基于OrCAD／PSpice的信号产生电路设计

　　信号产生电路的作用是产生具有一定频率和幅度的正弦波、矩形波和锯齿波等波形。信号产生电路广泛应用于通信系统、数字系统和自动控制系统。OrCAD／PSpice作为一种功能强大的电子电路仿真分析设计软件，它可以根据给定电路的结构和参数，对电路进行基本性能分析，它无需任何实际元器件，可用预先设计出的各种功能的应用程序取代了大量的仪器仪表。电路设计工作者可以通过这些应用程序进行各种分析、计算和校验，完成所需特殊电路的设计工作。在PSpice环境下，本文实现了信号产生电路中正弦波、矩形波和锯齿波发生电路的设计并应用PSpice对其进行了仿真和分析。

　　1 OrCAD／PSpice简介

　　OrCAD／PSpice是较早出现的EDA软件之一，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个模块组成，使用时是一个整体，但各个部分有各自的窗口。设计者利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。它是全功能通用的仿真软件，集成了直流分析、交流分析、噪声分析、瞬态分析、温度分析等仿真功能。软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。另外，设计者还可以对仿真结果的窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等，还具有保存和打印图形的功能，给用户提供制作所需图形的更快捷、更简便的方法。

　　2 信号产生电路设计与OrCAD／PSpice分析

　　2.1 文氏桥正弦波振荡电路

　　文氏桥正弦波振荡电路能产生振荡频率调节范围宽、波形好的正弦波，广泛应用于通信系统。文氏桥正弦波振荡由文氏电桥与一个集成运放μA741组成的同相放大电路组成，如图1所示。文氏电桥的两个臂RC串一并联网络构成，另外两个臂由放大电路的反馈电阻构成。令R1=R2=R，C1=C2=C，R3+R4=Rf，根据文氏桥正弦波振荡电路的振荡条件，可以推出放大电路的电压增益Av=1+Rf／R5≥3，即Rf≥2R5。在PSpice环境中将图中R5的SET属性设置为0.14，即可满足条件。文氏桥正弦波振荡电路的理论振荡频率为f0=1／(2πRC)。由于电源电压的波动、电路参数的变化、环境温度的变化等因素的影响，使正弦波的输出幅度不稳定。这里采用二极管来稳幅和加速起振。在PSpice环境中设置瞬态分析类型和参数(0～500 ms)进行分析，得到Vo输出波形。将横坐标轴时间改为300～500 ms，如图2所示。观察起振时间约为400 ms，利用标尺(Cursor)测量出波形的振荡周期为T=460.011-453.755=6.256 ms，求出振荡频率。同时计算出理论振荡频率，可以看出误差很小。

　　2.2 555矩形波振荡电路

　　利用多用途的单片集成电路555时基电路组成矩形波振荡电路如图3所示。接通电源后，电源V1通过R1，R2对电容充电，C点电压Vc按指数规律上升。当Vc上升到(2／3)V1时，由于555时基电路内部的比较器和触发器的作用，电容C1经R2开始放电，直到Vc下降到(1／3)V1时，又开始重复充电、放电从而形成无稳态的多谐振荡。理论振荡周期为：

　　T=t1+t2=0.7(R1+R2)C1+0.7R2C1=21μs

　　理论占空比为：

　　其中t1和t2分别为电容的充电时间和放电时间。调节R1或R2或C1可改变振荡周期。

　　在PSpice环境中设置瞬态分析类型和参数，进行分析，得到输出Vo，Vc和Vd波形如图4所示。利用标尺测量出输出波形的振荡周期为：

　　T=47.192-25.626=21.566μs

　　占空比为：

　　与理论值非常接近。

　　2.3 锯齿波发生电路

　　由集成运算放大器组成的锯齿波发生电路如图5所示。

　　运放U1为同相输入滞回比较器，运放U2为积分运算电路。主要利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，可得到锯齿波发生电路。设二极管导通时的等效电阻可忽略不计，电位器的滑动端在中间位置。稳压管的稳压值为Uz。当Uo1=+Uz时，D2导通，D1，D3截止，输出电压Uo随时间线性下降；当Uo1=-Uz时，D1，D3导通，D2截止，输出电压Uo随时间线性上升。在PSpice环境中设置瞬态分析类型和参数，进行分析，得到Uo1和Uo的波形如图6所示。

　　测量得到振荡周期为T=4.9592-2.2924=2.6668 ms，则振荡频率为。调整R1和R2的阻值可以改变锯齿波的幅值；调整R1，R2和电位器的阻值以及C的容量，可以改变振荡频率；调整电位器滑动端的位置，可以改变Uo1的占空比以及锯齿波上升和下降的斜率。

　　3 结语

　　本文采用集成运算放大器和555时基电路等，完成了正弦波、矩形波和锯齿波三种信号产生电路的设计并利用OrCAD／PSpice进行了仿真。该信号产生电路具有电路简单，易于实现，振荡频率稳定等特点，可应用于通信系统，自动控制系统等。