3239.三相半波可控整流电路设计模拟电子课程设计.doc

课程设计说明书 NO.1三相半波可控整流电路设计1课程设计目的电力电子技术课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。电力电子技术课程设计是配合变流电路理论教学，为自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。熟悉三相半波可控整流电路带电阻负载和三相半波可控整流电路带电阻电感负载的工作原理。研究可控整流电路在电阻负载和电阻电感负载时的工作状态。通过设计培养我们对电子线路的分析与应用能力，以及对电子器件的应用能力。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.2二设计方案论证1.应用软件所应用的软件是Multisim，Multisim是加拿大IIT公司在EWB5.0的基础上推出的更高版本的电路设计与仿真软件，由于EWB5.0更重要的功能是电路仿真，所以更高版本干脆就叫做Multisim，与EWB5.0相比Multisim继承了实用性强，界面简洁等特点，同时又具有电路仿真速度快，原件可用性更加丰富，界面更加合理等特点。几乎所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上，几乎所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。因此Multisim软件的应用是非常方便，快捷的。Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/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。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本书中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给出几个应用实例。 Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/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Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim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计。而且Multisim 7计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW 8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.3电路有矩形波发生电路以及矩形三角形发生电路。占空比可调的矩形波发生电路是在一般的矩形波发生器的基础上加以改进而得。2.电路的组成矩形波发生器的电路见图。电路实际上是一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成。其中集成运放和电阻R1，R2组成滞回比较器，电阻R和电容C构成充放电回路，稳压管VDZ和电阻R3的作用是钳位，将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值UZ。因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。已知VEE=-20V，VCC=20V，在频率为1000HZ，幅值为2V，滑动变阻器的电阻阻值R=500,R1=50,R2=45,R3=20,R4=200,二极管的值VDZ1=4V，VDZ2=4V，C=0.01uf。图1 矩形波发生电路原理图沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.43.工作原理假设t=0时电容C上的电压UC=0，而滞回比较器的输出端为高电平，即U0=+UZ.则集成运放同相输入端的电压为输出电压在电阻R1，R2上分压的结果, 即U+ = UZ此时输出的电压正+UZ将通过电阻R向电容C充电,使电容两端的电压UC升高,而此电容上的电压接到集成运放的反相输入端,即U- =UC.当电容上的电压上升到U- = U+ 时,滞回比较器得输出端将发生跳变,由高电平跳变到低电平,使U0=- UZ,于是集成运放同相输入端的电压也立即变为 U+ =- UZ图2 矩形波发生电路波形图输出电压变为低电平后,电容C将通过R放电,使UC逐渐降低.当电容上电压下降到U- = U+ 时,滞回比较器的输出端将再次发生跳变,由低电平跳变到高电平,即U0=+UZ.以后又重复上述过程.如此电容反复地进行充电和放电,滞回比较器的输出端反复地在高电平和低电平之间跳变,于是产生了正负交替的矩形波。沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.5三.仿真电路理论分析由于矩形波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为R3C，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内uO=+UZ的时间与uO=-UZ的时间相等，uO为对称的方波，所以也称该电路为方波发生电路。1.