RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路和鋸齒波發(fā)生電路

1、1.模擬電子設(shè)計(jì)部分1.1 課程設(shè)計(jì)的目的與作用1.1.1目的1. 掌握multisim軟件的應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法和各種元器件的作用及參數(shù)調(diào)整方法。2. 能正確理解鋸齒波發(fā)生電路的電路組成、工作原理、和主要參數(shù)的估算方法。3. 掌握RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路的組成，工作原理、振蕩頻率、起振條件以及電路的特點(diǎn)。1.1.2作用1. 能夠更加熟練的應(yīng)用軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)以及分析仿真結(jié)果。2. 能夠加強(qiáng)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路的能力以及增強(qiáng)對(duì)模擬電子設(shè)計(jì)的興趣。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)、及所用Multisim軟件環(huán)境介紹1.2.1設(shè)計(jì)任務(wù)1. 利用multisim軟件建立電路模型對(duì)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)震蕩電路和鋸齒波發(fā)生電路的進(jìn)

2、行仿真設(shè)計(jì)。2. 對(duì)電路進(jìn)行分析和理論計(jì)算并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。1.2.2Multisim軟件環(huán)境介紹Multisim是加拿大IIT公司推出的基于Windows的電路仿真軟件，適用于板級(jí)的模擬數(shù)字電路版的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入，電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。由于采用交互式界面，比較直觀，操作方便，具有豐富的元器件庫(kù)和品種繁多的虛擬儀器，以及強(qiáng)大的分析功能等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于

3、板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。為適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，Multisim推出了許多版本，用戶可以根據(jù)自己的需要加以選擇。在本課程中將以教育版為演示軟件，結(jié)合教學(xué)的實(shí)際需要，簡(jiǎn)要地介紹該軟件的概況和使用方法，并在“實(shí)驗(yàn)講授”中給出若干個(gè)應(yīng)用實(shí)例，其對(duì)應(yīng)msm文件見“實(shí)驗(yàn)仿真文件”。 Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisi

4、m交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 軟件以圖形界面為主，采用菜單、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式，具有一般Windows應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格，用戶可以根據(jù)自己的習(xí)慣和熟悉程度自如使用。 一、Multisim的主窗界面。啟動(dòng)Multisim 2001后，將出現(xiàn)如圖1所示的界面。 界面由多個(gè)區(qū)域構(gòu)成

5、：菜單欄，各種工具欄，電路輸入窗口，狀態(tài)條，列表框等。通過對(duì)各部分的操作可以實(shí)現(xiàn)電路圖的輸入、編輯，并根據(jù)需要對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的觀測(cè)和分析。用戶可以通過菜單或工具欄改變主窗口的視圖內(nèi)容。 二、菜單欄位于界面的上方，通過菜單可以對(duì)Multisim的所有功能進(jìn)行操作。 不難看出菜單中有一些與大多數(shù)Windows平臺(tái)上的應(yīng)用軟件一致的功能選項(xiàng)，如File，Edit，View，Options，Help。此外，還有一些EDA軟件專用的選項(xiàng)，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。1.3. RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)震蕩電路1.3.1電路模型的建立1.3.1.1電路組成圖_01是RC橋式振蕩

6、電路的原理電路，這個(gè)電路由兩部分組成，即放大電路 和選頻網(wǎng)絡(luò) 。選頻網(wǎng)絡(luò)（即反饋網(wǎng)絡(luò)）的選頻特性已知，在 處，RC串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)的 ， ，根據(jù)振蕩平衡條件 和 ，可知放大電路的輸出與輸入之間的相位關(guān)系應(yīng)是同相，放大電路的電壓增益不能小于3，即用增益為3（起振時(shí)，為使振蕩電路能自行建立振蕩， 應(yīng)大于3）的同相比例放大電路即可。根據(jù)這個(gè)原理組成的電路如圖_01所示，由于Z1、Z2和R1、Rf正好形成一個(gè)四臂電橋，電橋的對(duì)角線頂點(diǎn)接到放大電路的兩個(gè)輸入端，因此這種振蕩電路常稱為RC橋式振蕩電路。圖_01 RC 橋式振蕩電路.2振蕩的建立與穩(wěn)定由圖_01可知，在 時(shí)，經(jīng)RC反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)放同相端的電

7、壓 與 同相，即有 和 。這樣，放大電路和由Z1、Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件，因而有可能振蕩。所謂建立振蕩，就是要使電路自激，從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩。由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中一定包括有 這樣一個(gè)頻率成分。這種微弱的信號(hào)，經(jīng)過放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)。由于放大電路的 開始時(shí)略大于3，反饋系數(shù) ，因而使輸出幅度愈來愈大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩幅度自動(dòng)地穩(wěn)定下來，此時(shí) ，達(dá)到 振幅平衡條件。 1.3.2理論分析及其計(jì)算圖_01a1.3.2.1定性分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖_01a所示。為了討論方便，假定輸入電壓 是正弦波信號(hào)電壓，其頻率可變，

