可变占空比方波发生器的设计与应用

摘要

方波发生器在我们的学习生活中具有广泛的应用。在实验室中我们经常将方波作为信号源应用到各种电路中，同样在生活中，一些电子、电气设备的控制模块也需要方波，因此对于方波的产生与控制的研究具有现实意义。本文研究了可变占空比方波发生器的电路原理及组成结构，利用Multisim 仿真工具进行电子电路的设计和仿真分析，并利用最终的设计方案进行简单应用分析。主要采用模拟电路、数字电路以及数模结合的方式进行设计，其中模拟电路主要是利用迟滞电压比较器，数字电路主要是利用555定时器。另外对于所设计电路产生方波信号占空比的改变，主要是通过控制电路中电阻R 参数来相应进行调节。最终设计出集成运放电路方波发生器、555定时器方波发生器、555定时器+集成运放方波发生器三种设计方案。综合比较三种方案的优缺点，最终确定555定时器+集成运放方波发生器最为合适进行应用，并设计出LED 灯光控制器、四相激励电机电路调速控制器、断线报警器等应用。

关键词：Multisim ，方波发生器，占空比，迟滞电压比较器，555定时器

ABSTRACT

Square wave generator has widely used in our study and life. In the lab, we often make square wave as signal source that is applied to various circuits. Meanwhile, some of the electrical and electronic equipment control module also need the square wave signal in our life. So, the research on the engendering and controlling of square wave has practical significance. This paper discusses the circuit’s principle and structure about the square wave generator of variable duty cycle, and the Multisim simulation tools is used to design electronic circuit and analyze simulation experiment result. Besides, the final design is used to make some simple application analysis. The paper mainly adopts artificial circuit, digital circuit and digilogue circuit. Artificial circuits mainly use the hysteresis voltage comparator, and the digital circuit mainly use the 555 timer. In addition, the circuit of design generates a square wave signal whose duty cycle is adjusted by the parameter of resistance R. Finally, I design three kinds of plans which comprise the square wave generator of integrated operational amplifier , the square wave generator of 555 timer and the square wave generator of integrated operational amplifier + 555 timer. Comparing the advantages and disadvantages of three kinds of solutions, I choose a design that is the square wave generator of integrated operational amplifier + 555 timer to make some applications. Finally, I design three applications which comprise LED lights controller, four-phases speed of motor controller and wire break alarm.

Key words:Multisim, square wave generator, duty cycle, the hysteresis voltage comparator, 555 timer

目 录

1绪论 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.1 课题的背景 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.2 课题研究的现状与意义 ----------------------------------------------------------------------------------- 1

1.3 课题研究的内容与难点 ----------------------------------------------------------------------------------- 1 2 Multisim 软件的介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.1 Multisim简介 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.2 Multisim 软件发展 ----------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.3 Multisim 软件特点 ----------------------------------------------------------------------------------------- 3

2.4 Multisim 软件的电路设计应用 ----------------------------------------------------------------------- 4

2.5 Multisim 软件的教学应用 ------------------------------------------------------------------------------ 5

2.6 Multisim 电路仿真步骤 ---------------------------------------------------------------------------------- 6 3 电路方案的设计 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 7

3.1 集成运放电路方波发生器 -------------------------------------------------------------------------------- 7

3.2 555定时器方波发生器 ------------------------------------------------------------------------------------ 9

3.3 555定时器+集成运放方波发生器 ------------------------------------------------------------------ 12 4 可变占空比方波发生器的仿真设计 ---------------------------------------------------------------- 14

4.1 集成运放电路方波发生器的仿真设计 ------------------------------------------------------------ 14

4.2 555定时器方波发生器的仿真设计 ---------------------------------------------------------------- 17

4.3 555定时器+集成运放方波发生器的仿真设计 ------------------------------------------------ 19 5 可变占空比方波发生器的应用 ------------------------------------------------------------------------ 23

5.1 应用一：LED 灯光控制器 ------------------------------------------------------------------------------- 23

5.2 应用二：四相激励电机电路调速控制器 -------------------------------------------------------- 23

5.3 应用三：断线报警器 ------------------------------------------------------------------------------------- 26 6 结论 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27 参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 28 致 谢 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29

1绪论

1.1 课题的背景

方波作为一种信号源，在我们的日常生活中经常用到。在步入二十世纪时，电子信息科学刚刚的发展时候，人们对于电子的认识还处于初级阶段，而此时电子科学家们已经看到方波发生器的广阔发展空间。尤其是方波作为信号源在电子设备中应用，对整个电子设备的发展起到巨大促进作用。

方波发生器的发展的初期，其被用作测试和检测的仪器，用于电路信号的检测和测量。但由于受限于基础科学的发展薄弱和基本元器件的生产与研发能力不足，方波发生器设备的体积较大，结构很复杂，功耗非常大，易损坏，所以初期发展较为缓慢。

随着电子技术快速发展，使得方波发生器朝着体积小，结构简单，多功能，智能化的方向不断进步。方波发生器的巨大进步，又使得方波发生器的应用进一步扩展，在电灯控制，电机变速调节，安防预警等多方面有着广阔的应用。

1.2 课题研究的现状与意义

方波经常被用作测试和测量电路信号，进行定性与定量分析，在实验室中是一种常用的测试工具。方波发生器的实现方法多种多样，主流的主要有两大类：一是采用分立元件的实现方式，具体是依靠模拟电路、数字电路、以及模拟和数字结合的集成电路来结构电路，实现方波的产生。其对于频率和波形的调节，依靠手动完成，往往架构的电路体积较大、可靠性与精度较差。二是采用单片函数发生器的实现方式，其具有可靠性好，波形可自动转换的优点，但其频率调整和精度无法保证。目前市场上常见的产品也主要是这两种类型，但都因其存在着缺点而无法满足人们需要[1]。

