《Multisim及其在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》課件第10章

第10章Multisim在大學(xué)生電子競(jìng)賽中的應(yīng)用10.1低頻功率放大器(2009年全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽—高職高專(zhuān)組G題)10.2信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路(2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專(zhuān)題邀請(qǐng)賽C題)

Multisim作為一款常用的EDA仿真軟件在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中得到了廣泛的使用。本章作者結(jié)合多年指導(dǎo)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)分析2009年和2010年的兩道競(jìng)賽題，對(duì)Multisim在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作進(jìn)一步的介紹。

(2009年全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽—高職高專(zhuān)組G題)

10.1.1低頻功率放大器的設(shè)計(jì)要求及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1．任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低頻功率放大器，要求末級(jí)功放管采用分立的大功率MOS晶體管。10.1低頻功率放大器

2．要求

1)基本要求

(1)當(dāng)輸入正弦信號(hào)電壓有效值為5mV時(shí)，在8Ω電阻負(fù)載(一端接地)上，輸出功率不小于5W，輸出波形無(wú)明顯失真。

(2)通頻帶為20Hz～20kHz。

(3)輸入電阻為600Ω。

(4)輸出噪聲電壓有效值Uon≤5mV。

(5)盡可能提高功率放大器的整機(jī)效率。

(6)具有測(cè)量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號(hào)輸入時(shí))、直流電源的供給功率和整機(jī)效率的功能，測(cè)量精度優(yōu)于5%。

2)發(fā)揮部分

(1)低頻功率放大器通頻帶擴(kuò)展為10Hz～50kHz。

(2)在通頻帶內(nèi)低頻功率放大器失真度小于1%。

(3)在滿(mǎn)足輸出功率不小于5W、通頻帶為20Hz～20kHz的前提下，盡可能降低輸入信號(hào)幅度。

(4)設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻濾波器，阻帶頻率范圍為40～60Hz。在50Hz頻率點(diǎn)輸出功率衰減不小于6dB。

(5)其他。

3．說(shuō)明

(1)不得使用MOS集成功率模塊。

(2)本題輸出噪聲電壓定義為輸入端接地時(shí)，在負(fù)載電阻上測(cè)得的輸出電壓，測(cè)量時(shí)使用帶寬為2MHz的毫伏表。

(3)本題功率放大電路的整機(jī)效率定義為：功率放大器的輸出功率與整機(jī)的直流電源供給功率之比。電路中應(yīng)預(yù)留測(cè)試端子，以便測(cè)試直流電源供給功率。

(4)發(fā)揮部分(4)制作的帶阻濾波器通過(guò)開(kāi)關(guān)接入。

(5)設(shè)計(jì)報(bào)告正文中應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、主要測(cè)試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序用附件給出。

4．評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表10-1)

表10-1競(jìng)賽題一的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)10.1.2低頻功率放大器設(shè)計(jì)與Multisim仿真

1．方案設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)由前級(jí)小信號(hào)放大電路、前置及功率放大電路、檢測(cè)電路、單片機(jī)測(cè)量電路、LED數(shù)字顯示器等構(gòu)成。系統(tǒng)主要模塊如圖10-1所示。

圖10-1系統(tǒng)框圖

2)方案論證

(1)方案一：全部采用分立元件，如果電路選擇得好，元器件性能優(yōu)越，則性能指標(biāo)可能高過(guò)集成元件，但電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。

(2)方案二：前級(jí)放大電路采用合適的集成運(yùn)放電路，比如選擇集成運(yùn)放OP37，后級(jí)按題目要求采用大功率的MOS管。與方案一相比，本方案可以使后級(jí)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。

綜上所述，采用方案二能更好地完成本題目的要求。

2．電路設(shè)計(jì)與Multisim仿真

1)

前級(jí)小信號(hào)放大電路

根據(jù)題目要求，當(dāng)輸入正弦信號(hào)電壓有效值為5mV時(shí)，在8Ω電阻負(fù)載上，輸出功率不小于5W。由于輸出功率Po?=?(1/2)?×?(/RL)，則計(jì)算出Uom≥8.95V，即輸出電壓的有效值大于6.3V，那么整個(gè)系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)AV≥6.3/0.005

