熊熙烈;涂虬
固废焚烧
【摘 要】A ring oscillator simulation experimental method with Multisim is presented based on the analysis of the ring oscillator circuit .The simulation of oscillator RC is feasible by modifying the simulation settings .The simulation results coincide with the theoretical analysis and the actual circuit experiment results .Further the oscillator RC in Multisim is analyzed theoretically and designed experimentally , and the actual circuit experiment results and simulation results show the feasibility of the circuit simulation .%在分析环形振荡器电路的基础上，提出了基于M ultisim的环形振荡器仿真实验方法。通过修改仿真设置，使带RC延迟电路的环形振荡器仿真实验可行，仿真结果与理论值和实际电路实验结果也较为吻合。进一步对变形的带RC延迟电路的环形振荡器（oscillator RC）进行了理论分析和实验设计，使Multisim仿真实验可不修改仿真设置，并经过仿真实验和实际电路实验，验证了该电路仿真实验的可行性。【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2015(000)010
【总页数】4页(P115-118)
【关键词】环形振荡器;仿真实验;Multisim
【作 者】熊熙烈;涂虬
单相整流桥【作者单位】上饶师范学院物理与电子信息学院，江西上饶 334001;上饶师范学院物理与电子信息学院，江西上饶 334001
【正文语种】中 文
爬梯安全装置【中图分类】TN752
环形振荡器以其低功耗、高集成度以及宽频率调节范围等显著优点，越来越成为通信系统不可或缺的功能模块。特别是压控振荡器(VCO)电路，已广泛应用于时钟信号发生器、集成频率综合器、时钟恢复电路等。目前，关于低功耗，低相位噪声环形振荡器的设计和研究十分活跃[1-3]。在环形振荡器的实验教学中，有些内容对实验设备要求较高或不易实现，
而Multisim仿真软件则为仿真实验提供了丰富的元器件库供学生进行仿真实验，使学生加深对理论的理解，提高电子电路教学效果、锻炼学生的实践能力[4-7]。本文在总结环形振荡器实验内容的基础上，分析了Multisim中带RC延迟电路的环形振荡器，并通过实物实验和仿真验证了实验结果和该电路的可行性。
利用反相器的延时特性，将奇数个反相器环形串联，便可以构成一个基本环形振荡器。作为数字系统的时钟信号源，由CMOS反相器构成的环形振荡器具有结构简单、集成度高、功耗低的优点，因此得到了广泛的应用。随着CMOS集成电路工艺技术的发展，环形振荡器的振荡频率已达到数十GHz。在数字电路实验中，常用门电路串接为环形振荡器的方法测量门电路的传输延迟时间。门电路的传输延迟时间一般很短，该实验方法对示波器的要求较高，且很难测量到准确的结果；而用仿真的方法进行实验，操作方便、实验结果直观明了[8]。仿真电路和仿真输出波形见图1。 由图1(b)可知，三个反相器构成的环形振荡器其振荡周期T=123.106 ns，根据T=2ntpd，当n=3时，可计算出门电路的传输延迟时间tpd≈20 ns，显然与实际74HC04的平均传输延迟时间9～10 ns相差较大[9]。究其原因，是由于Multisim中设置的上升延迟时间(rise_dela
y)tPLH=20 ns，下降延迟时间(fall_delay)tPHL=20 ns，因此若要得到正确结果，只要将3个反相器的上升延迟和下降延迟修改为10 ns即可[10]。孔板波纹规整填料
图1(a)电路的振荡频率很高，且频率不易调节。为此，可以在图1(a)电路中附加RC延迟电路，组成带RC延迟电路的环形振荡器[9](见图2(a))。图2(b)是仿真波形。
从图2(b)可看出，电路中增加RC延迟电路后，振荡周期增加，但效果不明显，这主要是由于RC电路每次充、放电的持续时间很短，还不能明显地增加信号从U2B的输出端到U3C输入端的传输延迟时间。另外，当R或C增大到一定数值后周期并没有明显改变，仿真效果不佳。而在实际电路实验中则得不到任何结果，所以图2(a)不是一个实用电路。为了进一步加大RC电路的充、放电时间，笔者使用如图3(a)所示的电路[9]，图3(b)是其仿真实验输出波形。
图3(a)实验电路在Multisim中也不易得到较好的仿真结果。为了得到较好的仿真实验效果，还需在Simulate选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。系统默认为使用理想模型，应将其改为使用实际模型[11-12]。理论上，电路的振荡周期T≈2.2R1C1。
