階梯波發生器設計與仿真

◇寶雞文理學院電子電氣工程學院 韓芝俠 田 碩 王 謙 陳子豪 韓星澤

為了培養工科學生掌握復雜小型電子系統的設計能力，基于中規模集成器件設計了一個壓控階梯波發生器，并在Multisim環境下進行了核心模塊的仿真，實驗結果證明該方案可產生五級正向階梯波，且輸出波形頻率受輸入直流電壓的控制。基于Multisim的設計能靈活改變階梯波階數，設計和調試快速、方便，開發周期短，具有一定的實用價值，且對培養電類工科學生電路分析和設計能力，提高學習興趣，培養創新思維能力和實踐動手能力大有幫助。

1 引言

階梯波發生器廣泛應用于各種控制儀器之中，由其產生的階梯波信號是一種常用的實驗用信號源，可作為時序控制信號和多級電位基準信號[1-2]。Multisim是NI研發的一款集原理圖捕獲和交互式仿真功能于一體、專門用于電子線路設計與仿真的EDA 工具軟件。它具有豐富的元器件庫、豐富的測試儀器、直觀的圖形界面、完備的分析手段和強大的仿真能力[3]。本文基于Multisim設計一個正向階梯波發生器，使輸出波形頻率受輸入直流電壓的控制。以此類項目案例法為教法手段，可大大提高學生學習興趣，培養其電子電路分析、設計、仿真、實踐及創新能力。

2 任務要求及設計方案

2.1 壓控階梯波發生器任務要求

輸出階梯波的頻率能被輸入直流電壓所控制，頻率控制范圍為100 Hz至1000Hz；輸入控制電壓Vc的范圍為+1V～+10V，即頻率f與電壓Vc的函數關系為：f階梯波=1/T=100Vc（Hz/V）。

輸出階梯波的臺階級數為五級，電壓為1V/級，且比例相等，波形如圖1所示。

圖1 壓控階梯波發生器輸出波形

設計并制作直流穩壓電源（+12V、-12V、+5V、可調電壓Vc），用AC 220V供電。

2.2 設計方案

給出如圖2所示的設計方案。由交流220V經降壓、整流、濾波、穩壓后得正負12V直流電源及正5V直流電源，+12V再經電位器分壓得1-10V可調直流電壓Vc；經過壓控振蕩器，得到窄脈沖信號；如果信號波形不標準，可通過施密特觸發器整形后作為后級計數器的時鐘信號；因為要輸出5個臺階，所以設計5進制計數器；經過D/A轉換電路將數字信號轉換為模擬信號從而得到負的階梯波；最后再經一級反相比例器，得到正向的五級階梯波。

圖2 壓控階梯波發生器設計框圖

3 壓控階梯波發生器設計與仿真

3.1 總體電路設計

在Multisim 14.2環境下給出如圖3所示的設計電路，其中電源設計略，并給出各模塊設計如下所示。

圖3 基于Multisim的壓控階梯波發生器設計原理圖

（1）壓控振蕩器設計與分析。將輸出信號頻率與輸入控制電壓成正比的波形發生電路稱為壓控振蕩器，簡稱VCO，應用十分廣泛。若用直流電壓做控制電壓，壓控振蕩器可制作成頻率調節十分方便的信號源[4]。如圖3所示，U1構成的反相積分電路和U2構成的同相滯回比較器構成了本設計的壓控振蕩器。為了分析和仿真方便，給輸入控制電壓Vc取直流+1V。

當uo2為+uz時，二極管D1斷開，Vc通過電阻R1給電容C1充電，輸出電壓uo1由0開始逐漸下降變為負電壓值，當其下降到使U2的同相端電壓小于反相端電壓即小于0V時，滯回比較器的輸出發生反轉，則uo2跳變為-uz，這時二極管D1導通，電容C1上儲存的電荷通過二極管D1放電，由于放電回路的等效電阻比R1小得多，因此放電很快，uo1迅速上升，使U2的同相端電壓很快上升至大于0V，則uo2很快由-uz又跳回到+uz，二極管D1又截至，輸入直流電壓Vc經R1再給電容C1充電，如此周而復始，產生振蕩。輸出波形如圖4所示。

