电子电路设计及仿真

1、信息与电气工程学院通信工程CDIO 级工程设计说明书2022/2022学年第二学期题 目：电子电路设计及仿真班级组数 ：学生：学 号：设计周数：14周2022年5月31日一、电源设计直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成， 变压器 把市电交流电压变成为直流电；经过滤波后，稳压器在把不稳定的直流电压变为 稳定的直流电流输出。本设计主要采用单路输出直流稳压，构成集成稳压电路， 通过变压，整流，滤波，稳压过程将 220V交流电变为稳定的直流电，并实现固 定输出电压5V。1.1设计要求1 输入：220V, 50Hz1 输出：直流 5V1组1.2设计过程1电网供电电压交流220V有效

2、值50Hz,要获得低压直流输出，首先必须 采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。2降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大即 脉动大。3脉动大的直流电压须经过滤波、稳压电路变成平滑，脉动小的直流电，即 将交流成分滤掉，保存其直流成分。4滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到根本不受外界影响的 稳定直流电压输出，供给负载 RL。1.直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图1.1。其中负 载1电源变压器是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流 电压，并送给整流电路

3、，变压器的变化由变压器的副边电压确定。2整流电路，利用二极管单向导电性，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直 流电。电路图如1.2。图1.2整流电路图在U2的正半周内，二极管 D1、D3导通，D2 D4截止；U2的负半周内，D2、D4导通，D1、D3截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL且方向是一致的。电路的输出波形如下图3滤波电路整流电路输出电压虽然是单一方向的， 但是含有较大的交流成分，不能适应 大多数电子电路及设备的需要。因此，一搬在整流后，还需利用滤波电路将脉动 的直流电压变为平滑的直流电压。电容滤波是最常见的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电 容滤波电路，如图1.

4、4所示。图1.4滤波电路滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容，本次我们选用4700uF的电容。电容滤波电路是利用电容的充放电原理到达滤波的作用在脉动直流波形的上升段，电容C充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波 形下降段，电容CCC勺反复充放电实现了滤波作用，使输出电压趋于平滑，得到工 作波形如图1.5所示。图1.5电容滤波电路中二极管的电流和导通角4稳压电路虽然整流网电压波动时能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压，但 是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时输出电压也将随之波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻存在，负载 变化时

5、，内阻上电压将产生电压，于是输出电压也将随之产生相反变化。 为了获 得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。图1.6 5V稳压电源电路仿真注意，因为大容量电解电容由一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡, 形成高频干扰，所以稳压器的输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效 应，抑制高频干扰。如下图，并入一个 100nF的小电容来抵抗干扰。U1图5V稳压电源电路1 Mnasci电路仿真稳定后得到图所示5V稳压源图5V稳压电源电路测试结果、RC振荡器的设计设计要求文氏桥振荡器；输出：直流1KHz设计过程正弦振荡器原理RC串并联网络及其频率特性如图2.11 Fv(3)(b)图RC串并联网络及其频率

6、特性令:R仁 R2=RRC选频网络的传输函数为:C1= C2=CRC串并联选频网络具有选频作用，它的频率响应特性由明显的峰值。 反应网络的反应系数为：令3 o=1/RC,那么上式为F=F =由此可得F的幅频特性为(31 +r11F/ =0) 购凹4丿3F的相频特性为由上式可得RC串并联正反应网络的幅频特性和相频特性的表达式和相应曲 线。由特性曲线图可知，当3 = 3 0= 1/RC时，正反应系数|F|达最大值为1/3 , 且反应信号Uf与输入信号U同相位，即© F= 0,满足振荡条件中的相位平衡条 件，此时电路产生谐振3 = 3 0= 1/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频

7、率fo为2RC当输入信号Vi的角频率低于3 0时，反应信号的相位超前，相位差© F为正值；而当输入信号的角频率高于30时，反应信号的相位滞后，相位差© F为负值。正是利用RC串并联网络这一选频特性，构成了 RC桥式正弦波振荡电路。 正弦振荡的电路组成1放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡的过程，是电路获得一定幅值 的输出量，实现能量的控制。2选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电 路产生正弦波振荡。3正反应网络：引入正反应，使放大电路的输入信号等于反应信号。4稳幅环节：也就是非线性环节，作用使输出信号幅值稳定。起振条件为了满足起振的幅值条件|AF

