简易函数信号发生器的设计

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（Electronic Workbench），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

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（Electronics Workbench），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: Integrated Circuit）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Gorden E.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’s Law）。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（Integration Scale）和特征尺寸（Feature Size）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：Integrated System）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：System On Chip）。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

图1.1 集成电路分类

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z kH 1、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。

2 电路仿真

2.1 EWB仿真软件概述

EWB是Electronics Workbench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。

2.1.1 EWB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。

2.1.2 EWB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

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。

2.1.3 EWB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。

2.2 EWB的工作界面

启动EWB5.0C，可以看到Electronics Workbench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。

图2.1 EWB 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；第二层是常用工具栏，从中可以选择各种操作命令；第三层是元器件库栏，从中可以选取电路实验所需的各种元器件与测试仪器；下面最大的区域便是电路原理图编辑窗口，也可以成为电路工作区，在这里可以进行电路的连接，测试与仿真；最下层是电路描述框，用于电路说明。 2.3 EWB 的工具栏

EWB 的工具栏如图2.2所示，其中各按键名称及其功能如下：

图2.2 EWB 工具栏

1) 刷新：清除电路工作区，准备生成新电路。

2)打开：打开电路文件。

3)存盘：保存电路文件。

4)打印：打印电路文件。

5)剪切：将选中的电路剪切至剪贴板。

6)复制：将选中的电路复制至剪贴板。

7)粘贴：将剪贴板中的内容粘贴至电路工作区。

8)旋转：将选中的元器件逆时针旋转90度。

9)水平翻转：将选中的元器件水平翻转180度。

10)垂直翻转：将选中的元器件垂直翻转180度。

11)创子电路：生成子电路。

12)分析曲线：调出曲线分析框。

13)元器件特征：调出元器件特征对话框。

14)缩小：将电路按一定比例缩小。

15)放大：将电路按一定比例放大。

16)在线帮助：调出与选中对象有关的帮助内容。

2.4 EWB的元器件与仪器库栏

EWB元器件库栏由14个元器件库组成，如图2.3所示，单击元器件库中的某一个图标即可打开该元器件库。

1 2 3 4 5 6 7

图2.3 元器件库

1）自定义元器件库自定义元器件库中保存的元器件是：使用者根据需要，自己创建的在EWB元器件库中没有收入的元器件和在电路设计中创建的子电路，可以在电路设计中随时调用。

2）信号源库信号源库及各器件名称如图2.4所示。

图2.4 信号源库

3）基本元器件库基本元器件库及其各元器件名称如图2.5所示。

图2.5 基本元器件库

4）二极管库二极管库及其元器件名称如图2.6所示。

图2.6 二极管库

5）模拟集成器库模拟集成器库其元器件名称如图2.7所示。

图2.7 模拟集成器件库

2.5 元器件的操作使用

（1）根据电路需要，现在元器件库栏中打开该元器件库的下拉菜单，然后从元器件库中将选中的元器件拖拽到电路工作区。

（2）选择单个元器件的方法：单击要选中的元器件，被选中的所有元器件都以红色显示，便于识别。选择多个元器件的方法：Ctrl+单击需要的所有元器件，被选中的所有元器件都以红色显示。如果要同时选中一组相邻的元器件，可以在电路工作取得适当位置拖拽画出一个矩形区域，包围在该矩形区内的一组元器件即被同时选中。

取消选中元器件的方法：取消所有被选中元器件的选中状态，只需但既工作取得空白部分。要取消某一元器件的选中状态，只需使用Ctrl+单击该元器件。

（3）元器件的移动。移动元器件至特定的位置，只要拖动该元器件即可。如果移动的元器件为多个，则必须先用前面的方法选中这些元器件，然后用鼠标的左键拖拉其中的任意一个元器件，则所有选中的元器件就会一起移动到指定的位置。需注意的是与其连接得导线也会重新排列。如果只是想为移动某个（或某些）元器件的位置，也可以先选中它（们），然后再使用键盘上的箭头键作为小的移动。

