《Multisim及其在电子设计中的应用》课件第10章

第10章Multisim在大学生电子竞赛中的应用10.1低频功率放大器(2009年全国大学生电子竞赛—高职高专组G题)10.2信号波形合成实验电路(2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛C题)

Multisim作为一款常用的EDA仿真软件在大学生电子设计竞赛中得到了广泛的使用。本章作者结合多年指导大学生电子设计竞赛的经验，通过分析2009年和2010年的两道竞赛题，对Multisim在电子系统设计中的应用作进一步的介绍。

(2009年全国大学生电子竞赛—高职高专组G题)

10.1.1低频功率放大器的设计要求及评分标准

1．任务

设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。10.1低频功率放大器

2．要求

1)基本要求

(1)当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载(一端接地)上，输出功率不小于5W，输出波形无明显失真。

(2)通频带为20Hz～20kHz。

(3)输入电阻为600Ω。

(4)输出噪声电压有效值Uon≤5mV。

(5)尽可能提高功率放大器的整机效率。

(6)具有测量并显示低频功率放大器输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。

2)发挥部分

(1)低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。

(2)在通频带内低频功率放大器失真度小于1%。

(3)在满足输出功率不小于5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下，尽可能降低输入信号幅度。

(4)设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为40～60Hz。在50Hz频率点输出功率衰减不小于6dB。

(5)其他。

3．说明

(1)不得使用MOS集成功率模块。

(2)本题输出噪声电压定义为输入端接地时，在负载电阻上测得的输出电压，测量时使用带宽为2MHz的毫伏表。

(3)本题功率放大电路的整机效率定义为：功率放大器的输出功率与整机的直流电源供给功率之比。电路中应预留测试端子，以便测试直流电源供给功率。

(4)发挥部分(4)制作的带阻滤波器通过开关接入。

(5)设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。

4．评分标准(见表10-1)

表10-1竞赛题一的评分标准10.1.2低频功率放大器设计与Multisim仿真

1．方案设计

1)系统总体框图

本系统由前级小信号放大电路、前置及功率放大电路、检测电路、单片机测量电路、LED数字显示器等构成。系统主要模块如图10-1所示。

图10-1系统框图

2)方案论证

(1)方案一：全部采用分立元件，如果电路选择得好，元器件性能优越，则性能指标可能高过集成元件，但电路复杂，调试困难。

(2)方案二：前级放大电路采用合适的集成运放电路，比如选择集成运放OP37，后级按题目要求采用大功率的MOS管。与方案一相比，本方案可以使后级电路相对简单，易于调试。

综上所述，采用方案二能更好地完成本题目的要求。

2．电路设计与Multisim仿真

1)

前级小信号放大电路

根据题目要求，当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载上，输出功率不小于5W。由于输出功率Po = (1/2) × (/RL)，则计算出Uom≥8.95V，即输出电压的有效值大于6.3V，那么整个系统的电压放大倍数AV≥6.3/0.005

=

1260，即AV≥62dB。考虑到整个系统的增益问题，要留有一定的富余量，前级小信号放大电路的电压放大倍数约取100倍，功放的前置放大电路的电压放大倍数约为15倍，所以前级小信号放大电路采用由集成运放OP37AL组成的放大电路实现。依据理论分析，前级小信号放大电路的仿真电路如图10-2所示，其仿真结果如图10-3所示。

图10-2前级小信号电压放大电路的仿真电路

图10-3前级小信号电压放大电路输出波形从输出波形图可以看出，当A通道的输入正弦信号电压有效值为5mV时，B通道的输出信号幅度可以达到714.441mV(有效值约为505mV)，因此前级小信号放大电路的电压放大倍数约为101倍，达到了理论设计要求。

2)

前置及功率放大电路的设计

由于题目要求末级功放管采用分立元件，考虑到效率及失真度等因素，决定采用甲乙类互补对称功率放大电路来实现。在两个功率管加适当的基极偏置电压，使两管在静态时处于微导通状态。动态时，由于二极管D1、D2的交流电阻很小，管压降接近零，因此对称管两基极之间可视为等电位点，两只管轮流导通，在负载上可得到完整的正弦波。整个系统功放的前置放大电路的电压放大倍数约为15倍，末级功率放大部分采用IRF530和IRF9530组成对管，构成的甲乙类互补对称功率放大电路如图10-4所示，仿真输出波形如图10-5所示。

图10-4甲乙类互补对称功率放大电路

图10-5功率放大电路仿真输出波形

从输出波形可以看出，当A通道的输入正弦信号电压为699.337mV(有效值为500mV)时，B通道的输出信号幅度可以达到10.501V(有效值约为7.42V)，因此前置及功率放大电路的电压放大倍数约为15倍，达到了理论设计要求。

