階梯波發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真

◇寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 韓芝俠 田 碩 王 謙 陳子豪 韓星澤

為了培養(yǎng)工科學(xué)生掌握復(fù)雜小型電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，基于中規(guī)模集成器件設(shè)計(jì)了一個(gè)壓控階梯波發(fā)生器，并在Multisim環(huán)境下進(jìn)行了核心模塊的仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案可產(chǎn)生五級(jí)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(shè)計(jì)能靈活改變階梯波階數(shù)，設(shè)計(jì)和調(diào)試快速、方便，開(kāi)發(fā)周期短，具有一定的實(shí)用價(jià)值，且對(duì)培養(yǎng)電類工科學(xué)生電路分析和設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力大有幫助。

1 引言

階梯波發(fā)生器廣泛應(yīng)用于各種控制儀器之中，由其產(chǎn)生的階梯波信號(hào)是一種常用的實(shí)驗(yàn)用信號(hào)源，可作為時(shí)序控制信號(hào)和多級(jí)電位基準(zhǔn)信號(hào)[1-2]。Multisim是NI研發(fā)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(shè)計(jì)與仿真的EDA 工具軟件。它具有豐富的元器件庫(kù)、豐富的測(cè)試儀器、直觀的圖形界面、完備的分析手段和強(qiáng)大的仿真能力[3]。本文基于Multisim設(shè)計(jì)一個(gè)正向階梯波發(fā)生器，使輸出波形頻率受輸入直流電壓的控制。以此類項(xiàng)目案例法為教法手段，可大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其電子電路分析、設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

2 任務(wù)要求及設(shè)計(jì)方案

2.1 壓控階梯波發(fā)生器任務(wù)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(shù)關(guān)系為：f階梯波=1/T=100Vc（Hz/V）。

輸出階梯波的臺(tái)階級(jí)數(shù)為五級(jí)，電壓為1V/級(jí)，且比例相等，波形如圖1所示。

圖1 壓控階梯波發(fā)生器輸出波形

設(shè)計(jì)并制作直流穩(wěn)壓電源（+12V、-12V、+5V、可調(diào)電壓Vc），用AC 220V供電。

2.2 設(shè)計(jì)方案

給出如圖2所示的設(shè)計(jì)方案。由交流220V經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后得正負(fù)12V直流電源及正5V直流電源，+12V再經(jīng)電位器分壓得1-10V可調(diào)直流電壓Vc；經(jīng)過(guò)壓控振蕩器，得到窄脈沖信號(hào)；如果信號(hào)波形不標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)施密特觸發(fā)器整形后作為后級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)；因?yàn)橐敵?個(gè)臺(tái)階，所以設(shè)計(jì)5進(jìn)制計(jì)數(shù)器；經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)從而得到負(fù)的階梯波；最后再經(jīng)一級(jí)反相比例器，得到正向的五級(jí)階梯波。

圖2 壓控階梯波發(fā)生器設(shè)計(jì)框圖

3 壓控階梯波發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真

3.1 總體電路設(shè)計(jì)

在Multisim 14.2環(huán)境下給出如圖3所示的設(shè)計(jì)電路，其中電源設(shè)計(jì)略，并給出各模塊設(shè)計(jì)如下所示。

圖3 基于Multisim的壓控階梯波發(fā)生器設(shè)計(jì)原理圖

（1）壓控振蕩器設(shè)計(jì)與分析。將輸出信號(hào)頻率與輸入控制電壓成正比的波形發(fā)生電路稱為壓控振蕩器，簡(jiǎn)稱VCO，應(yīng)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(diào)節(jié)十分方便的信號(hào)源[4]。如圖3所示，U1構(gòu)成的反相積分電路和U2構(gòu)成的同相滯回比較器構(gòu)成了本設(shè)計(jì)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(dāng)uo2為+uz時(shí)，二極管D1斷開(kāi)，Vc通過(guò)電阻R1給電容C1充電，輸出電壓uo1由0開(kāi)始逐漸下降變?yōu)樨?fù)電壓值，當(dāng)其下降到使U2的同相端電壓小于反相端電壓即小于0V時(shí)，滯回比較器的輸出發(fā)生反轉(zhuǎn)，則uo2跳變?yōu)?uz，這時(shí)二極管D1導(dǎo)通，電容C1上儲(chǔ)存的電荷通過(guò)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(jīng)R1再給電容C1充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)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(chǎn)生的矩形波uo2不標(biāo)準(zhǔn)，或邊沿有毛刺，則利用一片555定時(shí)器構(gòu)成施密特電路，從而把不規(guī)則的矩形波轉(zhuǎn)換為規(guī)則的矩形波，以作為后級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)CLK。電路如圖3中A1所示。