8、|>L已经知道当“时，|匸上1/3,由此可以求得振荡电路的起振条件为|A|>3放大倍数A应略大于3根据同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为 随口+血/时，为了到达|a|=i+Vr, >3负反应支路的参数应满足关系Rf > 2RJ正弦波振荡电路原理图RC正弦波振荡电路原理图2.2 。根据原理图连接得到得到图所示正弦波振荡电路图VEED1R1丄、4650QHZ12kQn .： R3I:：12kQ»F匸2HHfOriF图2.3正弦波调整R4使输出波形为最大且失真最小的正弦波。假设电路不起振，说明振 荡的振幅条件不满足，应适当加大 R4的值；假设输出波形

9、严重失真，说明 R4 太大，应减小R4的值。当调出幅度最大且失真最小的正弦波后，可用示波器或 频率计测出振荡器的频率。假设所测频率不满足设计要求，可根据所测频率的大 小，判断出选频网络的元件值是偏大还是偏小， 从而改变R或C的值，使振荡频 率满足设计要求。电路指标测试经过电路调试后得到输出波形如图2.4三、滤波器的设计对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路， 它的功能是使特定频率范 围内的信号通过，而阻止其他频率通过。3.1设计要求设计无源和有源滤波器低通包括无源和有源： 高通包括无源和有源：截至频率：低通1KHz截至频率：高通10MHz3.2设计过程包括电路图滤波器根本原理1滤波器是对输

10、入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频 率通常是某个频带范围的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制。2假设滤波电路仅由无源元件电阻、电容、电感组成，那么称为无源滤波 电路。假设滤波电路由无源元件和有源元件双极型管、单极型管、集成运放 共同组成那么称为有源滤波电路。无源滤波电路如图Ui滤浪器U3图无源滤波器如下图的网络函数Hj 3 ，又称为传递函数dIPA (d> |Z & e )有源滤波电路如图图源滤波电路图3.2所示的有源滤波电路的通带放大倍数、截止频率和品质因数分别为二阶低通濒器的辭増益皿十务3根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低

11、 通滤波器LPF、高通滤波器HPF、带通滤波器BPF和带阻滤波器BEF四种, 我们把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围 定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率f，称为截止频率或称转折频率。图中的Aup为通带的电压放大倍数，f0为中心频率，fcL和f CH分别为低端和高端截 止频率。AupA up1fC>ffC>f阻带.通带*阻带->通带*阻带.*通带阻带通带通带阻带fCLfCHfCLfCH图3.3各种滤波器的理想幅频特性有源滤波器和无源滤波器的实验线路图如图Id1K.*'41-1OOluTdO.Oi0.91 uJrC无；#高诵泯液器中肓源

12、低通渡鱷<d>蜩高迪滤緞器图3.4有源滤波器和无源滤波器的实验线路3.3电路仿真根据实验线路图连接电路，用图3.6无源咼通通滤波器图3.7有源低通通滤波器VCCVI1 vrnisIkHi7415V|T图3.8有源高通通滤波器3.4电路调试用波特测试仪测量滤波器，进行调试，改变电阻或电容使低通截至频率到达1kHz。高通截止频率到10MHZ3.5电路指标测试经过调试电路指标到达要求，如图3.9，图3.10，图3.11和图3.12IJ-AV>R2WVtom :FO1 Vr(TTS:九(TO :Bode Plotter-XBP1:：C1 :Hh:WC2 '-lh士s 1 Vr

13、tns 、MkHz 乂 IT ：HI .R?：soonBode Plotter-XBP13K.144 H?Mode>illl If-rillll-r-ilil-il ill WilHons&ntalReverseInLagControls-LS.adeMagnitude.J.IIB.MI Uli *I Illi Illi1I1 IGHz1mHlLinLogLin0dB*200dBPhaseSave Set.4 * OjtR1 -WV30k0：R2-tAAA:：30kQ:C2 ：丰Q0那么工四、高频小信号谐振放大电路设计 4.1设计要求4谐振频率：1MHz4.2设计过程4计算：确定

