方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的仿真設(shè)計與電路實現(xiàn)

開　萍

摘要 通過在Multisim 10虛擬實驗環(huán)境中對方波—三角波函數(shù)發(fā)生器電路的設(shè)計,闡述Multisim 10在電路仿真設(shè)計中的應(yīng)用過程,實現(xiàn)真正意義上的電子設(shè)計自動化(DEA)。

關(guān)鍵詞 電子電路設(shè)計;虛擬仿真;Multisim 10虛擬實驗平臺;方波—三角波函數(shù)發(fā)生器

中圖分類號:TP391.9 文獻標識碼:B 文章編號: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

傳統(tǒng)的電子電路與系統(tǒng)設(shè)計方法周期長、成本高、效率低。在電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的過程中,常常需要工程技術(shù)人員對所設(shè)計的電路進行實物安裝和調(diào)試,通過整機安裝、調(diào)試后,如果發(fā)現(xiàn)原先的設(shè)計有問題,還得回過頭來重新對電路進行修改、安裝和調(diào)試,過程非常繁瑣。近年來迅速發(fā)展并日臻完善的EDA技術(shù),將先進的計算機技術(shù)應(yīng)用于電子設(shè)計過程,已被廣泛嵌入電子產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計中,Multisim 10就是這樣一款出色的EDA軟件。

1 Multisim 10的功能特點

Multisim 10是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Multisim最新版本,是該公司電子電路仿真軟件EWB的升級版。目前,EWB包含電路仿真設(shè)計的模塊Multisim、PCB設(shè)計軟件Ultiboard、布線引擎Ultiroute和通信電路分析與設(shè)計模塊Commsim等4個部分,能完成從電路仿真設(shè)計到電路板圖生成的全過程。這4個部分相互獨立,可以分別使用。Multisim 10是一個電路原理設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件,其元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用,同時也可以新建或擴充已有的元器件庫,而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到,因此可以很方便地在工程設(shè)計中使用。

Multisim 10的虛擬測試儀器儀表種類齊全,有一般實驗用的通用儀器,如萬用表、信號發(fā)生器、雙通道示波器、直流電源,還有一般實驗室少有或沒有的儀器,如波特圖示儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真度測量儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

Multisim 10可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路,包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及部分微機接口電路等;可以對被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障,如開路、短路和不同程度的漏電等,從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進行仿真的同時,軟件還可以存儲測試點的所有數(shù)據(jù),列出被仿真電路的所有元器件清單,以及存儲測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。

2 電路設(shè)計仿真實例

下面以設(shè)計一個方波—三角波函數(shù)發(fā)生器為例介紹基于Multisim 10的電子電路設(shè)計與仿真方法。

2.1 性能指標要求頻率范圍,(1～10)Hz;輸出電壓,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 設(shè)計方案的確定

1)采用以下電路形式及元器件型號。根據(jù)電路性能指標要求,電路可由兩級運放U₁、U₂組成。U₁為一個反向積分器電路。U₂是一個比較器電路,引入正反饋,比較器的輸出作為反向積分器的輸入,反向積分器的輸出作為比較器的輸入。

2)電路原理及計算元件參數(shù)。比較器U₂與積分器U₁的元件參數(shù)計算如下。

首先計算比較器電路,運放的反相端接基準電壓,同相端接輸入電壓V_i。當V₊大于V_-時,輸出為高電位VOH,比較器的輸出VO的高電平約等于正電源電壓+V_cc;當V₊小于V_-時,輸出為低電位VOL,比較器的輸出VO的低電平約等于負電源電壓-V_EE。當V₊=V_-=0時,比較器狀態(tài)要翻轉(zhuǎn)。

設(shè)VO=+V_cc,則V₊=[(R₁+R_P1)/(R₁+R_P1+R_P2)]V_i+[R_P2/(R₁+R_P1+R_P2)]VO=0

將上式整理,得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位V_iL為:V_iL=-[R_P2/(R₁+R_P1)]V_cc

設(shè)VO=-V_EE,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位V_iH為:V_iH=-[R_P2/(R₁+R_P1)]V_EE

運放U₁與R₂,C₁組成反相積分器,其積分器的輸出VO1 與輸入信號為方波VO的關(guān)系為積分關(guān)系。

可見積分器的輸入為方波時,輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波,方波—三角波的周期為T=4R₂C₁R_P2/(R₁+R_P1),則它們的頻率為f=1/T=(R₁+R_P1)/4R₂C₁R_P2

當1 Hz≤f≤10 Hz時,取C₁=1 μF,則R_P2=(R₁+R_P1)/R₂C₁=(75～7.5)KΩ

2.3 仿真分析在Multisim 10環(huán)境下建立上述電路,為便于觀測輸出波形,將U₁、U₂的輸出分別加到示波器的A、B兩個通道上。雙擊示波器圖標,合理設(shè)置示波器參數(shù),即可得到輸出波形。輸出波形中一個為方波,另一個為三角波。調(diào)整C₁、R_P1的大小可改變輸出波形的周期,記錄好合適的C₁、R_P1參數(shù)大小。

3 電路的制作

經(jīng)過仿真電路參數(shù)確定后,采用萬能板制作此方波—三角波函數(shù)發(fā)生器電路,功能基本達到設(shè)計要求。采用上述設(shè)計過程簡化繁瑣的電路設(shè)計傳統(tǒng)方法,縮短電路設(shè)計時間,且理論分析與仿真分析的結(jié)論基本吻合。由于篇幅限制,未附仿真分析相關(guān)圖表與結(jié)果以及電路實物照片。

4 結(jié)束語

由上可知,應(yīng)用EDA工具軟件Multisim可以方便地建立各種電路,不需要昂貴的實驗設(shè)備,軟件可以提供安全有效的設(shè)計環(huán)境,其電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計能很方便地進行修改;設(shè)計者除了可以借助屏幕上的編輯器很方便地更換適合電路規(guī)格的元器件外,還能直接用計算機模擬、分析、驗證,可以準確地反映出所設(shè)計的電路的性能。與在實驗室中需要使用一系列電子元件和實驗設(shè)備才能完成的電路驗證相比,Multisim的使用使電路設(shè)計既省時又經(jīng)濟,用它來進行電路模擬和分析,能大大提高電路設(shè)計的效率和質(zhì)量,從而有效地節(jié)省開發(fā)產(chǎn)品的成本和時間。