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

Muhisim 1O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(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(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。
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(gè)暫態(tài)，而且兩個(gè)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(jì)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(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)。
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(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(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(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uNup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開始通過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(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(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。
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(shí)用。
為了實(shí)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(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(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，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(shí)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(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(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。