仿真技术与应用过程作业及报告.doc

长沙航空职业技术学院电子技术应用专业仿真技术与应用（Multisim）过程作业及报告班级 电子0802 学号 19 姓名 杨泉 指导教师 欧 阳 红 2010年9月项目一 直流稳压电源的设计与仿真1、稳压电源的指标分析及仿真电路绘制长沙航空职业技术学院电源的指标分析工作卡编号1-1所属项目电源设计计划课时4 学时共 页 第 页所用器材设备及软件名称序号名 称型号（规格）数量序号软件名称版 本备 注1计算机11Multisim10.02串联直流稳压电源技术指标仿真分析报告1总体要求设计一个串联型直流稳压电源电路并进行仿真。2指标要求输入电源：单相（AC），220V10%，50HZ5%； 输出电压：DC：+3+12V，连续可调；输出电流：DC：0800mA；负载效应：5%；输出纹波噪声电压：Vop-p10mV（有效值）；保护性能：超出最大输出电流20%时立即截流保护；适应环境：温度：040，湿度：20%90%RH；3. 串联直流稳压电源原理框图设计满足设计指标要求的串联直流稳压电源应当具有几部分结构，原理框图如下：4电路方案形式的确定根据性能指标要求，确定电路的基本形式，采用桥式整流、电容滤波、组成的直流稳压电源，电路的基本形式如图1-1所示。图1-1 分立元件组成的直流稳压电路5.直流稳压电源的技术指标稳压电源的技术指标分为两类：一类是特性指标，另一类是质量指标。（1）特性指标 输入电压及其变化范围 本项目中要求稳压电源输入的是220V市电，并且要考虑市电可能存在约10%的波动，将输入电压范围定在200V240V。应当测试一下电源在输入电压波动的范围内能否稳压。输出电压及其调节范围 输出电压及调整范围决定了电源的适用范围，本项目中电源要求输出电压在312V内连续可调。在图1-1中，稳压电源的输出电压可通过Rp8调节，额定输出电流额定输出电流即直流稳压电源正常工作时的最大输出电流，它反映了电源带负载的能力，在本项目中，额定输出电流应为800mA。额定输出电流主要受两个方面的约束，一个方面是调整元件的最大允许电流和最大允许耗散功率，另一个方面还要考虑输出电压的稳定性。在设计过程中都应加以注意。（2）稳压电源的质量指标稳压系数KU稳压系数KU是指在负载电流和环境温度不变的条件下，稳压电源输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比，即 稳压系数表征了稳压电源对电网电压变化的抑制能力。电压调整率SU反映稳压电源对输入电网电压波动的抑制能力，也可用电压调整率表征。其定义为：负载电流IL及温度T不变时，输出电压UO的相对变化量与输入电压变化量的比值，即KU的单位是：%/V。KU和SU越小，稳压性能越好。电压调整率通常也表述为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化10时，输出电压的变化量，单位为mV。纹波系数K直流电源输出电压中存在着纹波电压，它是输出直流电压中包含的交流分量。常用纹波系数K来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，其定义为式中UO为输出直流电压中交流分量的总有效值，UO为输出直流电压。 输出电阻RO 当电网电压和温度不变时，稳压电源输出电压的变化量与输出电流的变化量之比定义为输出电阻，即 （）输出电阻表征了稳压电源带载能力的大小，RO越小，带负载能力越强。 负载效应负载效应是指仅当由于负载的变化而引起输出稳定量的变化的效应。对于直流稳压电源，负载效应指电网电压和温度不变时，从空载到满载时输出电压的相对变化量。即：负载效应 =6.绘制仿真电路原理草图根据电路的基本形式，在Multisim软件环境下绘制电源电路原理图7元件参数计算根据电路的基本形式及设计要求计算电路元件参数（1） 变压器选择变压器次级电压的计算考虑调整管VT1两端电压差大于3V以保证工作在放大区，整流滤波电路可能带来2V以下的电压波动，输出电压最高12V。整流滤波后电压最小值应为：2V3V12V=17。变压器次级输出电压U2min应该是：U2min17/1.2=14.2V。考虑电网电压可能下降10%，变压器次级额定电压至少为：U2min/0.9=14.2V0.915.7V选择输出电压18V的变压器。