《模拟电子线路》实验指导书(仿真).doc

模拟电子线路 实 验 指 导 书仿真实验部分 编 写适用专业：通信工程 闽江学院计算机科学系 2010年7月前 言在现代通信控制，电子测量等众多领域，都广泛的应用电子技术。eda（电子设计自动化）技术的飞速发展，要求专业技术人员能较快地掌握该技术的应用。为了帮助广大同学更好地学习eda技术，我们编写了本实验指导书。本着快速掌握，即学即用和实用易学的目的，本书采用了理论从略、应用从祥的原则。本书包括模拟验证性实验，以完成一个实际应用为例，引导学生完成并掌握整个设计过程，实验由简单到复杂，由单一到综合，巩固和加强学生对基本理论的掌握，训练提高学生的基本设计能力；设计性实验，提出实验目的要求和实验内容及约束条件，设计方案、功能选择由学生自行拟定，以培养学生独立组织实验和创新设计的能力。本指导书适用通信工程专业，共包含五个实验，其中实验一至实验五为必做。目 录 1、实验一：multisim10的应用 12、实验二：单级阻容耦合放大电路133、实验三：差分放大电路194、实验四：集成运算放大电路的应用245、实验五：rc正弦波振荡电路13实验一：multisim10的应用实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的学习multisim仿真软件的使用方法。掌握电子元件的调用和连接，虚拟仪表的使用。二、实验内容熟悉multisim10的界面，练习输入编辑电路图，仿真，熟悉各种元器件，练习虚拟仪器的应用。三、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。四、实验条件安装multisim10软件的计算机。五、实验步骤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。一、 multisim概貌软件以图形界面为主，具有一般windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。1、multisim的主窗口界面。启动后，将出现如图1所示的界面。图1界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。2、菜单栏菜单中有一些与大多数windows平台上的应用软件一致的功能选项，如file，edit，view，options，help。此外，还有一些eda软件专用的选项，如place，simulation，transfer以及tool等。（1）place通过place命令输入电路图。命令功能place component放置元器件place junction放置连接点place bus放置总线place input/output放置输入/出接口place hierarchical block放置层次模块place text放置文字place text description box打开电路图描述窗口，编辑电路图描述文字replace component重新选择元器件替代当前选中的元器件place as subcircuit放置子电路replace by subcircuit重新选择子电路替代当前选中的子电路（2）simulate通过simulate菜单执行仿真分析命令。命令功能run执行仿真pause暂停仿真default instrument settings设置仪表的预置值digital simulation settings设定数字仿真参数instruments选用仪表（也可通过工具栏选择）analyses选用各项分析功能postprocess启用后处理vhdl simulation进行vhdl仿真auto fault option自动设置故障选项global component tolerances设置所有器件的误差（3）transfer菜单transfer菜单提供的命令可以完成multisim对其它eda软件需要的文件格式的输出。命令功能transfer to ultiboard将所设计的电路图转换为ultiboard（multisim中的电路板设计软件）的文件格式transfer to other pcb layout将所设计的电路图以其他电路板设计软件所支持的文件格式backannotate from ultiboard将在ultiboard中所作的修改标记到正在编辑的电路中export simulation results to mathcad将仿真结果输出到mathcadexport simulation results to excel将仿真结果输出到excelexport netlist输出电路网表文件（4）toolstools菜单主要针对元器件的编辑与管理的命令。