應用Multisim進行簡單的波形轉換仿真

吉皓月 夏何銀 宋 琳

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

正弦波、方波和三角波的函數轉換器，都是在實驗中常見的輸出信號。為了更好地與實驗相結合，研究人員利用Multisim進行簡單的波形轉換仿真，把它分為3個部分的單元電路：1）通過正弦波發生電路產生正弦波，因為需要產生1個穩定的振蕩條件，所以研究人員在放大電路中加了正反饋。2）正弦波發生器與過零比較器結合讓正弦波變化為方波，并且使各種波形連續可調。3）在過零比較器后面連接一個積分電路使波形最后轉換為三角波。該設計采用TL084CN放大器（TL084CN用于放大一般低頻交流、直流信號或信號轉換；與其他運算放大器相比，速度有很大的優勢，輸入電阻也非常大）。在該次仿真中，研究人員希望能更加熟練地運用Multisim軟件設計出每個部分的電源圖，進一步熟悉常用電子器件的特性。在進一步的學習中，研究人員將理論與實踐有機地結合在一起，從而提高自身的理論分析能力。

1 設計方案

研究人員通過正弦波發生電路產生正弦波，在正弦波發生電路尾端連接過零比較器，從而形成（正弦波—方波）第一個波形轉換；再通過積分電路的銜接，讓最終波形以三角波的形式輸出，從而應用Multisim進行簡單的波形轉換（正弦波—方波—三角波）仿真。

2 Multisim軟件的介紹及特點

Multisim軟件是由美國IN公司發明的一款電路設計仿真軟件[1]，具有許多分析功能，例如傅里葉分析、電路中靜態工作點的分析以及嵌套或者直流掃描分析等。其適用于一般性的電路設計仿真，可以讓電路的仿真更加便捷。設計師可以通過該軟件，輕松調試電路中出現的問題，解決現實中使用焊接電子線路時遇到的許多煩瑣的問題，例如測試時，電路中某一電阻需要更換阻值，如果使用Multisim軟件就可以直接點擊該電阻圖標改變其電阻值，防止了繁雜的焊接調試工作。Multisim軟件里面含有各種元器件、自帶儀器儀表和自帶示波器等，使其可以更好地觀察仿真出來的結果，使設計師更快地調整電路的缺陷，大大減少了設計周期長、研發成本高的問題。

3 TL084運算放大器的介紹

TL084運算放大器在一些電子電路中得到了良好的應用。該運算放大器，常用于一般低頻交（直）流信號的放大或信號中的轉換，與其他的運算放大器相比，不僅具有低噪聲、低失真和輸入電阻大的特點，而且在速度上也有明顯的優勢。

4 單元電路設計

4.1 正弦波振蕩電路實驗原理

研究人員選擇了RC橋式正弦波振蕩電路，如圖1所示（圖中D1、D2為1N4148為高速開關二極管）。該電路由放大電路（R3、負反饋網絡、TLO84CN）和選頻網絡（C1R2、C2R1）組成[2]。

圖1 RC正弦波振蕩電路仿真圖

產生持續振蕩的條件，如公式（1）、公式（2）所示[2]。

式中：A為負反饋的放大倍數；F為反饋網絡系數；φa為放大電路移相；φf為反饋網絡的移相。

起振和穩幅： 為了便于振蕩電路起振，在開始起振時需要增加正反饋量。那么：。

由圖1可知，R1=R1=R，C1=C1=C。并且在R4回路中并聯2個二極管，通過改變運算放大器的放大倍數實現穩幅的效果。

下面對RC正弦波振蕩電路的參數選取進行計算[3]如公式（3）所示。

通過公式（3）可以得出新的計算公式，如公式（4）所示。

根據上述計算過程可得正弦波振蕩電路的幅頻響應及相頻響應，如公式（5）、公式（6）所示。

式中：f為頻率；為反饋網絡的移相。

當f=f0時，此時幅頻響應的幅值為最大值，即：。而相頻響應的相位角為零，即：=0。

由電路串聯構成的負反饋放大電路，計算公式如公式（7）所示。

4.2 正弦波-方波轉換器實驗原理

在RC橋式正弦波振蕩電路的后面連接上一個過零比較器，從而形成正弦波—方波的轉化。如圖2所示，D3、D4為穩壓管，假定D3的穩定電壓為UZ1，D4的穩定電壓為UZ2，D3和D4導通的正向導通電壓為UD，UOH為最大正向輸出電壓，UOL為最大反向輸出電壓。正弦波信號經過電阻R6從反相端輸入，UI為運算放大器TL084CN的輸入電壓。