=

1260，即AV≥62dB?？紤]到整個(gè)系統(tǒng)的增益問(wèn)題，要留有一定的富余量，前級(jí)小信號(hào)放大電路的電壓放大倍數(shù)約取100倍，功放的前置放大電路的電壓放大倍數(shù)約為15倍，所以前級(jí)小信號(hào)放大電路采用由集成運(yùn)放OP37AL組成的放大電路實(shí)現(xiàn)。依據(jù)理論分析，前級(jí)小信號(hào)放大電路的仿真電路如圖10-2所示，其仿真結(jié)果如圖10-3所示。

圖10-2前級(jí)小信號(hào)電壓放大電路的仿真電路

圖10-3前級(jí)小信號(hào)電壓放大電路輸出波形從輸出波形圖可以看出，當(dāng)A通道的輸入正弦信號(hào)電壓有效值為5mV時(shí)，B通道的輸出信號(hào)幅度可以達(dá)到714.441mV(有效值約為505mV)，因此前級(jí)小信號(hào)放大電路的電壓放大倍數(shù)約為101倍，達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。

2)

前置及功率放大電路的設(shè)計(jì)

由于題目要求末級(jí)功放管采用分立元件，考慮到效率及失真度等因素，決定采用甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在兩個(gè)功率管加適當(dāng)?shù)幕鶚O偏置電壓，使兩管在靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)。動(dòng)態(tài)時(shí)，由于二極管D1、D2的交流電阻很小，管壓降接近零，因此對(duì)稱(chēng)管兩基極之間可視為等電位點(diǎn)，兩只管輪流導(dǎo)通，在負(fù)載上可得到完整的正弦波。整個(gè)系統(tǒng)功放的前置放大電路的電壓放大倍數(shù)約為15倍，末級(jí)功率放大部分采用IRF530和IRF9530組成對(duì)管，構(gòu)成的甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路如圖10-4所示，仿真輸出波形如圖10-5所示。

圖10-4甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

圖10-5功率放大電路仿真輸出波形

從輸出波形可以看出，當(dāng)A通道的輸入正弦信號(hào)電壓為699.337mV(有效值為500mV)時(shí)，B通道的輸出信號(hào)幅度可以達(dá)到10.501V(有效值約為7.42V)，因此前置及功率放大電路的電壓放大倍數(shù)約為15倍，達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。

3)

整機(jī)放大電路的設(shè)計(jì)

整機(jī)放大電路采用由OP37AL組成的兩級(jí)電壓放大電路，其功率放大部分用IRF530CF和IRF9530S組成對(duì)管。整機(jī)放大電路的Multisim仿真電路如圖10-6所示，仿真輸出波形如圖10-7所示。

圖10-6整機(jī)放大電路仿真電路

圖10-7整機(jī)放大電路仿真輸出波形從輸出波形可以看出，當(dāng)A通道的輸入正弦信號(hào)電壓為7.063mV(有效值為5mV)時(shí)，B通道的輸出信號(hào)幅度可以達(dá)到9.651V(有效值約為6.83V)，因此放大電路的電壓放大倍數(shù)約為1366倍，在8Ω電阻負(fù)載上，輸出功率不小于5W。所以該電路達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。

4)

帶阻濾波器設(shè)計(jì)(發(fā)揮部分，選做)

采用雙T型RC選頻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放構(gòu)成帶阻濾波器，帶阻頻率范圍為40～60Hz。為了使50Hz頻率點(diǎn)的輸出功率衰減最大(要求50Hz頻率點(diǎn)的輸出功率衰減不小于6dB)，根據(jù)公式f=

計(jì)算可知，若電阻R取68kΩ，則電容C取0.047μF。采用Multisim仿真的50Hz陷波電路如圖10-8所示，利用波特圖儀測(cè)量其幅頻特性如圖10-9所示。

圖10-850Hz陷波仿真電路

圖10-9陷波電路幅頻特性

5)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求，需要對(duì)電壓、電流、功率進(jìn)行測(cè)量并以數(shù)字形式顯示，而單片機(jī)采集的信號(hào)為直流信號(hào)，因此需要采用精密整流電路，為單片機(jī)提供合適的測(cè)試信號(hào)(保證整流輸出的電壓范圍為0～3.3V)。精密半波整流電路的Multisim仿真電路如圖10-10所示，仿真波形如圖10-11所示。

