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

Multisim是Interactive Image Technologies （Electronics Workbench）公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

矩形波被廣泛用于數(shù)字開(kāi)關(guān)電路，兩個(gè)二進(jìn)制（2級(jí)）是從邏輯電路中產(chǎn)生。邏輯電路的同步操作，嚴(yán)格規(guī)定的時(shí)間間隔，使方波快速轉(zhuǎn)換和定時(shí)參考信號(hào)適當(dāng)“時(shí)鐘”被使用。他們不在，造成電磁輻射脈沖電流，影響了閉路的結(jié)果，造成噪音和錯(cuò)誤。公元準(zhǔn)確和非常敏感的電路，如傳感器，以避免這個(gè)問(wèn)題，以此作為時(shí)序參考方波，而不是正弦波。

因?yàn)榫匦尾妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。本文對(duì)矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)及仿真及應(yīng)用電路測(cè)試。

矩形波振蕩電路設(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)。

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(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。

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=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(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)。

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)。

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。

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～1O kHz）以內(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。

Multisiin 10仿真分析

在Muhisim 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)。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。

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。

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％。

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O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。

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。可見(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。

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。

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l 042 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1μF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。