阶梯波发生器设计与仿真

◇宝鸡文理学院电子电气工程学院 韩芝侠 田 硕 王 谦 陈子豪 韩星泽

为了培养工科学生掌握复杂小型电子系统的设计能力，基于中规模集成器件设计了一个压控阶梯波发生器，并在Multisim环境下进行了核心模块的仿真，实验结果证明该方案可产生五级正向阶梯波，且输出波形频率受输入直流电压的控制。基于Multisim的设计能灵活改变阶梯波阶数，设计和调试快速、方便，开发周期短，具有一定的实用价值，且对培养电类工科学生电路分析和设计能力，提高学习兴趣，培养创新思维能力和实践动手能力大有帮助。

1 引言

阶梯波发生器广泛应用于各种控制仪器之中，由其产生的阶梯波信号是一种常用的实验用信号源，可作为时序控制信号和多级电位基准信号[1-2]。Multisim是NI研发的一款集原理图捕获和交互式仿真功能于一体、专门用于电子线路设计与仿真的EDA 工具软件。它具有丰富的元器件库、丰富的测试仪器、直观的图形界面、完备的分析手段和强大的仿真能力[3]。本文基于Multisim设计一个正向阶梯波发生器，使输出波形频率受输入直流电压的控制。以此类项目案例法为教法手段，可大大提高学生学习兴趣，培养其电子电路分析、设计、仿真、实践及创新能力。

2 任务要求及设计方案

2.1 压控阶梯波发生器任务要求

输出阶梯波的频率能被输入直流电压所控制，频率控制范围为100 Hz至1000Hz；输入控制电压Vc的范围为+1V～+10V，即频率f与电压Vc的函数关系为：f阶梯波=1/T=100Vc（Hz/V）。

输出阶梯波的台阶级数为五级，电压为1V/级，且比例相等，波形如图1所示。

图1 压控阶梯波发生器输出波形

设计并制作直流稳压电源（+12V、-12V、+5V、可调电压Vc），用AC 220V供电。

2.2 设计方案

给出如图2所示的设计方案。由交流220V经降压、整流、滤波、稳压后得正负12V直流电源及正5V直流电源，+12V再经电位器分压得1-10V可调直流电压Vc；经过压控振荡器，得到窄脉冲信号；如果信号波形不标准，可通过施密特触发器整形后作为后级计数器的时钟信号；因为要输出5个台阶，所以设计5进制计数器；经过D/A转换电路将数字信号转换为模拟信号从而得到负的阶梯波；最后再经一级反相比例器，得到正向的五级阶梯波。

图2 压控阶梯波发生器设计框图

3 压控阶梯波发生器设计与仿真

3.1 总体电路设计

在Multisim 14.2环境下给出如图3所示的设计电路，其中电源设计略，并给出各模块设计如下所示。

图3 基于Multisim的压控阶梯波发生器设计原理图

（1）压控振荡器设计与分析。将输出信号频率与输入控制电压成正比的波形发生电路称为压控振荡器，简称VCO，应用十分广泛。若用直流电压做控制电压，压控振荡器可制作成频率调节十分方便的信号源[4]。如图3所示，U1构成的反相积分电路和U2构成的同相滞回比较器构成了本设计的压控振荡器。为了分析和仿真方便，给输入控制电压Vc取直流+1V。

当uo2为+uz时，二极管D1断开，Vc通过电阻R1给电容C1充电，输出电压uo1由0开始逐渐下降变为负电压值，当其下降到使U2的同相端电压小于反相端电压即小于0V时，滞回比较器的输出发生反转，则uo2跳变为-uz，这时二极管D1导通，电容C1上储存的电荷通过二极管D1放电，由于放电回路的等效电阻比R1小得多，因此放电很快，uo1迅速上升，使U2的同相端电压很快上升至大于0V，则uo2很快由-uz又跳回到+uz，二极管D1又截至，输入直流电压Vc经R1再给电容C1充电，如此周而复始，产生振荡。输出波形如图4所示。