命令功能create components新建元器件edit components编辑元器件copy components复制元器件delete component删除元器件database management启动元器件数据库管理器，进行数据库的编辑管理工作update component更新元器件3、工具栏multisim 2001提供了多种工具栏，并以层次化的模式加以管理，用户可以通过view菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭，再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏。通过工具栏，用户可以方便直接地使用软件的各项功能。（1）元器件（component）工具栏每一个按钮都对应一类元器件，其分类方式和multisim元器件数据库中的分类相对应。（2）instruments工具栏集中了multisim为用户提供的所有虚拟仪器仪表，用户可以通过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测。（3）用户可以通过zoom工具栏方便地调整所编辑电路的视图大小。（4）simulation工具栏可以控制电路仿真的开始、结束和暂停。二、 multisim对元器件的管理multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。multisim以库的形式管理元器件，通过菜单tools/ database management打开database manager（数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。 master库中存放的是软件为用户提供的元器件，user是为用户自建元器件准备的数据库。用户对master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中master时，窗口中对库的编辑按钮变成灰色。据此用户可以通过选择user数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。在master库中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到ultiboard中进行pcb的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。代表虚拟器件的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有，如下图所示。并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。在元器件类型列标中，虚拟元器件类的后缀标有virtual，如下图所示：三、 输入并编辑电路输入电路图是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真做准备。1、设置multisim的通用环境变量为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单option/global preferences打开preferences对话窗口，用菜单option/sheet properties打开sheet properties对话窗口，如下图所示。用户可以就电路符号标准、电路尺寸、缩放比例、是否显示网格、自动存储时间等内容作相应的设置。2、取用元器件（1）元器件可以从工具栏取用或从菜单取用。下面将以74ls00d为例说明。点击component工具栏中的按钮或通过place/ component菜单命令打开select a component窗口，如下图所示。其中包含的字段有database（元器件数据库），family（元器件类型列表），component（元器件名细表）等内容。（2）选中相应的元器件在family中选择74ls系列，在component中选择74ls00d。单击ok按钮就可以选中74ls00d，出现如下备选窗口。7400d是四/二输入与非门，在窗口中的a/b/c/d分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中，器件在电路图中显示的图形符号如下图所示。用户可以在上面的select a component窗口中的symbol框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后，用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了。3、将元器件连接成电路在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在multisim中连线的起点和终点不能悬空。四、 虚拟仪器及其使用对电路进行仿真运行，通过对运行结果的分析，判断设计是否正确合理，是eda软件的一项主要功能。为此，multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，可以从instruments工具栏，或用菜单命令（simulation/ instrument）选用这些仪表，如下图所示。在选用后，各种虚拟仪表都以面板的方式显示在电路中。