◇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)計能力，基于中規(guī)模集成器件設(shè)計了一個壓控階梯波發(fā)生器，并在Multisim環(huán)境下進(jìn)行了核心模塊的仿真，實驗結(jié)果證明該方案可產(chǎn)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?；贛ultisim的設(shè)計能靈活改變階梯波階數(shù)，設(shè)計和調(diào)試快速、方便，開發(fā)周期短，具有一定的實用價值，且對培養(yǎng)電類工科學(xué)生電路分析和設(shè)計能力，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力大有幫助。

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(zhǔn)信號[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(qiáng)大的仿真能力[3]。本文基于Multisim設(shè)計一個正向階梯波發(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、仿真、實踐及創(chuàng)新能力。

2 任務(wù)要求及設(shè)計方案

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）。

輸出階梯波的臺階級數(shù)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(fā)生器輸出波形

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

2.2 設(shè)計方案

給出如圖2所示的設(shè)計方案。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)過壓控振蕩器，得到窄脈沖信號；如果信號波形不標(biāo)準(zhǔn)，可通過施密特觸發(fā)器整形后作為后級計數(shù)器的時鐘信號；因為要輸出5個臺階，所以設(shè)計5進(jìn)制計數(shù)器；經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號從而得到負(fù)的階梯波；最后再經(jīng)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(fā)生器設(shè)計框圖

3 壓控階梯波發(fā)生器設(shè)計與仿真

3.1 總體電路設(shè)計

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

圖3 基于Multisim的壓控階梯波發(fā)生器設(shè)計原理圖

（1）壓控振蕩器設(shè)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(fā)生電路稱為壓控振蕩器，簡稱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，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?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，滯回比較器的輸出發(fā)生反轉(zhuǎn)，則uo2跳變?yōu)?uz，這時二極管D1導(dǎo)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(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，以作為后級計數(shù)器的時鐘信號CLK。電路如圖3中A1所示。

（3）計數(shù)器。采用一片74160用同步預(yù)置數(shù)法設(shè)計五進(jìn)制計數(shù)器。給DCBA預(yù)置0000，則置數(shù)控制端～LOAD=0的信號就從QDQCQBQA=0100的狀態(tài)譯出，即將QC通 過非門送到～LOAD端（因為它是同步預(yù)置數(shù)，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(shù)器累計加1，當(dāng)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(shù)器，從而實現(xiàn)了從0000到0100共5個計數(shù)狀態(tài)的循環(huán)。設(shè)計電路如圖3中的U3所示。

（4）D/A轉(zhuǎn)換器。由于計數(shù)器的輸出是數(shù)字信號，最終要產(chǎn)生的階梯波是模擬信號，所以設(shè)計了權(quán)電阻DAC[5]，電路如圖3中U4所示。因為輸入的是4路數(shù)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(quán)電阻DAC輸出電壓為：

任務(wù)中要求每個臺階幅值為1V，由上式可知，當(dāng)計數(shù)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(huán)上述過程。這樣產(chǎn)生的是從0V到-4V的下臺階，所以需要經(jīng)過一級反相器將其變?yōu)檎虻奈寮夒A梯波。

（5）反相比例放大器。根據(jù)上述設(shè)計，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數(shù)器時鐘信號CLK的波形；藍(lán)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(shè)置參數(shù)可知，時基標(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(wù)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(shè)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(wù)要求中每個臺階剛好1V，即1V/級。仿真結(jié)果與任務(wù)要求一致，證明設(shè)計正確。

4 結(jié)束語

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)制計數(shù)器修改變成六進(jìn)制計數(shù)器，則輸出波形就變?yōu)檎虻牧夒A梯波[6]?；贛ultisim的電路設(shè)計和仿真，有助于學(xué)生及時消化理解理論知識，驗證設(shè)計思路，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。本文通過一個電子技術(shù)方面綜合實例的分析、設(shè)計及仿真，引申到任務(wù)要求不同時如何進(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，使學(xué)生熟悉并掌握典型電子電路的分析、設(shè)計、仿真等完整步驟和方法，以培養(yǎng)工科學(xué)生分析問題、解決問題能力以及創(chuàng)新、開發(fā)能力，進(jìn)而提高學(xué)生科研素養(yǎng)。