由于方波信号的特性具有较强的应用性，因此电子设备厂商经常利用方波的特性进行应用开发。现实中我们将方波发生器广泛应用到智能家居，电机调速控制，分频与定时处理，这些电路中方波信号都主要起到的控制作用，都主要利用方波信号的脉冲对电路进行控制，因此研究占空比的调节是方波发生器的关键。而可变占空比方波发生器经常是作为一些仪器仪表研发中的信号源，并且由于可变占空比方波作为高性能、高效率控制的不可或缺的信号，在电机控制、温度控制中的应用越来越广泛等原因下展开的。因此对可变占空比方波发生器加以进一步研究具有重要的意义。

1.3 课题研究的内容与难点

本次课题是设计一个可变占空比方波信号发生器，设计出可以产生出可变占空比方波信号的电路，并利用仿真软件Multisim 13进行电路设计、电气检查、仿真分析及性能测试，最终通过元器件的参数的控制实现占空比可调的方波发生器。

其中研究内容主要有四个方面，一是需要产生稳定的方波信号，其最为关键，是本次毕业设计基础。准确根据方波发生器的工作原理，设计合理可行的方案，结合实际需要产生方波情况，进行相应的元器件参数设置。二是对于所产生方波信号的占空比调节，广泛的调节范围对所设计方波发生器是一个至关重要的目标。根据设计的方波发生器，利用元器件的参数的实时调控，改变所需方波信号的占空比。三是通过仿真软件Multisim 13对所设计电路进行仿真与分析，通过分析所设计的电路，得出其优缺点，便于应用。利用仿真软件Multisim 13检测设计的电路的合理性，对存在不合理的地方，加以修正。另外通过利用在仿真软件Multisim 13中对所设计电路仿真，观察能否产生稳定的方波信号。实时改变元器件的参数，测试所设计的方波发生器，其输出方波的占空比是否进行了相应的调节。四是对于所设计的电路进行应用。通过之前仿真得到比较完善的方波发生器后，利用仿真软件Multisim13，将所设计的可变占空比方波发生器应用到一些简单的电路中，并根据具体电路的情况，相应进行元器件参数设置，进一步的分析和论证所设计的可变占空比方波发生器。

可变占空比方波发生器的设计与应用的研究存在的难点：

（1）首先应清晰的认知存在哪几种可以产生方波信号的理论方案，理解每种理论方案产生方波信号的工作原理，其为整个设计的理论基础，也是难点。

（2）元器件的选择对整个电路起到至关重要的作用，影响着输出方波的品质和调节的占空比的范围，这些关系到整个设计的成功。

（3）设计的电路是在仿真软件Multisim 13进行仿真的，因此对Multisim 13软件的熟练操作，对整个设计的进程和电路中存在问题的解决是关键的。

（4）设计可变占空比方波发生器的应用时，由于现实中具体的要求与开始设计电路拟定的目标的差别，可能存在一些兼容问题，需要进行参数的具体设定。

2 Multisim 软件的介绍

2.1 Multisim简介

仿真软件Multisim 最早是由加拿大图像交互技术公（Interactive Image Technoligics，IIT) 研发的电子电路仿真工具，由于经营不善，Multisim 被美国国国家仪器公司（NI ）收购，并将其更名为NI Multisim 。其主要是对模拟电路和数字电路仿真设计与开发，设计人员可以通过现进行电路设计输入，接着生成布线图，最后根据布线经行刻板和元器件的焊接。

现实中各个厂商所开发的电子元器件五花八门，虽然相同种类的元器件的功能一样，但是每一个元器件的具体参数都不尽相同，这无疑对电子电路开发者是个不小的麻烦。仿真软件Multisim 的出现，解决了这个困扰着科技工作者的问题。Multisim 中收录了各个厂商的生产的各种元器件，这些元器件在仿真环境下其性能是稳定的，这对于科技工作者设计电子电路来说，稳定开发环境是至关重要的。

Multisim 的版本不断更新，目前Multisim 13软件是EWB 软件的最新版本，它的推出进一步增强的Multisim 仿真分析能力，给电路开发带来了广阔空间[2]。

2.2 Multisim 软件发展

EVB 虚拟电子工作台软件自发布以来，从EVB4.0发展到现在的Multisim 13，其中由加拿大EWB （Electrical Workbench）的发展的版本有EWB4.0、EWB5.0、EWB6.0、Multisim2001、Multisim 7、Multisim 8，美国国家仪器（NI ）有限公司发展的版本有Multisim

9、Multisim 10、Multisim 11、Multisim 12、Multisim 13。Multisim 不断升级和完善的过程，使得Multisim 的功能越来越强大，更加便捷地方便人们的操作[3]。

2.3 Multisim 软件特点

仿真软件Multisim 之所以如此广泛应用，主要是因为其有便捷的操作界面和快速分析能力等特点。

（1）直观的图形界面

以前的电路实验中，我们利用设计原理图进行电路连接，事先选择好所需的电子元器件，然后搭建电路，通过测量工具分析设计电路是否达到设计要求。而仿真软件

Multisim 就是将上述步奏搬进计算机软件当中，通过实际操作，在相应的窗口中进行相应实时显示。

（2）分析工具

仿真软件Multisim 具有很多分析工具，这些分析工具结合相应的仿真数据，进行一些常规到极端的分析，能够深度的分析你所设计电路的功能，像在理想的工作环境，极

限工作环境下的性能等。主要的分析工具有：直流工作点分析、嵌套扫描分析、交流分析、线宽分析、瞬态分析、批处理分析、傅里叶分析、噪声分析、失真度分析等。

（3）测试仪器

Multisim 提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：万用表函数信号发生器、安捷伦示波器、瓦特表、测量探针、示波器、波特仪、字符发生器、泰克仿真示波器、逻辑分析仪等。

