简易函数信号发生器的设计--三角波

陕西理工学院毕业设计第1页共39页引言尽管近30年来以大规模集成工艺为依托的各种数字电路的问世，逐渐代替了各种传统的模拟电路的应用领域，但是物理世界毕竟还是模拟的，与物理世界各种现象的接口，仍然需要靠模拟电路来承担。即便在某一功能块中，模拟电路所占份量可能很少，但是这一部分或许是整个系统就设计和实现来说最具挑战性的部分，而且往往在系统性能上起着关键作用。尤其是当速度和功率成为至关重要的因素时，模拟电路就更显突出。运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器件。随着及程度的提高、性能的改善，愈来愈受到人们的青睐；在工业控制、遥控遥测、仪表仪器等领域成为不可或缺的器件。传统上隶属于模拟电子学领域的很多功能，今天都用数字形式给予实现了。然而，物理世界本来就是模拟的，这表明，总是需要模拟电路去适应这些物理信号，像与传感器相连的电路，以及把模拟信息转换为数字信息，供进一步处理，和从数字信息转换回模拟信息供物理世界再利用等这样一些电路，都还需要用到模拟电路。因此，当今的许多应用，最好是由混合模式的集成电路（混合模式IC）和系统来提出。它依赖模拟电路与物理世界接口，而数字电路则用作处理和控制。即便这个模拟电路或许进展这个芯片面积的一小部分，但它往往却是设计中极具挑战性的部分，并且在整个系统的性能上起着关键作用。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子电路及其应用系统设计手段也越来也越先进。传统的电子电路与系统设计方法，周期长、耗材多、效率低，难以满足电子技术飞速发展的要求。“电子工作台”，即EWB（ElectronicWorkbench），是将先进的计算机技术应用电子设计与仿真过程的新技术，它已被广泛的应用于电子电路分析、设计、仿真、印制电路板的设计等各项工作之中。EWB为使用者提供了一个集成一体化的设计与试验环境，创建电路、试验分析和结果输出在一个集成菜单系统中可以全部完成，使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化，极大地提高了设计质量与效率。EWB与电路分析软件“PSpice”完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采用图形方式创建电路等优点。EWB有庞大的原器件库和比较齐全的仪器仪表库。在本设计中将采用数-模结合的集成电路来实现方波和三角波的输出。函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。因此广泛用于仪器仪表中。函数信号发生器的功能是产生据由指定特征，例如频率、幅度、形状以及占空比的波形，有时会通过适当的控制信号，将这些特征设计成可在外部编程的。一般来说，信号发生器是利用某些反馈形式以及像电容那样其特征与事件有关的器件仪器来实现。作者2006-6-20陕西理工学院毕业设计第2页共39页1绪论1.1本课题相关背景知识随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子电路及其应用系统设计手段也越来越先进。传统的电子电路与系统设计方法，周期长、耗材多、效率低，难以满足电子技术飞速发展的要求。“电子工作平台”，即EWB（ElectronicsWorkbench），是将先进的计算机技术应用在电子设计与仿真过程中的新技术，它已被广泛应用于电子电路分析、设计、仿真、印制电路板的设计等各项工作之中。EWB为使用者提供了一个集成一体化的设计与试验环境，创建电路、试验分析和结果输出，在一个集成菜单系统中可以全部完成，使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化，极大地提高了设计质量与效率。EWB与电路分析软件PSpice完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采用图形方式创建电路等优点。EWB还有庞大的元器件库和比较齐全的仪器仪表库。集成电路（IC:IntegratedCircuit）是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（如硅，或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。1965年，Intel公司创始人之一的GordenE.Moore博士在研究存储器芯片上晶体管增长数的时间关系时预测，芯片上晶体管数目每隔18个月翻一番或每三年翻两番，这一关系称为摩尔定律（Moore’sLaw）。集成电路从19世纪60年代开始发展至今，其规模几乎仍然按照摩尔定律发展。从标志IC水平的两个指标——集成规模（IntegrationScale）和特征尺寸（FeatureSize）来看，目前单个芯片上已经可以制作含有几百万个晶体管的一个完整的数字系统或数模混合的电子系统，集成电路的特征尺寸也已发展到深亚微米水平，0.18m工艺已经走向规模化生产。随着应用领域的不断扩展，社会对集成电路芯片的需求量和种类越来越多，消费者对产品的整机性能要求越来越高。而集成电路设计技术与制造技术水平也在迅速发展，越来越多性价比好的电路不断推出。在这种需求牵引和技术进步的双重作用下，集成电路正在向集成系统（IS：IntegratedSystem）发展，即在一个微电子芯片上将信息的采集、传输、存储、处理等功能集成在一起而构成系统芯片（SOC：SystemOnChip）。为实现SOC，提出了更多的基础研究、设计技术研究及工艺技术研究的方向。此外，这种微电子技术一旦与其他学科相结合，将会诞生出一些崭新的学科，MEMS技术和DNA生物芯片就是突出的例子。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物技术结合的产物。根据集成电路的器件结构类型、集成规模、使用的基片材料、电路功能以及应用领域，对集成电路分类的结果如图1.1所示。