振荡周期当滑动变阻器滑到中间位置时由 T1=（R+RW）CT2=（R+RW）C得 T1=（200+250）×0.01×10-6（1+50/45）=5.27×10-6（s）T2=（200+250）×0.01×10-6（1+50/45）=5.27×10-6（s）T= T1+ T2=10.54×10-6（s）D=0.5当滑动变阻器调到最上端时T1=（200+500）×0.01×10-6（1+50/45）=8.19×10-6（s）T2=（200+250）×0.01×10-6（1+50/45）=2.34×10-6（s） T= T1+ T2=10.53×10-6（s）D=0.78当滑动变阻器调到最下端时T1=（200+250）×0.01×10-6（1+50/45）=2.34×10-6（s）T2=（200+500）×0.01×10-6（1+50/45）=8.19×10-6（s） T= T1+ T2=10.53×10-6（s）D=0.22根据公式可以分别计算出输出电压和输入电压的理论值U+ = UZ=10.53VU- = - UZ=-10.53V 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.6矩形波的振荡周期T= T1+ T2=(2R+ RW) C=4.4×10-6（s）2.对仿真波形的数据进行计算 当滑动变阻器滑动到中间位置时、从波形图上可以看出T1=6.2×10-6（s）T2=5.8×10-6（s）T= T1+ T2=12×10-6（s）D=0.52 当滑动变阻器滑动到最下端时，从仿真波形上可以看出T1=9.2×10-6（s）T2=2.8×10-6（s）T= T1+ T2=12×10-6（s）D=0.77 当滑动变阻器滑动到最下端时，从仿真波形上可以看出T1=2.8×10-6（s）T2=9.2×10-6（s）T= T1+ T2=12×10-6（s）D=0.23 仿真出来的输入电压和输出电压的值U+ = UZ=11.52 VU- = - UZ=-11.52V 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.7四.设计步骤1.创建一个新的文件夹在文件“file”中选择新建，单击“确定”则打开一个新的文件夹。在绘图区单击右键选择珊格命令，然后开始选择元件绘制图形。2.选择元件并把原件放到绘图区，进而调整元件位置将初选电路原理图中的所有元器件，分类从元器件库中调出来。方法是在元器件库工具栏中，单击包含该元器件的图标，打开该元器件库，从元器件库中将该元器件拖拽至电路工作区。3.放置方法右键单击工具栏上的元件，然后把鼠标放到绘图区域上，再单击左键，即把原件放到绘图区域上。元器件方向不合适，在其上右键单击，出现快捷菜单，在菜单上根据需要选择镜像、旋转。4.对各个元件进行连线元器件放置完毕后，进行连线，按照原理图，将鼠标指向元器件的管脚使其出现实心小十字，按下鼠标左键，拖拽出一根导线并连接至相关元器件的管脚，同样方法，正确完成所有导线的连接直至此原理图编辑完成。5.进行仿真仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。然后单击菜单栏上的仿真图标，再双击仿真元件，显示出仿真波形图。对波形的位置进行调节，调至比较容易看出波形的位置为止。为0，仿真分析停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。6.代入不同数据进行仿真 由于数据的不同和和占空比矩形波得主电路途中滑动变阻器的位置不同，进而输出的波形和直流工作点的数据有所不同。为了验证理论的可行性，我做了以下两组数据，分别对不同的状态进行分析。同时计算出实际值和理论值，并相互比较，分析误差产生的原因以及误差的必然存在性。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.8五.测试方案1.当电位器RW的滑动端调在中间位置时，由虚拟示波器可见，输出波形为正负半周对称的矩形波，电容上的电压UC为充放电波形如图3所示，从虚拟示波器上可测得矩形波的幅度Uom=2v振荡周期T=10.54×10-6（s），此时波形图如图4所示。图中输出电压U0是正负半周对称的矩形波，这种矩形波的占空比等于50%。如果要求矩形波的占空比能够根据需要进行调节，则可以通过改变电路中充电的时间常数来实现，如图所示。在图中，点位器RW和二极管VD1，VD2的作用是将电容充电和放电的回路分开，并调节充电和放电两个时间常数的比例。 图3 当滑动变阻器调到中间时的电路图沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.9图4 当滑动变阻器调到中间时的波形图2. 如将电位器的滑动端向下移动，则充电时间常数减小，放电时间常数增大，于是输出端为高电平的时间缩短，将电位器RW的滑动端向上移动，由虚拟示波器所见，矩形波的正半周期T1增大，而负半周期T2减小。输出端为高电平的时间加长，UC和U0的波形如图所示，图中T1 T2。 图5 当滑动变阻器调节到最上端时的波形图 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.10图6 当滑动变阻器调节到最上端时的波形图3.当RW的滑动调至最下端时，如将电位器滑动端向上移动，如RW的滑动端向下移动，则正半周期T1减小，负半周期T2增大。则充电时间常数增大，放电时间常数减小，可得T1 T2。