基于Multisim11的压控振荡电路仿真设计

1、word文档可门山复制编辑word文档可门山复制编辑基于Multisimll的压控振荡电路仿真设计所在学院机械与电气工程学院专业电气工程及其自动化班级姓名学号指导老师年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于Multisiml1的压控振荡电路仿真设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）:年月曰Multisim是美国国家仪器有限公司推出的以Wmdows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟及数字电路板的设计工作，Multismi不仅具有丰富的仿真分析能力，而且还包含了电路原理图的图形输入及电路硬件描述语言的输入方式。

2、有了Multisim软件就相当于有了一个电子实验室，可以非常方便的从事各种电路设计及仿真分析工作。随着无线通信技术的快速发展，使得市场对压控振荡电路产生了巨大的需求。压控振荡器是通过调节可变电阻或电容可以改变波形的振荡频率，一般是通过人工來调节的。而在自动控制场合往往要求能自动地调节振荡频率。常见的情况是给出一个控制电压，要求输出波形的振荡频率与控制电压成正比。这种电路称为压控振荡器。本次设计的内容是基于Multisimll的压控振荡电路仿真设计，阐述了压控振荡器的电路原理以及组成结构。本次设计是采用集成运算放大器741芯片组成的滞回电压比较器和反向积分电路，利用二极管1N4148相当于电子开

3、关的功能，控制电容的充放电时间，构成的压控振荡电路，从而实现输入电压对输出频率变化的控制。只要改变输入端的电压，就可以改变输出端的输出频率。并在电路设计与仿真平台Multisimll仿真环境中创建集成压控振荡器电路模块，进而使用Multisim仿真工具对其进行仿真从而达到设计的目的和要求。关键词:Multisun，压控振荡器,1N4148AbstractNationalhistiimientsMultisimisintioducedinWindows-basedsunulationtoolforpiimaiyanaloganddigitalcncuitboarddesign,Multisims

4、imulationanalysisnotonlyhastheabilitytoemichit,andalsoincludesacircuitschematicgraplucalmputandmputcncuitliaidwaredescriptionlanguageWithMultisunsoftwarehastheequivalentofanelectiomclaboratoiycanbeveiyconvenienttoavarietyofcucuitsmthedesign,simulationandanalysisJWiththerapiddevelopmentofwirelessconu

5、nunicationteclmology,makingthemarketforavoltagecontrolledoscillatorcucuitgeneratesahugedemandByadjustingthevoltagecontiolledoscillatorisavariableresistororcapacitorcanchangetheoscillationfiequencyofthewavefoimisgenerallyadjustedbythemanual.Intheautomaticcontrolapplicationsoftenrequiietheoscillationf

6、iequencycanbeautomaticallyadjustedConunoncaseisgivenacontrolvoltageandoscillationfiequencycontrolvoltagelequiiedisproportionaltotheoutputwavefoimThiscircuitiscalledVCO.ThedesignisbasedonthecontentsofthevoltagecontrolledoscillatorcucuitsimulationMultisim11designedtoexplamthepruiciplesoftheVCOcucuitst

7、nictineandcomposition.Thedesignofanmtegratedoperationalamplifiei*iscomposedof741chips,andtheliysteresiscomparatorxeveisemtegiationcircuitusingadiode1N4148equivalentelectronicswitch,controlchargeanddischargetimeofthecapacitor,voltagecontrolledoscillationcucuit,enablmgtheinputvoltagecontroloftheoutput

8、fiequencyvariation.Aslongastheinputvoltagechanges,theoutputtennmalcanchangetheoutputfiequency.AiidcreatemtegratedVCOciicuitmoduleinthecircuitdesignandsimulationplatformMultisimllsimulationenvuomnent,andthenusethemMultisunsunulationtoolstoachievetheobjectivesandrequirementsofsunulationdesignKeyWords：

9、Multisun,VCO.1N4148TOC o 1-5 h z摘要I HYPERLINK l bookmark0 AbstractII目录III HYPERLINK l bookmark2 第1$概述1Multisim简介1Multisim发展1Multisim11新增的功能2Multisim主要特点3 HYPERLINK l bookmark4 第2章压控振荡电路的总体设计52.1设计要求52.2总体设计框图52.3压控振荡电路芯片的介绍52.4压控振荡电路分立元器件的介绍7 HYPERLINK l bookmark6 第3章单元电路的设计83.1滞回比较器的设计83.2反相积分电路的设计

