電子電路設計及仿真

1、信息與電氣工程學院通信工程cdio一級項目設計說明書（2014/2015學年第二學期）題 目 ： 電子電路設計及仿真 班級組數(shù) ： 學生姓名 ： 學 號： 設計周數(shù) ： 14周 2015年5月31日一、電源設計直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，變壓器把市電交流電壓變成為直流電；經(jīng)過濾波后，穩(wěn)壓器在把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電流輸出。本設計主要采用單路輸出直流穩(wěn)壓，構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220v交流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實現(xiàn)固定輸出電壓5v。1.1設計要求1.1.1 輸入：220v，50hz；1.1.2 輸出：直流5v(1組)1.2設計

2、過程1.2.1直流穩(wěn)壓電源設計思路（1）電網(wǎng)供電電壓交流220v（有效值）50hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。（2）降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動大）。（3）脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。（4）濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負載rl。1.2.2直流穩(wěn)壓電源原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220v工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成，見圖1.1。圖

3、1.1 直流穩(wěn)壓電源方框圖其中（1）電源變壓器是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220v交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變化由變壓器的副邊電壓確定。（2）整流電路，利用二極管單向?qū)щ娦?，?0hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。電路圖如1.2。圖1.2整流電路圖 在u2的正半周內(nèi)，二極管d1、d3導通，d2、d4截止；u2的負半周內(nèi)，d2、d4導通，d1、d3截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過的負載電阻rl，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖1.3所示圖1.3輸出波形圖（3）濾波電路整流電路輸出電壓雖然是單一方向的，但是含有較大的交流成分，不能適應大多數(shù)電子電路及設備的需要。因此，一

4、搬在整流后，還需利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸ｋ娙轂V波是最常見的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容即構(gòu)成電容濾波電路，如圖1.4所示。圖1.4濾波電路濾波電容容量較大，因而一般均采用電解電容，本次我們選用4700uf的電容。電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用.在脈動直流波形的上升段,電容c充電,由于充電時間常數(shù)很小,所以充電速度很快;在脈動直流波形下降段,電容c放電,由于放電時間常數(shù)很大,所以放電速度很慢.在c還沒有完全放電時再次開始進行充電.這樣通過電容c的反復充放電實現(xiàn)了濾波作用,使輸出電壓趨于平滑，得到工作波形如圖1.5所示。 圖1.5電容濾波電路中

5、二極管的電流和導通角（4）穩(wěn)壓電路雖然整流網(wǎng)電壓波動時能將正弦交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網(wǎng)電壓波動時輸出電壓也將隨之波動；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻存在，負載變化時，內(nèi)阻上電壓將產(chǎn)生電壓，于是輸出電壓也將隨之產(chǎn)生相反變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采用穩(wěn)壓措施。1.3電路仿真繪制電路圖如圖1.6所示。圖1.6 5v穩(wěn)壓電源電路仿真1.4電路調(diào)試注意，因為大容量電解電容由一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸出端常并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效應，抑制高頻干擾。如圖1.7所示，

6、并入一個100nf的小電容來抵制干擾。圖1.7 5v穩(wěn)壓電源電路1.5電路指標測試電路仿真穩(wěn)定后得到圖1.8所示5v穩(wěn)壓源圖1.8 5v穩(wěn)壓電源電路測試結(jié)果二、rc振蕩器的設計2.1設計要求 2.1.1 文氏橋振蕩器；2.1.2輸出：直流1khz 2.2設計過程2.2.1rc正弦振蕩器原理rc串并聯(lián)網(wǎng)絡及其頻率特性如圖2.1。圖2.1rc串并聯(lián)網(wǎng)絡及其頻率特性rc選頻網(wǎng)絡的傳輸函數(shù)為： 令： r1=r2=rc1= c2=crc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡具有選頻作用，它的頻率響應特性由明顯的峰值。反饋網(wǎng)絡的反饋系數(shù)為： 令o=1/rc，則上式為 由此可得f的幅頻特性為f的相頻特性為由上式可得rc串并聯(lián)正反饋

