RC串并联网络振荡电路和锯齿波发生电路.doc

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，因此这种振荡电路常称为RC桥式振荡电路。图_01 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 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设计框图滞回比较器锯齿波矩形波充放电控制电路积分电路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输入电压Ui经电阻加在集成运放的反相输入端，参考电压Uref经电阻接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rf引回同相输入端。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Uref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）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）上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号表示，由以上两式可求得： （5）由此可见，门限宽度的值取决于稳压管的稳定电压Uz以及电阻和的值，但与参考电压Uref无关。也就是说，当Uref增大或减小时，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。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：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： 则此时U+也为高电平。但当时，积分电路的输出电压Uo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U+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，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使,同时U+也跳变为一个正值。然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo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Uom，而发生跳变的条件是：，将条件，代入（7）式，可得： 由此可解得锯齿波输出的幅度为： 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： T1=2R1R4CR2 T2=2R1R4CR2 T=T1+T2=2R1R4 CR21.4.3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Uom=9.4v，在误差允许的范围内，结果和仿真的结果是一致的，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Uom=9.4v，在误差允许的范围内，结果和仿真的结果是一致的，取得了很好的结果。1.5.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