变压器功率的计算考虑电网电压上升10时，整流滤波后最高电压UC1max=1.11.218=23.76V。最大输出功率约为：23.76V800mA=19W,考虑变压器的效率约0.7，应选择输入端功率大于19/0.7=27W的变压器。 留一定余量，选定变压器18V/30W。（2） 整流二极管及滤波电容的选取a) 整流二极管VD1VD4选IN4007,其极限参数为VRM50V，IF=1A。满足2V2,IF=Iomax的条件。b) 滤波电容由纹波电压和稳压系数确定，可选3300uf4700uf的电容，这里选4700uf的电容。选取取样电路元件如图1-1所示，取样电路由R5、R6、RP8电阻所组成的分压器构成。调节RP8可改变输出电压的大小，当RP8滑到最左边的时候输出最大，滑到最右边时输出电压最小，其值分别为： 选取比较放大器比较放大器是一个高增益的直流放大器，其作用是将取样电压和基准电压进行比较后放大其差值，利用放大了的差值电压来控制调整管的管压降，使输出稳定的电压，可见，比较放大器的电压增益越高，调整的灵敏度也越高，输出电压越稳定。如图1-1所示，比较放大管Q4可选9013型号的三极管，R3是Q4的集电极负载电阻，又是复合调整管基极的偏流电阻其值为3K。选调整管调整管是稳压电路的核心，为使调整管有效的起到调整作用，应在任何情况下都使它工作在线性放大区，调整管集电极发射极间电压最低，其值为UCE（min）。要使调整管不进入饱和区，UCE（min）必须大于调整管饱和压降，一般取UCE（min）=（24）V0同时，为了保证负载开路时调整管不至于截至，通常取调整管的泄放电流为最大输出电流的2%左右。 由于调整管与负载串联，流过调整管的电流近似等于最大负载电流Io（max），因此调整管应选功率管。 当要求负载电流Io比较大而调整管又比较小时，可采用复合调整管，如图1-1所示，Q1为小功率管，Q2为大功率管，复合管的=12，要求复合管的驱动电流Ib=Io/12。其它电容的选择 C2是考虑到在市电电压降的时候，为了减小输出电压的交流成分而设置的，C3的作用是降低稳压电源的交流内阻和纹波，因此都可以选电解电容。参数确定后的串联直流稳压仿真电路图2、稳压电源原理图仿真测试长沙航空职业技术学院稳压电源原理图仿真测试工作卡编号1-2所属项目电源设计计划学时4学时共 页 第 页所用器材设备及软件名称序号名 称型号（规格）数量序号软件名称版本备注12串联直流稳压电源电路原理图仿真测试报告【指标测试】根据所设计的原理图，在Multisim环境下对要求的设计指标进行仿真测试。1.电压调整范围指标意义：本项目中要求稳压电源输入的是220V市电，并且要考虑市电可能存在约10%的波动，将输入电压范围定在200V240V。应当测试一下电源在输入电压波动的范围内能否稳压。输出电压及调整范围决定了电源的适用范围，本项目中电源要求输出电压在312V内连续可调。选择虚拟仪表：万用表测试步骤：（1）万用表正端接RL上端（节点3），万用表负端接RL下端（节点0）。（2）选择直流电压挡。（3）记录测试条件：负载RL= 。（4）调整RP1的滑动端到0%，万用表读数：12.115V， 调整RP1的滑动端到100%，万用表读数：2.05V。结论：电源输出电压的调整范围为：2.05V12.115V。2.最大输出电流指标意义：选择虚拟仪表：万用表测试步骤：（1）将输出电压调到12V，接上100的可调电阻。（2）将输出负载断开输出电流为零。（3）调节输出电阻使其输出电压下降5%时的电流值，即为最大输出电流值。Rp8的滑动端到1%，万用表1读数：12.12V，RL的滑动端到100%，万用表2读数：128.25mA，。调整Rp2的滑动端到16%，R1两端的电压调整到0.313V，在调节RL使其输出电压降5%，万用表1读数为：11.54V，RL的滑动端调到12%，输出电流的读数为：819mA。此电流为电源的最大输出电流，在加大电流输出电压不稳定。3.稳压系数指标意义：稳压系数Sr表示在负载电流和环境温度不变的条件下，输入电压的相对变化量UiUi与输出电压的相对变化量UoUo 之比，值愈大，反映稳压效果愈好，即稳定度愈高。