基于Multisim 10的矩形波信號(hào)發(fā)生器仿真與實(shí)現(xiàn)

呂曙東

（鹽城工學(xué)院 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，江蘇 鹽城 224051）

Multisim 10仿真設(shè)計(jì)軟件提供了全面集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境、方便簡(jiǎn)潔的操作界面、數(shù)量豐富的元器件庫(kù)、種類(lèi)齊全的儀器儀表、功能多樣的分析工具，將功能強(qiáng)大的SPICE仿真和原理圖捕獲集成在高度直觀的PC電子實(shí)驗(yàn)室中，可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、電路仿真、虛擬儀器測(cè)試、射頻分析、單片機(jī)等高級(jí)應(yīng)用。與該軟件以前版本相比，Multisim 10不僅在電子電路仿真設(shè)計(jì)方面有諸多功能的完善和改進(jìn)，其在虛擬儀器、單片機(jī)仿真等技術(shù)方面亦有更多的創(chuàng)新和提高，屬于EDA技術(shù)的更高層次范疇[1]。

在常見(jiàn)的信號(hào)發(fā)生器電路中，除了正弦波振蕩電路外，還有矩形波等非正弦波發(fā)生電路。矩形波發(fā)生電路只有高電平、低電平兩個(gè)暫態(tài)，而且兩個(gè)暫態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生自激振蕩。矩形波信號(hào)發(fā)生器通常用作數(shù)字電路的信號(hào)源或模擬電子開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，亦是其他非正弦波發(fā)生器的基礎(chǔ)。本文對(duì)占空比、頻率及幅值可調(diào)的矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)及仿真、應(yīng)用電路測(cè)試、理論參數(shù)分析3方面的研究工作。

1 電路設(shè)計(jì)

矩形波發(fā)生器電路有多種方案，本設(shè)計(jì)以運(yùn)算放大器為核心，由矩形波振蕩電路、幅值調(diào)節(jié)電路兩部分組成。電路設(shè)計(jì)方案和元器件選擇的原則是：工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、安裝調(diào)試方便、性能參數(shù)達(dá)標(biāo)。

1.1 矩形波振蕩電路

矩形波振蕩電路（又稱(chēng)多諧振蕩器）由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。滯回比較器起開(kāi)關(guān)作用，RC電路的作用是產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)程。RC回路既是延遲環(huán)節(jié)，亦是反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在運(yùn)放的輸出端引入限流電阻和兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管就組成了如圖1所示的雙向限幅矩形波發(fā)生器[2]。

圖1中滯回比較器的閾值電壓

假設(shè)接通電源時(shí)，電容C兩端電壓uC=0，輸出電壓uO=+UZ，則運(yùn)放同相輸入端電壓uP=+UT，二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止，uO通過(guò)電阻R3和R6給電容C充電，忽略二極管的動(dòng)態(tài)電阻，充電時(shí)間常數(shù)近似為（R3+R6）C，使運(yùn)放反相輸入端電壓uN由0逐漸上升，在uN〈uP時(shí)，uO=+UZ保持不變。當(dāng)uN≥uP時(shí)，uO立即從+UZ躍變?yōu)?UZ， 同時(shí) uP從+UT躍變?yōu)?UT，二極管 VD1導(dǎo)通，VD2截止，電容 C開(kāi)始通過(guò) R3和 R5放電，放電時(shí)間常數(shù)近似為（R3+R5）C，使運(yùn)放反相輸入端電壓 uN逐漸下降，在 uN＞uP時(shí)，uO=-UZ保持不變。 當(dāng) uN≤uP時(shí)，uO又從-UZ躍變?yōu)?UZ，電容C又開(kāi)始充電，運(yùn)放輸出狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)。如此周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩，輸出端輸出矩形波信號(hào)[3]。

圖1 矩形波發(fā)生器電路Fig.1 Rectangular-wave generator circuit

通常將矩形波輸出高電平的持續(xù)時(shí)間與振蕩周期的比定義為占空比。圖1所示電路利用二極管的單向?qū)щ娦允闺娙莩?、放電的通路不同，從而使它們的時(shí)間常數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓占空比的調(diào)節(jié)[4]。

