模电课设二阶带通滤波器频率特性仿真分析与彩灯电路自激多谐振荡电路

1、1 课程设计的目的与作用 1.1总体方案的选择 在方案的选择：根据彩灯控制设计的情况，参考各方面的参考书，大多是运用集成芯片控制.单片机控制和自激震荡电路， 故提出以下三种电路：220V交流电压彩灯电路集成芯片比较控制直流稳压电源方案一：选用集成芯片控制 图1.1.1设计流程图此构思主要用芯片控制电路使的电路中的彩灯能够闪烁。彩灯电路单片机控制电路直流稳压电源220V交流电压方案二：选用单片片及控制 图1.1.2设计流程图 此构思主要利用单片机对电路进行控制实现电路的循环控制彩灯电路方案三：选用自激振荡电路220V交流电压自激多谐振荡器直流稳压电源 图1.1.3设计流程图 运用模电知识实现彩灯

2、效果1.2 课程设计的作用 综合以上三种方案：方案一中运用的是集成芯片对电路进行控制，此种电路 不能在模拟仿真软件上运行，且实验室里不一定有现成的芯片，还不能彻底理解 电路的原理，故不选此方案。方案二运用的是单片机控制电路，这种方案最常用， 但是要编程序做成芯片，但现在还没学单片机，故不支持用此种做法。方案三运用的是模拟电子的知识，所有原器件都能在实验室找到，结构清晰，原理易懂。因此，最终确定的方案为方案三和各步骤的方案如下：1.运用二极管组成单相桥式整流电路2.电容滤波电路。3.用三块三极管搭成自激多谐振荡器，达到交替导通和截止的目的4.彩灯电路。2 设计任务及所用Multisim软件环境介

3、绍2.1 Multisim软件环境介绍 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以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。Multisim 10 启动画面图工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图

4、捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。突出优点：1. 通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路2. 通过交互式SPICE仿真, 迅

5、速了解电路行为 3. 借助高级电路分析, 理解基本设计特征 4. 通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试5. 通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间2.2 Multisim软件界面介绍 Multisim 10主界面。启动Multisim，就会看到其主界面，主要是由菜单栏、系统工具栏、设计工具栏、元件工具栏、仪器工具栏使用中元件列表、仿真开关、状态栏以及电路图编辑窗口等组成。如图2.3.1所示。 图2.2 .1 Multisim软件编辑窗口Multisim 10提供了丰富的元器件。这些元器件按照不同的类型和种类分别存放在若干个分类库中。这些元件包括现实元件和虚拟元件。数的典

6、型值确定。型参数是根据这种元件各种元件各种型号参数的典型值，而不是某一种特定型号的参数典型值确定。另外，Multisim 10元件库中还提供一种3D虚拟元件，这种元件以三维的方式显示，比较形象、直观.。Multisim 10容许用户根据自己的需要创建新的元器件，存放在用户元器件库中。如图2.1.2所示。Multisim 10提供了品种繁多、方便实用的虚拟仪器。比如数字万用表、信号发生器、示波器等17种虚拟仪器。点击主界面中仪表栏的相应的按钮即可方便地取用所需的虚拟仪器如图2.1.3所示。图2.2.2 用户元器件库图 图2.2.3 虚拟仪器图示Multisim 10提供了各种不同功能的分析工具。

7、点击分析按钮，即可拉出分析菜单，其中列出了Multisim 10的各种分析工具，例如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析等。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，如图2.3.4所示的界面。 图2.2.4 元器件库图示2.3设计任务：二阶带通滤波器频率特性仿真分析与彩灯电路 单相桥式整流电路当电流电压处于U2的正半周时变压器的二次绕组的a端电压高于b端电压VD1,VD3,在正向电压作用下导通，VD2,VD4在反向电压下截止，电流从变压器的二次绕组的a端发出，经VD1, Rl, VD3,由b端返回构成通路。有电流流过负载电阻Rl，输出

