數(shù)字波形合成器EDA仿真

隨著微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)輔助分析和輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，象PSpice, EWB(Electronic Workbench)等軟件，它們的版本不斷更新，功能不斷完善，具有強(qiáng)大的電路分析功能。學(xué)會(huì)使用這些先進(jìn)的電路仿真軟件，是工科院校學(xué)生必備的基本功。近年來(lái)，我們把EDA技術(shù)引入電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，取得了明顯效果?，F(xiàn)對(duì)數(shù)字波形合成器的工作原理、電路構(gòu)成以及用EWB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真的過(guò)程作一介紹。

1.工作原理與電路構(gòu)成

(1)工作原理數(shù)字波形合成的原理并不復(fù)雜，采用此種方法，原則上可以合成任意波形?，F(xiàn)以合成正弦波為例來(lái)加以說(shuō)明。假設(shè)要合成的正弦波頻率為f，幅值為Vm。把它的一個(gè)周期分為N等份，用具有N個(gè)階梯的正弦波來(lái)逼近它?？梢?jiàn)N越大，其逼近程度越好。可根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，合理選擇N值。數(shù)字波形合成器的首要任務(wù)是合成這種階梯波，然后通過(guò)低通濾器把其中的高次諧波分量濾除即可。正弦波合成器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

正弦波信號(hào)的頻率f與脈沖發(fā)生器的輸出頻率F之間的關(guān)系為:

f=F/N

其中N為分頻器的分頻系數(shù)。分頻器的N個(gè)有效狀態(tài)與正弦波的N等份對(duì)應(yīng)。只要用計(jì)數(shù)/分頻器的各輸出端去控制D/A轉(zhuǎn)換器的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)}D/A轉(zhuǎn)換器的輸出就是所要求的階梯正弦波。山于計(jì)數(shù)器的N個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)階梯正弦波的N個(gè)階梯，所以計(jì)數(shù)器的每?jī)蓚€(gè)相臨狀態(tài)在相位上相差360/N若要求兩路正弦波輸出信號(hào)相差Φ角，則要求兩路階梯波對(duì)應(yīng)的階梯錯(cuò)開(kāi)M個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)。滿足:

Φ=M 360/N

例如，若要求兩路正弦波輸出信號(hào)相差90度，當(dāng)取N等于12時(shí)，則M等于3，即兩路階梯波對(duì)應(yīng)的階梯應(yīng)錯(cuò)開(kāi)3個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)。

(2)電路構(gòu)成合成兩相頻率為400赫茲、相位差為90度、幅值為5伏的正弦波信號(hào)電路如圖2所示。波形發(fā)生器可以采用頻率穩(wěn)定性好的石英晶體震蕩電路。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，木例選用EWB軟件信號(hào)源中的時(shí)鐘脈沖源代替。這里N進(jìn)制計(jì)數(shù)/分頻器采用六位扭環(huán)型計(jì)數(shù)器，U1-U6為6個(gè)帶有異步置位、復(fù)位端的D型觸發(fā)器。六位扭環(huán)型計(jì)數(shù)器共有12個(gè)狀態(tài)(N=12)，每?jī)蓚€(gè)相鄰狀態(tài)間在相位上相差30度。R22, C5對(duì)6個(gè)D形觸發(fā)器起上電復(fù)位作用。兩路正弦加權(quán)D/A轉(zhuǎn)換電路分別山電阻R1一R8,5端運(yùn)放AR1及電阻R11一R18、5端運(yùn)放AR3構(gòu)成。

其中R1一R6, R11一R16為權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，R7, R17為電平偏移電阻。兩路低通濾波電路分別山3端運(yùn)放AR2、電容C1, C2電阻R9, R10及3端運(yùn)放AR4、電容C3, C4、電阻R19, R20構(gòu)成。為提高濾波效果，采用一階低通濾波。這兩路D/A轉(zhuǎn)換及低通濾波電路的基木結(jié)構(gòu)及參數(shù)完全相同。

2.電路仿真

(1)調(diào)元器件，畫(huà)電路圖點(diǎn)擊基木元件按鈕，調(diào)出電阻、電容;點(diǎn)擊模擬集成電路按鈕調(diào)出5端運(yùn)放和3端運(yùn)放;點(diǎn)擊數(shù)字功能電路按鈕調(diào)出帶有異步輸入端的D型觸發(fā)器;點(diǎn)擊電源按鈕調(diào)出時(shí)鐘脈沖源、Vcc源、直流電壓源和地線。把上述元件擺放在合適位置并連線。

(2)給元器件參數(shù)賦值令:

電阻H1 = H6 = H1 l = 1000kΩ. R2=R5=R12=R15=370kΩ. R3=H4=R13=R14=270kΩ.R7=R17=135kΩ.R8=h18=68kΩ. h9=R10=R19=It20=91kΩ. R22=150kSZ。電容C2=C3=2200PF、C1=C4=8800PF、C5=0.15υF , C5 = 0.15υF 。直流電源V1 = + 10V. V2=-lOV.Vcc= +5V。時(shí)鐘脈沖源V3:幅值從Vm=5V,頻率F= 4.8kHz.占空比D=0.5。5端運(yùn)放選υA741、3端運(yùn)放和D型觸發(fā)器選理想型。

(3)分析類(lèi)型設(shè)置進(jìn)入Analysis分析設(shè)置菜單，選擇Transient項(xiàng)作瞬態(tài)分析，這時(shí)EWB仿真軟件所計(jì)算的電路響應(yīng)均為時(shí)間的函數(shù)。初始條件(lnitial Conditions)設(shè)置為零(Set to Zero)。分析時(shí)間設(shè)置為Start time = O.1s， End time = 0.1 s。選擇自動(dòng)產(chǎn)生分析步長(zhǎng)(Generate Time Set Automatically)。

3.進(jìn)行電路仿真，觀察運(yùn)行結(jié)果

點(diǎn)擊屏幕右上角的Activate Simulation按鈕，或在Transient菜單下點(diǎn)擊Simulate按鈕，開(kāi)始啟動(dòng)電路仿真。電路中各節(jié)點(diǎn)的工作波形可以通過(guò)虛擬儀器或圖形顯示窗口顯示出來(lái)。本例經(jīng)正弦加權(quán)D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的階梯正弦波及經(jīng)濾波電路輸出示在示波器上，如圖3所示。

由以上測(cè)量到的階梯正弦波及正弦波可見(jiàn)，它們的頻率、幅度及相位差均與設(shè)計(jì)要求相符。