电子技术课程设计实验报告基于Multisim10的电子电路设计与仿真.doc

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1、电子技术课程设计实验报告基于Multisim10的电子电路设计与仿真学院： 计算机学院 指导教师： 陈勇 完成日期：2012-1-6姓名： 班级： 通信1001 学号：姓名： 班级： 通信1002 学号：目 录1 乙类推挽功率放大电路31.1 实验目的31.2 实验设备31.3 实验步骤31.4 数据分析处理72 多种波形发生器设计72.1 设计要求72.2 设计思路72.3 原理说明82.3.1 方波发生电路82.3.2 方波-三角波转换电路92.3.3 三角波-正弦波转换电路112.3 总体电路122.3.1 器件选择以及参数说明122.3.2 总电路图以及功能实现132.4 设计不足和存

2、在问题143 实验所需的直流稳压电源的设计143.1 直流电源设计思路143.2 直流电源基本原理143.2.1 变压电路153.2.2 整流电路163.3.3 滤波电路173.3.4 稳压电路193.3 最后方案及完整电路204 参考文献211 乙类推挽功率放大电路1.1 实验目的1.熟悉Multisim10软件的使用2.观察乙类推挽功放输出波形的交越失真,学会消除交越失真的方法。3.掌握乙类推挽功放Q点的调试和最大不失真输出电压的测量。1.2 实验设备双踪示波器、函数信号发生器、毫伏表、万用表1.3 实验步骤a、按照图1连接电路b、调节电位器Rp2的百分比为0；开启仿真，用按键调节Rp1的

3、百分比，使电压表指示在6V左右，即电路中“M”点电压为电源电压的一半。c、关闭仿真开关，删除电压表；从虚拟仪器中调出虚拟函数信号发生器和示波器，按图2连接电路，将信号发生器设置成1KHz，10mV的正弦信号；开启仿真，观察输出正弦波存在的交越失真现象。d、逐渐增大电位器Rp2的百分比，观察输出波形幅度和交越失真随Rp2变化的情况。e、逐渐增大输入信号的幅度，直至输出波形幅度最大且不失真，在示波器上读出输入波形和输出波形的幅度。图1-1 步骤a、b图1-2 步骤c图1-3 步骤d 图1-4 步骤e1.4 数据分析处理1、 根据图1计算该乙类功放电路的最大不失真输出电压幅度： UomM=Vcc-U

4、cesVcc=6V2、通过仿真实验，测量出的最大不失真输出电压幅度约为2.73V。3、 简述交越失真产生的原因及消除的方法： 产生原因：BJT输入特性的非线性，即BJT的Je结的正偏电压小于阈值电压，管内几乎没有基级电流；两管工作在乙类状态，即每当输入电压过零前后，有段时间两管的、和输出端的、均为0。 消除方法：调节电位器Rp2的百分比和输入信号的幅度,即将静态工作点稍高于截止点，使放大器工作在甲乙类放大状态。2 多种波形发生器设计2.1 设计要求设计能产生方波、三角波和正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。要求：（1）输出的各种波形工作频率范围0.02Hz 20KHz连续可调；（2）正弦波幅

5、度10V，失真度小于1.5%；（3）方波幅度10V；（4）三角波峰-峰值20V；（5）各种输出波形的幅度均连续可调；（6）设计电路所需的直流电源。2.2 设计思路1、输出方波：利用输入端的RC自激振荡电路，反相输入迟滞电路而形成，反相输入端增加一个电位器以调节频率。输出电路利用一个10V双向稳压管接地来稳幅。在输出端加一个电位器调节输出幅度。2、输出三角波：以方波为输入信号，输入到积分电路。同时为了提高三角波的负载能力并且减少方波频率对三角波幅值的影响，将积分电路的输出反馈给滞回比较器的输入。通过改变方波的频率改变三角波的频率。在电路中串联一个电位器调节输出幅度。3、输出正弦波：实际是一个一阶

6、反相输入的低通滤波器。在积分电路中的电容上并联一个电阻来降低通带放大倍数。在电路中串联一个电位器调节输出幅度。将上述三种波形输出电路按一定顺序连接，分别输出相应波形，总体设计结构框图如图2-1。图2-1 总体设计结构示意框图2.3 原理说明2.3.1 方波发生电路 实验电路及方波输出波形如图1-2所示，其中双向稳压管电压为10V。电路由迟滞型电压比较器和RC延迟网路构成，图中和元件组成具有延迟作用的反馈网络，电容器上的电压就是反馈电压，双向稳压管对输出电压进行限幅，是其限流电阻。 图2-2 方波发生电路及输出方波波形 电路通过RC充放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压，则同相输入端电