选择虚拟仪表：万用表测试步骤：（1）接上负载使其保持负载电流不变，先调节自耦调压器使输人电压增加10%，即Vi=242 V ,（2）测量此时对应的输出电压V01=12.233V；此时的负载电流为242.229mA；（3）再调节自耦调压器使输入电压减少10%，即Vi= 198V，测量这时的输出电压V02=11.98V，此时的负载电流为242.515mA；（4）然后再测出Vi=220V时对应的输出电压V0=12.118V，此时的负载电流为242.353mA；则稳压系数结论：S=0.0144.电压调整率指标意义：电压调整率是输入电压的变化引起输出电压的相对变化量。变压器某一个绕组的空载电压和同一绕组在规定负载和功率因数时的电压之差与该绕组空载电压的比选择虚拟仪表：万用表测试步骤： 在额定输入电压下，当输出满载时，调整输出电阻，使流过的电流值约为最大值800mA，得满载时电阻值，保持这个电阻值不变，在对以上数据进行测量。电压调整率SU测试表额定输出电压U0电源电压Ui变动10%198V242V对应的输出电压U输出电压变化量U0电压调整率KU结论：5.纹波系数指标意义：反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力。选择虚拟仪表：万用表测试步骤：在额定220V输入电压下，输出满载时800mA时，调节Rp1的滑动端到100%，输出电压最大时为12V RL=100，用示波器观察输出波形，选择观察交流成分，所观察到的信号为纹波电压信号结论：纹波系数=8.1/12 =6.7510-46.输出电阻指标意义：输出电阻RO是指输入电压及环境温度不变的条件下，负载电流变化 IL引起输出电压变化UL的程度；也就是输出电压变化量U 与负载电流变化量I 的比值，输出电阻RO 愈小，稳压性能愈好。选择虚拟仪表：万用表测试步骤：在输入电压分别为220 V时，改变负载电阻值，测量相应的输出电流的变化量Io，读出相应的输出电压的变化量Uo，计算电源内阻r0结论：7.负载效应指标意义：对于直流稳压电源，负载效应指电网电压和温度不变时，从空载到满载时输出电压的相对变化量。选择虚拟仪表：万用表测试步骤：输入电压为额定值，输出空载时，输出电压U1为12.162V，调节负载为满载时（输出电流为800mA），输出电压U2为12.039V，调节负载为50%满载时，输出电压U0为12.096V.SR=(U-U0)/U0=(12.162-12.096)/12.096=0.0054U为U1和U2中相对U0变化较大的值。负载效应为0.5%负载效应测试表额定输出电压U0输入电流IO的变化0mA800mA对应的输出电压U输出电压变化量UO负载效应结论：综合以上的调试结果，此电路基本复合设计要求。【测试结论】经仿真测试，电路各项指标均符合要求。串联直流稳压电源原理图的材料清单Ultiboard（印刷电路板的绘制）：电源电路PCB板图项目二 音频功率放大器的设计与仿真1、音频功率放大器的指标分析及仿真电路绘制长沙航空职业技术学院音频功率放大器的指标分析工作卡编号2-1所属项目音频功率放大器的设计计划课时4 学时共 页 第 页所用器材设备及软件名称序号名 称型号（规格）数量序号软件名称版 本备 注112音频功率放大器技术指标仿真分析报告1总体要求设计一个音频功率放大器并进行性能仿真测试。2指标要求在放大通道的正弦信号输入电压幅度大于5mV、小于100mV，等效负载电阻RL为8时放大通道应满足以下条件。（1）额定输出功率Por2W； （2）带宽BW50Hz10KHz；（3）音调控制范围：在低音100Hz和高音10KHz处有12dB的调节范围；（4）在Por下和BW通频带内的非线性失真系数3%；（5）在Por下的效率55%（6）当前置放大器输入端交流短接到地时，RL=8上的交流躁声功率10mW。3. 音频功率放大器直流稳压电源设计要求稳压电源在输入电压220V,频率50Hz，电压变化范围+15%20%条件下满足：（1）输出电压为15V。（2）最大输出电流为0.1A。（3）电压调整率0.2%。（4）负载调整率2%。（5）纹波电压（峰-峰值）5mV。（6）具有过流及短路保护功能。4. 