8、电压U0= U2。 电容滤波电路就是在负载两端并联一只电容组成。整流后的波形含有直流和交流两种成分，题目中需要直流电，则必须把交流成分滤掉，电容器是一种储能元件，具有吞吐能量的能力。电容器具有通交流.隔直流的特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分短路滤掉。 自激多谐振荡电路由6只电阻、三只电容、三只二极管和三只三极管组成,R1=R2=R3=

9、51千欧姆,R4=R5=R6=51欧姆, C1=C2=C3=47微法；三只二极管的型号是1N4001,三只三极管型号为：2N222A。自激多谐振荡电路主要由Q1Q3组成，他们组成三级共发射极电路放大器，由于电容C1C3的耦合作用而产生振荡，电路振荡后三极管Q1Q3均处于开关工作状态，并在导通状态与截止状态之间进行周期性翻转。但在任何时刻总有一只三极管处于导通状态，另两只三极管处于截止状态。此时若导通的那一路是Q3路，则 电容C3开始放电，电容C2开始充电达到能导通D2时，X5,X6就熄灭了，X3,X4 就闪烁了，以此类推，三路灯依次循环不停的闪烁。由于主控电路的三只三极管的开关状态不断翻转，所

10、以三路彩灯X1X6也就依次点亮与熄灭。3 电路模型的建立3.1单相桥式整流电路 单相桥式整流电路，有电源变压器T,整流二极管VD1,VD2,VD3,VD4，和负载Rl,组成， 与全波整流电路一样，变压器将电网交流电压转化成整流电路所需的交流电压，设U2=1.414U2sinwt。 当电流电压处于U2的正半周时变压器的二次绕组的a端电压高于b端电压VD1,VD3,在正向电压作用下导通，VD2,VD4在反向电压下截止，电流从变压器的二次绕组的a端发出，经VD1, Rl, VD3,由b端返回构成通路。有电流流过负载电阻Rl，输出电压U0= U2。 当电源电压U2的负半周时，变压器二次绕组的b端电位高

11、于a端电位，VD4, VD2,在正向电压作用下导通，VD1, VD3,在反向电压作用下截止，电流从变压器二次绕组 的 b端出发，经VD2, Rl,VD4回到a端。有电流通过负载Rl，输出电压U0= U2。 由此可见，在交流电压U2的整个周期内，整流器件在正，负半周期内各导通一次，负载Rl始终有电流流过而且保持为同一方向，得到两个半波电压和电流。所以，桥式整流电路为电路整流再好不过了。 图3.1单相桥式整流电路电路图3.2滤波电路 电容滤波电路就是在负载两端并联一只电容组成。整流后的波形含有直流和交流两种成分，题目中需要直流电，则必须把交流成分滤掉，电容器是一种储能元件，具有吞吐能量的能力。电容

12、器具有通交流.隔直流的特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分特性，电容滤波电正是利用这一特性，利用电容充.放电方法，把整流后的交流成分短路滤掉。 在电源的正半周，二级管道通，一方面给负载Rl供电；另一方面对电容器C进行充电。充电时间常数T1=2RdC,其中Rd为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压Uc与上升的正弦电压U2一致，U0=UcU2，当Uc充电到U2的最大值1.414U2时，U2开始下降，且下降速率

13、加快。当U2<Uc时，4个二极管均截止，电容C经负载Rl放电，放电时间常数T2=RlC故放电较慢同理，在电源负半周，电路重复上述其过程。负载两端的输出电压波形如下所示通过滤波前后对比，经过电容滤波，把交流成分滤掉。电容滤波后，输出电压U0=(1.2-1.4)U2范围，滤波电容是几十微法的电解电容，耐压值应高于1.414U2。 图3.2电容滤波电路和单相桥式整流电路的整合图3.3二阶带通滤波器电路模型的建立在Multisim中构建二阶带通滤波器电路模型，电路参数为=51k，=30k,=15k，=75k,=2200pF，VCC=15V,VEE=-15V,集成运放采用741模型。由二阶带通滤波

