电子电路设计及仿真

-z.信息与电气工程学院通信工程CDIO一级工程设计说明书〔2014/2015学年第二学期〕题目：电子电路设计及仿真班级组数：学生：**：设计周数：14周2015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1.1.1输入：～220V，50Hz；1.1.2输出：直流5V(1组)1.2设计过程直流稳压电源设计思路〔1〕电网供电电压交流220V〔有效值〕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，供应负载RL。直流稳压电源原理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。图1.1直流稳压电源方框图其中〔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，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，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；U2的负半周，D2、D4导通，D1、D3截止。正负半周部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图1.3所示图1.3输出波形图〔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C放电,由于放电时间常数很大,所以放电速度很慢.在C还没有完全放电时再次开场进展充电.这样通过电容C的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，由于整流滤波电路阻存在，负载变化时，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。1.3电路仿真绘制电路图如图1.6所示。图1.65V稳压电源电路仿真1.4电路调试注意，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。如图1.7所示，并入一个100nF的小电容来抵抗干扰。图1.75V稳压电源电路1.5电路指标测试电路仿真稳定后得到图1.8所示5V稳压源图1.85V稳压电源电路测试结果二、RC振荡器的设计2.1设计要求2.1.1文氏桥振荡器；输出：直流1KHz2.2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2.1。图2.1RC串并联网络及其频率特性RC选频网络的传输函数为：令：R1=R2=RC1=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ωo=1/RC，则上式为由此可得F的幅频特性为F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如上图2.2。由特性曲线图可知，当ω＝ω0＝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φF＝0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振ω＝ω0＝1/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率fo为当输入信号Vi的角频率低于ω0时，反应信号的相位超前，相位差φF为正值；而当输入信号的角频率高于ω0时，反应信号的相位滞后，相位差φF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。起振条件正弦波振荡电路原理图RC正弦波振荡电路原理图2.2。图2.2RC正弦波振荡原理图2.3电路仿真根据原理图连接得到得到图2.3所示正弦波振荡电路图。图2.3正弦波2.4电路调试调整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。2.5电路指标测试经过电路调试后得到输出波形如图2.4。图2.4RC振荡电路输出波形三、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围的信号通过，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〕滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许*些频率(通常是*个频带围)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，则称为无源滤波电路。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〕共同组成则称为有源滤波电路。无源滤波电路如图3.1图3.1无源滤波电路无源滤波器(如图3.1所示)的网络函数H(jω)，又称为传递函数。有源滤波电路如图3.2图3.2有源滤波电路图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〔3〕根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率围的不同，滤波器可分为低通滤波器(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围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率围定义为阻带。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3.3中的Aup为通带的电压放大倍数，f0为中心频率，fCL和fCH分别为低端和高端截止频率。AupAup通带阻带阻带通带fCffCf阻带通带阻带通带阻带通带fCLfCHffCLfCHf图3.3各种滤波器的理想幅频特性滤波器实验电路有源滤波器和无源滤波器的实验线路图如图3.4。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Multisim仿真得到图3.5，图3.6，图3.7和图3.8图3.5无源低通滤波器图3.6无源高通通滤波器图3.7有源低通通滤波器图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，进展调试，改变电阻或电容使低通截至频率到达1kHz。高通截止频率到10MHZ。3.5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3.12。图3.9无源低通滤波器波特测试图3.10无源高通滤波器波特测试图3.11有源低通滤波器波特测试图3.12有源高通滤波器波特测试四、高频小信号谐振放大电路设计4.1设计要求谐振频率:1MHz4.2设计过程4.2.1电路连接如下计算：确定静态工作点：由于发射极电流为0.1~5mA，则取：IEQ=1.5mAICQ≈IEQ=1.5mA由于所取三极管的为150则：IBQ=IEQ/150=0.01mAURe在Vcc未给出时取值一般为1~2V,在Vcc已经给出时取0.1Vcc，这里给出Vcc为5V，则：URe=0.1Vcc=1VUCQ=0.5Vcc=2.5V,URC=0.5Vcc=2.5V求电阻:求RC(R3)和RE(R4)：RC=URC/ICQ≈1.7kΩRE=URE/IEQ≈0.7kΩ求电阻R1和R2：由于IR2>>IBQ,所以可以取IR2≈IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取10IBQ)UBEQ=0.7mV则有:UR2=UBEQ+URE=1.7V；R2=UR2/IR2=17kΩUR1=Vcc-UR2=3.3V；R1=UR1/IR1=33kΩ求电容：C1=10μF;C2=10μF;C3=10μF由于谐振频率f=1MHz，则根据公式：f=1/(2π√LC)，得到C3=500pFL=0.05mHUs=1v，Vcc=5v，C1=10uF，C2=10uF，4.3电路仿真4.4电路调试由于失真有些严重，经过调节，得到下列图4.5电路指标测试五、高频谐振功率放大电路设计5.1设计要求5.1.1单调谐谐振频率:1MHz5.2设计过程电路连接如下：计算为使此高频功率谐振放大电路工作在丙类下，则：VBB取0.01v阻取1kΩ，Rs=R2=1kΩ由于为放大电路，则取Us=1v,频率f=1MHz根据f=1/〔2π√LC)=1MHz，则可大概取得L=400pHC=0.0625mF5.3电路仿真将以上数据带入，得到下列图:测试如下：5.4电路调试由于在数值上L应该大于C，所以经过调试，得到下列图:5.5电路指标测试六、LC振荡电路设计6.1设计要求6.1.1振荡频率:1MHz6.2设计过程电路连接如下：计算确定静态工作点：由于发射极电流为0.1~5mA，则取：IEQ=1.5mAICQ≈IEQ=1.5mA由于所取三极管的为150则：IBQ=IEQ/150=0.01mAURe在Vcc未给出时取值一般为1~2V,在Vcc已经给出时取0.1Vcc，这里给出Vcc为5V，则：URe=0.1Vcc=1VUCQ=0.5Vcc=2.5V,URC=0.5Vcc=2.5V求电阻:求RC(R3)和RE(R4)：RC=URC/ICQ≈1.7kΩRE=URE/IEQ≈0.7kΩ求电阻R1和R2：由于IR2>>IBQ,所以可以取IR2≈IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取10IBQ)UBEQ=0.7mV则有:UR2=UBEQ+URE=1.7V；R2=UR2/IR2=17kΩUR1=Vcc-UR2=3.3V；R1=UR1/IR1=33kΩ求电容：C1