基于ＯｒＣＡＤ／ＰＳｐｉｃｅ的信號產生電路設計

摘 要：設計了正弦波、矩形波和鋸齒波發生電路，并在OrCAD/PSpice環境中完成仿真分析。給出文氏橋正弦波振蕩電路、555時基電路組成的矩形波振蕩電路和運算放大器組成的鋸齒波發生電路三種信號產生電路的振蕩波形，測量振蕩周期和振蕩頻率，并與理論值做出比較。結果表明，設計的信號產生電路波形好，振蕩頻率穩定，易于實現，可廣泛應用于工程設計領域。

關鍵詞：OrCAD/PSpice;正弦波;矩形波;鋸齒波;振蕩

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1715402

Signal Generator Design Based on OrCAD/PSpice

XU Suli，ZHAO Hongying

(Electronic Information Engineering College，Henan University of Science and Technology，Luoyang，471003，China)

Abstract：The paper designs three types of signal generator of sine wave，rectangular wave，and saw tooth wave and simulates and analyses it in the OrCAD/PSpice.It gets three oscillator waves of Wen′s bridge sine wave oscillating circuit，rectangle wave oscillating circuit adopting 555 timer and saw tooth wave oscillating circuit using integrated calculating amplifier and measures oscillating period and oscillation frequency which are compared with theoretical values.The results show that three signal generators have advantages of good wave，stabilized oscillation and can be accomplished easily.It can be applied to engineering design widely.

Keywords：OrCAD/PSpice;sine wave;rectangle wave;saw tooth wave;oscillation

信號產生電路的作用是產生具有一定頻率和幅度的正弦波、矩形波和鋸齒波等波形^［1］。信號產生電路廣泛應用于通信系統、數字系統和自動控制系統。OrCAD/PSpice作為一種功能強大的電子電路仿真分析設計軟件，它可以根據給定電路的結構和參數，對電路進行基本性能分析，它無需任何實際元器件，可用預先設計出的各種功能的應用程序取代了大量的儀器儀表^［2］。電路設計工作者可以通過這些應用程序進行各種分析、計算和校驗，完成所需特殊電路的設計工作。在PSpice環境下，本文實現了信號產生電路中正弦波、矩形波和鋸齒波發生電路的設計并應用PSpice對其進行了仿真和分析。

1 OrCAD/PSpice簡介

OrCAD/PSpice是較早出現的EDA軟件之一，整個軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個模塊組成，使用時是一個整體，但各個部分有各自的窗口。設計者利用鼠標和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設計周期。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、瞬態分析、溫度分析等仿真功能^［3］。軟件還集成了諸多數學運算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數學運算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數、指數等基本的函數運算，這些都是其他軟件所無法比擬的。另外，設計者還可以對仿真結果的窗口進行編輯，如添加窗口、修改坐標、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、更簡便的方法。

2 信號產生電路設計與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生振蕩頻率調節范圍寬、波形好的正弦波，廣泛應用于通信系統。文氏橋正弦波振蕩由文氏電橋與一個集成運放μA741組成的同相放大電路組成，如圖1所示。文氏電橋的兩個臂RC串-并聯網絡構成，另外兩個臂由放大電路的反饋電阻構成。令R₁=R2=R，C₁=C₂=C，R3+R4=Rf，根據文氏橋正弦波振蕩電路的振蕩條件^［4］，可以推出放大電路的電壓增益Av=1+Rf/R₅≥3，即Rf≥2R₅。在PSpice環境中將圖中R₅的SET屬性設置為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f0=1/(2πRC)。由于電源電壓的波動、電路參數的變化、環境溫度的變化等因素的影響，使正弦波的輸出幅度不穩定。這里采用二極管來穩幅和加速起振。在PSpice環境中設置瞬態分析類型和參數(0~500 ms)進行分析，得到Vo輸出波形。將橫坐標軸時間改為300~500 ms，如圖2所示。觀察起振時間約為400 ms，利用標尺(Cursor)測量出波形的振蕩周期為T=460.011－453.755=6.256 ms，求出振蕩頻率f0=1/T159.85 Hz。同時計算出理論振蕩頻率f0=1/(2πRC)159.15 Hz，可以看出誤差很小。