從輸出波形圖可以看出，C通道的輸出信號(hào)為2.721V，保證了整流輸出的電壓在0～3.3V范圍，能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)提供合適的測(cè)試信號(hào)，其結(jié)果達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。

圖10-10精密半波整流仿真電路

圖10-11精密半波整流電路仿真波形

6)

電源電路設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)需要±18V和3.3V的穩(wěn)定電壓。本設(shè)計(jì)采用LM337、LM1084提供±18V的穩(wěn)壓電源給放大電路，采用LM317提供3.3V的穩(wěn)定電壓給單片機(jī)供電。電路如圖10-12所示。

圖10-12電源電路

7)

顯示電路設(shè)計(jì)

顯示數(shù)據(jù)精度取百分位，那么本設(shè)計(jì)采用四位共陰極LED數(shù)碼管顯示。此類(lèi)顯示器的功耗較低，既可完全滿(mǎn)足本題所需顯示要求，又可降低成本，提高效率。

8)測(cè)量及顯示工作流程

精密半波整流電路為單片機(jī)提供了合適的測(cè)試信號(hào)，通過(guò)這些信號(hào)可以對(duì)電壓、電流、功率進(jìn)行測(cè)量和數(shù)字顯示。單片機(jī)的工作流程如圖10-13所示。

圖10-13單片機(jī)工作流程圖

3．樣機(jī)測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

采用Multisim仿真大大縮短了設(shè)計(jì)周期，為實(shí)際電路的設(shè)計(jì)搭建提供了理論依據(jù)。但是Multisim仿真都是按照理想情況處理信號(hào)的，而實(shí)際電路在許多時(shí)候是非理想情況，而且可能還會(huì)出現(xiàn)自激振蕩、焊點(diǎn)虛焊等問(wèn)題。

樣機(jī)測(cè)試采用的儀器設(shè)備包括KH4116失真器、DW3061(DT9205)數(shù)字萬(wàn)用表、DS1052E示波器、F40數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、DF2170A毫伏表。測(cè)量數(shù)據(jù)及方法如下。

1)功率和通頻帶測(cè)試

在功率放大電路輸出端加上8Ω負(fù)載，用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器F40在輸入端加上5mV正弦信號(hào)，調(diào)節(jié)兩個(gè)衰減電位器R10、R1，使輸出波形剛好不失真，用數(shù)字萬(wàn)用表DT9205測(cè)得輸出電壓，如表10-2所示。

表10-2功率測(cè)試數(shù)據(jù)(條件：RL?=?8Ω，Ui?=?5mV)

2)

失真度測(cè)試

方法：用失真器KH4116測(cè)量出失真度。測(cè)試數(shù)據(jù)如表10-3所示。表10-3失真度測(cè)試數(shù)據(jù)(條件：RL?=?8Ω，Ui?=?5mV)由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在通頻帶內(nèi)的失真度可以達(dá)到小于1%的指標(biāo)。

3)噪聲測(cè)量

把信號(hào)輸入端短路，用毫伏表測(cè)量輸出端電壓。測(cè)試數(shù)據(jù)如表10-4所示。表10-4噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)題目要求輸出噪聲電壓有效值Uon不大于5mV，由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，輸出噪聲基本達(dá)到要求。

4)

陷波電路

輸入電壓Ui?=

5V，用示波器觀察輸出波形得到如表10-5所示數(shù)據(jù)。表10-550Hz陷波測(cè)試數(shù)據(jù)題目要求阻帶頻率范圍為40～60Hz，在50Hz頻率點(diǎn)的輸出功率衰減不小于6dB。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，陷波電路已達(dá)到要求。

5)

效率

當(dāng)Uom?=

10.4V，f

=?500Hz，VDD=18V時(shí)，電源供給功率為

輸出功率為

效率為

4．總結(jié)

綜合上述測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)不僅完成了題目基本部分的要求，還較好地完成了題目發(fā)揮部分的要求，整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)自激，工作穩(wěn)定、可靠。