10、10 HYPERLINK l bookmark8 第4章压控振荡电路的基本原理124.1电路的构成及工作原理124.2振荡频率与输入电压的函数关系12 HYPERLINK l bookmark10 第5章压控振荡电路的仿真与调试145.1运行与仿真145.2原理图及PCB板图的绘制165.3仿真与实测分析18总结21 HYPERLINK l bookmark14 参考文献22 HYPERLINK l bookmark16 致谢23word文档可门山复制编辑word文档可门山复制编辑第1章概述Multisim简介Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractivebnageTeclm

11、oligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟/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Multismi交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真oMultisim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。NIMultisun软件结合了

12、直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultismi,可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpiess软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。Multisim发展本论文用的是Multisim11版本。此软件的历史版本升级情况为EWB4.0EWB5.0EWB6.0Multisini2001Multismi7Multisim8,后來由

13、美国国家仪器（NI）有限公司收购InteractivebnageTecnologie,H此起版本为Multismi9Multismi10Multisim11。Multisim2001是一个用于电路设计和仿真的EDA工具软件，由于其强大的功能，形象生动的仿真效果，友好的界面，丰富的元件库和仪表库，在我国各级各类学校得到广泛的推广应用，尤其是电气类专业可以将其作为电子电路的教学示教、仿真实验、电子电路的设计等。2003年推出的新版本Multisim7o它将以前的EWB5.0和Multisini2001版本功能大幅度的提高，比如在EWB5.0版本中做电路仿真实验调用虚拟仪器时，一个种类每次只能调用一

14、台，这是一个很大的缺陷。乂如Multisini2001版本，它与实际元器件相对应的现实性仿真元器件模型只有6种，而Multisim7版本比此前的版本多增加了4种；Mulrismi2001版本的虚拟仪器只有11种，而Multisim7版本比此前的版本多增加了7种；尤其是像示波器这类常用的电子仪器，Multisun2001版本只是提供了双踪示波器，而Mulrisim7版本却能提供4踪示波器，这给做数字电路仿真实验等需要同时观察多路波形提供了一个极其方便的平台。乂比如Multisim2001版本只能提供“亮”与“灭”黑白两种状态指示灯，而Multismi7版本却能提供蓝、绿、红、黄、白5种状态的指示

15、灯，使用起来更加方便。总而言之，Multismi7版本的电子仿真软件是一款比较先进、功能比较强大的仿真软件。2004年底推出的新版本MultisimS在保留了EWB原版本形象直观等优点的基础之上，扩充了元件库中仿真元器件的数量，还大大提高了软件的仿真测试和分析功能，特别是增加了若干个与实际元器件相对应的建模精确的真实仿真元器件模型，使仿真结果更加精确、可靠。2010年1月，由美国国家仪器（NI）有限公司推出的分别针对专业电路设计的教育版和专业版电路仿真软件Multisimllo这一款简单容易上手使用的Multisim软件以图形化的方式消除了以往传统电路仿真的复杂性，可以更好的帮助教育工作者、学

16、生及工程师使用。Multisimll教育版专注于教学，内有电路教程和课件。这一系统帮助教育工作者吸引学生，用互动、动手操作的方式研究电路行为，深化电路理论。由于Multisim的交互式组件、模拟驱动仪器、实际的模拟和数字测量的整合，使Multisim在学术界、专科技术院校和大学获得了广泛应用。Multisimll专业版帮助工程师优化电路设计，减少错误和原型重复。Multisimll新增的功能NationalSemiconductor以及TexasInstruments等。用户可以编辑这些元件参数，并利用模型生成器及代码模式创建自己的元件。（6）完备的仿真分析以SPICE3F5和XSPICE的内

17、核作为仿真的引擎，能够进行SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真和VHDL仿真。通过NIMultisim11自带的增强设计功能优化数字和混合模式的仿真性能，利用集成LabVIEW和Signalexpiess可快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。（7）远程的教育用户可以使用NIELVIS和LabVIEW來创建远程教育平台。利用LabVIEW中的远程面板，将本地的VI在网络上发/|j,通过网络传输到其他地方，从而给异地的用户进行教学或演示相关实验。（8）强大的MCU模块可以完成8051、PIC单片机及其外部设备（如RAM、ROM、键盘和LCD等）的仿真，支持C代码、汇

