方波—三角波函數發(fā)生器的仿真設計與電路實現

開　萍

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

關鍵詞 電子電路設計;虛擬仿真;Multisim 10虛擬實驗平臺;方波—三角波函數發(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)設計方法周期長、成本高、效率低。在電子產品開發(fā)設計的過程中,常常需要工程技術人員對所設計的電路進行實物安裝和調試,通過整機安裝、調試后,如果發(fā)現原先的設計有問題,還得回過頭來重新對電路進行修改、安裝和調試,過程非常繁瑣。近年來迅速發(fā)展并日臻完善的EDA技術,將先進的計算機技術應用于電子設計過程,已被廣泛嵌入電子產品的優(yōu)化設計中,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包含電路仿真設計的模塊Multisim、PCB設計軟件Ultiboard、布線引擎Ultiroute和通信電路分析與設計模塊Commsim等4個部分,能完成從電路仿真設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是一個電路原理設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件,其元器件庫提供數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可以從生產廠商的產品使用手冊中查到,因此可以很方便地在工程設計中使用。

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、數字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器、失真度測量儀、頻譜分析儀和網絡分析儀等。

Multisim 10可以設計、測試和演示各種電子電路,包括電工電路、模擬電路、數字電路、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據,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)、顯示波形和具體數據等。

2 電路設計仿真實例

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

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 設計方案的確定

1)采用以下電路形式及元器件型號。根據電路性能指標要求,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。比較器U₂與積分器U₁的元件參數計算如下。

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。

設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,得比較器翻轉的下門限單位V_iL為:V_iL=-[R_P2/(R₁+R_P1)]V_cc

設VO=-V_EE,則比較器翻轉的上門限電位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的關系為積分關系。

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,合理設置示波器參數,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_P1參數大小。

3 電路的制作

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

4 結束語

由上可知,應用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備,軟件可以提供安全有效的設計環(huán)境,其電路結構及設計能很方便地進行修改;設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備才能完成的電路驗證相比,Multisim的使用使電路設計既省時又經濟,用它來進行電路模擬和分析,能大大提高電路設計的效率和質量,從而有效地節(jié)省開發(fā)產品的成本和時間。