下面介绍几种模拟电路实验中常用的虚拟仪器。1、 multimeter数字万用表可测量交直流电压、交直流电流、电阻及电路中两点的分贝损耗，可自动调整量程。下图为数字万用表的图标和操作界面。图标中+、-两个端子用来与待测设备的端点相连，在测量电阻和电压时应与待测端点并联，在测量电流时应串联在待测支路中。仪器界面上，上面4个按钮分别为选择测量电流、电压、电阻、分贝；中间两个按钮为选择测量交流（测量值为有效值），测量直流；下面set按钮用来对万用表内部参数进行设置，参数设置对话框如下图。可设置与电流表并联的内阻，与电压表串联的内阻，用欧姆表测量时流过该表的电流值，电流测量的显示范围，电压测量的显示范围，电阻测量的显示范围。2、 function generator函数信号发生器可提供正弦波、三角波、方波三种不同波形的信号的电压信号源。下图为函数信号发生器的图标和操作界面。+表示波形电压信号的正极性输出端；-表示波形电压信号的负极性输出端；common表示公共接地端。上面3个按钮选择三种周期信号。frequency设置输出信号频率；duty cycle设置输出信号占空比；amplitude设置输出信号幅度的峰值；offset设置输出信号的偏置电压值（就是把正弦波、三角波、方波叠加在设置的偏置电压上输出）。set rise/fall time用来设置方波信号的上升沿与下降沿的时间。3、 wattermeter 瓦特表（功率计）可测量电路的功率，交流和直流电路都可测量。下图为瓦特表的图标和操作界面。功率计有4个端子与待测设备相连接。左边v标记的两个端子测量电压，与待测设备并联；右边i标记的两个端子测量电流，与待测设备串联。power factor为功率因子，取值范围0 1。4、 oscilloscape 双通道示波器可测量信号的波形、幅度、频率等。下图为双通道示波器的图标和操作界面。示波器图标上有6个端子，a通道正负端、b通道正负端、外触发正负端。a（或b）通道的正端与待测点相连，测量的是该点与地之间的波形；若要测量器件两端的信号波形，将a或b通道的正负端与器件两端相连。示波器操作界面介绍：t1右侧的左右箭头可改变垂直光标1的位置。t2右侧的左右箭头可改变垂直光标2的位置。time项的数值从上到下分别为：垂直光标1的位置，垂直光标2的位置，两光标的位置差。channel_a项的数值从上到下分别为：垂直光标1处a通道的输出电压，垂直光标2处a通道的输出电压，两光标处电压差。channel_b项的数值从上到下分别为：垂直光标1处b通道的输出电压，垂直光标2处b通道的输出电压，两光标处电压差。reverse按钮改变显示区背景颜色。save按钮以ascii文件形式保存扫描数据。timebase区：设置x轴方向时间基线位置和时间刻度值。scale：设置x轴方向每一个刻度代表的时间。x position：设置x轴方向时间基线的起始位置。y/t按钮：x轴显示时间y轴显示电压的显示方式，即信号波形随时间变化的显示方式。add按钮：x轴显示时间，y轴显示a通道和b通道输入电压之和。b/a按钮：a通道信号作为x轴扫描信号，b通道信号值除以a通道信号值后所得信号作为y轴的信号输出。a/b按钮：b通道信号作为x轴扫描信号，a通道信号值除以b通道信号值后所得信号作为y轴的信号输出。channel a区：a通道设置。scale：y轴的刻度选择。y position：调整y轴方向的原点，即波形在y轴的偏移位置。ac按钮：仅显示信号的交流部分。0按钮：输出端接地，没有信号显示。dc按钮：显示信号直流部分与交流部分的和。trigger区：设置示波器的触发方式。edge：触发边沿的选择。level：设置触发电平的大小。type：设置触发模式。auto是不管是否满足触发条件都实时刷新波形；normal是满足触发条件才触发，否则波形静止不动，等待下一次满足条件；single是仅捕获第一次满足触发条件的波形，捕获后就停止。下图为示波器应用示例。5、 bode plotter 波特图示仪（频率特性测试仪）可测量电路的幅频特性和相频特性。下图为波特图示仪的图标和操作界面。图标上有4个端子，分别接电路的输入端和输出端。mode区：设置显示内容。magnitude：显示幅频特性曲线。phase：显示相频特性曲线。horizontal区：设置x轴显示类型和频率范围。log：采用对数坐标。lin：采用线性坐标。horizontal区：设置y轴显示类型。controls区：reverse：设置背景颜色。save：将测量以bod格式存储。set：设置扫描分辨率。下图为波特图示仪应用示例。（波特图仪本身是没有信号源的，在使用时应在电路的输入端口接入一个交流信号源或者信号发生器，且不必对其参数进行设置。）6、 meaturement probe 实时测量探针下图为实时测量探针应用示例。六、实验报告报告第一行必须写上“班级、姓名、座号、时间”，其中“时间”要跟实际实验时间一致。报告中写出实验目的、实验设备、实验内容（本次实验仅要求写出所完成内容的提纲，不要求写出具体步骤）。实验二：单级阻容耦合放大电路实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的学习用multisim仿真软件分析单级阻容耦合放大电路主要性能指标的方法。