基于Multisim 10的矩形波信号发生器仿真与实现

Multisim是Interactive Image Technologies （Electronics Workbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

矩形波被广泛用于数字开关电路，两个二进制（2级）是从逻辑电路中产生。逻辑电路的同步操作，严格规定的时间间隔，使方波快速转换和定时参考信号适当“时钟”被使用。他们不在，造成电磁辐射脉冲电流，影响了闭路的结果，造成噪音和错误。公元准确和非常敏感的电路，如传感器，以避免这个问题，以此作为时序参考方波，而不是正弦波。

因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。本文对矩形波信号发生器进行了电路设计及仿真及应用电路测试。

矩形波振荡电路设计

矩形波发生器电路有多种方案，本设计以运算放大器为核心，由矩形波振荡电路、幅值调节电路两部分组成。电路设计方案和元器件选择的原则是：工作稳定可靠、结构简单合理、安装调试方便、性能参数达标。

矩形波振荡电路（又称多谐振荡器）由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。滞回比较器起开关作用，RC电路的作用是产生暂态过程。RC回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过RC充、放电过程实现输出状态的自动转换。在运放的输出端引入限流电阻和两个背靠背的稳压管就组成了如图1所示的双向限幅矩形波发生器。

图1中滞回比较器的阈值电压

假设接通电源时，电容C两端电压uc=O，输出电压uo=+Uz，则运放同相输入端电压up=+UT，二极管VD2导通，VD1截止，uo通过电阻R3和R6给电容C充电，忽略二极管的动态电阻，充电时间常数近似为（R3+R6）C，使运放反相输入端电压uN由0逐渐上升，在uN《up时，uo=+Uz保持不变。当uN≥up时，uo立即从+Uz跃变为-Uz，同时up从+UT跃变为-UT，二极管VD1导通，VD2截止，电容C开始通过R3和R5放电，放电时间常数近似为（R3+R5）C，使运放反相输入端电压uN逐渐下降，在uN》up时，uo=-Uz保持不变。当uN≤up时，uo又从-Uz跃变为+Uz，电容C又开始充电，运放输出状态再次翻转。如此周而复始，电路产生了自激振荡，输出端输出矩形波信号。

通常将矩形波输出高电平的持续时间与振荡周期的比定义为占空比。图1所示电路利用二极管的单向导电性使电容充、放电的通路不同，从而使它们的时间常数不同，实现了输出电压占空比的调节。

图1矩形波发生器的输出电压幅值等于稳压管的稳压值，电路输出电压正、负幅度对称。

由上述分析可知，调节电位器R5或R6可改变矩形波发生器的振荡频率及占空比。如果在图1中电容C处通过一只多路开关投入不同数值的电容，则可实现输出信号的频段控制。

在低频范围（如10 Hz～1O kHz）以内，对于固定频率来说，图1所示电路是一种较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获得前后边沿较陡的矩形波，宜选择转换速率较高的运放。

Multisiin 10仿真分析

在Muhisim 10中建立如图2所示的矩形波信号发生器，打开仿真开关，观察电路的起振过程，并观测当R5、R6及R7变化时电路输出波形的参数。文中参数及波形以电容C1为例，开关拨至C2时电路的测试方法相同。

R5、R6均为最大值时，矩形波发生器输出波形的频率最小，如图3（a）；R5、R6均为0时，输出波形频率最大，如图3（b）。输出信号频率调节范围为1．77～21．5 kHz。如作为方波信号源（占空比严格为50％）使用时，方波信号的频率调节范围为2．64—21．5 kHz。

R5为最大值、R6为0时，矩形波发生器输出波形的占空比最小，如图4（a）；R5为0、R6为最大值时，输出波形的占空比最大，如图4（b）。输出信号占空比调节范围为11％～94％。

通过参数扫描分析（Parameter Sweep Analysis）中的瞬态分析（Transient Analysis）选择电阻R7为扫描元件，设置取样电阻值由O至最大值时，矩形波输出电压幅值在0～10．45 V之间连续可调，如图5所示。

在图2电路输出端并联一只200 Ω负载电阻，测得电路的输出阻抗为144 Ω，同理测出未接入幅值调节电路时的输出阻抗为968 Ω。可见，幅值调节电路提高了矩形波信号发生器的带负载能力。

应用电路测试

选用LF353P双集成运放（±12 V双电源供电），选用1N4001二极管、HZ5C2双向稳压管，对图2所示矩形波信号发生器进行应用电路实测分析，调节电位器R5、R6及R7，通过示波器观测应用电路的输出波形分别如图6、图7所示。

由图6、图7测得矩形波发生器应用电路的输出波形参数如下：频率调节范围为1．72～23．8 kHz，作为方波信号源时频率调节范围为2．6～23．8 kHz；占空比调节范围为11．4％～94％；电压幅值调节范围为0～10．5 V；电路的输出阻抗为224 Ω。未接入幅值调节电路时的输出阻抗为l 042 Ω。所测参数与Multisim 10仿真分析结果基本接近。

本文亦对电容C2分别取100 nF和1μF时的应用电路进行了测试，综合测试结果分析可知：图2矩形波发生器相邻两挡频率的可调范围互相覆盖，输出信号的频率在16 Hz～23．8 kHz之间连续可调，电路实现了多频段的控制。