基于Multisim 10的矩形波信号发生器仿真与实现

Muhisim 1O仿真设计软件提供了全面集成化的设计环境、方便简洁的操作界面、数量丰富的元器件库、种类齐全的仪器仪表、功能多样的分析工具，将功能强大的SPICE仿真和原理图捕获集成在高度直观的PC电子实验室中，可以实现电路设计、电路仿真、虚拟仪器测试、射频分析、单片机等高级应用。与该软件以前版本相比，Multisim 10不仅在电子电路仿真设计方面有诸多功能的完善和改进，其在虚拟仪器、单片机仿真等技术方面亦有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。
    在常见的信号发生器电路中，除了正弦波振荡电路外，还有矩形波等非正弦波发生电路。矩形波发生电路只有高电平、低电平两个暂态，而且两个暂态自动地相互转换，从而产生自激振荡。矩形波信号发生器通常用作数字电路的信号源或模拟电子开关的控制信号，亦是其他非正弦波发生器的基础。本文对占空比、频率及幅值可调的矩形波信号发生器进行了电路设计及仿真、应用电路测试、理论参数分析3方面
的研究工作。

1 电路设计
    矩形波发生器电路有多种方案，本设计以运算放大器为核心，由矩形波振荡电路、幅值调节电路两部分组成。电路设计方案和元器件选择的原则是：工作稳定可靠、结构简单合理、安装调试方便、性能参数达标。
1．1 矩形波振荡电路
    矩形波振荡电路(又称多谐振荡器)由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。滞回比较器起开关作用，RC电路的作用是产生暂态过程。RC回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过RC充、放电过程实现输出状态的自动转换。在运放的输出端引入限流电阻和两个背靠背的稳压管就组成了如图1所示的双向限幅矩形波发生器。

    图1中滞回比较器的阈值电压
    假设接通电源时，电容C两端电压uc=O，输出电压uo=+Uz，则运放同相输入端电压up=+UT，二极管VD2导通，VD1截止，uo通过电阻R3和R6给电容C充电，忽略二极管的动态电阻，充电时间常数近似为(R3+R6)C，使运放反相输入端电压uN由0逐渐上升，在uN<up时，uo=+Uz保持不变。当uN≥up时，uo立即从+Uz跃变为-Uz，同时up从+UT跃变为-UT，二极管VD1导通，VD2截止，电容C开始通过R3和R5放电，放电时间常数近似为(R3+R5)C，使运放反相输入端电压uN逐渐下降，在uN>up时，uo=-Uz保持不变。当uN≤up时，uo又从-Uz跃变为+Uz，电容C又开始充电，运放输出状态再次翻转。如此周而复始，电路产生了自激振荡，输出端输出矩形波信号。
    通常将矩形波输出高电平的持续时间与振荡周期的比定义为占空比。图1所示电路利用二极管的单向导电性使电容充、放电的通路不同，从而使它们的时间常数不同，实现了输出电压占空比的调节。
    图1矩形波发生器的输出电压幅值等于稳压管的稳压值，电路输出电压正、负幅度对称。
   
    由上述分析可知，调节电位器R5或R6可改变矩形波发生器的振荡频率及占空比。如果在图1中电容C处通过一只多路开关投入不同数值的电容，则可实现输出信号的频段控制。
    在低频范围(如10 Hz～1O kHz)以内，对于固定频率来说，图1所示电路是一种较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获得前后边沿较陡的矩形波，宜选择转换速率较高的运放。
1．2 幅值调节电路
    图1中稳压管双向限幅电路结构简单，选用不同稳压值的稳压管可改变输出电压，但限幅特性受稳压管参数影响大，而且输出限幅电压完全取决于稳压管的稳压值，采用这种方法对输出电压进行调整很不方便也很不实用。
    为了实现对矩形波发生器输出电压幅值的精确调节，同时提高电路带负载的能力，可在图1电路输出端uo处并联一只可调电位器将输出电压进行取样，并将取样电压接至由运放和电阻网络组成的同相放大电路，通过改变取样电阻值即可精确调节矩形波输出电压的幅值，即构成了占空比、频率及幅值可调的矩形波信号发生器。
1．3 元件参数选择
    为提高输出信号频率和占空比的调节范围并减小二极管的动态电阻对电路参数的影响，设计电路时R5、R6应远大于R3。为使电路输出受频率影响较小的理想矩形波信号，电容C1和C2取值不宜过小(可取0．01、O．1和1μF)，并选用具有高转换速率的运算放大器，同时为简化电路结构，可选用双集成运放LF353P，其转换速率(SR)为13 V／μs。
    为减小对矩形波振荡电路输出信号的影响，设计幅值调节电路时应选用大阻值(可取100 kΩ)电压取样电位器。因电路为±12 V双电源供电，考虑到集成运放最大输出电压的限制，设计同相放大电路的电压放大倍数为2倍，同时反馈电阻不宜过大或过小(可取10 kΩ)。
    为分析矩形波信号发生器的带负载能力，在测量电路的输出阻抗时，由于电路的闭环输出电阻极小，而运放的最大输出电流有限，所以负载电阻的取值不可太小。