（4）详细的报告

利用仿真软件Multisim 进行仿真，其是能够使呈现出电路建立后的错误报告，电路所使用的全部元器件详单，元器件的设置的参数列表，设计的原理图性能报表，电路模型参数报告等。

（5）独特的射频（RF ）模块

提供基本射频电路的设计、分析和仿真。仿真软件Multisim 中所提供的射频模块是由某些特殊的功能的元器件组成的，其中包括用户自定义射频调试模块，射频信号性能分析模块，射频信号网络匹配单元模块，射频信号网络分析模块等组成。

（6）兼容性好的信息转换

在仿真软件Multisim 进行电路的仿真和性能分析时，可能我们需要某些特殊功能时，仿真软件Multisim 自身并不具有，但是Multisim 良好的兼容性，让用户可以利用其他软件经行辅助分析。主要是将用户在Multisim 中产生的数据导入其他软件，进行后续分析。还有就是将其他软件的数据导入到仿真软件Multisim 进行进一步处理两个主要方向。Multisim 的良好的信息转换为用户的提供了广阔的开发环境。

（7）强大的MCU 模块

最新版本仿真软件Multisim 不在像原来的版本那样，无法在Multisim 中建立单片机的电路和进行单片机C 程序或汇编程序的导入。目前Multisim 中可以提供多种型号的单片机供用户使用，而且用户还可以对单片机的参数进行相应的设置，另外用户也可以将编辑的好的C 程序或汇编程序导入Multisim 中的单片机中，也可以在Multisim 中进行实时的编写，这大大加强的Multisim 的功能，使Multisim 由单纯的分立式元器件模式，发展扩大到程序模式，极大的提高电子设计人员的工作量。

（8）强大的仿真能力

虽然仿真软件Multisim 功能和占有内存量不断增大，但是由于软件中内置具有强大处理功能的内核，以及对自身的不断优化，Multisim 依旧可以非常流畅的运行。无论用户是在电路的建立，元器件参数的设定，仿真的分心等各个方面，Multisim 都可以保证其运行的流畅Multisim 仿真性能的不断优化，极大提高用户的使用的信心[4]。

2.4 Multisim 软件的电路设计应用

（1）航空航天应用：随着航空航天的设备不断发展，航天成本越来越大，利用仿

真Multisim 强大性能，有时完全可以代替相当多的不必要实物实验，进行相应的仿真，可以节约大量的成本和时间，对于航空航天的发展极为有利。

（2）半导体分析应用：21世纪电子技术的快速进步，离不开半导体的发展，而半导体的开发与研制，尤其其半导体的参数分析对于半导体极为重要。在半导体参数分析方面，Multisim 扮演者重要较色。

（3）智能医疗设备的应用：Multisim 提供的开发环境，对于医疗设备的开发及其有用，Multisim 与医疗设备厂商合作，对于一些高端医疗仪器开发，无疑是大大降低开发周期，为人类的医疗事业的进步起到了助推器作用。

（4）环境保护应用：电子技术的不断发展，产生了越来越多的电子垃圾，这些电子垃圾对于环境和人类健康的影响是巨大的，推广的Multisim 的使用，可以有效降低电子厂商的设备损耗，可以提高生产设备的质量，提高电子设备使用周期。

（5）汽车电子应用：人们生活水平的不断提高，小汽车的使用量也越来越多，将Multisim 与汽车厂家的合作开发，对生产智能化，低耗能的汽车有着广阔的空间[5]。

2.5 Multisim 软件的教学应用

（1）模拟电路和分析

利用Multisim 软件窗口化，所化即所得的模式，让学生在软件中对一些电子元器件、模拟电路进认知很分析，让学生在软件的各种仿真工具下分析每个元器件的作用和性能，在提高学生理论知识，同时开发者学生的头脑。并且让学生亲生利用软件设计一些模拟电路，来充分的提高他们对模拟电路技术的理解，与此同时也进一步的提高学生的实践动手能力。

（2）数字逻辑电路、微控制器和FPGA

Multisim 包含数字逻辑门，计数器和微控制器和现场可编程门阵列的便于学生学习的电路模型，软件提供了数字逻辑电路、微控制器和FPGA 的模型，学生可以利用软件详细的观察和思考这些电子电路模型。尤其在现场可编程门阵列方面，它的开发可以提高学生的编程兴趣和能力，对于一些程序化、智能化的电路有着很好示范作用。

（3）电力电子元件和系统

能源问题是当今社会的主流问题，合理的电力电子元件和系统的开发对能源问题的解决能起到很大促进作用。但是一些原有元器件的升级，尤其在日常生活中大量使用的一些损耗较大的元器件，这些元器件的推陈出新对能源的节约很有帮助。因此可以让学生们对自己先前所接触的的一些电力电子元件和系统进行仿真分析，根据仿真结果，设计优化的电力电子元件和系统。

（4）学生设计和科研项目

学生在平时的学习和实践中，可以利用Multisim 为学生专门开发的免费版本，进行相应的电路仿真与分析，并利用Multisim 生成布线图，在进行刻板。学生利用仿真软件

可以使自己平时的想法与思考成为现实，对学生扎实自己理论知识和提高动手实践能力有着较强的帮助[6]。

2.6 Multisim 电路仿真步骤

（1）根据电路设计原理，利用仿真软件Multisim 提供的环境，建立仿真电路；

（2）设定元件的工作模式、参数和标号；

（3）激活电路进行逻辑仿真；

（4）分析仿真结果；

（5）结果不正确时重新调整元器件及虚拟仪器的参数；

（6）保存电路图，打印仿真结果。

3 电路方案的设计

可变占空比方波发生器设计方案多种多样，常见的主要是采用集成运放的模拟电路以及采用555定时器数字电路的设计方案。设计几种方案，并进行分析，选择合适的方案加以应用。