（4）元器件的调整。为便于电路的合理布局和连线，经常需要对元器件进行调整，这些调整包括旋转、垂直翻转和水平翻转等。在元器件被选中状态下，可用下面三种方式实现：

1)菜单方式，菜单栏中命令如下：

Circuit/Rotate →电路/旋转

Circuit/Flip Vertical →电路/垂直翻转

Circuit/Flip Horizintal →电路/水平翻转

2)工具栏图标方式：

3)热键方式：Ctrl+R →旋转

（5）元器件的复制。要复制元器件有以下三种方式：

1)菜单方式：菜单栏中命令为：Edit/Copy →（编辑/复制）、Edit/Paste →（编辑/粘贴）

2)工具栏图标方式

3)热键方式：复制→ Ctrl+C 粘贴→ Ctrl+V

（6）元器件的删除。要删除被选中的元器件，按键盘Delete键，或菜单命令Edit/Delete（编辑/删除）和Edit/Cut（编辑/剪切）即可。此外，直接将元器件拖拉回其元器件库（打开状态）也可实现删除。

2.6 元器件的参数设置

在电路中，元器件的参数设置是非常重要的一个环节。通过参数调整，可以改变电路的性能指标及测试电路的工作状态等。

2.7 导线的编辑操作

2.7.1 导线的连接

如图2.8所示，连接12V电源和地。将鼠标指向12V电源的端点，出现一个节点，按鼠标左键并拖动出一根导线，拉住导线并指向地的端点，使其出现小圆点，释放鼠标左键，即完成了导线的连接。

图2.8 连接12V电源和地

2.7.2 导线颜色的改变

双击要改变颜色的导线，可弹出Wire Properties对话框如图2.9(a)，选择Schematic Options 选项并按下Set Wire Color按钮，然后选择合适的颜色。如图2.9(b)。

图2.9 改变导线的颜色

2.7.3 导线的删除

对准要删除的导线，单击鼠标右键，可得图2.10所示菜单，选择Delete Wire即可删除导线。

对准要删除的导线的一端，按住左键拖动圆点，使导线离开元器件端点，放开左键，导线则自动删除。如图2.10(b)。

图2.10 导线的删除

2.7.4 弯曲导线的调整

如图2.11所示，元器件位置与导线不在同一条直线上，可以选中该元器件，然后用四个箭头键微调该元器件的位置，这种微调方法也可用于对一组选中的元器件的位置的调整。

图2.11 弯曲导线的调整

2.7.5 导线上插入和删除元件

如图 2.12(a)所示，在导线中插入元器件：只要将元器件直接拖动放置在导线上，然后释放即可插入电路中，如图2.12(b)。删除元器件，只需选中该稳压二极管，按Delete键即可。

图2.12 导线上插入元器件

2.7.6 节点的使用

节点是一个小圆点，存放在基本器件库中，一个节点有上、下、左、右四个连接点可以连接来自四个方向的导线，如图2.13所示。将一条导线伸展到另一条导线时会自动产生连接点，并可以赋予标识。

图2.13 节点

1)节点的调整。如果导线接入的节点的方向不适合，会造成导线不必要的弯曲，如图2.14(a)