14、器电路的工作原理及课程设计的基本要求，在Multisilm软件中建立电路模型如图3.3所示： 图3.3二阶带通滤波器电路仿真模型图3.4自激多谐振荡电路 自激多谐振荡电路由6只电阻、三只电容、三只二极管和三只三极管组成,R1=R2=R3=51千欧姆,R4=R5=R6=51欧姆, C1=C2=C3=47微法；三只二极管的型号是1N4001,三只三极管型号为：2N222A。自激多谐振荡电路主要由Q1Q3组成，他们组成三级共发射极电路放大器，由于电容C1C3的耦合作用而产生振荡，电路振荡后三极管Q1Q3均处于开关工作状态，并在导通状态与截止状态之间进行周期性翻转。但在任何时刻总有一只三极管处于导通状

15、态，另两只三极管处于截止状态。此时若导通的那一路是Q3路，则 电容C3开始放电，电容C2开始充电达到能导通D2时，X5,X6就熄灭了，X3,X4 就闪烁了，以此类推，三路灯依次循环不停的闪烁。由于主控电路的三只三极管的开关状态不断翻转，所以三路彩灯X1X6也就依次点亮与熄灭。 由自激多谐振荡电路的工作原理及课程设计的基本要求，在Multisilm软件中建立电路模型如图3.4所示： 图3.4自激多谐振荡电路图4 理论分析及计算4.1二阶带通滤波器带通滤波器的作用是允许某一段频带范围内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。带通滤波器经常用于抗干扰设备中，以便于接收某一频带范围内的有效信号，而消除高

16、频段和低频段的干扰和噪声。从原理上说，将一个通带截止频率为的低通滤波器与一个通带截止频率为的高通滤波器串联起来，当满足条件时，即可构成带通滤波器。当输入信号通过电路时，低通滤波器将的高频信号阻断，而高通滤波器将的低频信号阻断，最后，只有频率范围在的信号才能通过电路，于是电路成为一个带通滤波器，其通过频带等于-。根据以上原理组成的带通滤波器的典型电路如图4.1。图4.1 带通滤波器典型电路图输入端的电阻和电容组成低通电路，另一个电容和电阻组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端。输出端通过电阻引回一个反馈，当=2，=时，可求得带通滤波器的电压放大倍数为式中其中，为中心频率，为通带电压放

17、大倍数，为输出电压放大倍数，为品质因数。根据公式可估算出图3.1所示电路的各项参数如下：=4.82kHz=4.67=2.47=1.894.2总电路图 总电路图是由单相桥式整流电路.电容滤波电路和自激多谐振荡电路三组电路图连接而成。 4.2.彩灯控制总电路图原理：该电路由电容滤波电路.单相桥式整流电路和自激振荡电路组成，市网电压220V电压加到电路上，经VD2形成半波整流，给C1-C3充电，当期电压达到一 定时，VT1导通, 由于晶体管参数的差异合上电源后，例如晶体管VT1先导通，则其集电极中灯X1，X2发光，同时二极管V1导通,使VT2基极被钳住而截至。C3充电时，VT3基极电压升高至一定程度

18、时，VT3导通，X5,X6 发光，VT1导通后，电容C1通过V3，VT3放电，使VT1截止，而VT2又因电容C2的充电而导通。这样也就使的电路中的的一个连接一个的发光.熄灭,使得电路具有流动5 仿真结果分析5.1 二阶带通滤波器频率特性Multisim仿真结果分析利用Multisim的交流分析功能分析二阶带通滤波器电路输出信号（图3.1 结点4）的频率特性，调整频率范围为1KHz100KHz,结果如图5.1所示：图5.1 二阶带通滤波器频率特性仿真结果分析：由图可得，二阶带通滤波器的中心频率=4.8kHz，通带电压放大倍数=4.7。与理论计算结果一致，说明仿真结果正确。5.2单相桥式整流利用M