18、编代码以及十六进制代码，并兼容第三方工具源代码；具有设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。第2章压控振荡电路的总体设计2.1设计要求本次电压控制振荡电路设计任务书要求的技术范围。（1）压控振荡电路的输出波形为锯齿波，无明显失真。（2）压控振荡电路的控制电压为lV-10Vo（3）压控振荡电路的频率范围在lOOHz-llOOHzo2.2总体设计框图考虑到此次设计为低频信号输出，且波形稳定，电压和频率的关系接近线性关系,故选择设计框图如下图2.1所示。本次设计应用集成运放芯片741和电阻电容组成反相积分电路，再和若干个电阻构成滞回电压比较器，分别给两个电路输入两个参

19、考电压，然后由反馈电阻控制二极管的导通和截止，在反相积分电路的输入端形成一个矩形波，从而來控制电容的充放电的时间，以此來控制输出频率的变化，从而实现电压控制频率的这一目的，涉及的芯片很常见，电压和频率之间的关系也稳定，整个电路分工明确，可操作性高。3压控振荡电路芯片的介绍运算放大器分为：三端集成运放、五端集成运放、七端集成运放和九端集成运放。其中三端运算放大器不需要接电源和地线，仿真速度比较快，但是模型不是很准确，可以满足一般需要。五端运算放大器有电源和接地端。七端、九端运算放大器功能强，管脚也多。此次设计使用七端运算放大器741就可以满足要求，故优先选择741运放芯片。比较器分为：过零电压比

20、较器、电压比较器、窗口比较器和滞回比较器。过零电压比较器：典型的幅度比较电路。电压比较器：将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上，就得到电压比较器。窗口比较器：电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成，高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。滞回比较器：从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，当输入电压VI从零逐渐增大，且VI上限阀值（触发）电平。当输入电压VIVT时，VT称为下限阀值（触发）电平。常见的比较器芯片有LM324

21、、LM358、i】A741、TL081234、OP07、OP27,而在上面的运算放大器芯片的选择中，我选择了741系列芯片，为了后续的方便，故此次比较器的选择，我同样选择741系列比较器芯片。741单运放是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。芯片引脚如下图2.2所示。-Offsetnull1-InvertinginputNon-invertinginput-VCC-Offsetnu：l2-Output7-VCC+8N.C.图2.2741芯片引脚功能图其中

22、1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出,7接电源，8空脚。因为上面选用的芯片都是釆用741系列的芯片，所以其引脚功能和内部结构都是一致的。2.4压控振荡电路分立元器件的介绍本次设计釆用的分立元器件主要有电容，二极管1N4148、稳压二极管1N4733和若干电阻。电容：所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。二极管：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而

23、在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。稳压二极管：稳压二极管的作用，稳压二极管也称齐纳二极管或反向击穿二极管,在电路中起稳定电压作用。它是利用二极管被反向击穿后，在一定反向电流范围内反向电压不随反向电流变化这一特点进行稳压的。电阻：电阻是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。有这样的定义：导体上加上一伏特电压时，产生一安培电流所对应的阻值。电阻的主要职能就是阻碍电流流过。它的作用有限流，分流，分压。第3章单元电路的设计1滞回比较器的设计电路有两个阀值电压，输人电压U1,从小变大过程中使输出电压U0产生跃变的阀值电压UTI,不等于UI从大变小过程中使输出电压U0产生跃变的阀值电压UT

24、2电路具有滞回特性。它与单限比较器的相同之处在于：单输人电压向单一方向变化时，输出电压只跃变一次。如下图3.1所示是某滞回比较器的电压传输特性。图3.1滞回比较器的电压传输特性图在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。从反向输入端输人的滞回比较器电路如下图3.2所示，滞回比较器电路中引人了正反馈。本次设计釆用741比较器和2个稳压二极管1N4733以及不同阻值的电阻来构成滞回电压比较电路，具体设计电