3.1 集成集成运放电路方波发生器

集成运放电路方波发生器中集成运放电路模块，利用迟滞电压比较器的特性，产生模拟的方波信号，再利用控制元器件的参数，调节产生方波信号的占空比，以实现设计要求。

3.1.1 集成运算放大器简介

集成电路（IC ）是采用一定的工艺，将所需各种元器件整合到一起，做成一块芯片来实现某项或多项功能。集成运算放大器（简称“集成运放”）属于模拟集成电路，它结构是由具有很高电压增益的直接耦合多级放大电路组成，电阻一般分为四个基本组成部分组成，分别是输入端，中间级，输出级和偏置电路。

集成运放电路的输入级又称前置级，是决定运放性能好坏的关键。我们一般为了减轻信号源的负担，一般要求电路的输入电阻要尽可能的高。同时为抑制飘零和不失真的传输信号，要使电路的差模电压放大倍数较大。集成运放电路中间级是整个集成运放的主放大器，其性能的好坏直接影响到放大器的放大比例。我们一般为了减轻前级的压力，应具有较高的输入电阻，同时还应该给中间级提高合适的驱动电流。集成运放电路的输出级又称功率放大级，为了提高负载能力，我们一般要求其应具有较小的输出电阻。同时为了起到放大级和负载隔离的作用，应尽量的题号输入电阻。集成运放电路的偏置级主要是为上述各级提供稳定和合适的偏执电流。

由于集成运算放大器具有开环增益高，输入阻抗大，输出阻抗小，体积小巧，功耗较低，工作稳定，兼容性强，使用灵活等特点，使得其应用非常广泛，已经渗透到电子技术的各个领域。它不仅可以用作对信号的放大、运算、处理和变换，也可以用来产生各种波形信号[7]。

3.1.2 集成运放电路方波发生器组成

可变占空比方波发生器是由迟滞电压比较器和RC 电路组成。迟滞电压比较器在电路中起到开关作用，而RC 电路所起到定时作用，即对产生电压保持一定时长的稳定。RC 回路既起到延迟作用又有反馈作用，通过RC 充、放电过程实现输出电压不断翻转[8]。在集成运放电路的输出端对接如两个稳压二极管，利用稳压二极管的反向导通特性，使产生的方波正负电压幅度值限定在一定的范围内。集成运放电路方波发生器的组成电路

如图3-1所示。

图3-1 集成运放电路方波发生器

3.1.3 集成运放电路方波发生器工作原理

迟滞电压比较器是一种特殊的开关电路，它可以判别出两种控制状态，在自动控制电路中具有广发应用。将集成运放比较器的输出电压通过反馈网络加到同（反）相端，形成正（负）反馈，此设计方案中采用的为反向迟滞电压比较器，如图3-1所示。迟滞电压比较器又可理解为加正反馈的单限电压比较器。在理想情况下，它的比较特性如图3-2所示。由图可见, 它有两个门限电压，分别称为上门限电U OH 和下门限电压U OL ，其中两者的差值称为门限宽度。

图3-2 迟滞电压表比较器比较特性

迟滞电压比较器的上门限电压U OH =下门限电压U OL =-

R 6

R 5+R 6 （3-1）

R 6

R 5+R 6 （3-2）

当电路接通后，同相输入端电压为U T 1, 电容C1两端电压为零，此时输出电压

U O =+U Z ，二极管D1反向截止，二极管D2正向导通，电流通过R2和R3对电容C1进行充电，电压由零不断增加，当电容C1两端电压小于等于U T 1时，输出电压U O =+U Z 保持不变；当电容C1两端电压大于U T 1时，输出电压U O 立即由+U Z 跃变到-U Z ，此时二极管D1正向导通，二极管D2反向截止，电容C1进行放电，当电容C1两端电压大于等于U T 1时，输出电压U O =-U Z 保持不变；电容C1两端电压减小到小于U T 1时，输出电压U O 立即由

-U Z 跃变到+U Z ，电路又开始对电容C1进行充电。可以看出此电路是振荡电路，输出端输出电压一直在+U Z 和-U Z 之间变换。

2R 6 （3-3）其振荡周期为T =(R 1+R 2+2R 3) C 1ln （ 1+)

R 5

R 2+R 3 （3-4）占空比为D = R 1+R 2+2R 3

此公式3-2可以看出调节电路中R1和R2电阻值大小，可以调节产生方波信号的占空

比。

3.2 555定时器方波发生器

555定时器方波发生器利用555定时器构成多谐振动器产生方波信号，再利用控制元器件的参数，调节产生方波信号的占空比。 3.2.1 555定时器简介

555定时器在我们生活具有广泛的应用，其内部是由中等集成规模数字与模拟电路组成。555定时器只需要外接简单的元器件（电源、电阻、电容等），就可以实现一些简单功能，像多谐振荡器等。目前电子设备厂商生产的555定时器主要有两种，分别是采用双极性（Bipolar Junction Transistor，BJT ）和互补金属氧化物（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS ）的制作工艺。

由于现代工艺的不断进步，555定时器的生产成本不断降低，目前其成本较为低廉。555定时器广泛应用于时钟控制，电机转速调节，电子电路测量等。尤其是利用555定时器内振荡性质来生产的方波信号，其方波信号的质量非常好，具有较强的应用前景[9]。

3.2.2 555定时器方波发生器组成

采用555定时器的方波发生器，主要是由555定时器和RC 电路，RC 电路所起到充放电作用。通过RC 充、放电过程实现输出状态的转换。如图3-3所示，其为555定时器电路符号[10]。