音频功率放大器原理框图设计满足设计指标要求的音频功率放大器应当具有几部分结构，原理框图如下：4音频功率放大器电路方案形式的确定根据性能指标要求，确定电路的基本形式，采用组成的音频功率放大器，电路的基本形式如图2-1所示。图2-1 元件组成的音频功率放大器5. 音频功率放大器的技术指标额定输出功率在满足规定的失真系数和整机频率特性指标以内，功率放大器所输出的最大功率为：P0=U20/RL; U0亦称为输出额定电压；静态功耗PQ指放大器处于静态情况下所消耗的电压功率；c) 效率放大器在达到额定输出功率时，输出功率P0对消耗电源功率PE的百分比，用表示=（P0/PE）100%d) 频率响应（带宽）在输入信号不变的情况下，输出幅度随频率的变化下降至中频时输出幅度的0.707倍时所对应的频率范围。音调控制范围为了改善放大器的频率响应，常对高、低频增益进行控制，如提升或衰减若干分贝，而对中频增益不产生影响。若未控制的输出幅度为U0，而控制后的输出为U01，则音调控制范围为2010（Au1/Au）e) 非线性失真在规定的频带内和额定输出功率状态下，输出信号中谐波电压有效值的总和与基波电压有效之比f) 噪声电压扩音机输入信号为0时，在输出端负载上测的电压有效值为噪声电压Un,噪声电压是扩音机内各种噪声经放大后的总和。g) 输入灵敏度保证扩音机在额定的输出功率时所需的输入信号。h)6.绘制仿真电路原理草图根据电路的基本形式，在Multisim软件环境下绘制音频功率放大器电路原理图7元件参数计算根据电路的基本形式及设计要求计算电路元件参数经过各项参数本电路中选用的是的功放管是TDA2030A。参数确定后的音频功率放大器仿真电路图2、音频功率放大器原理图仿真测试长沙航空职业技术学院音频功率放大器原理图仿真测试工作卡编号2-2所属项目音频功率放大器的设计计划学时4学时共 页 第 页所用器材设备及软件名称序号名 称型号（规格）数量序号软件名称版本备注12音频功率放大器电路原理图仿真测试报告【指标测试】根据所设计的原理图，在Multisim环境下对要求的设计指标进行仿真测试。1. 音频功率放大器的仿真测试（1）直流工作点分析（2）测量各级电压增益（3）最大不失真输出电压Vomax（或Vopp）（4）最大输出功率Por 指标意义：额定输出功率Por2W； 选择虚拟仪表：双踪示波器测试步骤：结论：（5）整机电路的频率响应指标意义：带宽BW50Hz10KHz；（6）整机高低音控制特性指标意义：音调控制范围：在低音100Hz和高音10KHz处有12dB的调节范围；（7）失真系数指标意义：在Por下和BW通频带内的非线性失真系数3%；（8）效率指标意义：在Por下的效率55%（9）噪声电压VN指标意义：当前置放大器输入端交流短接到地时，RL=8上的交流躁声功率10mW。（10）输入灵敏度Vimax2. 音频功率放大器直流稳压电源的仿真测试（1）输出电压范围指标意义：稳压电源在输入电压220V,频率50Hz，电压变化范围+15%20%条件下满足：输出电压范围为15V。选择虚拟仪表：万用表测试步骤：将万用表分别连到负载R17两端，调节RP10便可得到输出电压的范围（2）最大输出电流指标意义：最大输出电流为0.1A。选择虚拟仪表：万用表测试步骤：将万用表与R4串联在电路里面，然后调节RP10得出最大输出电流结论：Imax=0.98A；（3）电压调整率指标意义：电压调整率0.2%。选择虚拟仪表：万用表（4）负载调整率指标意义：负载调整率2%。选择虚拟仪表：万用表（5）纹波电压指标意义：纹波电压（峰-峰值）5mV。选择虚拟仪表：万用表（6）具有过流及短路保护功能。指标意义：选择虚拟仪表：万用表【测试结论】经仿真测试，电路各项指标均符合要求。音频功率放大器及电源电路材料清单Ultiboard（印刷电路板的绘制）项目三 数字钟的设计与仿真长沙航空职业技术学院数字钟的设计工作卡编号3-1所属项目数字钟的设计计划课时8 学时共 页 第 页所用器材设备及软件名称序号名 称型号（规格）数量序号软件名称版 本备 注112数字钟仿真分析报告1总体要求设计一个数字钟并进行性能仿真测试。数字钟的基本功能要求：（1）准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；小时的计时要求为“24翻1”，分和秒的计时要求为60进位；（2）具有手动校正时间的功能，可分