了解直流工作点分析方法。学会检查、测量、调整电路的工作状态。掌握测量放大器的电压放大倍数，测量输入输出电阻。二、实验内容静态工作点测试，电压放大倍数的测试，静态工作点变化对输出波形的影响，输入输出电阻测量。三、实验原理典型的静态工作点稳定的阻容耦合放大器如图1所示（分压偏置电路）。bir 图1一般只要满足： (1) (2)则静态工作点就有足够的温度稳定性。1、静态工作点和动态范围1）静态工作点的影响因素如果满足（1）式、（2）式，该电路的静态工作点可由下式近似估算得到： (3) (4) (5)可见，静态工作点与vcc、rc、re、rb1和rb2的取值均有关系，电路确定后，静态工作点是通过调节rb2（电位器）来调节的。2)静态工作点的设置对输出波形的影响静态工作点的位置设置对输出波形有很大影响，见图2，q点如果过低，将出现截止失真，过高则出现饱和失真，这些情况在实际电路中都应避免。 图23)静态工作点的测量静态工作点q电流、电压ubeq、ibq、 icq 和uceq可用万用表直接测得4)从图2可以看出，如果将静态工作点设置在负载线的中点附近，则基极输入电流允许有一个最大的变化范围，在这个范围内对应的输出电压也有一个最大的变化范围，即在这个范围内均不会发生截止和饱和失真，我们将位于负载线中点的静态工作点，叫做最佳静态工作点，这个电压变化范围叫做放大器的动态范围，这个最大不失真输出电压uom常用输出电压的峰-峰值uop-p来表示。对于一个放大器来说，静态工作点不一定要设置在最佳位置，这要视放大器本身所承担的任务而定。例如，作为放大器的前置级，所放大的信号很小，静态工作点设置得低一点，也不一定就会发生截止失真。这对放大器降低损耗、减小噪声是有好处的，但是在末级放大器，需要考虑有最大不失真电压输出时，才考虑设置最佳静态工作点。2、放大倍数放大倍数是反映电路对信号的放大能力的一个参数，低频放大器的电压放大倍数是指输入、输出电压有效值（或峰值）之比。图3图1的交流等效电路如图3所示。其中 ， 3、放大倍数的测量放大倍数必须在输入、输出电压波形不失真的情况下测量，通常有两种方法：1）直接用交流毫伏表测得输入、输出电压的有效值，然后求它们之比，此法一般适用于正弦信号时的测量。2）还可以用示波器测量输入输出电压的峰峰值，然后将此峰峰值之比取为电压放大倍数，此法不但适用于正弦信号，也同样适用于非正弦信号。4、放大器输入输出阻抗的测量1）输入阻抗的测量：测量输入阻抗的原理框图见图4所示。图4在输入回路串接一个已知值的电阻r，调整低频信号发生器的输出，使示波器出现不失真的波形，用交流毫伏表侧电压us和ui ，则2）输出阻抗的测量：测量输出阻抗的原理框图见图5所示。 图5先不接负载电阻rl，用示波器测输出端的开路电压uo，然后接上rl，再测出带负载的uol，由被测放大器的输出回路有： 。四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。五、实验条件安装multisim10软件的计算机。六、实验步骤1静态工作点的测试。 图6按图6所示电路调出所需元件，连接仿真电路。其中虚拟电位器”increment”栏设为1%，”resistance”栏设为220k。将电位器的的百分比调节到33%，用虚拟万用表测集电极电阻r3两端的直流电压，计算此时的icq ,再将万用表接入电路适当位置，测出uceq和ubeq，将测量结果填入表1。 表1urc (v)icq (ma)uceq (v)ubeq (v)2. 电压放大倍数的测试。删除万用表，调入信号发生器和双踪示波器，将信号发生器接到输入端，将示波器的两通道分别接到电路输入和输出端。信号发生器和示波器设置参考图7 图7读出输入和输出正弦波的幅值，并计算电压放大倍数，填入表2。在电路输出端再并联一个负载电阻r7（10k），重新读出输出正弦波幅值，算出电压放大倍数，填入表2。 表2rl(k)ui(mv)uo(mv)au3/103/53观察静态工作点变化对输出波形的影响。删除r7，改变电位器的百分比为17%左右时，观察波形，属于何种失真？将电位器的百分比调节到100%，并将信号发生器的信号幅度增加到30mv，观察波形，属于何种失真？ 4测输入输出电阻。删除示波器，将信号发生器幅度恢复到10mv，电位器的百分比恢复到33%。在放大器输入端串接一个5.1k电阻，再调出两只万用表，按图8所示电路接好。打开信号发生器以及两只万用表的显示面板，将万用表切换到交流电压档，增大信号发生器的幅度，大约在30mv左右时，xmm2的面板显示10mv左右（ui），这时读出xmm1的数据（us），将它们填入表3，求出输入电阻。 图8恢复仿真电路如图6，删除原负载电阻r5，电位器百分比调成33%，在示波器上读出空载时的输出电压uo，再将负载电阻r5接回到输出端，读出带负载时的输出电压uol，将它们填入表3，求出输出电阻。 表3us(mv)ui(mv)ri(k)uo(v)uol(v)ro(k)七、实验报告报告第一行必须写上“班级、姓名、座号、时间”，其中“时间”要跟实际实验时间一致。