图3-3 555定时器电路符号

1引脚:接地端，与地相接； 2引脚:触发输入端； 3引脚:电压输出端；

4引脚:RD 复位端：若此端接入为信号为低电平时，555定时器不工作，电路输出为0。

5引脚:电压控制端：如果外部电压接入这个端口时，555定时器中的电压比较器的参考电压将发生改变改变。在不使用时，应串入一个0.01μF的电容，并接地，以防止干扰。

6引脚: 阈值输入端； 7引脚:放电端；

8引脚: 电源输入端。双极型555定时器外接电源VCC 的范围是4.5 ~ 16V，CMOS 型555定时器外接电源VCC 的范围是3 ~ 18V，一般都是用5V [10]。 3.2.3 555定时器方波发生器原理

如图3-4所示为基于555定时器的方波发生器。

图3-4 555定时器方波发生器电路

当接通电源后，充电二极管D1正向导通，电源VDD 通过电阻R A 对电容C1充电，当电容C1两端电压U C 小于三分之一的VDD 时，555定时器输出电压U O =1，放电二极管D2反向截止。当电容C1两端电压U C 充电到大于等于三分之二的VDD 后，555定时器输出电压U O 翻转变为0，此时放电二极管D2正向导通，充电二极管D1反向截止, 使放电端接地，电容C1通过电阻R B 对地放电，使电容C1两端电压U C 下降。当电容C1两端电压U C 下降到小于等于三分之一的VDD 后，555定时器输出电压U O 又翻转变为U O =1，此时放电二极管D2反向截止，使放电端不接地，电源VDD 通过R A 又对电容C1进行充电，当电容C1两端电压U C 从三分之一的VDD 上升到三分之二的VDD , 触发器又发生翻转变为0。如此周而复始，从而在555定时器输出端U O 得到连续变化的振荡脉冲波形[11]。如图3-5所示。

电容器的充电周期：t P1=0. 695R A C （3-5） 电容器的放电周期为：t P2=0. 695R B C （3-6）

方波信号的占空比：t D =

R B

（3-7）

R A +R B

图3-5 555定时工作波形

由公式2-7可以看出调节电路中R3电阻值大小，可以控制对电容器的充电和放电周期，进而达到对555定时器输出的方波信号占空比的调控。

3.3 555定时器+集成运放方波发生器

3.3.1 555定时器+集成运放方波发生器组成

根据前两种方案的优缺性，555定时器+集成运放方波发生器结合电压比较器和555定时器的优缺性设计，将两者结合，利用555定时器的产生稳定的方波，再利用电压比较器调节输出方波的幅度。

3.3.2 555定时器+集成运放方波发生器原理

555定时器+集成运放方波发生器中555定时器的工作原理与上一节所述一致，此电路中集成运放电路主要是起到幅度调节作用，对555定时器产生方波信号的幅度值U 1进行调节。当方波信号输入到集成运放电路后，其电压的幅度值会进行相应的幅度调节，即增大或减小，其输出为U 0。

555定时器+集成运放方波发生器的原理图，如图3-6所示。

图3-6 555定时器+集成运放方波发生器电路

4 可变占空比方波发生器的仿真设计

4.1 集成运放电路方波发生器的仿真设计

4.1.1 运放方波发生器元器件选择

由于二极管的动态电阻存在，其对输出信号占空比有一定的影响，为减小对电路的影响，应时R1、R2应远大于R3[12]。同时为了减少电路对输出方波信号的频率的影响，电容C1的数值应适中，不宜过小。对于迟滞电压比较器的选择，应该选用高效率的运算放大器。稳压二极管的选择上，应考虑到输出端电压，应保证其在稳压二极管工作电压区间内。而对于整流二极管应考虑其工作电压范围，合理选择，参考表4-1。综合考虑以上分析，具体参数如表4-2所示。

表4-1 整流1N4001二极管参数表

[13]

表4-2集成运放方波发生器元器件选择

4.1.2 集成运放方波发生器仿真电路

结合表4-2，在仿真软件Multisim 中进行电路建立、分析与仿真，仿真电路如图4-1所示。

图4-1 集成运放方波发生器仿真电路

4.1.3 集成运放方波发生器仿真结果

经过在仿真软件Multisim 的电路建立，经测试准备无误后，通过控制电阻R1和R2的阻值，来分析电路输出方波的波形与占空比。当可变电阻R1调到50%，R2也调到50%，其仿真结果如图4-2（a ）所示周期为T=1.538ms，占空比D=0.656。可变电阻R1调到85%，R2也调到50%，其仿真结果如图4-2（b ）所示，此时其周期为T=1.812ms，占空比D=0.547。

（a ）电阻R1、R2调到50%、50%的方波信号 （b ）电阻R1、R2调到85%、50%的方波信号

图4-2 集成运放方波发生器仿真结果

4.1.4 集成运放方波发生器仿真分析

如图4-2所示，仿真结果中我们可以看出，控制电路中R1和R2数值可以调节方波信号的占空比。但是由于迟滞电压比较器和其他元器件参数设定值达不到理想的原因，

高电平跃降到低电平或者低电平跃迁到高电平时，需要一定跃迁时间，存在一定的斜率，故达不到垂直情况。

当R1调到42.5%，R2调到47%，此时方波的周期T=1.402ms，高电平持续时间t=0.094ms，占空比D=0.671，如图4-3（a ）所示。当R1调到100%，R2调到20%，，此时方波的周期T=1.402ms，高电平持续时间占t=1.402ms，占空比D=0.329如图4-3（b ）。此时可以发现图4-3中a 图和b 图的方波信号的周期相同，占空比不同，且占空比相加等于1。