3)

整机放大电路的设计

整机放大电路采用由OP37AL组成的两级电压放大电路，其功率放大部分用IRF530CF和IRF9530S组成对管。整机放大电路的Multisim仿真电路如图10-6所示，仿真输出波形如图10-7所示。

图10-6整机放大电路仿真电路

图10-7整机放大电路仿真输出波形从输出波形可以看出，当A通道的输入正弦信号电压为7.063mV(有效值为5mV)时，B通道的输出信号幅度可以达到9.651V(有效值约为6.83V)，因此放大电路的电压放大倍数约为1366倍，在8Ω电阻负载上，输出功率不小于5W。所以该电路达到了理论设计要求。

4)

带阻滤波器设计(发挥部分，选做)

采用双T型RC选频网络和运放构成带阻滤波器，带阻频率范围为40～60Hz。为了使50Hz频率点的输出功率衰减最大(要求50Hz频率点的输出功率衰减不小于6dB)，根据公式f=

计算可知，若电阻R取68kΩ，则电容C取0.047μF。采用Multisim仿真的50Hz陷波电路如图10-8所示，利用波特图仪测量其幅频特性如图10-9所示。

图10-850Hz陷波仿真电路

图10-9陷波电路幅频特性

5)检测电路设计

根据题目要求，需要对电压、电流、功率进行测量并以数字形式显示，而单片机采集的信号为直流信号，因此需要采用精密整流电路，为单片机提供合适的测试信号(保证整流输出的电压范围为0～3.3V)。精密半波整流电路的Multisim仿真电路如图10-10所示，仿真波形如图10-11所示。

从输出波形图可以看出，C通道的输出信号为2.721V，保证了整流输出的电压在0～3.3V范围，能够为单片机提供合适的测试信号，其结果达到了理论设计要求。

图10-10精密半波整流仿真电路

图10-11精密半波整流电路仿真波形

6)

电源电路设计

依据设计要求，系统需要±18V和3.3V的稳定电压。本设计采用LM337、LM1084提供±18V的稳压电源给放大电路，采用LM317提供3.3V的稳定电压给单片机供电。电路如图10-12所示。

图10-12电源电路

7)

显示电路设计

显示数据精度取百分位，那么本设计采用四位共阴极LED数码管显示。此类显示器的功耗较低，既可完全满足本题所需显示要求，又可降低成本，提高效率。

8)测量及显示工作流程

精密半波整流电路为单片机提供了合适的测试信号，通过这些信号可以对电压、电流、功率进行测量和数字显示。单片机的工作流程如图10-13所示。

图10-13单片机工作流程图

3．样机测试方案与测试结果

采用Multisim仿真大大缩短了设计周期，为实际电路的设计搭建提供了理论依据。但是Multisim仿真都是按照理想情况处理信号的，而实际电路在许多时候是非理想情况，而且可能还会出现自激振荡、焊点虚焊等问题。

样机测试采用的仪器设备包括KH4116失真器、DW3061(DT9205)数字万用表、DS1052E示波器、F40数字信号发生器、DF2170A毫伏表。测量数据及方法如下。

1)功率和通频带测试

在功率放大电路输出端加上8Ω负载，用数字信号发生器F40在输入端加上5mV正弦信号，调节两个衰减电位器R10、R1，使输出波形刚好不失真，用数字万用表DT9205测得输出电压，如表10-2所示。

表10-2功率测试数据(条件：RL = 8Ω，Ui = 5mV)

2)

失真度测试

方法：用失真器KH4116测量出失真度。测试数据如表10-3所示。表10-3失真度测试数据(条件：RL = 8Ω，Ui = 5mV)由测试数据可知，在通频带内的失真度可以达到小于1%的指标。

3)噪声测量

把信号输入端短路，用毫伏表测量输出端电压。测试数据如表10-4所示。表10-4噪声测量数据题目要求输出噪声电压有效值Uon不大于5mV，由测试数据可以看出，输出噪声基本达到要求。

4)

陷波电路

输入电压Ui =

5V，用示波器观察输出波形得到如表10-5所示数据。表10-550Hz陷波测试数据题目要求阻带频率范围为40～60Hz，在50Hz频率点的输出功率衰减不小于6dB。由测试数据可以看出，陷波电路已达到要求。

5)

效率

当Uom =

10.4V，f

= 500Hz，VDD=18V时，电源供给功率为

输出功率为

效率为

4．总结

综合上述测试结果可以发现，本设计不仅完成了题目基本部分的要求，还较好地完成了题目发挥部分的要求，整个系统没有出现自激，工作稳定、可靠。

(2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛C题)