圖1 文氏橋正弦波振蕩電路圖2 300~500 ms文氏橋振蕩電路振蕩波形2.2 555矩形波振蕩電路

利用多用途的單片集成電路555時基電路組成矩形波振蕩電路如圖3所示。接通電源后，電源V1通過R₁，R2對電容充電，C點電壓Vc按指數規律上升。當Vc上升到(2/3)V1時，由于555時基電路內部的比較器和觸發器的作用，電容C₁經R2開始放電，直到Vc下降到(1/3)V1時，又開始重復充電、放電從而形成無穩態的多諧振蕩^［5］。理論振蕩周期為:T=t1+t2=0.7(R₁+R2)C₁+0.7R2C₁=21 μs

理論占空比為:q=t1T=R₁+R2R₁+2R2=230.667其中t1和t2分別為電容的充電時間和放電時間。調節R₁或R2或C₁可改變振蕩周期。

在 PSpice環境中設置瞬態分析類型和參數，進行分析，得到輸出Vo，Vc和Vd波形如圖4所示。利用標尺測量出輸出波形的振蕩周期為:T=47.192－25.626=21.566 μs

占空比為:q=47.192－32.94147.192－25.626=0.661與理論值非常接近。

圖3 555矩形波振蕩電路圖4 矩形波振蕩電路Vo，Vc，Vd振蕩波形2.3 鋸齒波發生電路

由集成運算放大器組成的鋸齒波發生電路如圖5所示。

圖5 鋸齒波發生電路運放U1為同相輸入滯回比較器，運放U2為積分運算電路。主要利用二極管的單向導電性使積分電路兩個方向的積分通路不同，可得到鋸齒波發生電路^［6］。設二極管導通時的等效電阻可忽略不計，電位器的滑動端在中間位置。穩壓管的穩壓值為Uz。當Uo1=+Uz時，D2導通，D1，D3截止，輸出電壓Uo隨時間線性下降；當Uo1=－Uz時，D1，D3導通，D2截止，輸出電壓Uo隨時間線性上升。在PSpice環境中設置瞬態分析類型和參數，進行分析，得到Uo1和Uo的波形如圖6所示。

圖6 鋸齒波發生電路振蕩波形 測量得到振蕩周期為T=4.959 2－2.292 4=2.666 8 ms，則振蕩頻率為f=1/T374.98 Hz。調整R₁和R2的阻值可以改變鋸齒波的幅值；調整R₁，R2和電位器的阻值以及C的容量，可以改變振蕩頻率；調整電位器滑動端的位置，可以改變Uo1的占空比以及鋸齒波上升和下降的斜率。

3 結 語

本文采用集成運算放大器和555時基電路等，完成了正弦波、矩形波和鋸齒波三種信號產生電路的設計并利用OrCAD/PSpice進行了仿真。該信號產生電路具有電路簡單，易于實現，振蕩頻率穩定等特點，可應用于通信系統，自動控制系統等。

參 考 文 獻

［1］華成英，童詩白.模擬電子技術［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］李永平，董欣.PSpice電路原理與實現［M］.北京:國防工業出版社，2004.

［3］任艷頻，金平，陳莉平，等.負反饋放大電路直流傳輸特性的PSpice仿真分析［J］.實驗技術與管理，2007，24(10):91-95.

［4］王輔春.CAD與OrCAD教程［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［5］閻石.數字電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［6］劉征宇.電子設計實戰攻略［M］.福州:福建科學技術出版社，2005.

作者簡介 徐素莉 女，1973年出生，河南偃師人，碩士，講師。主要研究方向為現代電子電路設計。

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