所示。可以把导线的接点从左边改为右边，如图2.14(b)所示，整个电路就更整齐、美观。

图2.14 节点的调整

2)节点的标识、编号与颜色。在电路中，EWB自动为每个节点分配了一个编号，如图2.15所示。是否显示

节点编号可由菜单Circuit/Schematic Options命令的Show/Hide对话框设置。或双击节点，可得出设置

节点对话框，在对话框中对节点进行标识、编号与颜色的设置。如图2.16所示。

图2.15 节点的标号显示图2.16 单一节点的设置对话框

2.7.7 测试仪器的使用

测试仪器图标放置在一起库中，使用测试仪器的步骤为：

1)从一起库中拖动仪器图标到电路工作区。

2)把仪器图标连接到电路中的测试点。

3)双击仪器图标使之放大成展示面板，以便进行实验观察。

4)将放大的仪器拖放到适合的观察位置。

5)根据测试要求调整仪器上的控制“旋钮”。

6)开始仿真。

2.7.8 电路的激活

一旦创建好了电路并接上了测试仪器，就可以对电路进行特性测试方针。若要激活电路进行仿真，可通过三种方式实现：

1)图标按钮方式：单击窗口右上角的电源开关。

2)菜单方式：在Analysis菜单选择Activate。

3)热键方式：按Ctrl+G。

3 电路设计

3.1 电路设计框图

3.2 可行性及原理分析

获取方波波形的途径不外乎有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的方波，另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化的波形变换为符合要求的方波。而要实现三角波波形，常用有集成运放构成的积分电路，输出波形的要求与方波一样，都是1Z kH 、失真度小。所以，可以先通过积分电路得到三角波，再通过对三角波进行整形而得到方波。为了避免积分其对滞留开环增益过大，而导致波形失真度大，在此，我将采用闭环振荡电路的设计方案。 3.2.1 555定时器的结构和功能

555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以，555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中得到了应用。

正因为如此，自从Signetics 公司于1972年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司也都相继地生产了各自的555定时器产品。尽管产品型号繁多，但所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有COMS 产品型号最后的4位数码都是7555。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度，随后又产生了双定时器产品556（双极型）和7556（COMS 型）。

图3.1时国产双极型定时器CB555的电路结构图。它有比较器21C 和C 、基本RS 触发器和集电极开路的放电三极管D T 三部分组成。

图3.1 CB555的电路结构图

I v 是比较器1C 的输入端（也称阈值端用TH 标注）

，2I v 是比较器2C 的输入端（也称触发端，用TR 标注）。1C 和2C 的参考电压（电压比较的基准），1R v 和2R v 由CC V 经三个5K 电阻分压给出。在控制电压输入端CO V 悬空时，1R v =CC V 3

2

，2R v =CC V 3

1

。如果CO V 外接固定电压，则1R v =CO V ，

2R v =

CC V 2

1。

D R 是置零输入端。只要在D R 端加上低电平，输出端o v 便立即被置成低电平，不受其他输入

端状态的影响。正常工作时必须使D R 处于高电平。图中1—8为器件引脚的编号。

由图可知，当1I v >1R v ，2I v >2R v 时，比较器1C 的输出1C v =0，比较器2C 的输出2C v =1，基本RS 触发器被置0，D T 导通，同时o v 为低电平。

当1I v <1R v ,2I v >2R v 时, 1C v =1,2C v =1,触发器的状态保持不变,因而D T 和输出的状态也维持

不变。

当1I v <1R v ,2I v <2R v 时, 1C v =1,2C v =0,故触发器被置1, o v 为高电平,同时D T 截止。

当1I v >1R v ,2I v <2R v 时, 1C v =0,2C v =0,触发器处于Q =Q =1的状态，o v 处于高电平，同时D T 截

止。

这样我们就得到了表3.1所示的CB555的功能表。

表3.1 CB555的功能表

输入

输出

D R

1I v 2I v o v

D T 状态

?

?

低

导通

1

>

CC V 32 >

CC V 31 低 导通

1

2 >CC V 31 不变 不变

1

2

1 >CC V 3

2

1

高 截止

为了提高电路的带负载能力,还在输出端设置了缓冲器4G 。如果将'

0v 端经过电阻接到电源上，

那么只要这个电阻的阻值足够大，o v 为高电平时'0v 也一定为高电平，o v 为低电平时'

0v 也一定为低电平。555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压范围为5—16v ，最大的负载电流达200mA 。COMS 型7555定时器的电源电压范围为3—18v ，但最大负载电流在4mA 以下。

可以设想，如果使1C v 和2C v 的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么，输出与输入之间的关系将为施密特触发特性；如果在2I v 加入一个低电平，触发信号以后，经过一定的时间能在1C v 输入端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；如果能使1C v 和2C v 的低电平信号交替的反复出现，就可以得到多谐振荡器。

施密特触发器（Schmitt Trigger ）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。他在性能上有两个重要的特点：

第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态装环视对应的输入电平与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。

第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程是输出电压波形的边沿变得很陡。 将555定时器的1I v 和2I v 两个输入端连在一起作为信号输入端，如图3.2所示，即可得到施密特触发器。