（a ）电阻R1、R2调到42.5%、47%的方波信号 （b ）电阻R1、R2调到100%、20%的方波信号

图4-3 集成运放方波发生器仿真结果

对于此方案的占空比调节范围：当R1=47k（滑动变阻器此时阻值为最大），R2=0（滑动变阻器此时阻值为最小），此时方波的周期T=1.026ms，高电平持续时间t=0.094ms，占空比D=t/T=0.0916（最小），如图4-4（a ）所示。当R1=0（滑动变阻器此时阻值为最小），R2=100k（滑动变阻器此时阻值为最大），此时方波的周期T=1.949ms，高电平持续时间占t=1.846ms，占空比D=t/T=0.9471（最大），如图4-4（b ）所示。

（a ）电阻R1、R2调到100%、0%的方波信号 （b ）电阻R1、R2调到0%、100%的方波信号

图4-4 集成运放方波发生器仿真结果

综上此方案占空比的调节范围0.0916—0.9471，调节范围很理想。但是其方波信号的由高点平转到低电平或者低电平转高点平时，其跃变不是垂直的，存在一定斜率。

4.2 555定时器方波发生器的仿真设计

4.2.1 555定时器方波发生器元器件选择

此设计方案采用的是双极性555定期器，我们知道双极性的555定时器VCC 端电压范围是4.5~ 16V，此电路我们选用5V 。根据双极性555定时器的性质，控制电压是没有用到，应该是串入一个0.01μF 的电容，以防止干扰。电阻分压器由二个定值和一个可变电阻的等值电阻串联而成，为了得到具有较大占空比调节范围的方波信号，可变电阻R2应远大于R1和R3[14]。

综合考虑以上分析，具体参数如表4-3所示。

表4-3 555定时器方波发生器元器件选择

4.2.2 555定时器方波发生器仿真电路

结合表4-3，在仿真软件Multisim 中进行电路建立、分析与仿真，仿真电路如图4-5所示。

图4-5 555定时器方波发生器仿真电路

4.2.3 555定时器方波发生器仿真结果

当可变电阻R2调到30%，其仿真结果如图4-6（a ）所示，此时发出的方波信号的周期T=1.35ms，占空比D=0.392。可变电阻R2调到70%，其仿真结果如图4-6（b ）所示，此时发出的方波信号的周期T=1.333ms，占空比D=0.654。

（a ）电阻R2调到30%的方波信号 （b ）电阻R2调到70%的方波信号

图4-6 555定时器方波发生器仿真结果

4.2.4 555定时器方波发生器仿真分析

如图4-4所示，仿真结果中我们可以看出，控制电路中R2数值可以达到方波信号占空比的调节。由于555定时器元件的特性，其产生的方波信号非常理想。但是此时555定时器所产生方波信号的幅度值是固定的，对于其的应用存在一定的局限性。

当R2的阻值在一定范围内调节时，其产生的方波信号的周期保持不变。如当R2的调节范围在(16%，53%)，方波信号的周期T=1.350ms，占空比变化范围（0.203，0.519) ，如图4-7（a ）、（b ）所示。

（a ）电阻R2调到16%的方波信号 （b ）电阻R2调到52%的方波信号

图4-7 555定时器方波发生器仿真结果

当R2的调节范围在(54%，82%)，方波信号的周期T=1.333ms，占空比变化范围（0.526，0.770) ，如图4-8（a ）、（b ）所示。

（a ）电阻R2调到53%的方波信号 （b ）电阻R2调到82%的方波信号

图4-8 555定时器方波发生器仿真结果

对于此方案的占空比调节范围：当R2=0（滑动变阻器此时阻值为最小），周期

T=1.419ms，高电平持续时间占t=0.085ms, 空比D=t/T=0.06（最小），如图4-9（a ）所示。当R2=12.3K （滑动变阻器此时阻值为最大），周期T=1.316ms，高电平持续时间占t=1.214ms, 占空比D=t/T=0.9225（最大），如图4-9（b ）所示。

（a ）电阻R2调到0%的方波信号 （b ）电阻R2调到100%的方波信号

图4-9 555定时器方波发生器仿真结果

综上此方案占空比的调节范围0.060—0.9225，调节范围也比较理想。而且555定时器方波发生器所产生的方波信号较集成运放电路方波发生器所产生的方波信号很理想，适合作为应用方案，但是其产生的方波信号幅度调节不方便。

4.3 555定时器+集成运放方波发生器的仿真设计

4.3.1 555定时器+集成运放方波发生器元器件选择

555定时器+集成运放方波发生器的是由555定时器方波发生器外加运算放大电路组成，故555定时器模块的元器件参数不变，而对于运算放大器模块，可变电阻R6应选择较大可变范围可变电阻，这样有利于对输入电压进行较大调节范围。对于反馈电阻R4、R5，应选择R4大于R5电阻。综合考虑以上分析，具体参数如表4-4所示。

表4-4 555定时器+集成运放方波发生器元器件选择

4.3.2 555定时器+集成运放方波发生器仿真电路

结合表4-4，在仿真软件Multisim 中进行电路建立、分析与仿真，仿真电路如图4-10所示。

图4-10 555定时器+集成运放方波发生器仿真电路

4.3.3 555定时器+集成运放方波发生器仿真结果

当可变电阻R3调到30%，R6也调到50%，此时发出的方波信号的周期T=1.350ms，幅度值U=3V，占空比D=0.329，仿真结果如图4-11（a ）所示；当可变电阻R3调到30%，R6也调到80%，此时发出的方波信号的周期T=1.350ms，幅度值U=1.2V，占空比D=0.329，仿真结果如图4-11（b ）所示；当可变电阻R3调到70%，R6也调到50%，

