1、1.模拟电子设计部分1.1 课程设计的目的与作用1.1.1 目的1. 掌握 multisim 软件的应用及设计方法和各种元器件的作用及参数调整方法。2. 能正确理解锯齿波发生电路的电路组成、工作原理、和主要参数的估算方法。3. 掌握 RC 串并联网络振荡电路的组成，工作原理、振荡频率、起振条件以及电路的特点。1.1.2 作用1. 能够更加熟练的应用软件对电路进行仿真设计以及分析仿真结果。2. 能够加强自己动手设计电路的能力以及增强对模拟电子设计的兴趣。1.2 设计任务、及所用 Multisim 软件环境介绍1.2.1 设计任务1. 利用 multisim 软件建立电路模型对 RC 串并联网络震
2、荡电路和锯齿波发生电路的进行仿真设计。2. 对电路进行分析和理论计算并对仿真结果进行分析。1.2.2Multisim 软件环境介绍Multisim 是加拿大 IIT 公司推出的基于 Windows 的电路仿真软件，适用于板级的模拟数字电路版的设计工作。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。由于采用交互式界面，比较直观，操作方便，具有丰富的元器件库和品种繁多的虚拟仪器，以及强大的分析功能等特点，因而得到了广泛的应用。Multisim 是 Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的
3、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。为适应不同的应用场合，Multisim 推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本课程中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并在“实验讲授”中给出若干个应用实例，其对应 msm 文件见“实验仿真文件”。Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 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
4、有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过 Multisim 和虚拟仪器技术，PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般 Windows 应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。 一、Multisim 的主窗界面。启
5、动 Multisim 2001 后，将出现如图 1 所示的界面。 界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。 二、菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对 Multisim 的所有功能进行操作。 不难看出菜单中有一些与大多数 Windows 平台上的应用软件一致的功能选项，如File，Edit，View，Options，Help。此外，还有一些 EDA 软件专用的选项，如 Place，Simulation，Transfer 以及 Tool
6、等。1.3. RC 串并联网络震荡电路1.3.1 电路模型的建立1.3.1.1 电路组成图_01 是 RC 桥式振荡电路的原理电路，这个电路由两部分组成，即放大电路 和选频网络 。选频网络（即反馈网络）的选频特性已知，在 处，RC 串并联反馈网络的 ， ，根据振荡平衡条件 和 ，可知放大电路的输出与输入之间的相位关系应是同相，放大电路的电压增益不能小于 3，即用增益为 3（起振时，为使振荡电路能自行建立振荡， 应大于 3）的同相比例放大电路即可。根据这个原理组成的电路如图_01所示，由于 Z1、 Z2和 R1、 Rf正好形成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，因此这种振荡电
7、路常称为 RC 桥式振荡电路。 。1.3.1.2 振荡的建立与稳定由图_01 可知，在 时，经 RC 反馈网络传输到运放同相端的电压 与 同相，即有 和 。这样，放大电路和由 Z1、 Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件，因而有可能振荡。所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡。由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中一定包括有 这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大器和正反馈网络形成闭环。由于放大电路的 开始时略大于 3，反馈系数 ，因图_01 RC 桥式振荡电路而使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，此时 ，达到
8、振幅平衡条件。 1.3.2 理论分析及其计算图_01a1.3.2.1 定性分析RC 串并联网络如图_01a 所示。为了讨论方便，假定输入电压 是正弦波信号电压，其频率可变，而幅值保持恒定。如频率足够低时， ，此时，选频网络可近似地用图 XX_01b 所示的 RC 高通电路表示。随着 w 的下降，输出电压 将减小，输出电压 超前于输入电压 的相位角 jf也就愈大。但超前角 jf的最大值小于 90。当频率足够高时， ， ，则选频网络近似地用图_01c 所示的 RC 低通电路来表示。这是一个相位滞后的 RC 电路，频率愈高，输出电压 愈小，输出电压 滞后于输入电压 的相位角 jf愈大。同样，滞后角
9、jf的最大值也小于 90。综上分析可以推出，在某一确定频率下，其输出电压幅度可能有某一最大值；同时，相位角 jf从超前到滞后的过程中，在某一频率 f0下必有 jf=0。1.3.2.2 定量计算由图_01a 所示 RC 串并联电路可得， 和 。设 ， ，令 ，则得 （1）当上式分母中虚部系数为零时， RC 串并联网络的相角为零。满足这个条件的频率可由式（1）求出：或 图_02将式（5）代入式（4）得因此有和（由式（4）及式（5）可知，当 或 时，幅频响应的幅值为最大，即而相频响应的相位角为零，即由式（7）和式（8）可画出串并联选频网络的幅频相位和相频响应，如图_02 所示。 1.3.2.3 振荡