当忽略二极管VD1，VD2的导通电阻时，利用类似的分析方法，可求得电容充电和放电的周期。此时占空比可调的矩形波发生电路的电路图和波形图可以如下图所示。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.11图7 当滑动变阻器调节到最下端时的电路图图8 当滑动变阻器调节到最下端时的波形图沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.12六.测试验证结果与分析误差分析： 在数据处理过程中，理论值和实际测得的值往往存在误差，误差在一定范围内是允许的，当超过一定范围就可能是由于出现了短路，短路或者是元件本身损坏了，或元件本身的质量降低了。在设计中会由于电阻有一定的误差而造成所得结果有一定的误差。电阻在使用一段时间后性能会下降，因此对电阻的要求允许有一定的误差。所以，除精密电阻器或特殊需要的自制电阻外，通常都选用标称值的通用电阻器。由于在做比值的时候存在小数的取舍问题，因此，在计算上也存在一定的误差，对理论值与实际值的分析造成误差。在电路实验过程中会引起一些损耗同样也会产生一定的误差。仿真出的波形进行计算得出的值与理论值有一定的误差，设置元件本身由于损耗也会产生误差，元件本身也有一定的允许误差。二极管受温度的影响特别大，温度升高稳定性减小，所以随着时间的增加，二极管的稳定性降低，从而对整个电路造成实验误差。 正弦波的交流电压信号非常容易失真，一旦饱和失真或者截止失真发生这类仪表测量就会出现误差，而矩形波发生器正是使用这种正弦波的交流电压信号。在滑动变阻器不对称的时候会产生正弦波失真，所以要调节滑动变阻器，保持占空比为50%，此时才能确保波形不失真。当脚短接的时候就会没有振荡对设计造成误差。当产生的波形失真时，电容管脚太长会引起信号干扰。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.13七心得体会通过这次的课程设计我知道了multisim软件的功能与应用，学会了如何使用multisim绘制一个电路图并进行仿真。对multisim软件的特点有了进一步的认识，增长了运用计算机进行绘图的经验，在这次课程设计中通过对模拟电路图进行仿真，为我解答了许多课堂上的疑问。不仅让我对所学的知识有了进一步的巩固，也让我对所学的理论知识得到充分的验证。在这次课程设计中，让我学会了如何应用所学的知识去设计，去开发新的产品，开发了我的思维和视野，增加了我的好奇心，提高了我学习的兴趣。模拟电子技术基础是一门十分抽象的科目，在课堂上的学习让我在抽象的范围里摸索，我缺乏对空间思维的想象，这次设计，为我建立了一个空间模型，同时也让我从困惑到理解，为我进一步的学习打下了坚实的基础。从整个分析过程来说，我深深的感受到电子的世界是多么的广阔，科技是多么的神奇，激发了我探索的热情，不仅让我对科技有了进一步的了解，也让我对科技有了新的追求，从此我的目标风明确了。在课堂上我对模拟电子技术有了简单的了解，这次的设计让我对模拟电子技术有了深入的了解，不仅学会了使用multisim矩形波的仿真，同时也通过仿真图的波形变化对数据结果进行分析。这次课设对我以后深入学习有很大的帮助，让我充满了信心，给我带来了动力。在做图过程中，我遇到了许多问题，也让我学会了如何处理问题，解决问题，如很把问题简单化，如何把以前所学过的各门课程，所学过的各类知识应用到自己所面对的问题。沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.14八参考文献1高吉祥主编：模拟电子技术 M，电子工业出版社，2004年出版2彭介华主编：电子技术课程设计指导M，高等教育出版社，2002年出版3高吉祥主编：电子技术基础实验与课程设计M，电子工业出版社，2002年出版4康华光主编：电子技术基础（模拟部分）第四版M，高等教育出版社，1999年出版 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.12沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.13沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.14沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.15图七 当滑动变阻器调到最下端时矩形波发生电路图 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.16图九 当滑动变阻器调到最下端时矩形波发生电路波形图图十 当滑动变阻器调到最上端时矩形波发生电路图沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.17图十一 当滑动变阻器调到最上端时矩形波发生电路波形图 沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.18 利用仿真波形计算出的数据与理论上的数据有一定的误差，无耻的范围非常小。由于计算出的周期有一定的误差，所以占空比也有一定的误差。沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.19沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.20沈 阳 大 学 课程设计说明书 NO.8 沈 阳 大 学