图3.2 施密特触发器电路图和波形图

由于比较器1C 和2C 的参考电压不同，因而基本RS 触发器的置0信号（1C v =0）和置1信号（2C v =0）必然发生在输入信号I v 的不同电平。因此，输出电压o v 由高电平变为低电平和由低电平变为高电平所对应的I v 值也不相同，这样就形成了施密特触发特性。

为了提高比较器参考电压1R v 和2R v 的稳定性，通常在0C v 接有0.01F μ左右的滤波电容。 分析I v 从0逐渐升高的过程：

当I v 〈CC V 3

1

时，1C v =1，2C v =0，Q=1，故o v =OH V ；

当CC V 31〈I v 〈CC V 3

2

时，1C v =2C v =1，故o v =OH V 保持不变； 当I v 〉CC V 3

2以后，1C v =0，2C v =1，Q=0，故o v =OL V 。因此，+T V =CC V 3

2

其次再分析I v 从高于

CC V 3

2开始下降的过程：

当CC V 31〈I v 〈CC V 3

2

时，1C v =2C v =1，故o v =OL V 不变； 当I v 〈CC V 31以后，1C v =1，2C v =0，Q=1，故o v =OH V ，因此，-T V =CC V 3

1

由此得到电路的回差电压为T V ?=+T V --T V =CC V 3

1

如果参考电压由外接的电压0C v 提供，则不难看出这时+T V =0C v ，-T V =02

1C v ，T V ?=

02

1C v 。

通过改变0C v 值就可以调节回差电压的大小。

集成运放也可以构成滞回比较器，它具有滞回特性，即具有惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。虽然有两个阈值电压，但当输入电压向单方向变化时，输出电压仅跳变一次。而555定时器构成的施密特触发器具有滞回特性和输出电平转换过程中的正反馈作用。 3.2.2 555定时器的其他作用

若以555定时器ID 的2I v 端作为触发信号的输入端，并将由D T 和R 组成的反相器输出电压'

0v 接至1I v 端，同时在1I v 对地接入电容C,就构成了如图3.3所示的单稳态触发器电路图及其波形。

图3.3 单稳态电路的电路图和波形图

如果没有触发信号时，I v 处于高电平，那么稳态时这个电路一定处于1C v =2C v =1，Q=0，o v =0的状态。假定接通电源后触发器停在Q=0的状态，则D T 导通C v ≈0。故1C v =2C v =1，Q=0及o v =0的状态将稳定的维持不变。

如果接通电源后触发器停在Q=1的状态了，这时D T 一定截止，CC V 便经过R 向C 充电。当充到

C v =

CC V 3

2时，1C v 变为0，于是将触发器置0。同时，D T 导通，电容C 经过D T 迅速放电，使C v ≈0。

此后由于1C v =2C v =1，，触发器保持0状态不变，输出也相应的稳定在o v =0的状态。

因此，通电后电路便自动的停在o v =0的稳态。

当触发脉冲的下降沿到达，使2I v 跳变到CC V 3

1

以下时，使2C v =0（此时1C v =1），触发器被置1，

'

0v 跳变为高电平，电路进入暂稳态。与此同时D T 截止，CC V 经R 开始向电容C 充电。

当充至C v =CC V 3

2

时，1C v 变成0。如果此时输入端的触发脉冲已消失，I v 回到了高电平，则触

发器将被置0，于是输出返回o v =0的状态。同时D T 又变为导通状态，电容C 通过D T 迅速放电，直至C v ≈0，电路恢复到稳态。

输出脉冲的宽度w t 等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R 和电容C 的大小。由图2.3可知，w t 等于电容电压在充电过程中从0上升到CC V 32

所需要的时间，因此得到：

RC RC V V V RC t CC

CC CC w 1.13ln 320ln

==-

-=

通常R 的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法。tw 的范围为几微秒到几分钟。但必须注意，随着w t 得宽度增加，它的精度和稳定度也将下降。

由555定时器接成的多谐振荡器的电路图和波形图如图3.4所示。电源接通后，Vcc 通过电阻R 1、R 2向电容C 充电。当电容上电v C =2/3Vcc 时，阀值输入端6受到触发，比较器C 1翻转，输出电压Vo=0，同时放电管T 导通，电容C 通过R 2放电；当电容上电压Vc=1/3Vcc ，比较器C 2工作，输出电压Vo 变为高电平。C 放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关：

充电时间：C R R V

V V V

C R R

t )0.7(3132ln )

(+≈????