此时发出的方波信号的周期T=1.333ms，幅度值U=3V，占空比D=0.660仿真结果如图4-11（c ）所示；当可变电阻R3调到70%，R6也调到20%，此时发出的方波信号的周期T=1.333ms，幅度值U=4.8V，占空比D=0.671仿真结果如图4-11（d ）所示。

（a ）电阻R3、R6调到30%、50%的方波信号 （b ）电阻R3、R6调到30%、70%的方波信号

图4-11 555定时器+集成运放方波发生器仿真结果 （c ）电阻R3、R6调到70%、50%的方波信号 （d ）电阻R3、R6调到70%、20%的方波信号

4.3.4 555定时器+集成运放方波发生器仿真分析

如图4-6所示，仿真结果中我们可以看出，控制电路中R3数值可以达到方波信号占空比的调节，控制电路中R6数值可以达到方波信号幅度值的调节，这样时方波发生器的应用性得到很好地加强。

由于555定时器+运放方波发生器中555定时器模块与上节一致，故当R6一定时，R3的阻值在一定范围内调节时，产生的方波信号占空比随之发生变化，但周期也保持不变，但占空比变化R6调节为50%，当R3的调节范围在(44%，60%)，方波信号的周期T=1.342ms，占空比变化范围（0.446，0.580) ，如图4-12（a ）、（b ）所示。

图4-12 555定时器+集成运放方波发生器仿真结果 （a ）电阻R3、R6调到44%、50%的方波信号 （b ）电阻R3、R6调到60%、50%的方波信号

对于此方案的占空比调节范围：当R3=0（最小），周期T=1.419ms，高电平持续时间占t=0.094ms，占空比D=t/T=0.066（最小），如图4-13（a ）所示。当R3=12.3K （最大），周期T=1.316ms，高电平持续时间t=1.214ms, 占空比D=t/T=0.9225（最大），如图4-13（b ）所示。

（a ）电阻R3、R6调到0%、50%的方波信号 （b ）电阻R3、R6调到100%、50%的方波信号

图4-13 555定时器+集成运放方波发生器仿真结果

综上此方案占空比的调节范围0.066—0.9225，调节范围比较理想。而且555定时器+运放方波发生器所产生的方波信号很理想，再利用放大器又可以对方波的幅度进行调节，此方案较以上方案为最优，适合作为应用的可变占空比方波发生器。

5 可变占空比方波发生器的应用

根据上一章节的分析可以得出，设计方案三产生的方波信号稳定，幅度值调节方便，具有0.066—0.9225的占空比调节范围，因此将设计方案三作为应用的方波发生器，即555定时器+集成运放方波发生器。

5.1 应用一：LED 灯光控制器

如图5-1所示，利用可变占空比方波发生器的输出的方波信号的特点，使接通的LED 灯点亮并保持频率闪烁。具体是通过控制电阻R3的参数，调节输出方波信号的占空比来控制LED 的闪烁频率。控制电阻R6的参数，调节输出方波信号的幅值来控制LED 的亮度。

图5-1 LED灯光控制器电路图

当打开开关S1，将S2拨到LED1位置处，此时LED1发出绿色灯光，并不断闪动。将R3的接入电路的比例从0%增大到100%, LED1灯闪动的频率由弱变强在变弱。将R6的接入电路的比例从0%增大到100%，LED1从0%到70%之间亮度逐渐变低，在70%之后熄灭。根据此装置的特性，可以将其应用KTV 等作为氛围灯进行应用。

5.2 应用二：四相激励电机电路调速控制器

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。步进电

机在正常的工作环境下，它的转动速度只与接入的电源信号有关，也就是和接入的方波信号的脉冲宽度和周期有关。另外，步进电机的转动角度是固定的，当步进电机接入方波信号时，步进电机接收到能量后将会按照设定好的角度转动，这个设定好的角度成为步距角。另外对于步进电机的转子的停靠位置，我们可以通过改变接入电路方波电源信号来控制，这主要是利用到控制方波信号的频率和占空比，从而使得接入电路的脉冲发生改变，来达到使转子停靠在指定位置。同时控制脉冲频率也来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

如图5-2所示，该步进机为四相步进机，其采用的单极性直流电源进行供电。当对其四个开关按照一定时间差分别供电时，就可以使得四相步进电机按照某种频率进行转动。当我们将开关S A 接通，开关S B 、S C 、S D 断开时，电机的A 磁极与电机内转子的2、5转子齿足方向一致，由步进电机的内部结构可以知道，电机内转子的0、3转子齿足将会和A 、B 磁极不在一条直线上，存在一定的夹角，此夹角称为错齿角。同时电机内转子的1、4转子齿足将会和C 、D 磁极也将会产生错齿角。若我们在将开关S B 接通，开关S A 、S C 、S D 断开时，受步进电机内部相磁极与转子磁极的磁场力，将会使机的磁极与电机内转子的2、5转子齿足方向一致，电机内转子的2、5转子齿足将会和A 、D 磁极不在一条直线上，存在一定的夹角，此夹角称为错齿角。同时电机内转子的1、4转子齿足将会和C 、D 磁极也将会产生错齿角。当不断改变的接入开关时，步进电机将会转动[15]。

图5-2 四相步进机步进示意图

利用74LS192、74LS164以及与门元器件的性质，将可变占空比方波发生器接入其中，如图5-3所示。

图5-3 四相激励电机电路调速控制器

对方波信号进行调节，使一路方波信号变成四路方波信号，并且使每一路方波信号高电平之间相互错开，如图5-4所示。

（a ）74LS164D 端口3（上）、4（下）方波信号 （b ）74LS164D 端口5（上）、6（下）方波信号

图5-4 四相激励信号

将这四路信号源与四相步进机相连接，就可以使四相步进机转动工作了。因为四相步进机的转动与脉冲频率有关，因此通过调节R6阻值，使方波信号的电压达到四相步进机的工作电压，在通过调节R3阻值，调节方波信号的占空比，进而控制四相步进机