10.2.1信号波形合成实验电路试题

1．任务

设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号合成为近似方波和其他信号。电路示意图如图10-14所示。10.2信号波形合成实验电路

图10-14电路示意图

2．要求

1)基本要求

(1)方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为10kHz和30kHz的正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系。

(2)产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V。

(3)制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的10kHz和30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成为一个近似方波，波形幅度为5V。合成波形的形状如图10-15所示。

图10-15利用基波和3次谐波合成的近似方波

2)发挥部分

(1)再产生50kHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波。

(2)根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的10kHz、30kHz等各个正弦信号，合成为一个近似的三角波形。

(3)设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量误差不大于

5%。

(4)其他。

3．评分标准(见表10-6)

表10-6竞赛题二的评分标准10.2.2信号波形合成电路设计与Multisim仿真

1．方案设计

1)系统总体方案设计

系统主要由信号产生电路、分频电路、滤波电路、信号调理电路、移相电路、信号合成电路、检测电路、单片机显示模块和直流稳压电源等构成。

首先由振荡电路产生脉冲信号，由分频电路将其分频为所要求的10kHz、30kHz、50kHz方波信号，这些信号经过滤波电路变换为适用于合成的正弦波信号，然后正弦波信号通过信号调理电路进行幅度调理、经过移相电路进行相位调整，最后合成为近似方波和三角波。在波形合成之前加入了测试与显示电路，用于实现正弦波信号的幅值测试及结果的显示功能，且保证测试误差不大于±5%。

图10-16系统框图

2)系统的稳定性

系统采用了抗干扰措施来提高稳定性，这些措施包括：系统大部分采用印制板，减小寄生电容和寄生电感，印制板采用铜板大面积接地，减小地回路；级间采用同轴电缆相连，避免级间干扰和高频自激。这些措施大大提高了系统的稳定性。

2．电路设计与Multisim仿真

1)信号产生电路

方案一：采用N555定时器构成多谐振荡器。其频率f = 0.7(R1+2R2)C。

方案二：采用与非门(或者非门)与RC反馈支路构成多谐振荡器。它由两级与非门/非门和电容构成，依靠电容的充放电引起输入端阈值的变化来输出矩形脉冲，其频率f = 。

方案三：采用ICL8038单片压控函数发生器产生设计中要求的方波。改变ICL8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz～300kHz，且外围电路较为简单，成本较低。

综上所述，选择方案三比较合适。

根据题目要求，波形合成需要10kHz、30kHz、50kHz的对称方波。因为10、30、50的公倍数为150，而波形合成需要对称方波，所以振荡电路需要产生 的脉冲信号。

现选择以ICL8038为核心的信号发生电路，则输出信号频率与电路外围电阻、电容的关系为

现选择：RA =

RB，则 。经计算，

，C = 680pF。

振荡电路如图10-17所示。

图10-17ICL8038振荡电路

2)分频电路

既然信号产生电路产生的是脉冲信号，那么可采用计数器分频，其电路简单且精度高。

15分频、5分频、3分频电路由计数器74LS161实现，2分频电路由D-FF实现，其原理如图10-18所示。

采用Multisim进行仿真的电路如图10-19所示，其中“Key=A”为清零开关。仿真输出波形如图10-20所示。

从输出波形可以看出，当输入300kHz信号时，从B通道输出10kHz信号，从C通道输出30kHz信号，从D通道输出50kHz信号，分频结果达到了理论设计要求。图10-18分频电路原理图

图10-19分频电路仿真

`

图10-20分频电路仿真输出波形

3)滤波电路

方案一：采用有源滤波器。有源滤波器可动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收，不会产生谐振。

方案二：采用LC滤波器。LC滤波器无需额外提供电源，但滤波电路较为复杂，不易实现。

综上所述，选择方案一，由TL084低通滤波器实现滤波。

当f = 10kHz时，如果取L=1mH，则电容C ≈ 253nF=(220+33)nF。采用Multisim进行仿真滤波的电路如图10-21所示，仿真输出波形如图10-22所示。

当频率为30kHz，取L=1mH，则可计算出30kHz滤波电路中的电容C大小。

当频率为50kHz，取L=1mH，则可计算出50kHz滤波电路中的电容C大小。

只要计算好电路中器件的参数，就可以设计出30kHz滤波电路和50kHz滤波电路。

图10-21滤波仿真电路

图10-22滤波电路的仿真输出波形

4)信号调理电路

要合成近似方波，需借助傅立叶级数展开式。方波信号的傅立叶级数展开式为

由上式可以看出，基波、3次谐波、5次谐波是组成方波的主要频率，即只需求出10kHz、30kHz、50kHz这三个频率的相位和幅度信息，即可合成近似方波。那么上面的傅立叶级数展开式可以简化为所以，在合成方波时，要使基波、3次谐波、5次谐波的幅度满足1∶1/3∶1/5的比例。

