電子電路設(shè)計及仿真

1、信息與電氣工程學院通信工程 CDIO一級項目設(shè)計說明書（ 2014/2015 學年第二學期）題 目 ： 電子電路設(shè)計及仿真班級組數(shù) ：學生姓名：學號：設(shè)計周數(shù)：14周2015年 5月 31日一、電源設(shè)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(shè)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(shè)計要求輸入： 220V，50Hz；輸出：直流5V(1 組)1.2 設(shè)計過程直流穩(wěn)

2、壓電源設(shè)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。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 。T整濾穩(wěn)負流波

3、壓載工頻交流脈動直流直流圖 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娦裕?把 50Hz 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

4、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(shè)備的需要。 因此，一搬在整流后， 還需利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。電容濾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

5、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

6、 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，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(shè)計2.1 設(shè)計要求文氏橋振蕩器；輸出：直流 1KHz2.2 設(shè)計過程正弦振蕩器原理RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性如圖2.1 。圖 2.1RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性RC選頻網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為：令： R1=R2=RC1= C2=CRC

7、串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)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(luò)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)正反饋網(wǎng)絡(luò)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 F 0，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，

8、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(luò)這一選頻特性，構(gòu)成了RC橋式正弦波振蕩電路。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。（ 2）選頻網(wǎng)絡(luò)：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(luò)：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。起振條件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

9、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(shè)計要求，可根據(jù)所測頻率的大小， 判斷出選頻網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)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

10、，而阻止其他頻率通過。3.1 設(shè)計要求設(shè)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(shè)計過程（包括電路圖）濾波器基本原理（ 1）濾波器是對輸入信號的頻率具有選擇性的一個二端口網(wǎng)絡(luò)，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

11、示 ) 的網(wǎng)絡(luò)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)， f 0 為中心頻率， f CL和 f CH分別為低端和高端截止頻率。Aup

12、Aup通帶阻帶阻帶通帶fCffCf阻帶通帶阻帶通帶阻帶通帶fCLf CHffCLf CHf圖 3.3各種濾波器的理想幅頻特性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

13、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(shè)計4.1 設(shè)計要求諧振頻率 : 1MHz4.2 設(shè)計過程電路連接如下計算：確定靜態(tài)工作點：由于發(fā)射極電流為 ICQIEQ=1.5mA0.15mA，則?。?IEQ=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

14、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/ICQ 1.7 k RE=URE/IEQ 0.7 k 求電阻 R1 和 R2：由于 IR2>>IBQ,所以可以取 IR2 IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ)UBEQ=0.7mV則有 :UR2=UBEQ+URE=1；.7VR2=UR2/IR2=17 kUR1=Vcc-UR2=3.3V；R1=UR1 /IR1=33k求電容：C1=10F;C2=10F;C3=10F由于諧振頻率 f=1MHz，則根據(jù)公式：

15、f=1/(2 LC)，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(shè)計5.1 設(shè)計要求單調(diào)諧諧振頻率 : 1MHz5.2 設(shè)計過程電路連接如下：計算為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/ （ 2 LC)=1MHz，則可大概取得L=400pH C=0.0625mF5.3 電路仿真將以上數(shù)據(jù)帶入，得到下圖:測試如

16、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(shè)計6.1 設(shè)計要求振蕩頻率 : 1MHz6.2 設(shè)計過程電路連接如下：計算確定靜態(tài)工作點：由于發(fā)射極電流為 ICQIEQ=1.5mA0.15mA，則?。?IEQ=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/ICQ 1.7 kRE=URE/IEQ0.7k求電阻 R1 和 R2：由于 IR2>>IBQ,所以可以取 IR2 IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ)UBEQ=0.7mV則有 :UR2=UBEQ+URE=1；.7VR2=UR2/IR2=17 kUR1=Vcc-UR2=3.3V；R1=UR1 /