1、正弦波發生器的設計與仿真1. 課程設計目的通過對正弦波發生器的設計和實現，掌握基本信號發生電路的工作原理及設計方法，掌 握利用MulisimIO的基本操作，完成對電路的仿真和波形的測試分析；學會利用Protel 2004, 實現電路繪制以及PCB勺生成以及學會設計方法和設計規則的設置，從而對信號發生器有進一步的了解。并能夠對設計結果加以分析。提高對運算放大器非線性應用的知識，提高綜合 性實踐環節中設計電路，運行仿真，設計印制電路板等綜合能力。2. 設計方案論證2.1概述本次課程設計主要通過 MulisimIO和Protel 2004軟件完成正弦波發生器原理圖的 繪制及PCB圖的繪制，課設題目為

2、正弦波發生器2.2原理論證首先，我們知道波形發生器與振蕩是什么關系：振蕩電路可以產生很多頻率的波（比 如一個脈沖方波就是多次諧波的疊加），從中選出所需的，也就是發生了特定頻率的某種 波。比如正弦波的發生就是從正弦波振蕩電路中利用選頻網絡選出特定頻率的正弦波。正弦波振蕩器由基本放大器、反饋網絡、選頻網絡的穩幅網絡4部分組成，他們的作用分別是：放大器和反饋網絡組成正反饋放大器 ，選頻網絡用來提取特定頻率的正弦波發 生器。振蕩電路多種多樣，下面討論RC正弦波振蕩電路：此種電路通常用來產生頻率低于1MH z的低頻信號，它用被稱為文氏電橋振蕩電路。如圖1所示，R串R2，C1并C2，與R3和R4構成了四臂

3、電橋，反饋網絡和選頻網絡有 RC 串并連電路（方框中的部分）組成，反饋信號從運放的正向輸入端輸入，所以是正反饋，1選擇的頻率滿足f0,選參數時注意，R1 R2,C1C2,R4 2R3。2 R1C1RC橋式正弦波振蕩電路以RC串并聯網絡為選頻網絡和正反饋網絡，以電壓串聯負反 饋放大電路為放大環節，具有振蕩頻率穩定，帶負載能力強，輸出電壓失真小，實現簡單， 易于調試等優點，因此選擇次設計方案。2.3使用Mulisim10仿真軟件實現電路的仿真如1圖所示：。其中，T 2 RQ=0.0942s ,圖1的仿真結果如圖2所示，可以驗證fo2從仿真結果中也可以看到。如圖 2所示:圖2 RC正弦波振蕩電路仿真

4、結果仿真時，現實的振蕩發生器時因為外界環境擾動而起振的，計算機仿真時，要模擬出這 個擾動才能讓振蕩器起振，就是把 R4設置成一個電位器，把它稍微調離理論值，開啟仿真 之后，再將R4調回理論值即給振蕩器一個擾動。2.4使用MulisimIO仿真軟件實現電路的分析（1）選擇瞬時分析、傅里葉分析和交流小信號分析；（2） 設置瞬時分析起始時間、終止時間、不長時間和最大不長時間分別為0/10ms、200ns 和 2us ；（3） 設置傅里葉分析的基本頻率為計算所得的頻率、諧波數為5；（4） 設置交流小信號分析的起始頻率、終止頻率、和測試點數分別為1kHz/10kHz和 1000,分析類型選擇為線性；（5

5、）運行仿真分析；（6） 在瞬態分析輸出結果中，觀察輸出電壓V的波形，注意振蕩電路起振過程。利用 光標A和B輸出電壓的頻率和有效值；（7） 在傅里葉分析輸出結果中觀察輸出電壓V的頻譜分布，利用光標得出輸出電壓的 直流分量、基波分量和各次諧波的分量的頻率和大小。經過計算分析總結如表1：表1 RC振蕩器的工作過程分析類型分析結果瞬時分析Vo波形有效值（V）頻率（Hz）如圖30.71460付立葉分析分量名直流基波2次諧波3次諧波f (Hz)0146029204380Vo (V)00.950.030.16交流小信號分析特性 曲線如圖4振蕩頻 率（Hz）1.55K圖3圖4(8) 將反向并聯的二極管重新與電

6、路連接，電阻R2改為20k ,運行瞬時分析再將電阻R2的值改為25 k，運行瞬時分析(9) 將電阻R3和R4均改為20 k ，運行瞬時分析和交流小信號分析，觀察電阻R3和R4保持為10k ，電容Ci和C2均改為0.02 f ,運行瞬時分析和交流小信號分析。輸出波形及分析結果如表2：s aDu并 CMla95 CIDuH 1.|I _i 一丄一l圖6圖7表2穩幅環節、放大倍數和選頻網絡參數對振蕩的影響穩幅環節對振蕩的影響放大倍數對振蕩的 影響選頻網絡對振蕩頻率的影 響穩幅 環節有無R2值20K25K選頻 參數R=20KC=0.01uR=20KC=0.02uVo波形見圖3見圖5Vo波形如圖6如圖7

7、振蕩 頻率731Hz365Hz3. 設計制作PCB操作流程運行Protel2004，直接選擇File-New-PCB命令，則系統生成一張沒有定義的邊界的PCB圖紙，然后對其參數做修改，如圖 8所示:HtxPixi S1-4U 拓曲 蠱號也 jEE5S=?()flit 21B. il)白靖雖妊刮 酌巴列匿迪SEt (H；I |i. + A對圖 8 所示的 PCB圖紙，選擇 Design-Board Shape-Redefine Board Shape 命令進 行重定義板型。此時，光標變成十字形沒，工作窗口變成綠色，系統進入PCB外形窗口，在PCB圖紙的適當位置點擊鼠標作為起點，依次完成4個頂點的

