豆帅涛 DOU Shuai-tao
（College of Water Resources and Electric Engineering，Qinghai University，Xining 810000，China）
摘要：为了详细分析目前比较常用的555定时器和运放构成的矩形波发生器，填补其他文章仅单单分析一种电路的空白，利用Multisim强大的仿真分析功能，结合理论计算，对这两种方波发生器进行输出电压特性、占空比调节、输出频率、电源电压范围等方面的比较分析，希望给制作矩形波发生器的读者提供一定的参考价值。
Abstract： In order to analyze the current commonly used 555 timer and the op-amp configuration square wave generator in detail， and to fill the empty of other papers which only analyze one circuit alone， this article uses the powerful Multisim simulation analysis capabilities to carry out comparative analysis of these two square wave generator form output voltage characteristics， duty cycle regulation， output frequency， supply voltage range and other aspects combined with theoretical calculations. The author hopes to provide reference for readers making rectangular wave generator.
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：Multisim；555定时器；集成运放；矩形波发生器
Key words： Multisim；555 timer；integrated operational amplifier；square wave generator
中图分类号：TN722.77 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0198-03
作者简介：豆帅涛（1992-），男，河南洛阳人，主要研究方向为电力电子技术、网络技术。
0 引言
矩形波发生器通常用作数字电路的信号源或模拟电子开关的控制信号，也是其他非正弦波信号发生器的基础。目前矩形波发生器的常见电路是由555多谐振荡器或者运放构成的，而对这两种电路的介绍也很多，但是这两种电路特点的比较分析却很少，对矩形波发生器的制作者来说没有一个具体的选择方案，这里对两种电路的特性及优缺点进行比较与分析。Multisim具有强大的仿真功能，搭建方便，仿真结果清晰易懂，结合理论计算进行分析可以很好地对两种电路做出详尽的比较结果。
1 Multisim软件与两种矩形波发生器结构的简介
仿真软件与矩形波发生电路有很多种，这里仅针对比较常用的Multisim软件和555多谐振荡器与运放构成的矩形波发生电路进行分析比较。
1.1 Multisim软件的特点[1]
①具有直观的图形界面。整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，点击鼠标可使用导线将其连接起来。软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。
②具有一个庞大的元器件库。具备如信号源、基本元器件、模拟集成电路、数字集成电路、指示部件、控制部件等各种元器件。
③具有强大的仿真功能。既可以对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可以进行数/模混合仿真，尤其是增加了射频（RF）电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。
④强大的分析功能。提供14中仿真方法，如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、参数扫描分析、零极点分析、传递函数分析、温度扫描分析、后处理分析等。
⑤强大的虚拟仪器功能。如示波器、万用表、瓦特计、扫描仪、失真仪、网络分析仪、逻辑转换仪、字信号发生器等。
⑥VHDL/Verilog设计输入和仿真。Multisim软件将VHDL/Verilog的设计和仿真包含进去（选件），使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普通电路融为一体仿真的瓶颈。
⑦远程控制功能。Multisim软件支持远程控制功能，不仅可以将Multisim软件的界面共享给其他人，使得其他人在自己的计算机看到控制者的操作情况，而且可以将控制权交给其他人，让其操作该软件，这样可以实现交互式教学。
