基于Multisim 10的矩形波信號發(fā)生器仿真與實現(xiàn)

Muhisim 1O仿真設(shè)計軟件提供了全面集成化的設(shè)計環(huán)境、方便簡潔的操作界面、數(shù)量豐富的元器件庫、種類齊全的儀器儀表、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電子實驗室中，可以實現(xiàn)電路設(shè)計、電路仿真、虛擬儀器測試、射頻分析、單片機(jī)等高級應(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。
    在常見的信號發(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、低電平兩個暫態(tài)，而且兩個暫態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生自激振蕩。矩形波信號發(fā)生器通常用作數(shù)字電路的信號源或模擬電子開關(guān)的控制信號，亦是其他非正弦波發(fā)生器的基礎(chǔ)。本文對占空比、頻率及幅值可調(diào)的矩形波信號發(fā)生器進(jìn)行了電路設(shè)計及仿真、應(yīng)用電路測試、理論參數(shù)分析3方面
的研究工作。

1 電路設(shè)計
    矩形波發(fā)生器電路有多種方案，本設(shè)計以運(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)計方案和元器件選擇的原則是：工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單合理、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。滯回比較器起開關(guān)作用，RC電路的作用是產(chǎn)生暫態(tài)過程。RC回路既是延遲環(huán)節(jié)，亦是反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電過程實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。在運(yùn)放的輸出端引入限流電阻和兩個背靠背的穩(wěn)壓管就組成了如圖1所示的雙向限幅矩形波發(fā)生器。

    圖1中滯回比較器的閾值電壓
    假設(shè)接通電源時，電容C兩端電壓uc=O，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通過電阻R3和R6給電容C充電，忽略二極管的動態(tài)電阻，充電時間常數(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，uo=+Uz保持不變。當(dāng)uN≥up時，uo立即從+Uz躍變?yōu)?Uz，同時up從+UT躍變?yōu)?UT，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，電容C開始通過R3和R5放電，放電時間常數(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，uo=-Uz保持不變。當(dāng)uN≤up時，uo又從-Uz躍變?yōu)?Uz，電容C又開始充電，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。
    通常將矩形波輸出高電平的持續(xù)時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娦允闺娙莩洹⒎烹姷耐凡煌?，從而使它們的時間常數(shù)不同，實現(xiàn)了輸出電壓占空比的調(diào)節(jié)。
    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)幅度對稱。
   
    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處通過一只多路開關(guān)投入不同數(shù)值的電容，則可實現(xiàn)輸出信號的頻段控制。
    在低頻范圍(如10 Hz～1O kHz)以內(nèi)，對于固定頻率來說，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，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。
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，采用這種方法對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整很不方便也很不實用。
    為了實現(xiàn)對矩形波發(fā)生器輸出電壓幅值的精確調(diào)節(jié)，同時提高電路帶負(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)的矩形波信號發(fā)生器。
1．3 元件參數(shù)選擇
    為提高輸出信號頻率和占空比的調(diào)節(jié)范圍并減小二極管的動態(tài)電阻對電路參數(shù)的影響，設(shè)計電路時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，電容C1和C2取值不宜過小(可取0．01、O．1和1μF)，并選用具有高轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器，同時為簡化電路結(jié)構(gòu)，可選用雙集成運(yùn)放LF353P，其轉(zhuǎn)換速率(SR)為13 V／μs。
    為減小對矩形波振蕩電路輸出信號的影響，設(shè)計幅值調(diào)節(jié)電路時應(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)計同相放大電路的電壓放大倍數(shù)為2倍，同時反饋電阻不宜過大或過小(可取10 kΩ)。
    為分析矩形波信號發(fā)生器的帶負(fù)載能力，在測量電路的輸出阻抗時，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 Multisiin 10仿真分析
    在Muhisim 10中建立如圖2所示的矩形波信號發(fā)生器，打開仿真開關(guān)，觀察電路的起振過程，并觀測當(dāng)R5、R6及R7變化時電路輸出波形的參數(shù)。文中參數(shù)及波形以電容C1為例，開關(guān)撥至C2時電路的測試方法相同。

    R5、R6均為最大值時，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，輸出波形頻率最大，如圖3(b)。輸出信號頻率調(diào)節(jié)范圍為1．77～21．5 kHz。如作為方波信號源(占空比嚴(yán)格為50％)使用時，方波信號的頻率調(diào)節(jié)范圍為2．64—21．5 kHz。

    R5為最大值、R6為0時，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，輸出波形的占空比最大，如圖4(b)。輸出信號占空比調(diào)節(jié)范圍為11％～94％。

    通過參數(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O至最大值時，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。

    在圖2電路輸出端并聯(lián)一只200 Ω負(fù)載電阻，測得電路的輸出阻抗為144 Ω，同理測出未接入幅值調(diào)節(jié)電路時的輸出阻抗為968 Ω?？梢姡嫡{(diào)節(jié)電路提高了矩形波信號發(fā)生器的帶負(fù)載能力。

3 應(yīng)用電路測試
    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，對圖2所示矩形波信號發(fā)生器進(jìn)行應(yīng)用電路實測分析，調(diào)節(jié)電位器R5、R6及R7，通過示波器觀測應(yīng)用電路的輸出波形分別如圖6、圖7所示。

    由圖6、圖7測得矩形波發(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，作為方波信號源時頻率調(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)電路時的輸出阻抗為l 042 Ω。所測參數(shù)與Multisim 10仿真分析結(jié)果基本接近。
    本文亦對電容C2分別取100 nF和1μF時的應(yīng)用電路進(jìn)行了測試，綜合測試結(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，輸出信號的頻率在16 Hz～23．8 kHz之間連續(xù)可調(diào)，電路實現(xiàn)了多頻段的控制。

4 理論參數(shù)分析
    通過對矩形波信號發(fā)生器進(jìn)行理論分析，可知電路理論參數(shù)如下：矩形波輸出信號頻率調(diào)節(jié)范圍為1．92～30．2 kHz，作為方波信號源使用時頻率可調(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)用電路測試結(jié)果略有不同，主要是由于電路中二極管的動態(tài)電阻以及穩(wěn)壓二極管的正向?qū)妷阂鸬恼`差。

5 結(jié)束語
    本文在電路設(shè)計過程中，先后選用了μA741和LF353P兩種運(yùn)放電路。通過仿真分析和應(yīng)用電路測試比較后發(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)計的矩形波信號發(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0～1O.5V之間連續(xù)可調(diào)，同時可作為方波信號源使用，為三角波、鋸齒波、階梯波等其他非正弦波信號產(chǎn)生電路的研究工作提供了條件。  Multisim 10仿真分析和應(yīng)用電路測試結(jié)果表明：該電路能產(chǎn)生較理想的可控矩形波信號，具有低失真、簡單實用、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，各項性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。