为了满足波形合成的幅度要求，这里需要对三路正弦波信号进行调理。这里假设10kHz基波的幅度为6V，则3次谐波的幅度为2V，5次谐波的幅度为1.2V。基波信号调理电路的Multisim仿真电路如图10-23所示，仿真输出波形如图10-24所示。3次谐波信号调理电路和5次谐波信号调理电路的仿真与此类似。

图10-23基波信号调理电路仿真

图10-24基波信号调理仿真输出波形从输出波形可以看出，B通道的输出信号可以达到6.317V，达到了理论设计的要求。

同理，当合成近似三角波时，三角波信号的傅立叶级数展开式为：

其中，Um是三角波的幅值。不难得出所需的三个频率的相位和幅度信息。简化后的三角波信号的傅立叶级数展开式为由理论分析可知，基波、3次谐波、5次谐波也是组成三角波的主要频率，在合成三角波时，要使基波、3次谐波、5次谐波幅度满足1∶1/9∶1/25的比例。同样为了满足波形合成的幅度要求，这里也需要对三路正弦波信号进行调理。这里假设10kHz基波的幅度为9V，则3次谐波的幅度为1V，5次谐波的幅度为0.36V。基波信号调理电路、3次谐波信号调理电路、5次谐波信号调理电路与图10-23所示电路类似。

5)移相电路

由于电路存在附加相移，由前面的理论分析可知，波形合成的初相为零，因此必须添加移相电路。这里采用简单的RC移相电路，利用开关可选择相位超前或滞后的信号。基波、3次谐波、5次谐波信号的移相电路如图10-25所示，仿真输出波形如图10-26所示。

从输出波形可以看出，B通道输出信号的相位超前A通道，而C通道输出信号的相位滞后A通道。通过调节电位器来调整相位，可使信号在合成时具有相同的初相。

图10-25移相仿真电路

图10-26移相电路仿真输出波形

6)信号合成电路

采用由运放构成的反相加法器，可实现信号的合成，其电路简单。

(1)将产生的10kHz和30kHz正弦波信号作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，采用Multisim仿真的电路如图10-27所示，仿真输出波形如图10-28所示。

图10-27基波和3次谐波合成方波仿真电路

图10-28基波和3次谐波合成方波电路的仿真输出波形

(2)将产生的10kHz和30kHz正弦波信号作为基波和3次谐波，再将产生50kHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波，采用Multisim仿真的电路如图10-29所示，仿真输出波形如图10-30所示。

图10-29基波、3次谐波和5次谐波合成方波仿真电路

图10-30基波、3次谐波和5次谐波合成方波电路的仿真输出波形

(3)根据三角波谐波的组成关系，将产生的10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号合成一个近似三角波形，采用Multisim仿真的电路如图10-31所示，仿真输出波形如图10-32所示。

图10-31三角波合成仿真电路

图10-32三角波合成电路的仿真输出波形

7)

检测电路

根据题目要求，需要对各个正弦波信号的幅度进行测量和数字显示，而单片机采集的信号为直流信号，因此在典型精密全波整流的基础上需设计改进型精密全波整流电路，为单片机提供合适的测试信号。

系统中的检测电路采用TL084BCD宽带精密全波整流，该电路的整流频率已达到

50kHz，且该电路的非线性误差趋近于零，消除了二极管的死区，并具有较好的温度稳定性。采用Multisim仿真的电路如图10-33所示，仿真输出波形如图10-34所示。从输出波形可以看出，B通道的输出信号为1.625V，保证了整流输出的电压在0～3.3V范围内，为单片机提供了合适的测试信号，其结果达到了理论设计要求。

图10-33精密全波整流仿真电路

图10-34精密全波整流仿真输出波形

8)测量及显示设计

用单片机MSP430F169进行检测和显示。其工作流程如图10-35所示。

图10-35系统测量及显示流程图

9)稳压电源

方案一：线性稳压电源。线性稳压电源有并联型和串联型两种结构。并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是集成三端稳压器，更是方便可靠。

方案二：开关稳压电源。此方案效率高，但电路复杂，开关电源的工作频率通常为几十至几百千赫，基波与很多谐波均在工作频带内，极容易带来串扰。综上所述，选择方案一中的串联型稳压电源，用以产生电路中所需的3.3V