多路信号发生器的Multisim仿真实现

Created: February 11, 2023 04:32 AM
Created by: Luser
Type: MCU

题目：【腾讯文档】2023综合测评模拟题

使用multisim 14.2进行仿真设计，仿真文件下载：2023综测模拟题(exe自解压格式)

前言

该设计中VO1 ∼ VO7 通过两个LM324芯片，也即八个运放和电阻、电容、二极管来实现，VO8 则使用到了五个运放来实现，故如果加上VO8复合波，该设计总共使用了4块LM324芯片。

框架图

具体电路与参数选择

LM324性能测试

如图，连接单电源电路，分别给到运放条件 V+(VP) > V−(VN) 与 V+ < V− 得到如图所示运放输出电压分别为 10.6V 与  − 0.561V ，因为设计不使用稳压二极管的电路，所以这两个参数很重要。

迟滞比较器与积分器组合电路

该电路由U1A连接的迟滞比较器和U1B连接的积分器联合组成，两者共用积分器部分的RC通路。

易知其产生的方波与三角波的周期计算公式为 $T=\frac{4R_1R_6C_1}{R_2}$，则其频率 有计算公式：

$f=\frac{1}{T}=\frac{R_2}{4R_1R_6C_1}$

可知U1A的输出端输出波形应为 $VOmax=10.6, VOmin=−0.561$ 的方波，故先定下产生波形的偏置值，$V_N=\frac{V_{Omax}+V_{Omin}}{2}\approx 5V$ ，所以取UO1与UO2的偏置电压 VAN = 5V, VBP = 5V ，通过电阻分压来实现。

接下来先计算如果需要得到VPP = 5V的三角波，迟滞比较器的$\frac{R_1}{R_2}$的值：

由迟滞比较器的门限电压的计算方法可得:

$V_{Omax}-(V_{Omax}-V_{O2})\frac{R_1}{R_1+R_2}=V_P$

VOA = VOmax 时，VOA > VBN = 5V，故此时电流从R6左侧流向R6右侧，又由于运放虚短虚断特性，VBN = 5V ，对电容进行充电时，电容两侧电势差应增大，且VBN > VO2，故VO2减小。

可知，当VO2减小至VAP < VAN = 5V时，VOA发生越变，VOA = VOmin。因为需要三角波VPP = 5V，且其偏置电压为5V，故此时VO2 = 2.5V

则有$V_{Omax}-(V_{Omax}-V_{O2})\frac{R_1}{R_1+R_2}=10.6-(10.6-2.5)\frac{R_1}{R_1+R_2}=5$

同理可得$V_{O2}-(V_{O2}-V_{Omin})\frac{R_2}{R_1+R_2}=7.5-[7.5-(-0.561)]\frac{R_2}{R_1+R_2}=5$

则有$\frac{R_1}{R_2}\approx \frac{45}{20}$，则取$R1 = 45kΩ, R2 = 20kΩ$，实际测试时会有偏差，故需要自行按需添加偏置电阻，如图R21。

再由其频率计算公式就可得R6 的取值范围，(直接取 C1 = 1uF 进行计算)。

理想状态下，当R6L = 0时，f = 400Hz，当R6L = 27kΩ时，f = 20Hz。调节R6的值就可对方波和三角波的频率进行调节。

VO1的峰峰值则采用滑动变阻器分压的方案来达到VPP可调来调整至VPP = 9V的状态，既图中的R7。

VO4方波与VO5三角波的要求由该电路同样可得。**

文氏桥振荡电路

通过该电路产生正弦波，具体思路是通过计算RC通路的充放电时间，将RL调节至最大与最小时刚好满足题中条件的频率最小和频率最大。再通过调节反馈通路的增益来调至适当参数，输出端也可通过滑动变阻器分压的方式来达到VPP可调的目的。具体见仿真设计文件。

自举阶梯波产生电路与迟滞比较器

自举阶梯波产生电路的原理可参照该文：阶梯波电压发生器 - 知乎 (zhihu.com)

本设计通过迟滞比较器判断电压输出阈值的方式来实现文中的复位部分。具体见仿真设计文件。

窗口比较器与单门限比较器

由题中要求可知复合波的高电平分别是在阶梯波的1、3、4、7、8、9阶时输出，故可以采用窗口比较器将输入为特定电压值时输出高电平或者低电平的作用来达到输出题中要求复合波的目的。

测试中发现由于LM324输出的最低电压是负数，所以在0~1阶时直接采用单门限的比较器将输入低于一阶电压时的输出置为0。具体见仿真设计文件。

实验结果

XSC1中为VO1、VO2，XSC2中为VO3、VO6，XSC3中为VO4、VO5，XSC6中为VO7、VO8。

小Tips：阶梯波只有在示波器的直流模式下才能测出来，因为这实际上是一个电压阶段上升变化的过程。

小结

由于设计上没有使用稳压二极管，所以运放输出的电压值就需要进行较为精细的计算，有时输出波形的VPP也需要使用电阻分压这种手段来确保维持在需要的值。

附录

器件清单