基于Multisim 10的矩形波信號發(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)字開關(guān)電路，兩個二進(jìn)制（2級）是從邏輯電路中產(chǎn)生。邏輯電路的同步操作，嚴(yán)格規(guī)定的時間間隔，使方波快速轉(zhuǎn)換和定時參考信號適當(dāng)“時鐘”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，造成噪音和錯誤。公元準(zhǔn)確和非常敏感的電路，如傳感器，以避免這個問題，以此作為時序參考方波，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)來確定每種狀態(tài)維持的時間。本文對矩形波信號發(fā)生器進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)及仿真及應(yīng)用電路測試。

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(shí)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(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(shí)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。

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。可見，幅值調(diào)節(jié)電路提高了矩形波信號發(fā)生器的帶負(fù)載能力。

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(shí)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(shí)現(xiàn)了多頻段的控制。