圖4 壓控振蕩器輸出波形

（2）施密特電路。若壓控振蕩器產生的矩形波uo2不標準，或邊沿有毛刺，則利用一片555定時器構成施密特電路，從而把不規則的矩形波轉換為規則的矩形波，以作為后級計數器的時鐘信號CLK。電路如圖3中A1所示。

（3）計數器。采用一片74160用同步預置數法設計五進制計數器。給DCBA預置0000，則置數控制端～LOAD=0的信號就從QDQCQBQA=0100的狀態譯出，即將QC通 過非門送到～LOAD端（因為它是同步預置數，低電平有效），同時將～CLR端、ENP/ENT接高電平。工作時每來一個CLK上升沿，計數器累計加1，當計到0100時，盡管～LOAD=0，但必須等到下一個CLK上升沿到來，才會將0000置入計數器，從而實現了從0000到0100共5個計數狀態的循環。設計電路如圖3中的U3所示。

（4）D/A轉換器。由于計數器的輸出是數字信號，最終要產生的階梯波是模擬信號，所以設計了權電阻DAC[5]，電路如圖3中U4所示。因為輸入的是4路數字信號，所以n=4，i=0，1，2，3，取參考電壓UREF=4V，R10=200K，R6到R9依次為100K、200K、400K、800K。則權電阻DAC輸出電壓為：

任務中要求每個臺階幅值為1V，由上式可知，當計數器的輸出B=0000時，uo4=0V；B=0001時，uo4=-1V；B=0010時，uo4=-2V；B=0011時，uo4=-3V；B=0100時，uo4=-4V；然后重新開始循環上述過程。這樣產生的是從0V到-4V的下臺階，所以需要經過一級反相器將其變為正向的五級階梯波。

（5）反相比例放大器。根據上述設計，反相比例放大器的比例系數K=-R13/R12=-1。電路如圖3中U5所示，這樣uo最終產生的是從0V到+4V的上臺階。

3.2 仿真結果

仿真結果如圖5所示。

圖5 仿真結果

仿真結果如圖5所示：綠色的鋸齒波是積分電路的輸出uo1的波形；玫紅色的窄矩形波是滯回比較器的輸出uo2的波形；大紅色的波形是整形后作為計數器時鐘信號CLK的波形；藍色的階梯波是整個電路的輸出uo的波形。

由圖5中四通道示波器的設置參數可知，時基標度為2ms/Div，矩形波的周期橫向占了1大格，則周期 T 矩形=2ms/Div*1 Div=2ms；階梯波的周期占了5格，則周期T 階梯=2ms/Div*5 Div=10ms，且紅色、藍色標尺標注的時間顯示也是10ms，故輸出階梯波的頻率f階梯=1/ T階梯=1/10ms=100Hz，驗證了任務要求中：f階梯=100VC（Hz/V）=100 Hz（因為仿真時，輸入VC給了固定的直流1V）；通道D刻度設置為5V/Div，階梯波5個臺階縱向幅度剛好占了1大格，故階梯波總幅值為5V/Div *1Div=5V，驗證了任務要求中每個臺階剛好1V，即1V/級。仿真結果與任務要求一致，證明設計正確。

4 結束語

如將輸入電壓Vc調整為10V，則輸出階梯波頻率就為1000 Hz；如將五進制計數器修改變成六進制計數器，則輸出波形就變為正向的六級階梯波[6]。基于Multisim的電路設計和仿真，有助于學生及時消化理解理論知識，驗證設計思路，激發學習興趣。本文通過一個電子技術方面綜合實例的分析、設計及仿真，引申到任務要求不同時如何進行電路調整，引導學生積極思考并拓展訓練所學知識，使學生熟悉并掌握典型電子電路的分析、設計、仿真等完整步驟和方法，以培養工科學生分析問題、解決問題能力以及創新、開發能力，進而提高學生科研素養。