14、静态工作点：由于发射极电流为0.15mA，那么取：ICQ" IEQ=1.5mA由于所取三极管的为150贝U:IBQ=IEQAURe在Vcc未给出时取值一般为12V,在 Vcc已经给出时取，这里给出 Vcc 为 5V，贝U: URe=0.1Vcc=1V求电阻：求 RC(R3)和 RE(R4):RC=URC/ICQ " k QRE=URE/IEQ k Q求电阻R1和R2:由于 IR2»IBQ,所以可以取 IR2" IR 1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ) mV 那么有：;R2=UR2/IR2=17 kQ; R1=UR1 /IR1=33

15、kQ求电容：C1=10 卩 F;C2=10 卩 F;C3=10 卩 F由于谐振频率f=1MHz，那么根据公式：f=1/(2 nVLC),得到C3=500pF L=mHUs=1v, Vcc=5v, C1=10uF C2=10uF4.3电路仿真12囹囹T2-T1Time253.073 us2S 3.0 73 usO.OOOsChanrwl_A622.473 mV62Z473 mVO.COOVCh3mel_0117. 443 mV117,443 mV0.000 VExt, triggerTiniebaseChannel AChannell BfriggerScale： 500 n和yScale； i

16、 丫Scale； |1 M/Di"Edge：EEA B ExtKpos,(Div: 0Y pos.(piv)i 0¥ pos.fpiv)! 0Lev*l:n1 V 14.4电路调试4.5电路指标测试T1 9TmeChannel AChannel B150.324 us1,26273.634 mV12 BB150.324 us4Z3.&84mVT2-710.000 20.000 Vo.coovTimebMe Ch岛nr>d 入Channel BScale： SOO ns/DivSeal亡：1 炯vScale： I VirvTrigger引莽；于|壬B E>

17、t五、咼频谐振功率放大电路设计5.1设计要求5单调谐谐振频率：1MHz5.2设计过程5电路连接如下：5计算为使此高频功率谐振放大电路工作在丙类下，那么:内阻取 1kQ, Rs=R2=1 kQ由于为放大电路，那么取 Us=1v，频率f=1MHz根据 f=1/2nVLC)=1MHz 那么可大概取得 L=400pH C=625mF5.3电路仿真5将以上数据带入，得到以下图4-0.01 VXWH1< *-wvVJ I Vrrns1ODOMJ0.»625m1.0ki « i 一i " r T 15测试如下:Wa ttmeter-XWM 1Power fiadtcr:2

18、N292Cure nt14.278 mWOscilloscope-XSCIxtp 9S|2-TLTime li727ms 1.727 ms O.OCIO £Channel _AL332V -L332V a.ooo vChanriel-B 986 V 4986 V 0.000 VTlmet>aseChannel AChannel B:ale； 500 ns/DivScale: 2 V/DivScale;2 V/tJivTriggerEdqe:J A R5.4电路调试由于在数值上L应该大于C,所以经过调试，得到以下图i* diS Mi i b I J人, isoopFrWV:：1：

19、i0kQVi ：1Vrms1MHz2M2923V25.5电路指标测试Wattm e ter-XV M1F- XWM1 -R2i:i.oko :./S.1 Vrms样T ： :：VI ：?N?9?|14 840 mWPcer fee tor：1.CHKMVoltageCurrent4-+- 105m0.01 VOsci lloscope-X£Clfcak; |500 nsivScale; 2Scale; 2Edge： Ulfl jT| B Extiir，iCharm el AChannel B1口 * *2.137 ms23.363 mV2.书5YReverse72囹囹2.137 ms

20、旳対券包mV2.455 V12-TL0.000 fi0. OOO V0.000 VSaveExt. triggerTimehaBeChannel A. Channel 吕.Trigger六、LC振荡电路设计6.1设计要求6 振荡频率：1MHz6.2设计过程6电路连接如下：R1:1.0KQUHIt.OpFI 4 ® fe I -i i1-R3：I.OkQ：RZ：: rOkO,cs- -K 4,0.OC 1-.1=11工: : ： IR& :l.nmH M.OkO6计算确定静态工作点：由于发射极电流为0.15mA，那么取：ICQ" IEQ=1.5mA由于所取三极管的为150贝U:IBQ=IEQAURe在Vcc未给出时取值一般为12V,在Vcc已经给出时取，这里给出 Vcc 为 5V，贝U: URe=0.1Vcc=1V求电阻：求 RC(R3)和 RE(R4):RC=URC/ICQ " k QRE=URE/IEQ k Q求电阻R1和R2:由于 IR2»IBQ,所以可以取 IR2