8、而幅值保持恒定。如頻率足夠低時(shí)， ， ，此時(shí)，選頻網(wǎng)絡(luò)可近似地用圖XX_01b所示的RC高通電路表示。隨著w的下降，輸出電壓 將減小，輸出電壓 超前于輸入電壓 的相位角jf也就愈大。但超前角jf的最大值小于90°。當(dāng)頻率足夠高時(shí)， ， ，則選頻網(wǎng)絡(luò)近似地用圖_01c所示的RC低通電路來表示。這是一個(gè)相位滯后的RC電路，頻率愈高，輸出電壓 愈小，輸出電壓 滯后于輸入電壓 的相位角jf愈大。同樣，滯后角jf的最大值也小于90°。綜上分析可以推出，在某一確定頻率下，其輸出電壓幅度可能有某一最大值；同時(shí)，相位角jf從超前到滯后的過程中，在某一頻率f0下必有jf=0。1.3.2.2定

9、量計(jì)算由圖_01a所示RC串并聯(lián)電路可得， 和 。設(shè) ， ，令 ，則得 （1）當(dāng)上式分母中虛部系數(shù)為零時(shí)，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相角為零。滿足這個(gè)條件的頻率可由式（1）求出：或 圖_02將式（5）代入式（4）得因此有和（由式（4）及式（5）可知，當(dāng)或 時(shí)，幅頻響應(yīng)的幅值為最大，即而相頻響應(yīng)的相位角為零，即由式（7）和式（8）可畫出串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻相位和相頻響應(yīng)，如圖_02所示。 1.3.2.3振蕩頻率與振蕩波形 由于集成運(yùn)放接成同相比例放大電路，它的輸出阻抗可視為零，而輸入阻抗遠(yuǎn)比RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻抗大得多，可忽略不計(jì)，因此，振蕩頻率即為RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的。當(dāng)適當(dāng)調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱，使AV的值略大于

10、3時(shí)，其輸出波形為正弦波，如AV的值遠(yuǎn)大于3，則因振幅的增長(zhǎng)，致使波形將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。 1.3.3仿真結(jié)果分析在Multisim中構(gòu)建RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路原理圖如圖所示: (1)調(diào)節(jié)電位器Rw，觀察電路的輸出情況。由虛擬示波器可見，當(dāng)減小Rw至一定值時(shí)，電路將不能震蕩。增大Rw至一個(gè)合適值時(shí)，電路能夠震蕩，輸出波形較好，如下圖所示：（2）若繼續(xù)增大Rw當(dāng)Rw得值太大時(shí)，輸出波形將產(chǎn)生嚴(yán)重失真，如下圖所示：1.4.鋸齒波發(fā)生電路1.4.1電路模型的建立1.4.1.1設(shè)計(jì)框圖滯回比較器鋸齒波矩形波充放電控制電路積分電路1.4.1.2設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)說明（1）滯回比較器滯回比較器具有電路簡(jiǎn)單、

11、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。在比較電路當(dāng)中，如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動(dòng)，則輸出電壓將在高、低兩個(gè)電平之間反復(fù)地跳變，如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，將對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。滯回比較器則克服了單限比較器的這種缺陷。滯回比較器又名施密特觸發(fā)器，其電路如圖2所示。圖2 滯回比較器電路原理圖輸入電壓Ui經(jīng)電阻加在集成運(yùn)放的反相輸入端，參考電壓Uref經(jīng)電阻接在同相輸入端，此外從輸出端通過電阻Rf引回同相輸入端。電阻和背靠背穩(wěn)壓管VDz的作用是限幅，將輸出電壓的幅度限制在Uz。在本電路中，當(dāng)集成運(yùn)方反相輸入端與同相輸入端的電位相等，即時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。其中U+則由參考電壓Uref

12、及輸出電壓Uo二者共同決定，而Uo有兩種可能的狀態(tài)：+Uz或Uz。由此可見，這種比較器有兩個(gè)不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，如圖3所示。圖2 滯回比較器的傳輸特性下面對(duì)此電路進(jìn)行定性的分析：用疊加原理可求得同相輸入端的電位為 （2） 若原先Uo=+Uz,當(dāng)Ui逐漸增大時(shí)，使Uo從+Uz跳變?yōu)閁z所需的門限電平用UT表示，由上式可知： （3）若原先Uo=Uz，當(dāng)Ui逐漸減小，使Uo從Uz跳變?yōu)?Uz所需的門限電平用UT表示，則： （4）上述兩個(gè)門限電平之差成為門限寬度，用符號(hào)表示，由以上兩式可求得： （5）由此可見，門限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz以及電阻和的值，但與參考電壓Uref