25、路图如下图3.3所示。2反相积分电路的设计积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。图3.4是一个典型的积分电路图。由图可以看出，输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上，但此时认为电容的初始电量为零，故此时给电容充电。由理想运算放大器的虚短虚断性质可推出，Vn-Vb=l/Cf以Vb=-1/(RC)/Vdto如果把R1和C换个位置，就成了微分电路(但输入的电压应该是交流信号才可通过电容)。C图3.4枳分电路图为了满足本次的设计要求，故选用了10K的电阻和O.luF的电容來构成反相积分电路，具体如图3.5所示。第4章压控振荡电路的基本原理调节可变电阻或可变电

26、容可以改变波形发生电路的振荡频率，一般是通过人的手來调节的。而在自动控制等场合往往要求能自动地调节振荡频率。常见的情况是给出一个控制电压（例如计算机通过接口电路输出的控制电压），要求波形发生电路的振荡频率与控制电压成正比。这种电路称为压控振荡器，乂称为VCO或u-f转换电路。1电路的构成及工作原理利用集成运放可以构成精度高、线性好的压控振荡器。积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比，如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后，设法使它迅速放电，然后输入电压再给它充电，如此周而复始，产生振荡，其振荡频率与输入电压成正比。即压控振荡器。如图4.1所示就是实现上述意图的压控振荡器（它的输入电

27、压Ui0）o图4.1所示电路中U2是积分电路，U1是同相输入滞回比较器，它起开关作用。当它的输出电压U01=+UZ时，二极管D截止，输入电压（Ui0）,经电阻R1向电容C充电，输出电压Uo逐渐下降，当U0下降到零再继续下降使滞回比较器U1同相输入端电位略低于零，UO1由+UZ跳变为一UZ,二极管D由截止变导通，电容C放电，由于放电回路的等效电阻比R1小得多，因此放电很快，UO迅速上升，使U1的U十很快上升到大于零，UO1很快从一UZ跳回到十UZ,二极管乂截止，输入电压经R1再向电容充电。如此周而复始，产生振荡。2振荡频率与输入电压的函数关系如下图4.1所示电路实际上就是一个方波、锯齿波发生电路

28、，只不过这里是通过改变输入电压U1的大小來改变输出波形频率，从而将电压参量转换成频率参量。下式就是振荡频率与输入电压的函数关系式，可见振荡频率与输入电压成正比。TT】2R1R3CU-word文档可自由复制编辑word文档可门山复制编辑V-Mvhpz1512V2：12VR5：2kD：:C1-D21M4148:1N4733A:：03：:;泊逊73婪AvR110kQ:_J_V5：ZZ：12VhF10V:图4.1压控振荡电路仿真图第5章压控振荡电路的仿真与调试1运行与仿真本次仿真运用2010年1月，NI推出的电路设计的教育版和专业版电路仿真软件Multisimllo这一简单易用的Multisim软件以

29、图形化的方式消除了传统电路仿真的复杂性，帮助教育工作者、学生和工程师使用先进电路分析技术。Multismill教育版专注于教学，内有电路教程和课件。这一系统帮助教育工作者吸引学生，用互动、动手操作的方式研究电路行为，深化电路理论。由于Multismi的交互式组件、模拟驱动仪器、实际的模拟和数字测量的整合，使Multisim在学术界、专科技术院校和大学获得了广泛应用。Multismill专业版帮助工程师优化电路设计，减少错误和原型重复。压控振荡电路仿真图图4.1己经给出，完成创建电路图之后，首先我们先对输入控制电压设置，将光标移到V5处进行双击，会弹出属性对话框如下图5.1所示。可以手动进行设置

30、本次设计所要求的电压值。单击软件仿真开关，然后双击双通道示波器(XSC1)图标就可以观察到波形图。LabelDisplayValueFaultPinsIVariantUserfieldsWvlOkQ:3A-2o-PHIVoltage(V):ACAnalysisMagnitude:ACAnalysisPhase;DistortionFrequency1Magnitude;DistortionFrequency1Phase:DistortionFrequency2Magnitude:DistortionFrequency2Phase:Tolerance:|oBo%图5.1属性对话框图如下图图5.2

31、和图5.3所示，分别为输入控制电压为IV和10V的时候所输出的波形图，用鼠标拖动游标1到其中的一个波的波峰，然后将游标2拖到下一个波峰，由图5.2就可以读出输入控制电压为IV的输出波形的周期T(1V)=T2-Tl=7.216ms,由f=l/T便可算出输出频率为138Hz。由图5.3就可以读出输入控制电压为10V的输出波形的周期T(10V)=T2-Tl=893.471i】s,由fl/T便可算出输出频率为1119Hz。4ChannelOscilloscope-XSClT1SgT2asT2-T1Time405.118ms412.334ms7.216msChannel_A-2.581V-2.207V3