四路信号源的脉冲宽度，从而达到控制四相步进机的转动频率。其可应用家电中电机的控制，如风扇转速调节等。

5.3 应用三：断线报警器

如图5-5所示, 断线报警器由可变占空比方波发生器模块、蜂鸣器模块、发光二极管模块以及报警线模块组成。

图5-5 断线报警器

通过调节R6阻值，使方波信号的电压达到发光二极管与蜂鸣器的工作电压，在通过控制R3阻值来调节方波信号的占空比，改变方波信号的脉冲宽度，从而达到改变蜂鸣器鸣笛频率和发光二极管的闪动频率。正常工作下发光二极管LED2为绿色常亮。若断线报警线被碰断时，发光二极管LED1发出红色闪动光，蜂鸣器同时报警，达到报警效果。其可应用于小区，景区等外围防护，防止外人擅闯、盗窃等。

6 结论

工欲善其事，必先利其器。正如孔子所言，通过EDA 工具中仿真软件Multisim 的使用，大大提高了电子设计工作者的工作学习的效率。对于当今的快速发展的电子科学技术，我们不仅需要扎实理论知识作为基础，更重要的是通过实际实践操作，来以加深对理论知识的理解，做到理论与实践相结合。本次毕业设计，利用仿真软件Multisim 作为操作平台，使我对所涉及电路的原理，电子元器件参数的设定有了清晰的认识，懂得如何利用仿真工具这一便捷辅助工具，快速建立电路模型。另外通过电路仿真清晰的认知到对电路分析重要性，合理的分析方法可以提高工作效率，增强对新生知识的理解。

在毕业设计的学习过程，遇到很多疑难困惑。而问题能否及时有效的解决，对完成毕业设计尤为重要。通过查阅学校图书馆的相关书籍，使我对于毕设所涉及到的主要理论有了一个初步的了解，使我清晰到认知到自己研究方向与难点，避免了很多不必要的弯路。毕竟图书馆的书籍跟最新理论情况还是不尽相同，利用网络资源恰恰能很好地开阔自己的视野，通过“中国知网”、“万方学士学位论文数据库论文网”等，进一步增强对基础知识和专业知识的理解和掌握，同时也一定程度给毕业设计方案设计带来很多有益启发。

方案设计必须理论为基础，根据具体要求，加以改进与完善。我对本次毕设方案的设计思考很久，对每一种方案设计都是严格以理论为指导，防止设计中方向会发生偏离，甚至错误。比如说我曾想利用正弦波作为输入信号源，利用运算放大器产生方波，再通过改变正弦波的频率改变发出的方波信号占空比。但是方波虽然调试出来，对于占空比的调节却无法做到，一直为二分之一。认真仔细思考后发现自己理解错误，正弦波正电压与负电压的持续时间都刚好是正弦波周期的一半，因此无论如何改变正弦波的频率，最终方波信号的占空比一直为二分之一，改变的只是方波信号的频率。因此我们在设计方案中，要先理清思路，综合各方面思考，切勿顾此失彼。

在对自己设计方案进行实际应用中，我结合实际的生活，将所设计的可变占空比方波应用到自己生活经常用到的地方，像对灯光的处理、小区的安全防护、电风扇的电机转动快慢的调节等。这些具体的应用让我再次检验的自己所设计的方案，同时这些具体的应用也让我倍感骄傲。

本次毕业设计是本科阶段学习的一次综合考量，我深刻体会到在设计过程中需要有充分耐心，过硬的理论知识储备，以及不怕失败，敢于挑战的勇气。有时候操作过程相当繁琐，可能会陷入误区，感到灰心，产生放弃的情绪，这时需要静心下来，理清思路，查找原因后重新再来。

另外通过此次毕设让我对大学四年所学知识有了全面的复习，增加了学习兴趣，提高发现问题解决问题的能力。总之，对于此次毕业设计感慨颇丰，收获良多，大学生涯虽然结束，但是学无止境，希望自己在以后的学习工作中，坚持学习，保持严谨认真态度。

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[15] 坂本正文. 步进电机应用技术[M].北京：科学出版社，2010. 34-39

致 谢

时光荏苒，日月如流，转眼间大学四年步入尾声。几个多月来，认认真真地坐在书桌前，准备着毕业论文，回首着求学历程，对于那些曾经帮助过我、激励过我、鞭策过我的人，满怀感激之情。论文初期，由于经验的缺乏，对于论文的工作的开展相当缓慢，这个时候老师不断鼓励和指导，以及同学的积极帮助，使得我开始顺利的进入的状态。

首先要感谢我的指导老师胡之惠副教授。虽然胡老师平时课务比较繁忙，但是对于我们毕业设计的开题阶段，中期检查，后期论文修改等每个阶段都给予了认真仔细的指导和教育。由于先前答辩中，答辩老师认为我的课题简单，对于我所需设计的方案提出了更高的要求，这就使得我的仿真与应用过程变得很繁琐，但是胡老师细心地指导，帮助我进行构思和搭建仿真模型，使我对论文结构有了清晰的认知。

同时我还要感谢各位老师，感谢教会我专业知识、严谨治学的态度和对我的严格要求，让我在大学四年收获了许多专业知识，树立人生理想。

其次我还要感谢我们通信工程系贴心考虑，由于考研的初试和复试时间和毕设有些冲突，系里面总能考虑我们这些考研学生，给我们推迟答辩，让我们安心迎考。

另外我要感谢我的母校，是你给我们提供了安静的学习氛围，优美的校园环境，让我们在这里能够舒心的学习，快乐的成长。

最后衷心地感谢胡老师的悉心指导以及同学们的热心帮助!