数字波形合成器EDA仿真

随着微型计算机和大规模集成电路的快速发展，以计算机辅助分析和辅助设计为基础的电子设计自动化(EDA)技术得到了广泛应用，象PSpice, EWB(Electronic Workbench)等软件，它们的版本不断更新，功能不断完善，具有强大的电路分析功能。学会使用这些先进的电路仿真软件，是工科院校学生必备的基本功。近年来，我们把EDA技术引入电子技术课程设计，取得了明显效果。现对数字波形合成器的工作原理、电路构成以及用EWB软件对其进行仿真的过程作一介绍。

1.工作原理与电路构成

(1)工作原理数字波形合成的原理并不复杂，采用此种方法，原则上可以合成任意波形。现以合成正弦波为例来加以说明。假设要合成的正弦波频率为f，幅值为Vm。把它的一个周期分为N等份，用具有N个阶梯的正弦波来逼近它。可见N越大，其逼近程度越好。可根据技术指标要求，合理选择N值。数字波形合成器的首要任务是合成这种阶梯波，然后通过低通滤器把其中的高次谐波分量滤除即可。正弦波合成器的系统框图如图1所示。

正弦波信号的频率f与脉冲发生器的输出频率F之间的关系为:

f=F/N

其中N为分频器的分频系数。分频器的N个有效状态与正弦波的N等份对应。只要用计数/分频器的各输出端去控制D/A转换器的权电阻网络}D/A转换器的输出就是所要求的阶梯正弦波。山于计数器的N个状态对应阶梯正弦波的N个阶梯，所以计数器的每两个相临状态在相位上相差360/N若要求两路正弦波输出信号相差Φ角，则要求两路阶梯波对应的阶梯错开M个计数状态。满足:

Φ=M 360/N

例如，若要求两路正弦波输出信号相差90度，当取N等于12时，则M等于3，即两路阶梯波对应的阶梯应错开3个计数状态。

(2)电路构成合成两相频率为400赫兹、相位差为90度、幅值为5伏的正弦波信号电路如图2所示。波形发生器可以采用频率稳定性好的石英晶体震荡电路。为简单起见，木例选用EWB软件信号源中的时钟脉冲源代替。这里N进制计数/分频器采用六位扭环型计数器，U1-U6为6个带有异步置位、复位端的D型触发器。六位扭环型计数器共有12个状态(N=12)，每两个相邻状态间在相位上相差30度。R22, C5对6个D形触发器起上电复位作用。两路正弦加权D/A转换电路分别山电阻R1一R8,5端运放AR1及电阻R11一R18、5端运放AR3构成。

其中R1一R6, R11一R16为权电阻解码网络，R7, R17为电平偏移电阻。两路低通滤波电路分别山3端运放AR2、电容C1, C2电阻R9, R10及3端运放AR4、电容C3, C4、电阻R19, R20构成。为提高滤波效果，采用一阶低通滤波。这两路D/A转换及低通滤波电路的基木结构及参数完全相同。

2.电路仿真

(1)调元器件，画电路图点击基木元件按钮，调出电阻、电容;点击模拟集成电路按钮调出5端运放和3端运放;点击数字功能电路按钮调出带有异步输入端的D型触发器;点击电源按钮调出时钟脉冲源、Vcc源、直流电压源和地线。把上述元件摆放在合适位置并连线。

(2)给元器件参数赋值令:

电阻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。电容C2=C3=2200PF、C1=C4=8800PF、C5=0.15υF , C5 = 0.15υF 。直流电源V1 = + 10V. V2=-lOV.Vcc= +5V。时钟脉冲源V3:幅值从Vm=5V,频率F= 4.8kHz.占空比D=0.5。5端运放选υA741、3端运放和D型触发器选理想型。

(3)分析类型设置进入Analysis分析设置菜单，选择Transient项作瞬态分析，这时EWB仿真软件所计算的电路响应均为时间的函数。初始条件(lnitial Conditions)设置为零(Set to Zero)。分析时间设置为Start time = O.1s， End time = 0.1 s。选择自动产生分析步长(Generate Time Set Automatically)。

3.进行电路仿真，观察运行结果

点击屏幕右上角的Activate Simulation按钮，或在Transient菜单下点击Simulate按钮，开始启动电路仿真。电路中各节点的工作波形可以通过虚拟仪器或图形显示窗口显示出来。本例经正弦加权D/A转换电路输出的阶梯正弦波及经滤波电路输出示在示波器上，如图3所示。

由以上测量到的阶梯正弦波及正弦波可见，它们的频率、幅度及相位差均与设计要求相符。