7、網(wǎng)絡的幅頻特性和相頻特性的表達式和相應曲線如上圖2.2。由特性曲線圖可知，當01/rc時，正反饋系數(shù)|f|達最大值為1/3，且反饋信號uf與輸入信號u同相位，即f0，滿足振蕩條件中的相位平衡條件，此時電路產(chǎn)生諧振01/rc為振蕩電路的輸出正弦波的角頻率， 即諧振頻率fo為 當輸入信號vi的角頻率低于0時，反饋信號的相位超前，相位差f為正值；而當輸入信號的角頻率高于0時，反饋信號的相位滯后，相位差f為負值。正是利用rc串并聯(lián)網(wǎng)絡這一選頻特性，構(gòu)成了rc橋式正弦波振蕩電路。2.2.2rc正弦振蕩的電路組成（1）放大電路：保證電路能夠從起振到動態(tài)平衡的過程，是電路獲得一定幅值的輸出量，實現(xiàn)能量的控制

8、。（2）選頻網(wǎng)絡：確定電路的振蕩頻率，是電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩。（3）正反饋網(wǎng)絡：引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于反饋信號。（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用使輸出信號幅值穩(wěn)定。2.2.3起振條件2.2.4rc正弦波振蕩電路原理圖rc正弦波振蕩電路原理圖2.2。圖2.2 rc正弦波振蕩原理圖2.3電路仿真根據(jù)原理圖連接得到得到圖2.3所示正弦波振蕩電路圖。圖2.3正弦波2.4電路調(diào)試調(diào)整r4使輸出波形為最大且失真最小的正弦波。若電路不起振，說明振蕩的振幅條件不滿足，應適當加大r4的值；若輸出波形嚴重失真，說明r4太大，應減小r4的值。當調(diào)出幅度最大且失真最小的

9、正弦波后，可用示波器或頻率計測出振蕩器的頻率。若所測頻率不滿足設計要求，可根據(jù)所測頻率的大小，判斷出選頻網(wǎng)絡的元件值是偏大還是偏小，從而改變r或c的值，使振蕩頻率滿足設計要求。2.5電路指標測試 經(jīng)過電路調(diào)試后得到輸出波形如圖2.4。圖2.4rc振蕩電路輸出波形三、濾波器的設計對于信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止其他頻率通過。3.1設計要求 設計無源和有源濾波器低通（包括無源和有源）：高通（包括無源和有源）：截至頻率: 低通1khz截至頻率: 高通10mhz3.2設計過程（包括電路圖）3.2.1濾波器基本原理（1）濾波器是對輸入信號的頻率具有

10、選擇性的一個二端口網(wǎng)絡，它允許某些頻率(通常是某個頻帶范圍)的信號通過，而其它頻率的信號受到衰減或抑制。（2）若濾波電路僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。若濾波電路由無源元件和有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）共同組成則稱為有源濾波電路。無源濾波電路如圖3.1圖3.1無源濾波電路無源濾波器(如圖3.1所示)的網(wǎng)絡函數(shù)h(j)，又稱為傳遞函數(shù)。有源濾波電路如圖3.2圖3.2有源濾波電路圖3.2所示的有源濾波電路的通帶放大倍數(shù)、截止頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為（3）根據(jù)幅頻特性所表示的通過或阻止信號頻率范圍的不同，濾波器可分為低通濾波器(lpf)、高通濾波器(hpf)、帶通濾

11、波器(bpf)和帶阻濾波器(bef)四種。我們把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，把阻止通過或衰減的信號頻率范圍定義為阻帶。而通帶與阻帶的分界點的頻率f，稱為截止頻率或稱轉(zhuǎn)折頻率。圖3.3中的aup 為通帶的電壓放大倍數(shù)，f0為中心頻率，fcl和fch分別為低端和高端截止頻率。 aup aup 通帶 阻帶 阻帶 通帶 fc f fc f 阻帶 通帶 阻帶 通帶 阻帶 通帶 fcl fch f fcl fch f 圖3.3 各種濾波器的理想幅頻特性3.2.2濾波器實驗電路有源濾波器和無源濾波器的實驗線路圖如圖3.4。圖3.4有源濾波器和無源濾波器的實驗線路3.3電路仿真根據(jù)實驗線路圖連接電路，用

