应用Multisim进行简单的波形转换仿真

吉皓月 夏何银 宋 琳

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

正弦波、方波和三角波的函数转换器，都是在实验中常见的输出信号。为了更好地与实验相结合，研究人员利用Multisim进行简单的波形转换仿真，把它分为3个部分的单元电路：1）通过正弦波发生电路产生正弦波，因为需要产生1个稳定的振荡条件，所以研究人员在放大电路中加了正反馈。2）正弦波发生器与过零比较器结合让正弦波变化为方波，并且使各种波形连续可调。3）在过零比较器后面连接一个积分电路使波形最后转换为三角波。该设计采用TL084CN放大器（TL084CN用于放大一般低频交流、直流信号或信号转换；与其他运算放大器相比，速度有很大的优势，输入电阻也非常大）。在该次仿真中，研究人员希望能更加熟练地运用Multisim软件设计出每个部分的电源图，进一步熟悉常用电子器件的特性。在进一步的学习中，研究人员将理论与实践有机地结合在一起，从而提高自身的理论分析能力。

1 设计方案

研究人员通过正弦波发生电路产生正弦波，在正弦波发生电路尾端连接过零比较器，从而形成（正弦波—方波）第一个波形转换；再通过积分电路的衔接，让最终波形以三角波的形式输出，从而应用Multisim进行简单的波形转换（正弦波—方波—三角波）仿真。

2 Multisim软件的介绍及特点

Multisim软件是由美国IN公司发明的一款电路设计仿真软件[1]，具有许多分析功能，例如傅里叶分析、电路中静态工作点的分析以及嵌套或者直流扫描分析等。其适用于一般性的电路设计仿真，可以让电路的仿真更加便捷。设计师可以通过该软件，轻松调试电路中出现的问题，解决现实中使用焊接电子线路时遇到的许多烦琐的问题，例如测试时，电路中某一电阻需要更换阻值，如果使用Multisim软件就可以直接点击该电阻图标改变其电阻值，防止了繁杂的焊接调试工作。Multisim软件里面含有各种元器件、自带仪器仪表和自带示波器等，使其可以更好地观察仿真出来的结果，使设计师更快地调整电路的缺陷，大大减少了设计周期长、研发成本高的问题。

3 TL084运算放大器的介绍

TL084运算放大器在一些电子电路中得到了良好的应用。该运算放大器，常用于一般低频交（直）流信号的放大或信号中的转换，与其他的运算放大器相比，不仅具有低噪声、低失真和输入电阻大的特点，而且在速度上也有明显的优势。

4 单元电路设计

4.1 正弦波振荡电路实验原理

研究人员选择了RC桥式正弦波振荡电路，如图1所示（图中D1、D2为1N4148为高速开关二极管）。该电路由放大电路（R3、负反馈网络、TLO84CN）和选频网络（C1R2、C2R1）组成[2]。

图1 RC正弦波振荡电路仿真图

产生持续振荡的条件，如公式（1）、公式（2）所示[2]。

式中：A为负反馈的放大倍数；F为反馈网络系数；φa为放大电路移相；φf为反馈网络的移相。

起振和稳幅： 为了便于振荡电路起振，在开始起振时需要增加正反馈量。那么：。

由图1可知，R1=R1=R，C1=C1=C。并且在R4回路中并联2个二极管，通过改变运算放大器的放大倍数实现稳幅的效果。

下面对RC正弦波振荡电路的参数选取进行计算[3]如公式（3）所示。

通过公式（3）可以得出新的计算公式，如公式（4）所示。

根据上述计算过程可得正弦波振荡电路的幅频响应及相频响应，如公式（5）、公式（6）所示。

式中：f为频率；为反馈网络的移相。

当f=f0时，此时幅频响应的幅值为最大值，即：。而相频响应的相位角为零，即：=0。

由电路串联构成的负反馈放大电路，计算公式如公式（7）所示。

4.2 正弦波-方波转换器实验原理

在RC桥式正弦波振荡电路的后面连接上一个过零比较器，从而形成正弦波—方波的转化。如图2所示，D3、D4为稳压管，假定D3的稳定电压为UZ1，D4的稳定电压为UZ2，D3和D4导通的正向导通电压为UD，UOH为最大正向输出电压，UOL为最大反向输出电压。正弦波信号经过电阻R6从反相端输入，UI为运算放大器TL084CN的输入电压。