圖2 正弦波-方波轉換電路仿真圖

輸出電壓的分析：當UI<0V時，由于集成運放的輸出電壓u0=UOH=+（UZ1+UD）。當UI>0V時，由于集成運放的輸出電壓u0=UOL=-（UZ2+UD）。

4.3 方波-三角波轉換器實驗原理

在過零比較器的后面加上1個積分電路，從而形成方波—三角波的轉化，積分運算電路主要是由RC及放大器組成的，如圖3所示，根據輸入信號的頻率，通過合理地設置R10和C3的值來改變時間常數，就可以完成相應波形的轉換[4]。圖3中VDD為器件內部的工作電壓；VCC為接入電路的電壓；OPAMP_5T_VIRTUAL為運算放大器。

圖3 利用積分電路仿真圖

由虛短、虛地可以得出公式，如公式（8）所示。

式中：U1為運算放大器的輸入電壓；為對運算放大器的輸出電壓求導；i代表運算放大器的輸出電流。

輸出電壓的分析，如公式（9）所示。

式中：τ為時間常數。

在積分電路中運用R10和C3改變時間常數。根據上述單元電路可可以得到正弦波—方波—三角波的波形圖，如圖4所示。

5 仿真數據結果分析

輸出的波形如圖4所示，在指定頻率范圍下工作，各種輸出幅值確定，且波形均連續可調。在RC正弦波振蕩電路中，根據振幅平衡和相位平衡的條件，首先選擇合適的放大電路的指標，使正弦波幅值為±10 V。然后，在過零比較的輸出端連接2個穩壓二極管，通過選擇合適的穩壓二極管，讓方波幅值為±10 V。最后積分電路的幅值需要根據矩形波的頻率來改變，通過調節R8電阻改變三角波的幅值，使其達到±20 V。

5.1 RC正弦波振蕩電路誤差分析

開始設計時要求輸出波形的頻率范圍為0.20 kHz～20.00 kHz，但仿真出來的電路圖的實際頻率范圍為0.18 kHz～21.00 kHz。 可以得出頻率的誤差，如公式（10）、公式（11）所示。

圖4 正弦波-方波-三角波波形轉換仿真圖

式中：Δf1為下限頻率誤差；fe為下限頻率標準值；f為輸出頻率上限實際值； Δf2為上限頻率誤差；fe''為下限頻率標準值；f ''為輸出頻率下限實際值。

5.2 方波電路誤差分析

設計要求方波的幅值為±10 V，采用2個穩壓為10 V的穩壓二極管。輸出電壓u0的計算如公式（12）、公式（13）所示。

u0、UOH、UZ1、UOL、UZ2以及UD在上文4.2中已提及。

根據公式（12）、公式（13）可以得出方波幅值的誤差，如公式（14）所示。

式中：U為方波幅值的實際值；Ue為方波幅值的標準值。

5.3 三角波電路

設計要求三角波的幅值為±20 V，仿真電路圖中積分電路的輸出電壓增加速率由電阻和時間常數決定。

可以得出三角波幅值的誤差計算，如公式（15）所示。

式中：U為三角波幅值的實際值；Ue為三角波幅值的標準值。

由上述誤差分析可知，該設計的電路滿足設定的相應要求，并能實現相應波形的轉換。

6 結語

在該研究中，首先，研究人員運用了Multisim軟件，進行簡單的波形轉換仿真；其次，通過選擇不同參數的元器件來實現各種輸出波形所需要的頻率和幅值；最后通過誤差分析檢驗波形圖的頻率和幅值是否滿足電路要求。此外，在利用Multisim軟件時，研究人員更加直觀地觀測到了輸出波形及其相應的波形發生電路。在實際生活中，無論是正弦波、方波還是三角波，都是生產中極為重要的信號，通過這些簡單信號之間的轉化，研究人員可以進一步了解電路的構成和工作方式，此次仿真也讓研究人員將理論和實際更好地結合在一起，提高了研究人員學習的積極性。