19、ultisim仿真结果分析利用Multisim的交流分析功能分析单相桥式整流电路，有电源变压器T,整流二极管VD1,VD2,VD3,VD4，和负载Rl,组成， 与全波整流电路一样，变压器将电网交流电压转化成整流电路所需的交流电压，设U2=1.414U2sinwt。结果如图5.2所示： 图5.2电容滤波电路前后的电压波形图性。5.3 EDA软件模拟仿真和实验室调试 1.按照上述总电路图在multisim7连接电路。 2.改变电路中的参数对灯的闪烁频率进行改变。 3.利用抓图记录电路中每一路灯的闪烁情况。灯从右边先亮及X5,X6闪烁 如下EDA调试电路图5.3.1所示： 图5.3.1 EDA调试电

20、路图其次是中间的亮及X3,X4闪烁 如下EDA调试电路图5.3.2所示 图5.3.2 EDA调试电路图最后是左边的亮及X1，X2闪烁 如下EDA调试电路图5.3.3所示 图5.3.3 EDA调试电路图 电路中三路灯按上述方式依次闪烁，只改变每路灯的功率就可以改变闪烁频率。5.4实验室电路的调试 在实验室里按照总的实验电路图连接电路如图5.4.1 图5.4.1理论实验电路图但在实验室中没有足够的灯泡，只能将上图中的灯泡全换成发光二极管，但这样又使的每一路产生的电流过大，因此还要把输入到单相桥式整流电路的电压减至6V，实验室里也没有变压器T1，用的是信号发生器SG1648，直接输出10V电压给单相

21、桥式整流电路。 故实验室的电路图5.4.2如下： 图5.4.2实验室实验电路图虽然实验室的条件还是比较简陋，但是经过和老师的不懈努力最终三路灯开始了闪烁，虽然没有仿真的理想，但是实现了彩灯的闪烁。6设计总结和体会在这短短的几天电子课程设计中，不仅仅让我们动了手动了脑，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我又不得不承认理论的重要，我们必须打好基础。在实验设计的过程中，让我们体会到以前从来没有过的动手能力，以及新颖的思维方式，让我从中获益非浅。实验过程中，刚开始就参看电路指导书，画出了许多电路图，进行了仿真，但是由于实验元件选择的不恰当，是的电灯不能依次闪烁但最后用万用表才得以发现问题的所

22、在，并在老师的指导下，终于完成了实验设计，虽然道路艰难，但我们却也乐在其中，既锻炼了动手能力，有培养了动脑能力，更加利于我们在社会上工作。虽说设计实验经历的时间并不是很长，但感觉每一天都十分的充实，我有的时候，老犯迷糊，总用脑子空想，到最后把思路往电脑上一实践，发现行。不通，这些也给我了启发，光凭空想是不能够解决任何问题的，从这次电子课程设计中，让我深深的体会到这一点，与此同时，我也体会到了理论与实践的差异性很大。空想的理论没有实践的支持是站不住脚的。在本次课程设计中，我首先加强了对二阶带通滤波器电路的学习，同时加强了对其它相关理论知识的深入研究。课程设计中使用了Multisim仿真软件，对二

23、阶带通滤波器进行模拟仿真。使用Multisim仿真二阶带通滤波器电路，能够很好学习带通滤波器电路以及滤波器的相关工作原理，使电路的分析和数据的运算都变得简单明了。通过Multisim对输出信号频率特性进行交流分析，形象生动，既加深了我对二阶带通滤波器电路的理解，同时又将所学到的知识进行相关模拟，联系实践生产活动，对今后工作有很大帮助。经过了连续几天的不懈努力,我终于完成了此次模拟电子技术课程设计。在课程设计刚开始的时候,由于理论知识匮乏,再加上对Multisim软件一知半解,我遇到了可谓许多的困难。但是经过老师同学的帮助，加上我自己的不断学习，最后终于弄明白相关原理，熟悉软件的基本操作。从刚开始对知识的一知半解到现在的深刻理解与熟练应用,这些都是我在本次课程设计中的收获。本次课程设计不仅仅让我加深对带通滤波器以及其它一些电路基本原理的理解，更重要的是培养了我们一种态度，一种解决问题的办法。在工作学习中，我们要学会与他人合作，培养自己认真，坚持，谦逊的工作态度，遇到问题时，要仔细思考，不断尝试，不要惧怕失败。坚持到最后的人才会是最终取得成功的人。当然，我也在