基于NI Multisim 1O的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真

摘要：Multisim軟件以其強(qiáng)大的仿真功能，在電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。文章基于NI公司的推出的新版本Multisim 10設(shè)計(jì)了函數(shù)發(fā)生器，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和理論分析，縮短了電路開(kāi)發(fā)的周期，更加方便地計(jì)算電路以及調(diào)整參數(shù)，使設(shè)計(jì)的電路達(dá)到預(yù)期的要求。
關(guān)鍵詞：NI Multisim 10；函數(shù)發(fā)生器；電路仿真

0 引言
    文章基于Multisim 10使用放大器3554AM以及乘法器等設(shè)計(jì)了一次函數(shù)發(fā)生器、二次函數(shù)發(fā)生器以及幅值和頻率可調(diào)的方波和三角波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，用Multisim 1O進(jìn)行仿真分析，并和理論計(jì)算進(jìn)行了比較。

1 Multisim 10軟件簡(jiǎn)介
    美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)最新推出電子線路仿真軟件Multisim 10，該軟件包含電路仿真(Multisim)、PCB設(shè)計(jì)(Ultiboard)、布線(Ultir-oute)以及通信分析與設(shè)計(jì)(Commsim)四個(gè)部分，Multisim 10中虛擬儀器儀表種類齊全，如示波器、函數(shù)發(fā)生器等，也有強(qiáng)大的電路分析功能，可進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、傳遞函數(shù)分析、傅里葉分析等，同時(shí)還可以測(cè)試設(shè)計(jì)演示各種電路，支持常用的8051單片機(jī)，并且在程序編譯中支持C代碼、匯編和16進(jìn)制代碼。與傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)相比，可隨時(shí)調(diào)整元器件參數(shù)以達(dá)到預(yù)期的要求，從而能降低電路設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

2 函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真分析
2．1 一次函數(shù)發(fā)生器
    在函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)中，往往需要對(duì)一定電壓Ui給予放大再偏置以得到Uo=AUi+Vo這種形式的電壓，其中Vo就是期望的偏置量，利用求和放大器可實(shí)現(xiàn)這種偏置放大。
    此一次函數(shù)表達(dá)式為f(x)=-Ax-B類型，由運(yùn)放3554AM構(gòu)成的比例相減電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)電路如圖1所示。

    由圖可得：，將電阻值等代入可得：Uo=-3Ui-4V，代入輸入電壓12V，則Uo=-3×12-4V=-40V。用Multisim 10仿真結(jié)果如圖1模擬電壓表所示，與理論計(jì)算結(jié)果一致。
2．2 二次函數(shù)發(fā)生器
    此函數(shù)表達(dá)式為：，該函數(shù)由乘法器構(gòu)成的平方電路和由運(yùn)放3554AM構(gòu)成的比例相減電路的組合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

    運(yùn)放有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出，分別加在同相邊和反相邊，可由疊加原理算出，Uo=Uo1+Uo2，將圖2中反相邊置于零，此時(shí)電路起一個(gè)同相放大作用，又因電路中加入了乘法器，則有：。而同理將正相邊置于零，此時(shí)電路又起一個(gè)反相放大作用，則：，所以總輸出電壓值Uo為：。代入各電阻值可得：，即得到二次函數(shù)表達(dá)式形式，代入輸入電壓Ui=12V，則和電路仿真結(jié)果一致。
2．3 方波-三角波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器
    在電子技術(shù)的學(xué)習(xí)中，我們常用到方波和三角波的函數(shù)發(fā)生器，下面基于Multisim 10設(shè)計(jì)并仿真一個(gè)頻率f0在10Hz到1kHz之間，以10倍頻程步級(jí)進(jìn)行變化，產(chǎn)生幅值可調(diào)的方波和三角波，此處設(shè)計(jì)方波幅值為±5V、三角波幅值為±10V。此設(shè)計(jì)具有頻率可調(diào)、幅值可調(diào)的特點(diǎn)。
    方波和三角波函數(shù)發(fā)生器電路框圖如圖3所示。

    方波-三角波設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

    參數(shù)的計(jì)算為：方波接入示波器的A通道，三角波接入示波器的B通道。雙向穩(wěn)壓二極管將比較器的輸出電平穩(wěn)定在±5V，選用IN4731(4．3V)，其Uo=±(4．3+0．7)=±5V，而，可變電阻Rp3、Rp4用來(lái)改變電阻比值以改變方波和三角波的輸出幅值。取R2為10kΩ，則R1為20kΩ，需要改變幅值時(shí)再使用可變電阻。f0需在10Hz到1kHz的范圍內(nèi)以10倍頻程變化，則電路用兩個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)10倍頻程變化，甩R=Rs+Rp1來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)頻程內(nèi)的f0的連續(xù)變化，設(shè)Rs為5k Ω，則Rp1約為50kΩ，計(jì)算f0從10Hz到100Hz時(shí)電路中的電容C1有：因?yàn)椋瑒tR取Rs時(shí)頻率達(dá)到最大，此時(shí)C1=250nF，f0從100Hz到1kHzft寸電路中的電容C2=25nF。
    Multisim 10的仿真結(jié)果如下：A通道為方波，取縱軸坐標(biāo)為5V／Div，B通道為三角波取縱軸坐標(biāo)為10V／Div。手動(dòng)放置坐標(biāo)線有微小誤差。當(dāng)Rp3、Rp4都取0 kΩ時(shí)，可實(shí)現(xiàn)方波幅值為±5V，三角波幅值為±10V。
    接通電容C1，f0的范圍為10Hz～100Hz，調(diào)節(jié)Rp1可實(shí)現(xiàn)f0的連續(xù)變化，由模擬示波器可得仿真結(jié)果如圖5所示。

    Rp1取0kΩ時(shí)，由圖5可見(jiàn)T=T1-T2約為10ms，則f0=100Hz，當(dāng)Rp1取最大值50k Ω時(shí)，由圖6可見(jiàn)T=T1-T2約為100ms，則f0為10Hz。實(shí)現(xiàn)了方波幅值為±5V，三角波幅值為±10V，且f0在10Hz～100Hz內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

    接通電容C2，Rp1取0kΩ時(shí)，則由圖7可見(jiàn)T=T1-T2約為1ms，即f0=1kHz，當(dāng)Rp1取最大值f0=100Hz和前面圖5一致。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文章基于NI Multisim 10設(shè)計(jì)了一次、二次以及方波。三角波函數(shù)發(fā)生器，代入?yún)?shù)進(jìn)行了理論計(jì)算與儀器仿真，仿真結(jié)果與理論計(jì)算相符。元件的選擇和參數(shù)的設(shè)置對(duì)設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器至關(guān)重要，而使用Multisim仿真軟件，不但能隨時(shí)切換參數(shù)和調(diào)用合適的元件還可以直觀地觀察設(shè)計(jì)結(jié)果，給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。