（3）計(jì)數(shù)器。采用一片74160用同步預(yù)置數(shù)法設(shè)計(jì)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。給DCBA預(yù)置0000，則置數(shù)控制端～LOAD=0的信號(hào)就從QDQCQBQA=0100的狀態(tài)譯出，即將QC通 過(guò)非門送到～LOAD端（因?yàn)樗峭筋A(yù)置數(shù)，低電平有效），同時(shí)將～CLR端、ENP/ENT接高電平。工作時(shí)每來(lái)一個(gè)CLK上升沿，計(jì)數(shù)器累計(jì)加1，當(dāng)計(jì)到0100時(shí)，盡管～LOAD=0，但必須等到下一個(gè)CLK上升沿到來(lái)，才會(huì)將0000置入計(jì)數(shù)器，從而實(shí)現(xiàn)了從0000到0100共5個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)的循環(huán)。設(shè)計(jì)電路如圖3中的U3所示。

（4）D/A轉(zhuǎn)換器。由于計(jì)數(shù)器的輸出是數(shù)字信號(hào)，最終要產(chǎn)生的階梯波是模擬信號(hào)，所以設(shè)計(jì)了權(quán)電阻DAC[5]，電路如圖3中U4所示。因?yàn)檩斎氲氖?路數(shù)字信號(hào)，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(quán)電阻DAC輸出電壓為：

任務(wù)中要求每個(gè)臺(tái)階幅值為1V，由上式可知，當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出B=0000時(shí)，uo4=0V；B=0001時(shí)，uo4=-1V；B=0010時(shí)，uo4=-2V；B=0011時(shí)，uo4=-3V；B=0100時(shí)，uo4=-4V；然后重新開(kāi)始循環(huán)上述過(guò)程。這樣產(chǎn)生的是從0V到-4V的下臺(tái)階，所以需要經(jīng)過(guò)一級(jí)反相器將其變?yōu)檎虻奈寮?jí)階梯波。

（5）反相比例放大器。根據(jù)上述設(shè)計(jì)，反相比例放大器的比例系數(shù)K=-R13/R12=-1。電路如圖3中U5所示，這樣uo最終產(chǎn)生的是從0V到+4V的上臺(tái)階。

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

仿真結(jié)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(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)CLK的波形；藍(lán)色的階梯波是整個(gè)電路的輸出uo的波形。

由圖5中四通道示波器的設(shè)置參數(shù)可知，時(shí)基標(biāo)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(lán)色標(biāo)尺標(biāo)注的時(shí)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(yàn)證了任務(wù)要求中：f階梯=100VC（Hz/V）=100 Hz（因?yàn)榉抡鏁r(shí)，輸入VC給了固定的直流1V）；通道D刻度設(shè)置為5V/Div，階梯波5個(gè)臺(tái)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(yàn)證了任務(wù)要求中每個(gè)臺(tái)階剛好1V，即1V/級(jí)。仿真結(jié)果與任務(wù)要求一致，證明設(shè)計(jì)正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

如將輸入電壓Vc調(diào)整為10V，則輸出階梯波頻率就為1000 Hz；如將五進(jìn)制計(jì)數(shù)器修改變成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，則輸出波形就變?yōu)檎虻牧?jí)階梯波[6]?；贛ultisim的電路設(shè)計(jì)和仿真，有助于學(xué)生及時(shí)消化理解理論知識(shí)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。本文通過(guò)一個(gè)電子技術(shù)方面綜合實(shí)例的分析、設(shè)計(jì)及仿真，引申到任務(wù)要求不同時(shí)如何進(jìn)行電路調(diào)整，引導(dǎo)學(xué)生積極思考并拓展訓(xùn)練所學(xué)知識(shí)，使學(xué)生熟悉并掌握典型電子電路的分析、設(shè)計(jì)、仿真等完整步驟和方法，以培養(yǎng)工科學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力以及創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)能力，進(jìn)而提高學(xué)生科研素養(yǎng)。