8、繪制，這樣電路板的衛星輪廓偶就確定下來了，在繪制好的線框邊界上雙擊既可以彈出“線條屬性”的對話框，在該對話 框中可以對線條寬和顏色等特定進行設置，在線條的屬性設置完畢后可以選中Lock后面的復選框，這樣可以線條鎖定，使其位置、線性等參數固定下來，不會受到移動、刪除等所悟 操作的影響。如圖9所示：H DaP （1 Jtrt IB 鼎與也 Origin-Set 命令設置PCB的坐標原點，鼠標這是變成十字形狀，一邊在 PCB勺左下 角點擊以設置坐標原點，為了精確定位，在操作中結合鍵盤上的Page Up和Page Down鍵進行放大和縮小操作。在PCB放置工具欄中單擊選擇 Place-Line命令，此

9、時光標變成十字形。 將光標移動至（0,0 ）處，單擊確定下邊界的起點，然后移動鼠標至（2370,0 ）處，再單擊 確定下邊界的終點，然后單擊鼠標右鍵，此時就確定了下邊界的長度和位置。在圖9中，放置如圖10所示的電路原理圖。在Protel 2004中先創建一個PCB的項目， 向其中添加一個原理圖文件和一個 PCB文件，并完成原理圖的繪制和生成 PCB如圖10所 示：Ba-er 2HCap IjFJLT10l3hO3BiUeryLtKluF1Kzz圖10正弦波放大器在圖10中，在繪制這張電路圖的過程中,合適的封裝放置在電路中，例如電阻這個器件,封裝形式。時緩沖放大器如圖12所示晝空?燈巧h工i|j

10、 Rk hIeh lg -Si M iEi=rtll- Fi2ll*l2-O lJ廠lB!Ji蠻iMq叵応-IALi旺 ClMt+WL* * Rwijicig 匕Rd曲曲郵=閥_口Li AkHit-i _Ji iR. I ie|Ik|N MiiE4&a, SD-G1 & -J 冃弊R&H劊0 H MhceJL*- DIP-IBi | Fl丹 I ：則ltd Ra dki H“W_ I - I .1, g :； I != h -I -.-M. I 牙riEcriirIR?CH屯-F r-cip-rt匚Irfs-tiiij*圖 11 DIPS在選擇器件的過程中，就可以有意識的選擇就具有直插和切片兩

11、種封裝，選擇圖TT.tTR1 .元Wt+ _ O P Oual iFra-uxiDn J FE !1 I I I J I - IH-i |J O F- Du-bI IFrec4fi4FTflr J PF田已 OC-p3WFl-511的inf+ff -ojt LT斛宜Li Owfl JQLT Ocf -! H B LT上朋LT Qpwa H E Ll 匡Ed Jd 門 Oobti N 0LU Ooer M B LT OMfC JBVP*I 打二 P21 BE S miJ ionL T O|rviii-!n4l 熱 ClP2 a5E lmpotr changes from Logamp 命令，系統

12、便會自動將原理圖載入 PCB中。自動布線。裝入原理圖至PCB后，把原件封裝放 入PCB勺內部，這就需要對原件封裝進行布局。Protel2004提供了強大的自動布局功能，用戶只需要定義好規則，Protel可以將重疊的原件封裝分離開。然后進行手工布局，系統 對原件的自動布局一邊以尋找最短布線路徑為目標，因此原件的自動布局往往不理想，用戶需要進行手工調整，或者直接用手工進行器件的布局。先選中改元器件，然后進行移動、旋 轉、翻轉等操作。最終形成最理想的布局效果，此時選Auto Route -All命令，對整個PCB進行布線，根據電路圖原理的復雜程度和布線難度的不同，Protel的布線時間也不用。布線完

13、成后，就得到了如圖14所示的PCB圖。圖14正弦波發生電路 PCB4. 設計體會Multisim 10,它不僅可以仿真弱電電子，也可以仿真強電，還可以仿真射頻微波和FPGA 并且仿真的數據也很準確。Multisim 是EWB勺升級版，早先的時候，很多電子工程師熱衷 于使用EW來輔助設計，Multisim 卻包含了許多具體的元器件，可以在里面找到相關的型 號，然后開始驗證自己的設計是否正確合理。但是有一個問題也會隨之而來，就是在設計電 路的時候不會從Mulitisim 中去查找合適的元件，而是根據要求與指標先查找合適的元件， 然后再去驗證自己的正確性，這樣一來，就會有許多元件可能在Multisi

14、m 中找不到，查找Multisim 中相同參數的元件又很麻煩，幸好 Multisim 可以創建仿真元件模型，否則的話， 我設計出來的東西就只有實際搭出來驗證了，這樣就會浪費很大的人力物力財力。PCB的設計，之前沒有布板經驗，經過這次課程設計之后終于體會到Protel 2004的強大功能了，Protel 2004引入了集成庫的概念，這使得在原理圖中選擇的元器件就已經有了 需要的封裝，Protel 2004附帶了 68,000多個元件的設計庫，包括原理圖 FPGA設計的即調 即用及預綜合元件集成庫，并且這些封裝都能完全符合您的要求，當然，也可以修改這個元器件的封裝，這種改進型的布線規則以及內部算法的優化都大大的提高了布線的成功率和準 確率。在設計規則中制定每個板層的走線規則，包括最短走線，水平，垂直等等。在使用過 程中我發現，只要布局適當，進行完全自動布線一次性成功率很高，而且布線完成后需要修 改的地方也比較少，只是有幾根走直角的線需要修改（走出直角與您的DRO設計規則