基于Multisim12的多谐振荡器仿真研究

熊熙烈,涂 虬

(上饶师范学院,江西 上饶 334001)

引言

在电子系统设计过程中,为了提高设计效率,缩短设计周期,人们往往会采用仿真软件来辅助电子系统的设计,其中Multisim软件就是一款比较好的电路系统设计和仿真工具,它提供了所见即所得的设计环境、提供了互动式仿真界面、各种常用的仪表,使得仿真比较形象直观,是优秀的EDA工具,也是高校电子技术实验教学中优秀的教学系统。在数字电路中,一些要求不高的场合下的时钟信号源大多会采用由门电路所构成的多谐振荡器[1,2]。它具有电路结构简单,输出频率范围宽,且它的改进型电路还可以很方便地进行频率调节等优点。但是在数字系统的Multisim仿真中由于多谐振荡器仿真效果不佳,往往会在仿真中不直接采用多谐振荡器产生时钟信号进行仿真,而是采用虚拟信号发生器作为时钟信号源,最后在实际电路中再使用多谐振荡器或石英晶体振荡器来产生时钟信号。

为了解决在仿真中使用多谐振荡器的问题,人们已提出了各种仿真方法。例如通过构建门电路内部电路的实际模型来实现仿真[3,4],或通过附加模拟电压源和数字地的方法进行仿真[5]。前者[3,4]用于数字系统的仿真太过繁杂,而后者[5]的仿真结果是错误的,其得到的振荡周期实际是门电路的延迟时间[3]。本文提出一种附加触发的仿真方法,方法新颖,并且直观简单,较好地解决了多谐振荡器的仿真问题。

1 CMOS门电路构成的对称式多谐振荡器的仿真

图1 CMOS门电路构成的对称式多谐振荡器

由CMOS门电路构成的对称式多谐振荡器电路如图1所示。若直接进行仿真,其结果是Multisim会弹出需外加信号源的提示,仿真无法进行。究其原因是仿真电路处于一种绝对对称的状态,没有能引起振荡器起振的起始信号,因此无法起振。我们知道,振荡电路的起振是需要外加电冲击或热噪声等,通过正反馈使电路信号由弱渐强而产生振荡。在实际电路中振荡器的振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等[6],即使电路是对称的,但由于电子元器件的离散性,使得电路中各支路或各结点的电压和电流会有微小的差异,这种差异就相当于给电路提供扰动而起振。为此,我们在进行电路仿真时,若能在起始时给仿真电路提供一个电冲击触发,即可让其起振。仿真电路见图2。图中C3和R3构成微分电路,电路在接通瞬间Ui处得到一正极性尖脉冲,作为电冲击向仿真电路提供触发,电路产生振荡。为得到正确的仿真结果,需修改仿真设置。在仿真(Simulate)菜单中点击混合模式仿真设置(Mixed-mode simulation settings),出现使用理想模型(Use Ideal pin models)和使用实际模型(Use real pin models)两个选项,默认为使用理想模型,应改为选择使用实际模型。仿真结果波形见图3。按照理论计算公式振荡周期T=1.4R1C1=14μ s,而仿真结果T=13.378μ s,其相对误差为4.44%,结果与理论值较为吻合。

图2 CMOS门电路构成的对称式多谐振荡器仿真电路

图3 CMOS门电路构成的对称式多谐振荡器仿真结果

电路中的微分电路的C3可取1pF～10pF,R3可取1MΩ～10MΩ,其取值对仿真结果几乎不产生影响。表1给出了附加的微分电路对多谐振荡器周期的影响的仿真结果。从表中可以看出相对误差不大于10%,因此附加的微分电路对周期的影响极其轻微。

表1 附加微分电路对振荡器仿真结果周期的影响(C=1000pF,R=5kΩ)

2 TTL门电路构成的对称式多谐振荡器的仿真

若用TTL门电路来构成对称式多谐振荡器,电路见图4,图中C3取值较大可防止仿真过程出现的寄生振荡。仿真设置同前,其仿真结果的波形见图5。理论上振荡周期近似为T=1.3 RC=13μ s[7],而仿真结果T=12.823μ s,其相对误差为1.36%。图5中的高电平与低电平之间的阶梯状工作波形是由于仿真使用的门电路测试中具有阶梯状的电压传输特性所致(见图6对TTL非门电路的直流扫描分析结果;CMOS门电路也具有类似的传输特性,但其仿真的振荡波形中阶梯状很小,不易观察到。但这种传输特性不代表实际门电路的电压传输特性)。若要在仿真中得到标准矩形脉冲,只需在输出端再接一级施密特触发器整形即可。

图4 TTL门电路构成的对称式多谐振荡器

图5 TTL门电路构成的对称式多谐振荡器仿真结果

图6 TTL非门电路的直流扫描分析结果

3 CMOS门电路构成的非对称式多谐振荡器的仿真

由CMOS门电路构成的非对称式多谐振荡器电路见图7。由于采用非对称结构,电路无需触发即可自行起振,但仿真设置仍需同前。振荡波形与对称式类似,见图8。仿真结果T=14.597μ s,与理论值T=1.4R1C1=14μ s[8]相比有4.26%的相对误差。

图7 CMOS门电路构成的非对称式多谐振荡器

图8 CMOS门电路构成的非对称式多谐振荡器仿真结果

4 结束语

通过修改仿真设置和附加触发电路,较好地解决了在multisim当中用门电路构成的多谐振荡器的仿真所存在的诸多问题。仿真过程简单直观,结果也相对准确。在上述各仿真电路中,改变R和C的参数,振荡周期也随之改变,相对误差也会发生变化,但通过合理选择RC参数,相对误差基本可控制在10%左右。另外,当仿真的振荡周期在1μ s或以下数量级时,为保证正常起振,还需在仿真菜单中的交互式仿真设置(Interactive Simulation Settings)栏里修改仿真的最大步长值(减小),此时的相对误差会相应增大。通过在Multisim软件来仿真多谐振荡器,比较直观高效,有利于提高分析和设计电子电路效率,在数字电路教学中也能够提高学生的学习兴趣,帮助学生快速、牢固地掌握多谐振荡器原理和应用。

[1]周宦银,马果花,田彦军.门电路环形振荡器仿真研究[J].现代电子技术,2008,265(2):43～45.

[2]何香玲.多谐振荡器的研究与仿真[J].电子技术,2009,(2):53～56.

[3]张学文,王成艳.对称式多谐振荡器仿真研究[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2012,32(1):10～14.

[4]沙涛,王钦友,杭建军.门电路构成的多谐振荡器的仿真方法[J].现代电子技术,2004,189(22):11～12,16.

[5]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析(修订版)[M].北京:电子工业出版社,2011.

[6]曾兴雯,刘乃安,陈健.高频电路原理与分析[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[7]阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[8]康华光.电子技术基础数字部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.