13、無關(guān)。也就是說，當(dāng)Uref增大或減小時(shí)，滯回比較器的傳輸特性將平行地右移或左移，但滯回曲線的寬度將保持不變。說明滯回比較器的抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)輸入信號(hào)受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回比較器兩個(gè)門限電平UT和UT的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高低電平間反復(fù)跳變。（2）積分電路積分電路時(shí)一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號(hào)運(yùn)算電路，它是組成模擬計(jì)算機(jī)的基本單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微分方程的模擬。同時(shí)，積分電路也是控制和測(cè)量系統(tǒng)中常用的重要單元，利用其充放電過程可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)以及各種波形的產(chǎn)生。電路組成如圖4，根據(jù)理想運(yùn)放工作在線型區(qū)時(shí)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知：電路的輸出電

14、壓Uo與電容兩端的電壓Uc成正比，而電路的輸入電壓Ui與流過電容的電流ic成正比，即Uo與Ui之間成為積分運(yùn)算關(guān)系。圖2.3積分電路由于集成運(yùn)放的反相輸入端“虛地”，故可見輸出電壓與電容兩端電壓成正比。又由于“虛斷”，運(yùn)方反相輸入端的電流為零，則，故即輸入電壓與流過電容的電流成正比。由以上幾個(gè)表達(dá)式可得： （6）由此可知，當(dāng)輸入電壓為矩形波時(shí)，通過積分換算，輸出電壓即可轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣?。?）矩形波轉(zhuǎn)換成三角波電路的工作原理： 在上式中，積分時(shí)間常數(shù)為RC。當(dāng)輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，其輸出信號(hào)為三角波，電路波形圖如下：圖2.4三角波（4）電路組成和工作原理如下圖為鋸齒波發(fā)生電路原理圖假設(shè)初始時(shí)刻滯回比

15、較器輸出端為高電平，而且假設(shè)積分電容上的初始電壓為零。由于A1同相輸入端的電壓U+同時(shí)與Uo1和Uo有關(guān)，根據(jù)疊加原理，可得： 則此時(shí)U+也為高電平。但當(dāng)時(shí)，積分電路的輸出電壓Uo將隨著時(shí)間往負(fù)方向線性增長(zhǎng)，U+隨之減小，當(dāng)減小至?xí)r，滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳變，使，同時(shí)U+將跳變?yōu)橐粋€(gè)負(fù)值。以后，積分電路的輸出電壓將隨著時(shí)間往正方向線性增長(zhǎng)，U+也隨之增大，當(dāng)增大至?xí)r，滯回比較器的輸出端再次發(fā)生跳變，使,同時(shí)U+也跳變?yōu)橐粋€(gè)正值。然后重復(fù)以上過程，于是可得滯回比較器的輸出電壓為矩形波，而由于積分電路的充放電時(shí)間不等，故積分電路輸出電壓Uo為鋸齒波。如圖所示：圖4.1 鋸齒波發(fā)生電路的波形圖1

16、.4.2理論分析和計(jì)算由上圖可知，當(dāng)發(fā)生跳變時(shí)，鋸齒波輸出Uo達(dá)到最大值Uom，而發(fā)生跳變的條件是：，將條件，代入（7）式，可得： 由此可解得鋸齒波輸出的幅度為： 當(dāng)忽略二極管VD1、VD2的導(dǎo)通電阻時(shí)，電容充電和放電的時(shí)間T1、T2以及鋸齒波的震蕩周期T分別為： T1=2R1R4CR2 T2=2R1R4CR2 T=T1+T2=2R1R4 CR21.4.3仿真結(jié)果分析假設(shè)調(diào)節(jié)電位器R4滑動(dòng)端的位置，使得充電電路串入電阻R4<<放電電路串入電阻R4，此時(shí)，電容充電的時(shí)間常數(shù)將比放電時(shí)間常數(shù)小得多，于是充電過程很快，而放電過程很慢，此時(shí)積分電路的輸出波形如圖所示：可以根據(jù)之前的公式計(jì)算由R1=12k，R2=7.5k，Uz=5.9v求得Uom=9.4v根據(jù)示波器可以讀出為9.357V，由此可以看出，仿真結(jié)果和理論計(jì)算的是一致的。反之，如果R4>>R4，則電容充電的時(shí)間常數(shù)將比放電時(shí)間常數(shù)大的多，則充電過程慢而放電過程很快，此時(shí)積分電路的輸出波形如下圖所示：同樣的由鋸齒波幅度計(jì)算公式計(jì)算得到Uom=9.