信號(hào)產(chǎn)生電路的作用是產(chǎn)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(hào)產(chǎn)生電路廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。OrCAD／PSpice作為一種功能強(qiáng)大的電子電路仿真分析設(shè)計(jì)軟件，它可以根據(jù)給定電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，對(duì)電路進(jìn)行基本性能分析，它無(wú)需任何實(shí)際元器件，可用預(yù)先設(shè)計(jì)出的各種功能的應(yīng)用程序取代了大量的儀器儀表。電路設(shè)計(jì)工作者可以通過(guò)這些應(yīng)用程序進(jìn)行各種分析、計(jì)算和校驗(yàn)，完成所需特殊電路的設(shè)計(jì)工作。在PSpice環(huán)境下，本文實(shí)現(xiàn)了信號(hào)產(chǎn)生電路中正弦波、矩形波和鋸齒波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)并應(yīng)用PSpice對(duì)其進(jìn)行了仿真和分析。
1 OrCAD／PSpice簡(jiǎn)介
OrCAD／PSpice是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，整個(gè)軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵(lì)編輯、元器件庫(kù)編輯、波形圖等幾個(gè)模塊組成，使用時(shí)是一個(gè)整體，但各個(gè)部分有各自的窗口。設(shè)計(jì)者利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)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(xué)運(yùn)算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對(duì)值、對(duì)數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是其他軟件所無(wú)法比擬的。另外，設(shè)計(jì)者還可以對(duì)仿真結(jié)果的窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、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(jiǎn)便的方法。
2 信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)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(chǎn)生振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍寬、波形好的正弦波，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)。文氏橋正弦波振蕩由文氏電橋與一個(gè)集成運(yùn)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(gè)臂RC串一并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，另外兩個(gè)臂由放大電路的反饋電阻構(gòu)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(shè)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(dòng)、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(lái)穩(wěn)幅和加速起振。在PSpice環(huán)境中設(shè)置瞬態(tài)分析類型和參數(shù)(0～500 ms)進(jìn)行分析，得到Vo輸出波形。將橫坐標(biāo)軸時(shí)間改為300～500 ms，如圖2所示。觀察起振時(shí)間約為400 ms，利用標(biāo)尺(Cursor)測(cè)量出波形的振蕩周期為T(mén)=460.011-453.755=6.256 ms，求出振蕩頻率。同時(shí)計(jì)算出理論振蕩頻率，可以看出誤差很小。
2.2 555矩形波振蕩電路
利用多用途的單片集成電路555時(shí)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(guò)R1，R2對(duì)電容充電，C點(diǎn)電壓Vc按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)Vc上升到(2／3)V1時(shí)，由于555時(shí)基電路內(nèi)部的比較器和觸發(fā)器的作用，電容C1經(jīng)R2開(kāi)始放電，直到Vc下降到(1／3)V1時(shí)，又開(kāi)始重復(fù)充電、放電從而形成無(wú)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(shí)間和放電時(shí)間。調(diào)節(jié)R1或R2或C1可改變振蕩周期。
在PSpice環(huán)境中設(shè)置瞬態(tài)分析類型和參數(shù)，進(jìn)行分析，得到輸出Vo，Vc和Vd波形如圖4所示。利用標(biāo)尺測(cè)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(yùn)算放大器組成的鋸齒波發(fā)生電路如圖5所示。
運(yùn)放U1為同相輸入滯回比較器，運(yùn)放U2為積分運(yùn)算電路。主要利用二極管的單向?qū)щ娦允狗e分電路兩個(gè)方向的積分通路不同，可得到鋸齒波發(fā)生電路。設(shè)二極管導(dǎo)通時(shí)的等效電阻可忽略不計(jì)，電位器的滑動(dòng)端在中間位置。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為Uz。當(dāng)Uo1=+Uz時(shí)，D2導(dǎo)通，D1，D3截止，輸出電壓Uo隨時(shí)間線性下降；當(dāng)Uo1=-Uz時(shí)，D1，D3導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓Uo隨時(shí)間線性上升。在PSpice環(huán)境中設(shè)置瞬態(tài)分析類型和參數(shù)，進(jìn)行分析，得到Uo1和Uo的波形如圖6所示。
測(cè)量得到振蕩周期為T(mén)=4.9592-2.2924=2.6668 ms，則振蕩頻率為。調(diào)整R1和R2的阻值可以改變鋸齒波的幅值；調(diào)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(diào)整電位器滑動(dòng)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(jié)語(yǔ)
本文采用集成運(yùn)算放大器和555時(shí)基電路等，完成了正弦波、矩形波和鋸齒波三種信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)并利用OrCAD／PSpice進(jìn)行了仿真。該信號(hào)產(chǎn)生電路具有電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，振蕩頻率穩(wěn)定等特點(diǎn)，可應(yīng)用于通信系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)等。