：控制电压端。Vo：输出端。Dis：放电端。Rd ：复位端。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生1/3Vcc和2/3Vcc两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。Rd是复位端，低电平有效。复位后,基本RS触发器的Q端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析555定时器的内部电路图可知：在555定时器的Vcc端和地之间加上电压，并让Vco悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压2/3Vcc，比较器C2反相输入端接参考电压1/3Vcc，为了学习方便，我们规定： 当TH端的电压2/3Vcc时，写为VTH=1，当TH端的电压1/3Vcc时，写为VTR=1，当TR端的电压1/3Vcc时，写为VTR=0。 1)低触发：当输入电压Vi21/3Vcc且Vi11/3Vcc且Vi12/3Vcc，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因R=0，使Q1，经输出反相缓冲器后，VO0；T导通。这时称555定时器“高触发”。 为控制电压端，在端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明如表1所示。555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列如图3所示。 图3（a）555定时器内部电路框图 图3（b）555定时器管脚排列 3.电路原理图3.1 函数信号发生器总电路图如下图所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。其中555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是 R2R3RV1C2；C2的放电回路是C2RV1R3IC的7脚(放电管)。由于R3+RV1R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6和R6、C7积分网络，输出正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管D1用作电源指示。如图4所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。 图 4 函数信号发生器电路原理图3.2 多谐振荡器电路介绍 用555定时器组成的多谐振荡器及工作波形如图5所示。 图5（a）555定时器组成的多谐振荡器 图5（b）多谐振荡器工作波形接通电源后，电容C被充电，当1上升到2/3V时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，当1下降到1/3 V时，翻转为高电平。电容C放电所需的时间为 T=0.7R2C （2）当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1和R2向电容C充电，U1由1/3上升到2/3 Vcc所需的时间为T =0.7(R1+R2)C （3）当1 上升到2/3 V时，电路又翻为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如下其振荡频率为 f =1.43/(R1+2R2)C （4）占空比 q%=T2/(T1+T2) （5）4.Proteus介绍 ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本次电路仿真使用Proteus7.8版本Proteus由构建仿真电路；仿真电路环境；Proteus 单片机仿真；FPGA、PLD，CPLD 等仿真；FPGA、PLD，CPLD 等仿真；通信系统分析与设计的模块；PCB设计模块组成：Proteus可进行器件建模及仿真，可以建模及仿真的器件包括模拟器件（二极管，三极管，功率管等），数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPL等）；FPGA器件；电路的构建及仿真；系统的组成及仿真；仪表仪器 原理及制造仿真；器件建模及仿真。经过数个版本发展Proteus7.8可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上;所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。5.电路的仿真及数据计算 5.1 方波接线图方波接线图如图7所示,由多谐振荡器输出端作方波输出端，接入示波器。所得方波波形如图8所示图7 方波电路接线图 图 8 方波波5.2 三角波接线图 三角波接线图如图9所示，由方波输出端经积分电路作为三角波输出端，接入示波器，所得三角波波形如图10所示。 图 9 三角波接线图 图 10 三角波波形 5.3 正弦波接线图图11正弦波接线图图 12正弦波波形如如图11所示，由三角波输出端经过积分电路作为正弦波输出端，接入示波器，所得正弦波波形如图12所示。图13三种波形都接入 图14为在同一个示波器中图形的比较图15 为电位器调在0%处时各值的比较图16为电位器调在100%时的值Proteus7.8电路仿真实验数据如表2所示。周期T频率f方波峰值Vp三角波峰值Vp正弦波峰值Vp方波峰峰值V-P三角波峰峰值V-P正弦波峰峰值V-P1.035ms966.18Hz3V166.25mv2.80mV5.95V320mV6.10mV 表2 电路仿真波形参数表5.4 电路数据的计算与分析根据图17，有555定时器组成的振荡电路分析得：图17 多谐振荡器图电容C1的放电时间由（2）式可得：T=（R3+Rv1）C1ln20.7（R3+Rv1）C1,其中R3=62K,C1=100u，Rv1为电位器，Rv1=20K,代入数据可得434usT1574us。电容C充电时间由（3）式可得：T=(R2+R3+Rv1)C1ln20.7（R2+R3+Rv1）C1,其中R2=1K,代入数据可得441usT2581us。由上述可得振荡周期：T= T+ T0.7(R2+2R3+2Rv1)C1，代入数据可得,875usT1.155ms。固电路的振荡频率由（4）式可得：f=1/（T+ T）1.43/(R2+2R3+2Rv1)C1，代入数据可得0.866KHzf1.144KHz。 输出波形占空比由（5）式可得：q（%）= T/( T+ T)*100%50%仿真完成时通过观察Proteus示波器查看波形，发现正弦波存在失真，记录一定时间内波形的数据，如图表3，在一定时间内频率变化如图表4所示。电位器R周期T频率f方波峰值Vp三角波峰值Vp正弦波峰值Vp方波峰峰值V-P三角波峰峰值V-P正弦波峰峰值V-P0%908.50ms1.1Hz2.95V131.25mV1.50mV5.9V271.25mV3.6mV100%1.15ms869.6Hz3177.92mV4.30mV5.9V355.84mV8mV表3 示波器测量数据记录表Rff0%1.101Hz1.023Hz100%1.130Hz0.887Hz表4 频率变化数据（5分钟内）通过Proteus7.8提供的失真分析仪观察正弦波输出端，发现确实存在失真，如图14，和图15,经分析原因可能是电路电阻电容值没有调到最佳，其次在仿真时，为了使结果更加接近现实，选择了存在允许误差的元器件。6.参考文献 1.康华光.数字技术基础第五版.高等教育出版社.20052.康华光.模拟技术基础第五版.高等教育出版社.20053.杨林耀.电路基础 .高等教育出版社.19994.张同怀,张庆玲. 输出幅度可控制的信号发生器.20105.许文斌.单片机实现智能信号发生器.20086.陈俊莲，倪云峰.单片机原理与应用基础. 清华大学出版社.20097.任晓光.集成 555 定时器及其应用. 电大理工.2004 8.朱清慧，张凤蕊，王志奎。Proteus教程电子线路设计制版与仿真清华大学出版社.20097.致谢行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我三年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。生我者父母,感谢生我养我，含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件；是你们，一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们，我的父亲母亲！育我成才者老师。感谢我的指导老师沈文忠老师，这篇论文是在老师的的悉心指导与鼓励下完成的。沈老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德，都将深深地感染和激励着我。感谢为这篇论文的完成付出了辛勤劳动和心血的同学。感谢电信2009级的同学们。三年来，是同学让我的大学生活变得更加丰富多彩，我们一起亲历了大学的别样生活，愿同窗友谊之树长青。