方波—三角波函数发生器的仿真设计与电路实现

开　萍

摘要 通过在Multisim 10虚拟实验环境中对方波—三角波函数发生器电路的设计,阐述Multisim 10在电路仿真设计中的应用过程,实现真正意义上的电子设计自动化(DEA)。

关键词 电子电路设计;虚拟仿真;Multisim 10虚拟实验平台;方波—三角波函数发生器

中图分类号:TP391.9 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2009)21-0092-02

Simulation Design and Circuit Production of Square Wave-triangle Wave Function Generator//Kai Ping

Abstract This paper expounded the application process of circuit simulation design based on Multisim 10 by simulation design and circuit production of square wave-triangle wave function generator, and it achieved a real sense of the electrionic design automation(EDA).

Key words electrionic circuit design; Virtual simulation; Virtual experiment platform of Multisim10; Square-triangle wave function generator

Authors address Zhongshan Secondary Vocational School, Zhongshan, Guangdong 528400, China

传统的电子电路与系统设计方法周期长、成本高、效率低。在电子产品开发设计的过程中,常常需要工程技术人员对所设计的电路进行实物安装和调试,通过整机安装、调试后,如果发现原先的设计有问题,还得回过头来重新对电路进行修改、安装和调试,过程非常繁琐。近年来迅速发展并日臻完善的EDA技术,将先进的计算机技术应用于电子设计过程,已被广泛嵌入电子产品的优化设计中,Multisim 10就是这样一款出色的EDA软件。

1 Multisim 10的功能特点

Multisim 10是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Multisim最新版本,是该公司电子电路仿真软件EWB的升级版。目前,EWB包含电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute和通信电路分析与设计模块Commsim等4个部分,能完成从电路仿真设计到电路板图生成的全过程。这4个部分相互独立,可以分别使用。Multisim 10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件,其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用,同时也可以新建或扩充已有的元器件库,而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到,因此可以很方便地在工程设计中使用。

Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全,有一般实验用的通用仪器,如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源,还有一般实验室少有或没有的仪器,如波特图示仪、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。

Multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等;可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时,软件还可以存储测试点的所有数据,列出被仿真电路的所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。

2 电路设计仿真实例

下面以设计一个方波—三角波函数发生器为例介绍基于Multisim 10的电子电路设计与仿真方法。

2.1 性能指标要求频率范围,(1～10)Hz;输出电压,方波V_p-p≤24 V,三角波V_p-p=7 V;波形特性,方波t_r<100 μs,三角波γΔ<2%。

2.2 设计方案的确定

1)采用以下电路形式及元器件型号。根据电路性能指标要求,电路可由两级运放U₁、U₂组成。U₁为一个反向积分器电路。U₂是一个比较器电路,引入正反馈,比较器的输出作为反向积分器的输入,反向积分器的输出作为比较器的输入。

2)电路原理及计算元件参数。比较器U₂与积分器U₁的元件参数计算如下。

首先计算比较器电路,运放的反相端接基准电压,同相端接输入电压V_i。当V₊大于V_-时,输出为高电位VOH,比较器的输出VO的高电平约等于正电源电压+V_cc;当V₊小于V_-时,输出为低电位VOL,比较器的输出VO的低电平约等于负电源电压-V_EE。当V₊=V_-=0时,比较器状态要翻转。

设VO=+V_cc,则V₊=[(R₁+R_P1)/(R₁+R_P1+R_P2)]V_i+[R_P2/(R₁+R_P1+R_P2)]VO=0

将上式整理,得比较器翻转的下门限单位V_iL为:V_iL=-[R_P2/(R₁+R_P1)]V_cc

设VO=-V_EE,则比较器翻转的上门限电位V_iH为:V_iH=-[R_P2/(R₁+R_P1)]V_EE

运放U₁与R₂,C₁组成反相积分器,其积分器的输出VO1 与输入信号为方波VO的关系为积分关系。

可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波,方波—三角波的周期为T=4R₂C₁R_P2/(R₁+R_P1),则它们的频率为f=1/T=(R₁+R_P1)/4R₂C₁R_P2

当1 Hz≤f≤10 Hz时,取C₁=1 μF,则R_P2=(R₁+R_P1)/R₂C₁=(75～7.5)KΩ

2.3 仿真分析在Multisim 10环境下建立上述电路,为便于观测输出波形,将U₁、U₂的输出分别加到示波器的A、B两个通道上。双击示波器图标,合理设置示波器参数,即可得到输出波形。输出波形中一个为方波,另一个为三角波。调整C₁、R_P1的大小可改变输出波形的周期,记录好合适的C₁、R_P1参数大小。

3 电路的制作

经过仿真电路参数确定后,采用万能板制作此方波—三角波函数发生器电路,功能基本达到设计要求。采用上述设计过程简化繁琐的电路设计传统方法,缩短电路设计时间,且理论分析与仿真分析的结论基本吻合。由于篇幅限制,未附仿真分析相关图表与结果以及电路实物照片。

4 结束语

由上可知,应用EDA工具软件Multisim可以方便地建立各种电路,不需要昂贵的实验设备,软件可以提供安全有效的设计环境,其电路结构及设计能很方便地进行修改;设计者除了可以借助屏幕上的编辑器很方便地更换适合电路规格的元器件外,还能直接用计算机模拟、分析、验证,可以准确地反映出所设计的电路的性能。与在实验室中需要使用一系列电子元件和实验设备才能完成的电路验证相比,Multisim的使用使电路设计既省时又经济,用它来进行电路模拟和分析,能大大提高电路设计的效率和质量,从而有效地节省开发产品的成本和时间。