(2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專(zhuān)題邀請(qǐng)賽C題)

10.2.1信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路試題

1．任務(wù)

設(shè)計(jì)制作一個(gè)電路，能夠產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)合成為近似方波和其他信號(hào)。電路示意圖如圖10-14所示。10.2信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路

圖10-14電路示意圖

2．要求

1)基本要求

(1)方波振蕩器的信號(hào)經(jīng)分頻與濾波處理，同時(shí)產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz的正弦波信號(hào)，這兩種信號(hào)應(yīng)具有確定的相位關(guān)系。

(2)產(chǎn)生的信號(hào)波形無(wú)明顯失真，幅度峰峰值分別為6V和2V。

(3)制作一個(gè)由移相器和加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號(hào)，作為基波和3次諧波，合成為一個(gè)近似方波，波形幅度為5V。合成波形的形狀如圖10-15所示。

圖10-15利用基波和3次諧波合成的近似方波

2)發(fā)揮部分

(1)再產(chǎn)生50kHz的正弦信號(hào)作為5次諧波，參與信號(hào)合成，使合成的波形更接近于方波。

(2)根據(jù)三角波諧波的組成關(guān)系，設(shè)計(jì)一個(gè)新的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的10kHz、30kHz等各個(gè)正弦信號(hào)，合成為一個(gè)近似的三角波形。

(3)設(shè)計(jì)制作一個(gè)能對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量和數(shù)字顯示的電路，測(cè)量誤差不大于

5%。

(4)其他。

3．評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表10-6)

表10-6競(jìng)賽題二的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)10.2.2信號(hào)波形合成電路設(shè)計(jì)與Multisim仿真

1．方案設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由信號(hào)產(chǎn)生電路、分頻電路、濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路、移相電路、信號(hào)合成電路、檢測(cè)電路、單片機(jī)顯示模塊和直流穩(wěn)壓電源等構(gòu)成。

首先由振蕩電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，由分頻電路將其分頻為所要求的10kHz、30kHz、50kHz方波信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路變換為適用于合成的正弦波信號(hào)，然后正弦波信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行幅度調(diào)理、經(jīng)過(guò)移相電路進(jìn)行相位調(diào)整，最后合成為近似方波和三角波。在波形合成之前加入了測(cè)試與顯示電路，用于實(shí)現(xiàn)正弦波信號(hào)的幅值測(cè)試及結(jié)果的顯示功能，且保證測(cè)試誤差不大于±5%。

圖10-16系統(tǒng)框圖

2)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

系統(tǒng)采用了抗干擾措施來(lái)提高穩(wěn)定性，這些措施包括：系統(tǒng)大部分采用印制板，減小寄生電容和寄生電感，印制板采用銅板大面積接地，減小地回路；級(jí)間采用同軸電纜相連，避免級(jí)間干擾和高頻自激。這些措施大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2．電路設(shè)計(jì)與Multisim仿真

1)信號(hào)產(chǎn)生電路

方案一：采用N555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器。其頻率f?=?0.7(R1+2R2)C。

方案二：采用與非門(mén)(或者非門(mén))與RC反饋支路構(gòu)成多諧振蕩器。它由兩級(jí)與非門(mén)/非門(mén)和電容構(gòu)成，依靠電容的充放電引起輸入端閾值的變化來(lái)輸出矩形脈沖，其頻率f?=?。

方案三：采用ICL8038單片壓控函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生設(shè)計(jì)中要求的方波。改變ICL8038的調(diào)制電壓，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控調(diào)節(jié)，其振蕩范圍為0.001Hz～300kHz，且外圍電路較為簡(jiǎn)單，成本較低。

綜上所述，選擇方案三比較合適。

根據(jù)題目要求，波形合成需要10kHz、30kHz、50kHz的對(duì)稱(chēng)方波。因?yàn)?0、30、50的公倍數(shù)為150，而波形合成需要對(duì)稱(chēng)方波，所以振蕩電路需要產(chǎn)生 的脈沖信號(hào)。