7、位。通过对电容C正向充电。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，趋于；但是，一旦，再稍增大，从跃变为，与此同时从跃变为。随后，又通过对电容C反向充电。随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，趋于；但是，一旦，再减小，就从跃变为，从跃变为，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡，便形成了方波信号输出。通过调节改变上端的电位进而改变输出方波的频率，通过电位器改变输出方波的幅度，实现调频调幅。2.3.2 方波-三角波转换电路 方波-三角波转换实验电路及三角波波输出波形如图2-3所示。 图2-3 方波-三角波转换实验电路及三角波波输出波形 若a点断开，运算发大器A

8、1与R1、R3及R4组成电压比较器。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+ Vcc,则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia_为 若Uo1=,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度： 图2-4 电压传输特性图 由以上公式可得比较器的电压传输特性如图1-4所示。 a点断开后，运放A2与R9、C2及R8组成反相积分器，

9、其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为： 时， 时， 图2-5 方波-三角波波形关系图 可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图1-5所示。比较器与积分器形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为： 方波-三角波的频率f为： 2.3.3 三角波-正弦波转换电路图2-6 三角波-正弦波转换电路 转换电路由一个一阶反相输入的低通滤波器构成，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。其中积分电路中的电容上通过并联上一个电阻来降低通带放大倍数。如图2-6所示，该例即为一有源低通滤波器，其截止频率（H

10、z）定义为： 或者（弧度每秒）： 通带增益是 ，由于是一阶滤波器，其阻带滚降速率为每倍频6dB。许多情况下，一个简单的增益或者抑制放大器通过添加电容 C 转换成低通滤波器。 这样就减弱了高频率下的频率响应，并且避免了放大器内部的震荡。2.3 总体电路2.3.1 器件选择以及参数说明1、 方波-三角波部分和元件组成具有延迟作用的反馈网络，对输出波形的频率有直接影响，故我们在实电路的设计过程中选择了30nf的可变电容和100k 的可变电阻，实际运行时也却是实现了频率在1hz到1khz连续可变的效果。电阻R8的作用是调节输出波形的幅度，经过计算，我们选取了阻值为10k的电位器。2、 三角波-正弦波部

11、分该部分电路元器件选择的关键是组成低通滤波器的电容大小，根据有源低通滤波电路原理及其截至频率计算式，最终选取了400nf的电容。并联电阻用来降低通带放大倍数，通过运行，多次修改，最后选择了阻值为50k。2.3.2 总电路图以及功能实现 图2-7 总电路图以及功能实现2.4 设计不足和存在问题（1）设计之初，利用R1进行调频，调频范围很小。改进后，利用电位器R2以及可变电阻C4调节频率，频率能够很大程度上连续可调，但是可调频率范围是100Hz 20KHz，没有达到设计要求的0.02Hz 20KHz频率范围。（2）正弦波的失真率基本可以控制在5%之内，但是没有达到实验设计要求的小于1.5%。3 实

12、验所需的直流稳压电源的设计3.1 直流电源设计思路直流稳压电源的一般设计思路为：（1） 电网供电电压为交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源电压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。（2） 降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但是幅度变化大。（3） 脉动大的直流电压经过滤波电路变成平滑、脉动较小的直流电，即将交流成分滤掉，保留直流成分。（4） 滤波后的直流电压，再经过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳压直流电压输出，供给电压表。（5） 实验中所需要的直流电源为12到18V左右，可以设计可调电源，使其在可调范围之内。3.2 直流电源基本原理直流稳压

13、电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。直流稳压电源的基本结构及其各部分对应的波形变化如图3-1。图3-1 直流稳压电源基本原理结构框图3.2.1 变压电路 电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。变压器副边与原边的功率比为 P2/P 1=(3-1)式中，为变压器的效率。经变压器后，电压的波形图如下： 图3-2 变压电路及波形3.2.2 整流电路选用单相桥式整流电路。桥式整流利用二极管接成桥式电路（如图3-3所示），在正弦交流电压正负半周都有电流从同一方向流过负载，从而在负载上获得如图3-4所示中的 波形，这种方式成为全波整流。

14、单相桥式整流电路的实际电路仿真如图3-5所示，它用4个二极管组成了桥式电路。 图3-3 桥式整流典型电路结构 图3-4 电路中电压和电流波形图3-5 桥式整流实验电路 桥式整流电路相当于理想二极管，及正偏时导通，电压降为零，相当于理想开关闭合；反偏时截止，电流为零，相当于理想开关断开。在交流电压的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻R，故R上得到单方向全波脉动的直流电压。在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在输入电压的正半周期，D1和D3导通时，可将它们看成短路，这样D2和D4就并联在输入电压上。 同理D2和D4导通时，D1和D3截

15、止，其承受的反向峰值电压值，大小与上式相同。整流后电压波形图如图3-6。 图3-6 整流后电压波形图3.3.3 滤波电路 整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分(称为纹波电压)。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流部分。 在整流器的输出端并联一个电容器，就是电容滤波器，一个实际的单相桥式整流滤波电路图如图3-7。图3-7 单相式整流滤波电路其工作原理为:当负载R未接入时的情况，设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当输入电压V为正半周期时，V通过、向电容C充电，V为负半周期时，经D2 、D4向电容充电，充电电流方向相同。充电时间常数=RC .(

