Multisim 在三角波發(fā)生電路教學中的應(yīng)用

褚麗娜，左先章，王 瑾

(軍械工程學院無人機工程系，河北石家莊050003)

三角波發(fā)生電路是“模擬電子技術(shù)”課程中的重要內(nèi)容之一。在現(xiàn)有教材中，通常在矩形波發(fā)生電路的基礎(chǔ)上加積分運算構(gòu)成基本電路，將兩個RC環(huán)節(jié)組合形成常見的三角波發(fā)生電路，進而著重分析電路的工作原理和參數(shù)［1，2］。這樣的編排理論清晰，但是不利于學生在有限學時內(nèi)較深地領(lǐng)會電路結(jié)構(gòu)。

筆者針對三角波發(fā)生電路教學內(nèi)容的特點，結(jié)合Multisim軟件仿真，采用探究式教學模式和問題教學模式，提出一種新的教學思路，旨在突破教學難點的同時，可以讓學生理解和領(lǐng)會電路結(jié)構(gòu)變化的因果關(guān)系。

1 探究RC環(huán)節(jié)組合的原因

首先，我們將教材中矩形波發(fā)生電路與積分運算構(gòu)成的三角波發(fā)生電路原理圖采用Multisim進行仿真，如圖1所示。為了演示兩個RC環(huán)節(jié)的作用，在電路仿真過程中將RC環(huán)節(jié)中的電阻換成滑動變阻器。其中示波器XSC1的A通道觀測矩形波輸出，B通道觀測三角波輸出，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 采用波形變換得到的三角波發(fā)生電路

問題1：為什么圖1在初始時刻開關(guān)J1打開時，圖2中三角波的幅值不是和矩形波一樣在0值上下對稱變化呢?

分析圖1電路發(fā)現(xiàn)，由于矩形波發(fā)生電路的起振源自噪聲，所以供電瞬間輸出的高低電平隨機出現(xiàn)，致使供電瞬間積分運算電路中電容C2兩端電壓不為0，因此積分的結(jié)果即輸出三角波幅值不是從0開始對稱變化。要解決這個問題，只需要在供電前，先將電容C2兩端并聯(lián)的單刀開關(guān)J1閉合，保證電容C2兩端初始電壓為0，供電后將單刀開關(guān)J1打開即可，結(jié)果如圖3所示。

圖2開關(guān)J1打開時的波形

圖3 開關(guān)J1閉合時的波形

由矩形波發(fā)生電路和積分運算的基礎(chǔ)知識可知，R1和C1影響矩形波周期，R2和C2控制積分的斜率。如果將R1接入電路部分逐漸增大，矩形波的周期隨之增大，三角波的周期也跟著增大，同時三角波的幅值也逐漸增大，并且在大到一定程度時，輸出三角波變?yōu)樘菪尾?，發(fā)生失真，結(jié)果如圖4所示。

問題2：為什么會出現(xiàn)波形失真呢?

上述現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為矩形波周期增大，高(或低)電平積分時間增大，當積分斜率保持不變時，積分的結(jié)果即三角波的幅值自然增大。當其增大到一定程度，超過積分運算電路中集成運放U2的最大輸出電壓時，三角波會出現(xiàn)梯形失真。

問題3：當保持輸出三角波的周期不變，如何消除上述失真?

顯然需要調(diào)整積分的斜率，即調(diào)節(jié)滑動變阻器R2接入電路中的值。當R2接入電路中的阻值由50%逐漸增大到85%時，失真完全消失，波形變化過程如圖5所示。

問題4：如何改進電路來避免圖4和圖5中三角波幅值失真現(xiàn)象發(fā)生?

上述現(xiàn)象的實質(zhì)是R1和C1、R2和C2兩個RC環(huán)節(jié)分別從矩形波周期、積分斜率兩個方面影響三角波的幅值，若要避免輸出三角波進入U2飽和區(qū)發(fā)生幅值失真，就必須調(diào)整兩個RC環(huán)節(jié)找到其平衡點。這樣只能從表面上消除失真，要杜絕這種失真發(fā)生，就必須對電路結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，變兩個RC環(huán)節(jié)為一個。

圖4 R1由小到大變化

圖5 R2由50%到85%變化

2 細化電路調(diào)整的過程

問題1：電路中R1和C1、R2和C2兩個RC環(huán)節(jié)哪一個必須保留?