图1.1集成电路分类集成电路按器件结构分类双集成电路MOS集成电路BiMOS集成电路集成度小规模集成电路中规模集成电路大规模集成电路超大规模集成电路特大规模集成电路巨大规模集成电路基片材料单片集成电路混合集成电路电路的功能数字集成电路模拟集成电路数模混合集成电路应用领域标准通用集成嗲路专用集成电路陕西理工学院毕业设计第3页共39页1.2函数信号发生器的发展现状目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种:超高频:频率范围1MHz以上，可达几十兆赫兹；高频:几百干赫兹到几兆赫兹；低频:频率范围为几十赫兹到几百千赫；超低频:频率范围为零点几赫兹到几百赫兹；超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路。高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即RC振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种，即正弦波和脉冲波，其零点不可调。而且价格也比较贵，一般在几百元左右。在实际应用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用中频，即几十赫兹到几十千赫兹。用单片计算机Inte18031，加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受计算机运行的程序的控制。我们可以把产生各种波形的程序，写在EPROM中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。1.3函数信号发生器的发展趋势中国电子测量仪器，随着世界高科技发展的潮流，走进了高科发展的道路，为我国国民经济、科学教育、特别是国防军事的发展做出了巨大贡献。我国电子测量仪器在若干重大领域取得了突破性进展，为我国电子测量仪器走向世界水平奠定了良好的基础。1.4课题完成的工作及研究内容熟悉EWB仿真软件的环境，掌握EWB操作过程。利用EWB仿真软件完成设计频率为zkH1、失真度小的方波和三角波发生器的工作，研究其频率、幅度是否可调。陕西理工学院毕业设计第4页共39页2电路仿真2.1EWB仿真软件概述EWB是ElectronicsWorkbench的缩写，称为电子工作平台，是一种在电子技术界广为用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为计算机里的电子实验室。其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，使用EWB可实现大部分硬件电路实验的功能。电子工作平台的设计试验工作区好像一块面包板，在上面可建立各种电路进行仿真实验。电子工作平台的器件库可为用户提供350多种常用模拟和数字器件，设计和试验时可任意调用。虚拟器件在仿真时可设定为理想模式和实模式，有的虚拟器件还可直观显示，如发光二极管可以发出红绿蓝光，逻辑探头像逻辑笔那样可直接显示电路节点的高低电平，继电器和开关的触点可以分合动作，熔断器可以烧断，灯泡可以烧毁，蜂鸣器可以发出不同音调的声音，电位器的触点可以按比例移动改变阻值。电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表、数字电压表、数字万用表、双通道1000MHz数字存储示波器、999MIHz数字函数发生器、可直接显示电路频率响应的波特图仪、16路数字信号逻辑分析仪、16位数字信号发生器等，这些虚拟仪器随时可以拖放到工作区对电路进行测试，并直接显示有关数据或波形。电子工作平台还具有强大的分析功能，可进行直流工作点分析，暂态和稳态分析，高版本的EWB还可以进行傅立叶变换分析、噪声及失真度分析、零极点和蒙特卡罗等多项分析。2.1.1EWB的特点与其他电子电路仿真软件相比，EWB的特点是：1)界面直观、操作方便。EWB改变了一般电子电路仿真软件必须采用文本方式创建电路和选择元器件及测试仪器与仪表的方法，采用图形方式创建电路，即直接从屏幕上的元器件库和仪器库中选取电路元器件和测试仪器与仪表。2)电路元器件丰富。EWB提供了数千种电路元器件及其理想值，并与目前常用的电子电路分析软件PSpice的元器件库完全兼容，同时还可以根据需要新建或扩充元器件库。3)仿真手段符合实际。EWB提供的虚拟仪器与实际仪器极为相似，利用虚拟仪器对电路进行仿真实验如同使用真实仪器进行电路实验，便于学习与使用。虽然EWB在电子电路设计与仿真的许多地方都应用广泛，但他还是存在一些缺点：首先，EWB不能实现通过编程来实现的电路设计与仿真；其次，EWB是一种理想的环境，在此环境下工作的电路以及仿真结果都是理想值，与实际电路的测试仿真结果有误差。2.1.2EWB的主要功能1)电路分析功能EWB提供了丰富而详细的电路分析方法，不仅提供了瞬态与稳态、时域与频域、线形与非线性，和噪声与失真等常规的电路分析方法。同时还提供了傅立叶、电路极-零点、灵敏度和电路容差等电路分析方法，帮助设计这分析电路特性。2)故障设置功能可以设置实际实验中不容易做到的开路、短路和漏电等故障，观察和分析电路状态，加深对理论知识的理解。3)存储功能陕西理工学院毕业设计第5页共39页在仿真的同时，可以存储所有测试点的数据、波形及测试仪器的工作状态，并能力储备仿真电路所有元器件清单。4)与其他软件兼容于共享功能EWB提供的元器件库与PSpice的元器件库完全兼容，同时，在EWB平台上设计的电路原理图可以直接输出到Protel和Orcad等软件平台上，自动排出印制电路板图，从而大大加快电子产品开发速度，提高设计工作效率。5)模拟电路与数字电路混合的模拟功能EWB以Spice3F5为模拟软件核心，可以在系统中任意集成模拟与数字元器件，并能自动实现信号转换。6)波形即时显示功能可以在电路仿真过程中实时显示需要观察的波形。7)下拉式电路编辑菜单功能可以使电路元器件的输入更为方便快捷。2.1.3EWB对电路进行设计和试验仿真的基本步骤1.用虚拟器件在工作区建立电路；2.选定元件的模式、参数值和标号；3.连接信号源等虚拟仪器；4.选择分析功能和参数；5.激活电路进行仿真；6.保存电路图和仿真结果。2.2EWB的工作界面启动EWB5.0C，可以看到ElectronicsWorkbench主窗口，它有菜单栏、常用工具栏、元器件选取栏和电路原理图编辑窗口组成，如图2.1所示。陕西理工学院毕业设计第6页共39页刷新打开存盘打印剪切复制粘贴旋转水平翻转垂直翻转创子电路分析曲线元器件特征缩小放大在线帮助图2.1EWB主窗口由图可以看到，EWB模拟了一个实际的电子工作台。主窗口的最上层是菜单栏，从中可以选择电路分析、实验与仿真等各种命令；第二层是常