32、73.415mVChannel_BChannel_CChannel_ETimphaspChannplATrinne图5.2输入控制电压为IV的波形图word文档可门山复制编辑word文档可门山复制编辑4ChannelOsciIloscope-XSClrir2SfflT2-T1Time564.590ms565.48斗ms893.471usChannelA1.1647974.747mV-189.023mVChannelBChannmlCChannelD图5.3输入控制电压为10V的波形图经过上面的分析可知，通过调节输入控制电压就可以算出波形的输出频率，经过多组数据的测试，可以很明了的得到输入控制电

33、压与波形输出频率成正比关系。且输入控制电压为1V-10V的时候，波形输出的频率范围为138Hz-1119Hz。仿真结果及分析表明，电路实现了其功能，并具有较好的性能。且压控振荡器的输出信号的频率受输入电压线性控制。波形也没有明显失真，基本符合本次设计的要求。2原理图及PCB板图的绘制本次设计是用AltiumDesigner软件进行电路原理图和PCB板图绘制的。AltiumDesigner除了全面继承Protel99SE和ProtelDXP在内之前的一系列版本的功能和优点以外，还增加了很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计

34、人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。压控振荡器的电路原理图如下图5.4所示。图5.4压控振荡电路原理图压控振荡器的PCB版图如下图5.5所示。由于AltiumDesigner软件不支持单面自动布线，所以本次设计釆用手工布线，在布线的过程中有儿个地方产生跳线现象，用零欧姆的电阻代替。word文档可门山复制编辑word文档可门山复制编辑word文档可flill复制编辑图5.5压控振荡器的P

35、CE版图DNCNnc皿O033AwJo-soHdv-T&4ulUTO2VU11屋6bmcl0S11匕总NDNG$P&C冲T5nH9-03.OSU65.3仿真与实测分析在仿真结果合理和正确的情况下，通过制作PCB板，在焊接板上焊接元器件进行实物制作。如图5.6所示。此次实物的制作的过程中遇到一些小问题，如741引脚和二极管的正反方向问题，还有就是有些地方会出现虚焊。试验中输出波形与仿真的较为相同，由于实验因素的原因，波形会有一定的失真或者波形滤的不是那么完美，但基本满足实验要求。图5.6压控振荡电路实物图由于在仿真的过程中得知输入的控制电压与输出频率成正比，频率随控制电压的增大而增大，所以在实测

36、过程中只选定了其中的儿个电压进行测试。在此次测试中由于选定的参考电压有点大，釆用的运放不是很理想，测试的时候运放有些发热，从而对输出波形的失真度有些影响。在控制电压为IV的时候，实测频率和仿真得出的频率基本相近，实测如下图5.7所示，实测波形与仿真得出的波形有些失真，通过分析知道可能是由于采用的运放不那么理想以及取得电容不能达到预期的效果。在控制电压为10V的时候，实测如下图5.8所示，实测频率和仿真得出的频率基本相近，实测电路输出波形图稍有失真，虽然此次实际电路和仿真得出的数据及波形有些偏差，但最终还是达到了设计要求。对仿真和实物测试结果分析表明，电路都实现了其功能。也验证了压控振荡器的输出

37、信号的频率受输入电压线性控制及输入控制电压与波形输出频率成正比。辭文档可自阳编辑word文档可门山复制编辑word文档可门山复制编辑在电路设计与仿真平台Multisimll仿真环境中创建压控振荡电路模块，利用运算放大器741芯片组成的滞回电压比较器和反向积分电路，二极管1N4148相当于电子开关的功能，控制电容的充放电时间，构成的压控振荡电路，从而实现输入电压对输出频率变化的控制。只要改变输入端的电压，就可以改变输出端的输出频率。阐述了以上电路的设计思路并进行了仿真，并简述了用AltiumDesigner软件对原理图及PCB板图的绘制，元器件的编辑与管理，及Multisim的虚拟仪表的使用。针对实验中出现的问题做了分析和改