图4 压控振荡器输出波形

（2）施密特电路。若压控振荡器产生的矩形波uo2不标准，或边沿有毛刺，则利用一片555定时器构成施密特电路，从而把不规则的矩形波转换为规则的矩形波，以作为后级计数器的时钟信号CLK。电路如图3中A1所示。

（3）计数器。采用一片74160用同步预置数法设计五进制计数器。给DCBA预置0000，则置数控制端～LOAD=0的信号就从QDQCQBQA=0100的状态译出，即将QC通 过非门送到～LOAD端（因为它是同步预置数，低电平有效），同时将～CLR端、ENP/ENT接高电平。工作时每来一个CLK上升沿，计数器累计加1，当计到0100时，尽管～LOAD=0，但必须等到下一个CLK上升沿到来，才会将0000置入计数器，从而实现了从0000到0100共5个计数状态的循环。设计电路如图3中的U3所示。

（4）D/A转换器。由于计数器的输出是数字信号，最终要产生的阶梯波是模拟信号，所以设计了权电阻DAC[5]，电路如图3中U4所示。因为输入的是4路数字信号，所以n=4，i=0，1，2，3，取参考电压UREF=4V，R10=200K，R6到R9依次为100K、200K、400K、800K。则权电阻DAC输出电压为：

任务中要求每个台阶幅值为1V，由上式可知，当计数器的输出B=0000时，uo4=0V；B=0001时，uo4=-1V；B=0010时，uo4=-2V；B=0011时，uo4=-3V；B=0100时，uo4=-4V；然后重新开始循环上述过程。这样产生的是从0V到-4V的下台阶，所以需要经过一级反相器将其变为正向的五级阶梯波。

（5）反相比例放大器。根据上述设计，反相比例放大器的比例系数K=-R13/R12=-1。电路如图3中U5所示，这样uo最终产生的是从0V到+4V的上台阶。

3.2 仿真结果

仿真结果如图5所示。

图5 仿真结果

仿真结果如图5所示：绿色的锯齿波是积分电路的输出uo1的波形；玫红色的窄矩形波是滞回比较器的输出uo2的波形；大红色的波形是整形后作为计数器时钟信号CLK的波形；蓝色的阶梯波是整个电路的输出uo的波形。

由图5中四通道示波器的设置参数可知，时基标度为2ms/Div，矩形波的周期横向占了1大格，则周期 T 矩形=2ms/Div*1 Div=2ms；阶梯波的周期占了5格，则周期T 阶梯=2ms/Div*5 Div=10ms，且红色、蓝色标尺标注的时间显示也是10ms，故输出阶梯波的频率f阶梯=1/ T阶梯=1/10ms=100Hz，验证了任务要求中：f阶梯=100VC（Hz/V）=100 Hz（因为仿真时，输入VC给了固定的直流1V）；通道D刻度设置为5V/Div，阶梯波5个台阶纵向幅度刚好占了1大格，故阶梯波总幅值为5V/Div *1Div=5V，验证了任务要求中每个台阶刚好1V，即1V/级。仿真结果与任务要求一致，证明设计正确。

4 结束语

如将输入电压Vc调整为10V，则输出阶梯波频率就为1000 Hz；如将五进制计数器修改变成六进制计数器，则输出波形就变为正向的六级阶梯波[6]。基于Multisim的电路设计和仿真，有助于学生及时消化理解理论知识，验证设计思路，激发学习兴趣。本文通过一个电子技术方面综合实例的分析、设计及仿真，引申到任务要求不同时如何进行电路调整，引导学生积极思考并拓展训练所学知识，使学生熟悉并掌握典型电子电路的分析、设计、仿真等完整步骤和方法，以培养工科学生分析问题、解决问题能力以及创新、开发能力，进而提高学生科研素养。