10、频率与振荡波形 由于集成运放接成同相比例放大电路，它的输出阻抗可视为零，而输入阻抗远比 RC 串并联网络的阻抗大得多，可忽略不计，因此，振荡频率即为 RC 串并联网络的 。当适当调整负反馈的强弱，使 AV的值略大于 3 时，其输出波形为正弦波，如 AV的值远大于 3，则因振幅的增长，致使波形将产生严重的非线性失真。 1.3.3 仿真结果分析在 Multisim 中构建 RC 串并联网络振荡电路原理图如图所示: (1)调节电位器 Rw，观察电路的输出情况。由虚拟示波器可见，当减小 Rw 至一定值时，电路将不能震荡。增大 Rw 至一个合适值时，电路能够震荡，输出波形较好，如下图所示：（2）若继续增
11、大 Rw 当 Rw 得值太大时，输出波形将产生严重失真，如下图所示：1.4.锯齿波发生电路1.4.1 电路模型的建立1.4.1.1 设计框图1.4.1.2 设计原理结构说明（1）滞回比较器滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图2 所示。图 2 滞回比较器电路原理图滞回比较器锯齿波矩形波充放电控制电路 积分电路输入电压 Ui 经电阻 加在集成运放的反
12、相输入端，参考电压2RUref 经电阻 接在同相输入端，此外从输出端通过电阻 Rf 引回同1相输入端。电阻 和背靠背稳压管 VDz 的作用是限幅，将输出电压3的幅度限制在 Uz。在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即 时，输出端的状态将发生跳变。其中 U+则由参考电压 UrefU及输出电压 Uo 二者共同决定，而 Uo 有两种可能的状态：+Uz 或Uz。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图 3 所示。图 2 滞回比较器的传输特性下面对此电路进行定性的分析：用叠加原理可求得同相输入端的电位为 （2） 若原先 Uo=+Uz,当 Ui 逐渐of2r
13、ef2f URRU增大时，使 Uo 从+Uz 跳变为Uz 所需的门限电平用 UT表示，由上式可知：（3）zf2ref2fT URRU若原先 Uo=Uz，当 Ui 逐渐减小，使 Uo 从Uz 跳变为+Uz 所需的门限电平用 UT表示，则：（4）zf2ref2fT URRU上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号 表示，由以TU上两式可求得：（5）zf2TTURU由此可见，门限宽度 的值取决于稳压管的稳定电压 Uz 以及T电阻 和 的值，但与参考电压 Uref 无关。也就是说，当 Uref 增2Rf大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。说明滞回比较器的抗干
14、扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平 UT和 UT的值，就可以避免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变。（2）积分电路积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，可以实现对微分方程的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。电路组成如图 4，根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知：电路的输出电压 Uo 与电容两端的电压 Uc 成正比，而电路的输入电压 Ui 与流过电容的电流 ic 成正比，即 Uo与 Ui 之间成
15、为积分运算关系。图 2.3 积分电路由于集成运放的反相输入端“虚地”，故 可见输出电压coU与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则 ，故 即输入电压与流过电容的电流成正比。ciRiUci1由以上几个表达式可得： （6）由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输出电压即可转变为三角波。（3）矩形波转换成三角波电路的工作原理：在上式中，积分时间常数为 RC。当输入信号为矩形波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：dtU1dtiCUicco R 图 2.4 三角波（4）电路组成和工作原理如下图为锯齿波发生电路原理图假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分
16、电容上的初始电压为零。由于 A1 同相输入端的电压 U+同时与 Uo1 和 Uo有关，根据叠加原理，可得： o21o21 URRU则此时 U+也为高电平。但当 时，积分电路的输出电压z1oUUo 将随着时间往负方向线性增长，U+随之减小，当减小至时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使 ，同时0U z1oUU+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，U+也随之增大，当增大至 时，滞回比较器0U的输出端再次发生跳变，使 ,同时 U+也跳变为一个正值。然z1o后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压 为矩形波，而1o由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压 U
17、o 为锯齿波。如图所示：图 4.1 锯齿波发生电路的波形图1.4.2 理论分析和计算由上图可知，当 发生跳变时，锯齿波输出 Uo 达到最大值1oUUom，而 发生跳变的条件是： ，将条件 ，1o z1oU代入（7）式，可得：0U由此可解得锯齿波输出的幅度为： mo21z21 UR-R）（ 0 z21o当忽略二极管 VD1、VD2 的导通电阻时，电容充电和放电的时间T1、T2 以及锯齿波的震荡周期 T 分别为：1=21422=2142=1+2=21 421.4.3 仿真结果分析假设调节电位器 R4 滑动端的位置，使得充电电路串入电阻R4R4，则电容充电的时间常数将比放电时间常数大的多，则充电过程
18、慢而放电过程很快，此时积分电路的输出波形如下图所示：同样的由锯齿波幅度计算公式计算得到 ，在误差允许的范围内，结果和仿真的结果是=9.4一致的，取得了很好的结果。同样的由锯齿波幅度计算公式计算得到 ，在误差允许的范围内，结果和仿真的结果是=9.4一致的，取得了很好的结果。 z21omURz21omUR1.5.设计总结体会通过本次课程设计，能够更加熟悉的运用 multisim 软件的元件库以及各元件的作用，而且能更好的对电路进行仿真。加深了对非正弦波电路产生的原理的理解和电路中各部分的作用以及对 RC 串并联网络振荡电路产生正弦波的条件的把握和各种参数对输出波形的影响。1.6.参考文献杨素行 主编模拟电子技术基础简明教程（第三版）2005 年