报告中写出实验目的、实验设备、实验内容、实验步骤。在报告中将实验步骤所列的3个表填好，并回答步骤3所提的问题。实验三：差分放大电路实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的学习用multisim软件对差分放大电路仿真。掌握差分放大器静态工作点的设置和测试方法。掌握差分放大器差模电压放大倍数的测试方法。二、实验内容静态工作点测试，单端输入单端输出差模电压放大倍数，双端输入单端输出差模电压放大倍数，单端输入双端输出差模电压放大倍数，双端输入双端输出差模电压放大倍数。三、实验原理差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。直接耦合放大电路有一个缺点，即零点漂移，严重时使放大器无法正常工作，为解决这一问题，可采用差分放大电路。差分放大电路的基本形式有3种：简单形式、长尾式和恒流源式。恒流源式差分放大电路如图1所示。 图1静态时，忽略t3的基极电流，则电阻r7上的电压为电阻r5上的电压为恒流管t3的静态电流为设两个放大管t1和t2的参数对称，则它们的静态电流和电压为：在恒流源式差分放大电路中，横流三极管代替长尾电阻，如三极管工作在线性放大区，则当集电极电压变化时集电极电流基本保持不变，在这个区域，三极管c、e之间的动态电阻很大，所以，横流三极管t3相当于一个阻值很大的长尾电阻，从而可以获得很强的共模负反馈，同时又不要求很高的负电源电压。由于恒流管引入的是共模负反馈，当加入差模输入信号时，两个放大管的集电极电流将一个增加，另一个减少，二者之和保持不变，因而，它们的发射极电位保持不变，相当于交流接地。如果在t1和t2的集电极之间接有负载电阻rl，则因为加上差模输入信号时，一个三极管的集电极电位降低，另一个三极管的集电极电位升高，rl中点的电位保持不变，即在rl/2处相当于交流接地，因此可认为每个三极管的集电极与地之间接有rl/2的负载电阻。如差分电路静态工作点为和，当输入直流差模信号时，输出电压为，输入信号为，则差模电压放大倍数为 共模电压放大倍数为 共模抑制比是衡量差分放大器对共模信号抑制能力的重要技术指标，定义为差模电压增益与共模电压增益的比: 四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。五、实验条件安装multisim10软件的计算机。六、实验步骤1建立如图2所示仿真电路。其中电位器r8取自虚拟元件库，并将它的”increment”栏设为1%，”resistance”栏设为”330”ohm。图22根据电路元件参数计算，（取），将它们填入表1中。表1电压或电流理论计算值测量值3. 打开仿真开关，记录各虚拟仪表显示的电流静态工作点数据并填入表1中，并与理论计算值比较。4. 删除图2中所有仪表，调出信号发生器和示波器，建立如图3所示电路。两台虚拟仪器的面板各栏设置参考图4所示。记录单端输入、单端输出差模电压、，从而得到差模放大倍数。图3图45. 将电路改为双端输入单端输出，测试。6将电路改为单端输入双端输出，测试。7. 将电路改为双端输入双端输出，测试。七、实验报告报告第一行必须写上“班级、姓名、座号、时间”，其中“时间”要跟实际实验时间一致。报告中写出实验目的、实验设备、实验内容、实验步骤。将实验步骤中所列的表填好，并给出各测试结果。实验四：集成运算放大电路的应用实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的了解用集成运放组成比例、求和电路的特点及性能。了解用集成运放组成电压比较器的特点及性能。掌握上述电路的测试和分析方法。二、实验内容反相比例放大器，反相求和放大电路，过零比较电路，同相滞回比较电路。三、实验原理在分析集成运放的各种应用电路时，常常将集成运放看作是理想的运算放大器。1. 理想运放工作在线性区时有两个重要特性：虚短和虚断。2. 集成运放工作在非线性区时有两个重要特性：1）输出电压值只有两种：2)不具有虚短特性，具有虚断特性。四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。五、实验条件安装multisim10软件的计算机。六、实验步骤1反相比例放大器。（1）调用“741”运放，如图1所示。图1（2）编辑反相比例放大仿真电路如图2所示。图2（3）先令电位器r1的百分比为5%，记下两个电压表（ui）和（uo）的值，填入表1中，再按表1中电位器r1的百分比要求完成仿真实验和记录，并与理论估算值比较。表1输入电压电位器百分比5%25%40%65%80%95%ui(v)输出电压计算值uo(v)测量值uo(v)2. 反相求和放大电路。编辑电路如图3所示，调节两个电位器的百分比按表2，将3个电压表的数据填入表2中，并根据表中数据计算电压放大倍数。图3表2电位器r1百分比90%30%电位器r2百分比55%10%输入电压ui1(v)输入电压ui2(v)输出电压uo(v)uo计算值3. 过零比较电路。调用1z6.2稳压管，如图4所示。编辑过零比较仿真电路如图5所示，信号发生器设置成幅值为1v，频率为500hz的正弦