12、multisim仿真得到圖3.5，圖3.6，圖3.7和圖3.8圖3.5 無源低通濾波器圖3.6 無源高通通濾波器圖3.7 有源低通通濾波器圖3.8 有源高通通濾波器3.4電路調(diào)試用波特測試儀測量濾波器，進行調(diào)試，改變電阻或電容使低通截至頻率達到1khz。高通截止頻率到10mhz。3.5電路指標測試經(jīng)過調(diào)試電路指標達到要求，如圖3.9，圖3.10，圖3.11和圖3.12。圖3.9無源低通濾波器波特測試圖3.10無源高通濾波器波特測試圖3.11有源低通濾波器波特測試圖3.12有源高通濾波器波特測試四、高頻小信號諧振放大電路設計4.1設計要求 4.1.1諧振頻率: 1mhz4.2設計過程4.2.1

13、電路連接如下4.2.2計算： 確定靜態(tài)工作點：由于發(fā)射極電流為0.15ma，則取：ieq=1.5maicqieq=1.5ma 由于所取三極管的為150則： ibq=ieq/150=0.01maure在vcc未給出時取值一般為12v,在vcc已經(jīng)給出時取0.1vcc，這里給出vcc為5v，則：ure=0.1vcc=1vucq=0.5vcc=2.5v, urc=0.5vcc=2.5v求電阻:求rc(r3)和re(r4)：rc=urc/icq1.7 k re=ure/ieq0.7 k求電阻r1和r2：由于ir2>>ibq,所以可以取ir2ir1=vcc/(r2+r1)=0.1mv(取10

14、ibq)ubeq=0.7mv 則有:ur2=ubeq+ure=1.7v； r2=ur2/ir2=17 kur1=vcc-ur2=3.3v； r1=ur1 /ir1=33 k求電容：c1=10f; c2=10f; c3=10f由于諧振頻率f=1mhz，則根據(jù)公式：f=1/(2lc)，得到c3=500pf l=0.05mhus=1v，vcc=5v，c1=10uf，c2=10uf，4.3電路仿真 4.4電路調(diào)試由于失真有些嚴重，經(jīng)過調(diào)節(jié)，得到下圖4.5電路指標測試五、高頻諧振功率放大電路設計5.1設計要求 5.1.1 單調(diào)諧諧振頻率: 1mhz5.2設計過程 5.2.1電路連接如下：5.2.2計算為

15、使此高頻功率諧振放大電路工作在丙類下，則： vbb取0.01v 內(nèi)阻取1k，rs=r2=1 k由于為放大電路，則取us=1v,頻率f=1mhz根據(jù)f=1/（2lc)=1mhz，則可大概取得l=400ph c=0.0625mf5.3電路仿真 5.3.1將以上數(shù)據(jù)帶入，得到下圖: 5.3.2測試如下：5.4電路調(diào)試由于在數(shù)值上l應該大于c，所以經(jīng)過調(diào)試，得到下圖:5.5電路指標測試六、lc振蕩電路設計6.1設計要求 6.1.1 振蕩頻率: 1mhz6.2設計過程 6.2.1電路連接如下：6.2.2計算確定靜態(tài)工作點：由于發(fā)射極電流為0.15ma，則?。篿eq=1.5maicqieq=1.5ma 由

16、于所取三極管的為150則： ibq=ieq/150=0.01maure在vcc未給出時取值一般為12v,在vcc已經(jīng)給出時取0.1vcc，這里給出vcc為5v，則：ure=0.1vcc=1vucq=0.5vcc=2.5v, urc=0.5vcc=2.5v求電阻:求rc(r3)和re(r4)：rc=urc/icq1.7 k re=ure/ieq0.7 k求電阻r1和r2：由于ir2>>ibq,所以可以取ir2ir1=vcc/(r2+r1)=0.1mv(取10ibq)ubeq=0.7mv 則有:ur2=ubeq+ure=1.7v； r2=ur2/ir2=17 kur1=vcc-ur2=3.3v； r1=ur1 /ir1=33 k求電容