R2和C2與運放U2構(gòu)成積分運算，將矩形波發(fā)生電路輸出的矩形波積分形成三角波，不可去除。R1和C1將滯回比較器(U1A、R3和R4)的輸出引回輸入形成反饋，實現(xiàn)矩形波發(fā)生電路的自激振蕩，可以在積分電路的輸出引合適的反饋來替代R1和C1的功能，故而可以去除。另外保留的R2和C2在工作過程中，C2充放電同樣可以控制矩形波高低電平的時間延遲。

結(jié)合上述分析，將圖1電路改進如圖6所示。去樣R1和C1反饋元件，直接將積分輸出引至U1A的反相輸入端，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 三角波發(fā)生電路的改進1

圖7 三角波發(fā)生電路的改進1輸出

問題2：為什么圖7中輸出沒有振蕩生成矩形波和三角波?

分析電路發(fā)現(xiàn)積分運算將矩形波反相積分輸出三角波，故而若要電路的輸出與圖1相同，必須將滯回比較器改為同相輸入。

問題3：若此時仍直接用導線引反饋，示波器依然沒有輸出，為什么?

因為此時導線引入全反饋將滯回比較器同相端電壓固定到與輸出電壓相同，無法完成矩形波輸出，需添加電阻R6將全反饋變?yōu)椴糠址答?，如圖8所示，結(jié)果如圖9所示可以輸出各種周期的三角波。

圖8 三角波發(fā)生電路的改進2

圖9 三角波發(fā)生電路的改進2輸出

問題4：圖8電路還需要改進嗎?

仔細分析圖8電路，電阻R4在圖1電路中與R3配合形成滯回比較器的正反饋部分，現(xiàn)在電阻R6除了負責將積分運算輸出引反饋至滯回比較器的輸入端外，還可以與R3配合完成替代R4的功能，故而R4為冗余元件，可以去掉。便可完成三角波發(fā)生電路的改進，如圖10所示，輸出結(jié)果與圖9相似，不再贅述。

4 實踐電路工作的原理

圖10 三角波發(fā)生電路

圖10三角波發(fā)生電路工作原理的理論分析與矩形波發(fā)生電路的分析類似，關(guān)鍵是抓住U1A組成的滯回比較器的閾值電壓和輸出電壓的值，具體分析過程教材上都有詳細闡述，不再贅述。同時，理論可以通過示波器的波形進行驗證，矩形波與三角波相互支持和限制，進行自激振蕩。

三角波發(fā)生電路的參數(shù)分析過程亦與矩形波發(fā)生電路分析類似，借助“電路分析”課程的“三要素”法，可得

式中，UZ為穩(wěn)壓二極管D1和D2兩端的電壓10V。

問題1：如何調(diào)整圖10三角波發(fā)出電路輸出三角波的幅值和周期?

若不加提示，此處學生多對各個元件值進行盲目地試湊。我們發(fā)現(xiàn)式(1)和式(2)有公共項R6/R3，此外，式(1)中±UZ的調(diào)整由穩(wěn)壓二極管D1和D2來實現(xiàn)，因此可以先調(diào)節(jié)穩(wěn)壓二極管來調(diào)整輸出三角波的幅值;若不能滿足要求，可調(diào)整電阻R3和R6的值。幅值調(diào)整好保持R3和R6不變，再調(diào)整式(2)中剩余的R2和C2，達到調(diào)整周期的目的。此方法也適用于其它電路同時調(diào)整多個參數(shù)的情況。

4 結(jié)語

筆者在三角波發(fā)生電路的教學中，借助仿真軟件Multisim將枯燥的理論形象化，采用探究式和問題式教學模式，引導學生根據(jù)現(xiàn)象來主動思考分析理論知識。學生在有限學時內(nèi)加深了對振蕩電路的理解和掌握，強化了對模擬電路結(jié)構(gòu)構(gòu)思方法。

［1］童詩白，華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)［M］.高等教育出版社，2006：440-443.

［2］康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第四版)［M］.高等教育出版社，1999：424-426.