基于NI Multisim 1O的函数发生器设计与仿真

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摘要:Multisim软件以其强大的仿真功能,在电路设计中已经广泛应用。文章基于NI公司的推出的新版本Multisim 10设计了函数发生器,并对设计进行仿真和理论分析,缩短了电路开发的周期,更加方便地计算电路以及调整参数,使设计的电路达到预期的要求。
关键词:NI Multisim 10;函数发生器;电路仿真

0 引言
    文章基于Multisim 10使用放大器3554AM以及乘法器等设计了一次函数发生器、二次函数发生器以及幅值和频率可调的方波和三角波函数信号发生器,用Multisim 1O进行仿真分析,并和理论计算进行了比较。

1 Multisim 10软件简介
    美国国家仪器公司(NI)最新推出电子线路仿真软件Multisim 10,该软件包含电路仿真(Multisim)、PCB设计(Ultiboard)、布线(Ultir-oute)以及通信分析与设计(Commsim)四个部分,Multisim 10中虚拟仪器仪表种类齐全,如示波器、函数发生器等,也有强大的电路分析功能,可进行直流工作点分析、瞬态分析、传递函数分析、傅里叶分析等,同时还可以测试设计演示各种电路,支持常用的8051单片机,并且在程序编译中支持C代码、汇编和16进制代码。与传统的电路设计相比,可随时调整元器件参数以达到预期的要求,从而能降低电路设计成本,缩短设计周期,提高设计效率。

2 函数发生器的设计与仿真分析
2.1 一次函数发生器
    在函数发生器设计中,往往需要对一定电压Ui给予放大再偏置以得到Uo=AUi+Vo这种形式的电压,其中Vo就是期望的偏置量,利用求和放大器可实现这种偏置放大。
    此一次函数表达式为f(x)=-Ax-B类型,由运放3554AM构成的比例相减电路来实现。相关电路如图1所示。

a.JPG


    由图可得:b.JPG,将电阻值等代入可得:Uo=-3Ui-4V,代入输入电压12V,则Uo=-3×12-4V=-40V。用Multisim 10仿真结果如图1模拟电压表所示,与理论计算结果一致。
2.2 二次函数发生器
    此函数表达式为:c.JPG,该函数由乘法器构成的平方电路和由运放3554AM构成的比例相减电路的组合电路来实现。设计电路如图2所示。

d.JPG 运放有两个输入和一个输出,分别加在同相边和反相边,可由叠加原理算出,Uo=Uo1+Uo2,将图2中反相边置于零,此时电路起一个同相放大作用,又因电路中加入了乘法器,则有:e1.jpg。而同理将正相边置于零,此时电路又起一个反相放大作用,则:e2.jpg,所以总输出电压值Uo为:e3.jpge4.jpg。代入各电阻值可得:e5.jpg,即得到二次函数表达式形式,代入输入电压Ui=12V,则和电路仿真结果一致。
2.3 方波-三角波函数信号发生器
    在电子技术的学习中,我们常用到方波和三角波的函数发生器,下面基于Multisim 10设计并仿真一个频率f0在10Hz到1kHz之间,以10倍频程步级进行变化,产生幅值可调的方波和三角波,此处设计方波幅值为±5V、三角波幅值为±10V。此设计具有频率可调、幅值可调的特点。
    方波和三角波函数发生器电路框图如图3所示。

f.JPG


    方波-三角波设计电路如图4所示。

h.JPG


    参数的计算为:方波接入示波器的A通道,三角波接入示波器的B通道。双向稳压二极管将比较器的输出电平稳定在±5V,选用IN4731(4.3V),其Uo=±(4.3+0.7)=±5V,而,可变电阻Rp3、Rp4用来改变电阻比值以改变方波和三角波的输出幅值。取R2为10kΩ,则R1为20kΩ,需要改变幅值时再使用可变电阻。f0需在10Hz到1kHz的范围内以10倍频程变化,则电路用两个电容来实现10倍频程变化,甩R=Rs+Rp1来实现每个频程内的f0的连续变化,设Rs为5k Ω,则Rp1约为50kΩ,计算f0从10Hz到100Hz时电路中的电容C1有:因为,k.JPG则R取Rs时频率达到最大,此时C1=250nF,f0从100Hz到1kHzft寸电路中的电容C2=25nF。
    Multisim 10的仿真结果如下:A通道为方波,取纵轴坐标为5V/Div,B通道为三角波取纵轴坐标为10V/Div。手动放置坐标线有微小误差。当Rp3、Rp4都取0 kΩ时,可实现方波幅值为±5V,三角波幅值为±10V。  接通电容C1,f0的范围为10Hz~100Hz,调节Rp1可实现f0的连续变化,由模拟示波器可得仿真结果如图5所示。

 

u.JPG
    Rp1取0kΩ时,由图5可见T=T1-T2约为10ms,则f0=100Hz,当Rp1取最大值50k Ω时,由图6可见T=T1-T2约为100ms,则f0为10Hz。实现了方波幅值为±5V,三角波幅值为±10V,且f0在10Hz~100Hz内连续可调。

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    接通电容C2,Rp1取0kΩ时,则由图7可见T=T1-T2约为1ms,即f0=1kHz,当Rp1取最大值f0=100Hz和前面图5一致。

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3 结束语
    文章基于NI Multisim 10设计了一次、二次以及方波。三角波函数发生器,代入参数进行了理论计算与仪器仿真,仿真结果与理论计算相符。元件的选择和参数的设置对设计函数发生器至关重要,而使用Multisim仿真软件,不但能随时切换参数和调用合适的元件还可以直观地观察设计结果,给电路的设计带来了方便。