由图3(b)仿真结果的波形得到的振荡周期T=3.485 μs，与理论值T≈3.3 μs相近，可见仿真效果很好。改变R1和C1的数值，即可改变振荡周期，但仿真结果随着R1和C1数值的增大，误差也增加。在实际电路实验中测得T=3.38 μs，也验证了仿真实验结果的正确性。
为使带RC延迟电路的环形振荡器在Multisim中的仿真得以顺利进行，而不需要修改仿真设置，笔者使用在Multisim的仿真实例中的另外一种门电路组成的RC振荡器(oscillator RC)。这种电路结构在国内资料中还很少见，它与由门电路组成的多谐振荡器有所不同，显然它还是一种带RC延迟电路的环形振荡器的变形电路(见图4)。
通常RC电路产生的延迟时间远远大于门电路本身的传输延迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑RC电路的作用，而将门电路固有的传输延迟时间忽略不计。
对该电路的工作原理分析如下：当输入电压Ui发生负跳变时，输出电压Uo为高电平，它通过R1对C1充电，Ui上升；当Ui升至阈值电压Uth时状态转换，Uo输出低电平，C1又通过R1放电，放至Uth时电路状态又发生跳变，C1充电，如此往复产生自激振荡。电路中Ui和Uo的电压波形如图5所示。图6为电容C1的充、放电等效电路，由此可求出充电时间T1和放电时间T2，并得到振荡周期T。
由于仿真用的门电路采用数字模型，不存在输入保护电路，且门电路输出电阻Ron(p) (P沟道MOS管导通电阻)和Ron(n)(N沟道MOS管导通电阻)可以忽略，因而根据电路分析理论，在RC电路中充、放电时间可用下式计算：
充电时间
放电时间
其中UDD为电源电压。将UDD代入，可得T1=T2=R1C1ln3，振荡周期T=T1+T2≈2.2R1C1。图7是其仿真输出波形，测得T=2.197 ms，仿真结果与理论分析结果基本一致。而在实物实验中的实验结果T=2.4 ms，这是考虑了实际门电路中输入保护电路和输出电阻的影响，从而与理论值略有偏差。
通过修改仿真设置，较好地解决了用门电路构成环形振荡器的Multisim仿真实验中存在的一些问题，仿真过程简单、直观，结果比较准确，与实物实验结果也基本吻合。而Multisim中所提出的RC振荡器使得仿真更易进行，通过理论分析、仿真和实物实验证明该电路可行。在上述各仿真电路中，改变R和C的值，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R、C的值，相对误差基本可控制在10%左右。另外，由CMOS门电路构成的振荡器，振荡频率还与工作电压有关，这点可由实际电路实验加以验证，这也是CMOS门电路构成的振荡器工作不稳定的原因之一。
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【相关文献】
[1] 刘皓,景为平.一种频率可调CMOS环形振荡器的分析与设计[J].电子器件,2006,29(4):1023-1026.
[2] 伍翠萍,何波,于奇,等.一种低电压低功耗的环形压控振荡器设计[J].微电子学与计算机,2008,25(5):69-72.
[3] 胡二虎,汪东旭.一种频率稳定的集成CMOS环形振荡器[J].微电子学,2003,33(3):259-261.
[4] 王尔申,李轩,王相海，等.基于Multisim的电工及工业电子学课程仿真实验设计[J].实验技术与管理，2014，31(10):128-131，140.
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[5] 王香婷,刘涛,张晓春,等.电工技术与电子技术实验教学改革[J].实验技术与管理,2013,30(4):112-114.
[6] 王尔申,庞涛,,等.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(3):78-81.
[7] 李文,黄文,赵全友,等.Multisim仿真的数字逻辑工程素养培养[J].实验室研究与探索,2014,33(12):62-65,71.
[8] 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(2):43-45.
[9] 阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.
[10] 唐赣,吴翔,苏建峰.Multisim 10 & Ultiboard 10原理图仿真与PCB设计[M].北京：电子工业出版社,2008.
[11] 黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].修订版.北京:电子工业出版社,2011.
[12] 熊熙烈,涂虬.基于Multisim12的多谐振荡器仿真研究[J].上饶师范学院学报,2013,33(6):26-30.