現(xiàn)選擇以ICL8038為核心的信號(hào)發(fā)生電路，則輸出信號(hào)頻率與電路外圍電阻、電容的關(guān)系為

現(xiàn)選擇：RA?=

RB，則 。經(jīng)計(jì)算，

，C?=?680pF。

振蕩電路如圖10-17所示。

圖10-17ICL8038振蕩電路

2)分頻電路

既然信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的是脈沖信號(hào)，那么可采用計(jì)數(shù)器分頻，其電路簡(jiǎn)單且精度高。

15分頻、5分頻、3分頻電路由計(jì)數(shù)器74LS161實(shí)現(xiàn)，2分頻電路由D-FF實(shí)現(xiàn)，其原理如圖10-18所示。

采用Multisim進(jìn)行仿真的電路如圖10-19所示，其中“Key=A”為清零開(kāi)關(guān)。仿真輸出波形如圖10-20所示。

從輸出波形可以看出，當(dāng)輸入300kHz信號(hào)時(shí)，從B通道輸出10kHz信號(hào)，從C通道輸出30kHz信號(hào)，從D通道輸出50kHz信號(hào)，分頻結(jié)果達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。圖10-18分頻電路原理圖

圖10-19分頻電路仿真

`

圖10-20分頻電路仿真輸出波形

3)濾波電路

方案一：采用有源濾波器。有源濾波器可動(dòng)態(tài)濾除各次諧波，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全吸收，不會(huì)產(chǎn)生諧振。

方案二：采用LC濾波器。LC濾波器無(wú)需額外提供電源，但濾波電路較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，選擇方案一，由TL084低通濾波器實(shí)現(xiàn)濾波。

當(dāng)f?=?10kHz時(shí)，如果取L=1mH，則電容C?≈?253nF=(220+33)nF。采用Multisim進(jìn)行仿真濾波的電路如圖10-21所示，仿真輸出波形如圖10-22所示。

當(dāng)頻率為30kHz，取L=1mH，則可計(jì)算出30kHz濾波電路中的電容C大小。

當(dāng)頻率為50kHz，取L=1mH，則可計(jì)算出50kHz濾波電路中的電容C大小。

只要計(jì)算好電路中器件的參數(shù)，就可以設(shè)計(jì)出30kHz濾波電路和50kHz濾波電路。

圖10-21濾波仿真電路

圖10-22濾波電路的仿真輸出波形

4)信號(hào)調(diào)理電路

要合成近似方波，需借助傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式。方波信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為

由上式可以看出，基波、3次諧波、5次諧波是組成方波的主要頻率，即只需求出10kHz、30kHz、50kHz這三個(gè)頻率的相位和幅度信息，即可合成近似方波。那么上面的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式可以簡(jiǎn)化為所以，在合成方波時(shí)，要使基波、3次諧波、5次諧波的幅度滿(mǎn)足1∶1/3∶1/5的比例。

為了滿(mǎn)足波形合成的幅度要求，這里需要對(duì)三路正弦波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。這里假設(shè)10kHz基波的幅度為6V，則3次諧波的幅度為2V，5次諧波的幅度為1.2V?；ㄐ盘?hào)調(diào)理電路的Multisim仿真電路如圖10-23所示，仿真輸出波形如圖10-24所示。3次諧波信號(hào)調(diào)理電路和5次諧波信號(hào)調(diào)理電路的仿真與此類(lèi)似。

圖10-23基波信號(hào)調(diào)理電路仿真

圖10-24基波信號(hào)調(diào)理仿真輸出波形從輸出波形可以看出，B通道的輸出信號(hào)可以達(dá)到6.317V，達(dá)到了理論設(shè)計(jì)的要求。

同理，當(dāng)合成近似三角波時(shí)，三角波信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為：

其中，Um是三角波的幅值。不難得出所需的三個(gè)頻率的相位和幅度信息。簡(jiǎn)化后的三角波信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為由理論分析可知，基波、3次諧波、5次諧波也是組成三角波的主要頻率，在合成三角波時(shí)，要使基波、3次諧波、5次諧波幅度滿(mǎn)足1∶1/9∶1/25的比例。同樣為了滿(mǎn)足波形合成的幅度要求，這里也需要對(duì)三路正弦波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。這里假設(shè)10kHz基波的幅度為9V，則3次諧波的幅度為1V，5次諧波的幅度為0.36V?；ㄐ盘?hào)調(diào)理電路、3次諧波信號(hào)調(diào)理電路、5次諧波信號(hào)調(diào)理電路與圖10-23所示電路類(lèi)似。

