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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。
2Proteus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SchematicDrawing、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。
滞回比较电路
RC积分电路
反馈网络
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。
图3-2方波发生电路图图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:
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:
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。
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
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。
占空比为:
其中:
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。
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,
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。
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
(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
(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
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!
6参考文献
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[7]康华光.模拟电子技术基础(第五版).北京:
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