图2 正弦波-方波转换电路仿真图

输出电压的分析：当UI<0V时，由于集成运放的输出电压u0=UOH=+（UZ1+UD）。当UI>0V时，由于集成运放的输出电压u0=UOL=-（UZ2+UD）。

4.3 方波-三角波转换器实验原理

在过零比较器的后面加上1个积分电路，从而形成方波—三角波的转化，积分运算电路主要是由RC及放大器组成的，如图3所示，根据输入信号的频率，通过合理地设置R10和C3的值来改变时间常数，就可以完成相应波形的转换[4]。图3中VDD为器件内部的工作电压；VCC为接入电路的电压；OPAMP_5T_VIRTUAL为运算放大器。

图3 利用积分电路仿真图

由虚短、虚地可以得出公式，如公式（8）所示。

式中：U1为运算放大器的输入电压；为对运算放大器的输出电压求导；i代表运算放大器的输出电流。

输出电压的分析，如公式（9）所示。

式中：τ为时间常数。

在积分电路中运用R10和C3改变时间常数。根据上述单元电路可可以得到正弦波—方波—三角波的波形图，如图4所示。

5 仿真数据结果分析

输出的波形如图4所示，在指定频率范围下工作，各种输出幅值确定，且波形均连续可调。在RC正弦波振荡电路中，根据振幅平衡和相位平衡的条件，首先选择合适的放大电路的指标，使正弦波幅值为±10 V。然后，在过零比较的输出端连接2个稳压二极管，通过选择合适的稳压二极管，让方波幅值为±10 V。最后积分电路的幅值需要根据矩形波的频率来改变，通过调节R8电阻改变三角波的幅值，使其达到±20 V。

5.1 RC正弦波振荡电路误差分析

开始设计时要求输出波形的频率范围为0.20 kHz～20.00 kHz，但仿真出来的电路图的实际频率范围为0.18 kHz～21.00 kHz。 可以得出频率的误差，如公式（10）、公式（11）所示。

图4 正弦波-方波-三角波波形转换仿真图

式中：Δf1为下限频率误差；fe为下限频率标准值；f为输出频率上限实际值； Δf2为上限频率误差；fe''为下限频率标准值；f ''为输出频率下限实际值。

5.2 方波电路误差分析

设计要求方波的幅值为±10 V，采用2个稳压为10 V的稳压二极管。输出电压u0的计算如公式（12）、公式（13）所示。

u0、UOH、UZ1、UOL、UZ2以及UD在上文4.2中已提及。

根据公式（12）、公式（13）可以得出方波幅值的误差，如公式（14）所示。

式中：U为方波幅值的实际值；Ue为方波幅值的标准值。

5.3 三角波电路

设计要求三角波的幅值为±20 V，仿真电路图中积分电路的输出电压增加速率由电阻和时间常数决定。

可以得出三角波幅值的误差计算，如公式（15）所示。

式中：U为三角波幅值的实际值；Ue为三角波幅值的标准值。

由上述误差分析可知，该设计的电路满足设定的相应要求，并能实现相应波形的转换。

6 结语

在该研究中，首先，研究人员运用了Multisim软件，进行简单的波形转换仿真；其次，通过选择不同参数的元器件来实现各种输出波形所需要的频率和幅值；最后通过误差分析检验波形图的频率和幅值是否满足电路要求。此外，在利用Multisim软件时，研究人员更加直观地观测到了输出波形及其相应的波形发生电路。在实际生活中，无论是正弦波、方波还是三角波，都是生产中极为重要的信号，通过这些简单信号之间的转化，研究人员可以进一步了解电路的构成和工作方式，此次仿真也让研究人员将理论和实际更好地结合在一起，提高了研究人员学习的积极性。