5)移相電路

由于電路存在附加相移，由前面的理論分析可知，波形合成的初相為零，因此必須添加移相電路。這里采用簡(jiǎn)單的RC移相電路，利用開(kāi)關(guān)可選擇相位超前或滯后的信號(hào)?；?、3次諧波、5次諧波信號(hào)的移相電路如圖10-25所示，仿真輸出波形如圖10-26所示。

從輸出波形可以看出，B通道輸出信號(hào)的相位超前A通道，而C通道輸出信號(hào)的相位滯后A通道。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)調(diào)整相位，可使信號(hào)在合成時(shí)具有相同的初相。

圖10-25移相仿真電路

圖10-26移相電路仿真輸出波形

6)信號(hào)合成電路

采用由運(yùn)放構(gòu)成的反相加法器，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的合成，其電路簡(jiǎn)單。

(1)將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號(hào)作為基波和3次諧波，合成一個(gè)近似方波，采用Multisim仿真的電路如圖10-27所示，仿真輸出波形如圖10-28所示。

圖10-27基波和3次諧波合成方波仿真電路

圖10-28基波和3次諧波合成方波電路的仿真輸出波形

(2)將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號(hào)作為基波和3次諧波，再將產(chǎn)生50kHz的正弦信號(hào)作為5次諧波，參與信號(hào)合成，使合成的波形更接近于方波，采用Multisim仿真的電路如圖10-29所示，仿真輸出波形如圖10-30所示。

圖10-29基波、3次諧波和5次諧波合成方波仿真電路

圖10-30基波、3次諧波和5次諧波合成方波電路的仿真輸出波形

(3)根據(jù)三角波諧波的組成關(guān)系，將產(chǎn)生的10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號(hào)合成一個(gè)近似三角波形，采用Multisim仿真的電路如圖10-31所示，仿真輸出波形如圖10-32所示。

圖10-31三角波合成仿真電路

圖10-32三角波合成電路的仿真輸出波形

7)

檢測(cè)電路

根據(jù)題目要求，需要對(duì)各個(gè)正弦波信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量和數(shù)字顯示，而單片機(jī)采集的信號(hào)為直流信號(hào)，因此在典型精密全波整流的基礎(chǔ)上需設(shè)計(jì)改進(jìn)型精密全波整流電路，為單片機(jī)提供合適的測(cè)試信號(hào)。

系統(tǒng)中的檢測(cè)電路采用TL084BCD寬帶精密全波整流，該電路的整流頻率已達(dá)到

50kHz，且該電路的非線(xiàn)性誤差趨近于零，消除了二極管的死區(qū)，并具有較好的溫度穩(wěn)定性。采用Multisim仿真的電路如圖10-33所示，仿真輸出波形如圖10-34所示。從輸出波形可以看出，B通道的輸出信號(hào)為1.625V，保證了整流輸出的電壓在0～3.3V范圍內(nèi)，為單片機(jī)提供了合適的測(cè)試信號(hào)，其結(jié)果達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。

圖10-33精密全波整流仿真電路

圖10-34精密全波整流仿真輸出波形

8)測(cè)量及顯示設(shè)計(jì)

用單片機(jī)MSP430F169進(jìn)行檢測(cè)和顯示。其工作流程如圖10-35所示。

圖10-35系統(tǒng)測(cè)量及顯示流程圖

9)穩(wěn)壓電源

方案一：線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。線(xiàn)性穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型電路復(fù)雜，效率低，僅用于對(duì)調(diào)整速率和精度要求較高的場(chǎng)合；串聯(lián)型電路比較簡(jiǎn)單，效率較高，尤其是集成三端穩(wěn)壓器，更是方便可靠。

方案二：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率通常為幾十至幾百千赫，基波與很多諧波均在工作頻帶內(nèi)，極容易帶來(lái)串?dāng)_。綜上所述，選擇方案一中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，用以產(chǎn)生電路中所需的3.3V