1.2 555多谐振荡器构成的矩形波发生器电路[2]
如图1所示是由555构成的矩形波发生电路，上电后内部触发器被复位，输出转为低电平，DIS端内部导通，使通过R2放电。当电容上的电压为1/3Vcc时，内部触发器被置位，输出又翻转为高电平，DIS内部截止，一个周期结束，新的振荡周期重新开始[3]。电容C的充电回路包含的电阻只有R1，放电回路只包含R2，通过调节R1=R2可以输出占空比50%的矩形波即方波。
具体的计算公式有
高电平时间tH≈0.7R1C
低电平时间tL≈0.7R2C
理论计算结果700μs与仿真结果700.855μs基本吻合。
1.3 运放构成的矩形波发生器电路[4]
如图3所示，是由Rf、C组成的积分电路把输出电压经Rf、C反馈到比较器的反向端。在迟滞比较器的输出端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了一个双向限幅方波发生电路。电路的正反馈系数
。在接通电源的瞬间输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和纯属偶然。设输出电压偏于正饱和值，即vo=+Vz时，加到电压比较器同相端的电压为+FVZ，而加到反相端的电压，由于电容器C上的电压vC不能突变，只能由输出电压vo通过电阻Rf指数规律向C来充电建立。当加到反相端电压vC略正于+FVZ时，输出电压便立即从正饱和值（+VZ ）迅速翻转到反相端的电压（-VZ），-VZ又通过Rf对C进行反向充电，直到vC略负于-FVZ值时，输出状态在翻转回来。如此循环不已，形成一系列的方波输出。
具体的计算公式有
理论计算结果20ms与仿真结果20ms完全吻合。
当要求输出占空比不为50%的矩形波时只需将Rf用两组电阻与二极管串联后并联的装置即可，通过控制两个电阻比值的不同就可输出不同占空比的矩形波。
2 输出电压特性比较分析
在以上电路中很明显555输出的矩形波只有正电平没有负电平，而由集成运放构成的矩形波发生器输出的矩形波包含正电平和负电平，但是在实际电路中发现集成运放必须是由双电源供电，否则很难起振[5]，在图3的仿真电路中也可以验证这个观点。
而只有正电平的脉冲和正负电平均有的脉冲在用途上也有不同，在不同的场合需要选择合适的电路，用到正负电平均有的脉冲时要用集成运放构成的矩形波发生器，用到只有正电平的脉冲时要用555构成的矩形波发生器。至于集成运放单电源供电的情形可能很难起振故不进行分析。
3 占空比调节比较分析
可通过调节电阻Rf和电容C的值改变输出频率。在低频范围（如10Hz~10kHz）以内，对于固定频率来说，图3所示电路是一种较好的振荡电路，当振荡频率较高时，为了获得前后边沿较陡的矩形波，宜选择转换速率较高的运放[4]，通过Multisim仿真发现频率较高时不仅脉冲的前后边沿趋于平坦而且输出频率的误差也逐渐增大。在实际应用中，常用C作为频率的粗调，用R作为频率的细调[5]。
通过分析可知，生成高频脉冲的需求下最好采用555作为矩形波发生器，避免采用集成运放而对运放的转换速率提出较高要求增加成本。在低频范围采用两种电路均可满足需求。
5 输出电压范围比较分析
555的手册显示电源电压是4.5~18V，而输出电压大小在电源电压与0之间变换，最高输出电压限制在电源电压18V。LF353的手册显示电源电压为3.5~18V，在稳压管合适的情况下，输出电压往往达不到18V，仿真结果显示在16V左右。而输出电压最小界限则可以通过改变电源电压大小或集成运放的稳压管参数或者通过简单的分压电路得到所需要的输出电压值。所以在输出电压方面两种波形发生器没有太大区别。
6 结语
综上所述，利用理论计算结合Multisim仿真在输出电压特性、占空比调节、输出频率、电源电压范围等方面对555和集成运放构成的矩形波发生器进行了详细的比较分析，在实际的矩形波发生器的方案选择上做出了一些建议，对具体的波形发生器的制作上有一定的指导意义。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：
[1]王树章.基于Multisim的集成放大运算器仿真分析[J].现代电子技术，2012，08：150-153.
[2]张爱军，张海峰，司杨.555多谐振荡器实验电路的两个改进[J].青海大学学报（自然科学版），2013，03：88-90.
[3]宋强.555集成电路基于振荡的典型电路分析和改进[J].丹东纺专学报，2002，04：45，52-53.
[4]康华光.电子技术基础-模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2005：462-464.
[5]彭惠芹.集成运算放大器构成方波信号发生器的电路分析[J].山西大同大学学报（自然科学版），2009，06：31-32，36.
[6]吕曙东.基于Multisim 10的矩形波信号发生器仿真与实现[J].电子设计工程，2010，11：69-71，74.