16、3-2)式中R为包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于R一般很小，故充电的时间常数也就很小，因此电容器上的电压很快充电到交流电压v的最大值1.414 。因而使整流二极管的外加要么为反向电压，要么为零电压；此时，电容器无放电回路，故输出电压V（即电容两端的电压）保持在1.414 ，输出为恒定的直流，如图3-8所示。图3-8 滤波后的电压波形滤波电路通常由电抗元件组成，由于电抗元件在电路中有储能的作用，并联的电容C在电源供给的电压升高时，可以把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，又可以把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用。滤波电路形式多种多样，依不同的划

17、分标准又可进行不同的分类，根据需要选择。在整流电路采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短，由于电容C充电的瞬时电流较大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够的电流余量，以免烧坏。3.3.4 稳压电路 3.3.4.1 三端集成稳压器三端集成稳压器分为固定式和可调式两种。在此选用LM317可调式三端集成稳压器。LM317三端可调正输出稳压器的输出电压范围为1.2-37V，最大输出电流为1.5A，最小输入输出电压差（Vi -Vo）min =3V,最大输入输出电压差（Vi -Vo）max=40V。 为保证稳压器能正常工作，对输入直流电压也有所要求，一般输入直流电压比输出直流电压

18、高出3-5V，不宜高出太多，高出太多会使稳压器功耗过大，易损坏稳压器。同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线电阻上产生误差。317系列集成稳压器的典型应用电路如图3-9。图3-9 317系列集成稳压器典型应用电路3.3.4.2 稳压器主要参数及测试方法（1）稳压系数SV当输出电流不变（ 且负载为确定值）时，输入电压变化将引起输出电压变化，则输出电压相对变化量于输入电压相对变化量之比，定义为稳压系数，用SV表示 SV =VOVi/ViVo (3-3) 测量时，如选用多位直流数字电压表，可直接测出当输入电压Vi 增加或 减少10%时，其相应的输出电压Vo 、Vo1 、Vo2，求出VO1、Vo2

19、,并将其中数值较大的VO 代入SV 表达式中。显然SV愈小，稳压效果愈好。（2）输出电阻RO输入电压不变，当负载变化使输出电流增加或减小，会引起输出电压发生很小的变化，则输出电压变化量与电流变化量之比，定义为稳压电源的输出电阻，用RO 表示。RO =VO /IL (3-4)式中IL =ILmax-ILmin (ILmax为稳压器额定输出电流，ILmin=0)。 测量时，令Vi=常数，用直接测量法分别测出Ilmax时的Vo1和ILmin=0时的VO2，求出VO，即可算出RO。（3）纹波电压纹波电压是指输出电压交流分量的有效值，一般为毫伏数量级。测量时，保持输出电压VO 和输出电流IL 为额定值，

20、用交流电压表直接测量即可。3.3 最后方案及完整电路按照通常的设计方案，经变压器变压获得所需的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，整流电路有四个二极管（IN4001）组成；在此脉动的直流电压中还含有较大的纹波，所以必须通过滤波电路加以滤除，选用两个2200uF/25V的电容用来滤波，从而可以得到平滑的直流电压。经滤波之后也并不能保证输出稳定的电压，它还会随电网电压波动、负载和温度的变化而变化，故在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路，这里采用LM317可变三端集成稳压器，稳压器内部含有过流、过热保护电路，用以稳定输出直流电压。R1 与R2 组成电压输出调节电路，输出电压Vo=

21、1.25(1+R1/R2) (3-5)R1的值为120240，流经R1的泄放电流为5mA10mA. R2为精密可调电位器，通过调节RP就能改变输出电压，通过最后调节得到能调的直流电压范围为1.2V26V。最后选用一个型号为IN4181的二极管作为保护二极管，当输入端短路时，给输出电容C一个放电通路，防止C两端电压作用于调整管的be结，击穿损坏稳压器。电容C3与R2并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管D的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。集成稳压器的输出电压VO与稳压电源的输出电压相同。稳压器最大允许电流Io max ,输入电压Ui的范围为：（）Ui （）ax (3-6)式中，为最

22、大输出电压；为最小输出电压；（）为稳压器的最小输入、输出电压差；（）ax为稳压器的最大输入、输出压差。 最后调试后完整直流稳压电路如图3-10。图3-10 完整直流稳压电路及实现4 参考文献1成立 杨建宁主编.模拟电子技术M 南京：东南大学出版社2010.72严雪萍 蒋彦主编.模拟电子技术实验教程M 北京：化学工业出版社2011.23王德杰主编.电子技术实验与实训教程M 东营：中国石油大学出版社 2010.44刘建成 严婕主编.电子线路实验教程M 北京：气象出版社 2004.15康凤兴主编.模拟电路实验M 北京：中央民族大学出版社 1999.126卓郑安主编.电路与电子实验教程及计算机仿真M 北京：机械工业出版社 2002.8