圖1矩形波發(fā)生器的輸出電壓幅值等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，電路輸出電壓正、負(fù)幅度對(duì)稱(chēng)。

振蕩周期

占空比

由上述分析可知，調(diào)節(jié)電位器R5或R6可改變矩形波發(fā)生器的振蕩頻率及占空比。如果在圖1中電容C處通過(guò)一只多路開(kāi)關(guān)投入不同數(shù)值的電容，則可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻段控制。

在低頻范圍（如 10 Hz～10 kHz）以?xún)?nèi)，對(duì)于固定頻率來(lái)說(shuō)，圖1所示電路是一種較好的振蕩電路。當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，為了獲得前后邊沿較陡的矩形波，宜選擇轉(zhuǎn)換速率較高的運(yùn)放[5]。

1.2 幅值調(diào)節(jié)電路

圖1中穩(wěn)壓管雙向限幅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選用不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管可改變輸出電壓，但限幅特性受穩(wěn)壓管參數(shù)影響大，而且輸出限幅電壓完全取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值[6]，采用這種方法對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整很不方便也很不實(shí)用。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形波發(fā)生器輸出電壓幅值的精確調(diào)節(jié)，同時(shí)提高電路帶負(fù)載的能力，可在圖1電路輸出端uO處并聯(lián)一只可調(diào)電位器將輸出電壓進(jìn)行取樣，并將取樣電壓接至由運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)組成的同相放大電路，通過(guò)改變?nèi)与娮柚导纯删_調(diào)節(jié)矩形波輸出電壓的幅值，即構(gòu)成了占空比、頻率及幅值可調(diào)的矩形波信號(hào)發(fā)生器。

1.3 元件參數(shù)選擇

為提高輸出信號(hào)頻率和占空比的調(diào)節(jié)范圍并減小二極管的動(dòng)態(tài)電阻對(duì)電路參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)電路時(shí)R5、R6應(yīng)遠(yuǎn)大于R3。為使電路輸出受頻率影響較小的理想矩形波信號(hào)，電容 C1和 C2取值不宜過(guò)?。扇?0.01、0.1 和 1 μF），并選用具有高轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器，同時(shí)為簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，可選用雙集成運(yùn)放 LF353P，其轉(zhuǎn)換速率（SR）為 13 V/μs。

為減小對(duì)矩形波振蕩電路輸出信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)應(yīng)選用大阻值（可取100 kΩ）電壓取樣電位器。因電路為±12 V雙電源供電，考慮到集成運(yùn)放最大輸出電壓的限制，設(shè)計(jì)同相放大電路的電壓放大倍數(shù)為2倍，同時(shí)反饋電阻不宜過(guò)大或過(guò)?。扇?0 kΩ）。

為分析矩形波信號(hào)發(fā)生器的帶負(fù)載能力，在測(cè)量電路的輸出阻抗時(shí)，由于電路的閉環(huán)輸出電阻極小，而運(yùn)放的最大輸出電流有限，所以負(fù)載電阻的取值不可太小。

2 Multisim 10仿真分析

在Multisim 10中建立如圖2所示的矩形波信號(hào)發(fā)生器，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，觀察電路的起振過(guò)程，并觀測(cè)當(dāng)R5、R6及R7變化時(shí)電路輸出波形的參數(shù)[3-8]。文中參數(shù)及波形以電容C1為例，開(kāi)關(guān)撥至C2時(shí)電路的測(cè)試方法相同。

圖2 Multisim 10建立的矩形波信號(hào)發(fā)生器Fig.2 Rectangular-wave signal generator based on Multisim 10

R5、R6均為最大值時(shí)，矩形波發(fā)生器輸出波形的頻率最小，如圖 3（a）；R5、R6均為 0 時(shí)，輸出波形頻率最大，如圖 3（b）。輸出信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍為1.77～21.5 kHz。如作為方波信號(hào)源（占空比嚴(yán)格為50%）使用時(shí)，方波信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)范圍為2.64～21.5 kHz。

圖3 輸出波形頻率分析Fig.3 Analysis of frequency of output wave

R5為最大值、R6為0時(shí)，矩形波發(fā)生器輸出波形的占空比最小，如圖 4（a）；R5為 0、R6為最大值時(shí)，輸出波形的占空比最大，如圖4（b）。輸出信號(hào)占空比調(diào)節(jié)范圍為11%～94%。