2 Multisiin 10仿真分析
    在Muhisim 10中建立如图2所示的矩形波信号发生器，打开仿真开关，观察电路的起振过程，并观测当R5、R6及R7变化时电路输出波形的参数。文中参数及波形以电容C1为例，开关拨至C2时电路的测试方法相同。

    R5、R6均为最大值时，矩形波发生器输出波形的频率最小，如图3(a)；R5、R6均为0时，输出波形频率最大，如图3(b)。输出信号频率调节范围为1．77～21．5 kHz。如作为方波信号源(占空比严格为50％)使用时，方波信号的频率调节范围为2．64—21．5 kHz。

    R5为最大值、R6为0时，矩形波发生器输出波形的占空比最小，如图4(a)；R5为0、R6为最大值时，输出波形的占空比最大，如图4(b)。输出信号占空比调节范围为11％～94％。

    通过参数扫描分析(Parameter Sweep Analysis)中的瞬态分析(Transient Analysis)选择电阻R7为扫描元件，设置取样电阻值由O至最大值时，矩形波输出电压幅值在0～10．45 V之间连续可调，如图5所示。

    在图2电路输出端并联一只200 Ω负载电阻，测得电路的输出阻抗为144 Ω，同理测出未接入幅值调节电路时的输出阻抗为968 Ω。可见，幅值调节电路提高了矩形波信号发生器的带负载能力。

3 应用电路测试
    选用LF353P双集成运放(±12 V双电源供电)，选用1N4001二极管、HZ5C2双向稳压管，对图2所示矩形波信号发生器进行应用电路实测分析，调节电位器R5、R6及R7，通过示波器观测应用电路的输出波形分别如图6、图7所示。

    由图6、图7测得矩形波发生器应用电路的输出波形参数如下：频率调节范围为1．72～23．8 kHz，作为方波信号源时频率调节范围为2．6～23．8 kHz；占空比调节范围为11．4％～94％；电压幅值调节范围为0～10．5 V；电路的输出阻抗为224 Ω。未接入幅值调节电路时的输出阻抗为l 042 Ω。所测参数与Multisim 10仿真分析结果基本接近。
    本文亦对电容C2分别取100 nF和1μF时的应用电路进行了测试，综合测试结果分析可知：图2矩形波发生器相邻两挡频率的可调范围互相覆盖，输出信号的频率在16 Hz～23．8 kHz之间连续可调，电路实现了多频段的控制。

4 理论参数分析
    通过对矩形波信号发生器进行理论分析，可知电路理论参数如下：矩形波输出信号频率调节范围为1．92～30．2 kHz，作为方波信号源使用时频率可调范围为2．9～30．2 kHz，占空比调节范围为8．9％～95％，电压幅值调节范围为0～10 V，理论参数与Multisim 10仿真分析及应用电路测试结果略有不同，主要是由于电路中二极管的动态电阻以及稳压二极管的正向导通电压引起的误差。

5 结束语
    本文在电路设计过程中，先后选用了μA741和LF353P两种运放电路。通过仿真分析和应用电路测试比较后发现，采用具有高转换速率的LF353P矩形波发生器输出波形的上升沿(下降沿)更为陡直，波形更为稳定。
    本文设计的矩形波信号发生器的频率调节范围可达到16 Hz～23．8 kHz(三频段控制)，占空比调节范围可达到11．4％～94％，电压幅值在0～1O.5V之间连续可调，同时可作为方波信号源使用，为三角波、锯齿波、阶梯波等其他非正弦波信号产生电路的研究工作提供了条件。  Multisim 10仿真分析和应用电路测试结果表明：该电路能产生较理想的可控矩形波信号，具有低失真、简单实用、调试方便、性能稳定的优点，各项性能指标均达到了设计要求。