?

?

?

?

--?+=，

放电时间：C R V V V V C R t CC CC

CC CC PL

227.0313

2ln ≈????

?

?

??

--= 振荡周期： ()C R R t t T PL PH 2127.0+≈+= 振荡频率：=

=

T f 1C

R R t t PL

PH )2(44.1121+≈

+

占空系数： 2

1212R R R R T

t D PH ++=

=

当R 2>>R 1时，占空系数近似为50％。

图3.4 多谐振荡器的电路图和波形图

由仿真结果我们知道：电路的振荡周期T 、占空系数D ，仅与外接元件R 1、R 2和C 有关，不受电源电压变化的影响；改变R 1、R 2，即可改变占空系数，其值可在较大范围内调节；改变C 的值，可单独改变周期，而不影响占空系数。另外，复位端4也可输入1个控制信号。复位端4为低电平时，电路停振。 3.2.3 运算放大器

运算放大器（operational amplifier ），或简称为op-amp 。放大器是一种二端口器件，它接受一个成为输入的外加信号，产生一个成为输出的信号并使输出=增益×输入，这里增益是某一种合适的比例常数。满足于这一定义的器件称为线性放大器，以区别于具有非线性输入-输出关系的器件。

一个放大器接受来自上面某个源的输入，并将它的输出向下输送到某个负载。决定于输入和输出信号的属性，可有不同类型的放大器。最普遍的就是电压放大器，它的输入I v 和输出O v 都是电压。这个放大器的每一端口都能用戴维南等效给予建模，它有一个电压源和一个串联电阻组成。输入端口通常起一个纯无源的作用，所以只用一个电阻i R 来建模称之为该放大器的输入电阻。输出端口用一个表明与I v 有关的电压控制电压源（VCVS ）O v 和一个称为输出电阻O R 的串联电阻来建模。值得注意的是，输入源也是用戴维南等效给于建模的，它由源电压S v 和串联电阻S R 构成；输出负载起无源的作用，用电阻L R 建模。在输出端口应用电压分压器公式得出I OC L

O L O v A R R R v +=

，注意

到，当不存在任何负载（∞=L R ）时，就有I OC O v A v =。所以OC A 称为无载或开路电压增益。在

输入端口应用电压分压器公式得出S i

S i I v R R R v +=，消去I v 并经整理得到源电压-负载增益为

L

O L OC

i

S i S

O R R R A R R R v v ++=

，当信号从源向负载传播时，首先在输入端口受到某些衰减，然后在

放大器内部放大OC A ，最后在输出端口又有额外的衰减。这些衰减统称之为加载效应。 3.2.4 三角波发生电路

在直流稳压电源提供电压的条件下，电容的充电和放电过程，就产生了三角波。基于这个原理，最常见而且比较好实现的方法就是运用集成运放构成的积分电路。在自控系统中，常用积分电路作为调节环节；此外，还广泛应用于波形的产生和变换以及仪器仪表之中，以集成运放作为放大电路，利用电阻和电容作为反馈网络，可以实现这种运算电路。

在图2.5所示的积分电路中，由于集成运放的同相输入端通过2I v 接地，0==N P u u 为

“虚地”。 电路中，电容C 中电流等于电阻R 中电流：R

u

i i I R C ==，输出电压与电容上电压的关系为：

C O u u -= 而电容上电压等于其电流的积分，故??-

=-

=dt u

RC

dt i C

u I

C O 11

图2.5 积分电路

在求解1t 到2t 时间段的积分值时()12

1

1t u dt u RC

u O t t I O +-

=?

式中()1t u O 为积分其实时刻的输出电压，即积分运算的起始值，积分的终值是2t 时刻的输出电压。 当I u 为常数时，()()1121t u t t u RC

u O I O +--

=