圖4 輸出波形占空比分析Fig.4 Analysis of duty of output wave

通過(guò)參數(shù)掃描分析（Parameter Sweep Analysis）中的瞬態(tài)分析（Transient Analysis）選擇電阻R7為掃描元件，設(shè)置取樣電阻值由0至最大值時(shí)，矩形波輸出電壓幅值在0～10.45 V之間連續(xù)可調(diào)，如圖5所示。

圖5 輸出波形幅值分析Fig.5 Analysis of amplitude of output wave

在圖2電路輸出端并聯(lián)一只200 Ω負(fù)載電阻，測(cè)得電路的輸出阻抗為144 Ω，同理測(cè)出未接入幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)的輸出阻抗為968 Ω?？梢?jiàn)，幅值調(diào)節(jié)電路提高了矩形波信號(hào)發(fā)生器的帶負(fù)載能力。

3 應(yīng)用電路測(cè)試

選用LF353P雙集成運(yùn)放 （±12 V雙電源供電），選用1N4001二極管、HZ5C2雙向穩(wěn)壓管，對(duì)圖2所示矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行應(yīng)用電路實(shí)測(cè)分析，調(diào)節(jié)電位器R5、R6及R7，通過(guò)示波器觀測(cè)應(yīng)用電路的輸出波形分別如圖6、圖7所示。

圖6 應(yīng)用電路輸出波形頻率測(cè)試Fig.6 Test of frequency of applicable circuit

圖7 應(yīng)用電路輸出波形占空比測(cè)試Fig.7 Test of duty of applicable circuit

由圖6、圖7測(cè)得矩形波發(fā)生器應(yīng)用電路的輸出波形參數(shù)如下：頻率調(diào)節(jié)范圍為1.72～23.8 kHz，作為方波信號(hào)源時(shí)頻率調(diào)節(jié)范圍為2.6～23.8 kHz；占空比調(diào)節(jié)范圍為11.4%～94%；電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0～10.5 V；電路的輸出阻抗為224 Ω，未接入幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)的輸出阻抗為1042 Ω。所測(cè)參數(shù)與Multisim 10仿真分析結(jié)果基本接近。

本文亦對(duì)電容C2分別取100 nF和1 μF時(shí)的應(yīng)用電路進(jìn)行了測(cè)試，綜合測(cè)試結(jié)果分析可知：圖2矩形波發(fā)生器相鄰兩擋頻率的可調(diào)范圍互相覆蓋，輸出信號(hào)的頻率在16 Hz～23.8 kHz之間連續(xù)可調(diào)，電路實(shí)現(xiàn)了多頻段的控制。

4 理論參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行理論分析，可知電路理論參數(shù)如下：矩形波輸出信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍為1.92～30.2 kHz，作為方波信號(hào)源使用時(shí)頻率可調(diào)范圍為2.9～30.2 kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為8.9%～95%，電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0～10 V，理論參數(shù)與Multisim 10仿真分析及應(yīng)用電路測(cè)試結(jié)果略有不同，主要是由于電路中二極管的動(dòng)態(tài)電阻以及穩(wěn)壓二極管的正向?qū)妷阂鸬恼`差[9]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，先后選用了μA741和LF353P兩種運(yùn)放電路，通過(guò)仿真分析和應(yīng)用電路測(cè)試比較后發(fā)現(xiàn)，采用具有高轉(zhuǎn)換速率的LF353P矩形波發(fā)生器輸出波形的上升沿（下降沿）更為陡直，波形更為穩(wěn)定。

本文設(shè)計(jì)的矩形波信號(hào)發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到16 Hz～23.8 kHz（三頻段控制），占空比調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到11.4%～94%，電壓幅值在0～10.5 V之間連續(xù)可調(diào)，同時(shí)可作為方波信號(hào)源使用，為三角波、鋸齒波、階梯波等其他非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路的研究工作提供了條件。Multisim 10仿真分析和應(yīng)用電路測(cè)試結(jié)果表明：該電路能產(chǎn)生較理想的可控矩形波信號(hào)，具有低失真、簡(jiǎn)單實(shí)用、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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