Multisim模拟电路仿真实例

1、二、Multisim11 应用实例,1 在模拟电子技术中的应用 2 在数字电子技术中的应用,图5-1 例5.1原理图,例5.1 共射晶体管放大电路，如图5-1所示，要求： 1）判断输出波形是否失真？ 2）如何改善波形失真？ 3）测试其fL和fH。,5.1 在模拟电子技术中的应用,5.1.1 放大电路设计与分析,图5-2 瞬态分析结果,输出波形已经失真,图5-3 加入反馈电阻R6,2）如何改善波形失真？,?,图5-4 参数扫描设置对话框,如何确定反馈电阻R6的阻值？,可对R6进行参数扫描分析,图5-5 参数扫描结果,R6=400,比较输出波形，选择R6为400欧,3）如何测试fL和fH？,加上电

2、阻R6前后分别进行交流分析，测试节点为2，其他设置默认，可分别得幅频和相频特性曲线如图；,可对比加电阻R6前后的幅频和相频特性曲线，看出其通频带的变化；,图5-6 未加R6时的幅频、相频特性曲线,fL为1.34kHz,fH为1.14MHz,图5-7 加上R6后的幅频、相频特性曲线,fL为16Hz,fH为18MHz,加上负反馈电阻R6后，不仅消除了波形失真，同时明显展宽了频带。,图5-8 多级交流放大器,使用集成运算放大器LM124AJ组成具有深度负反馈的交流放大器，如图5-8所示。分析其幅频特性和放大能力，指出fL和fH。,例5.2,该电路属于LM124AJ的典型应用，第一级 LM124AJ的

3、Gain=1+R2/R110，第二级LM124AJ的Gain=1+R4/R6=101，因此该电路的中频电压放大倍数约为1000。 其设计指标为： 中频电压放大倍数A=1000,电路理论分析：,输入电阻Ri=20k,取标称值，C1=C2=1 、C3=5.7,通频带f=fH-fL，设其中：fL20Hz，fH10kHz 据此可估算出电路中C1、C2、C3的取值,图5-9 例5.2示波器窗口,启动仿真：得输入输出的信号，可估算出放大倍数约为1000倍,图5-10 例5.2交流频率分析,进行交流频率分析,可得其fL的值约为13Hz、fH的值约为19KHz,例5.3 如图5.11是一个运放构成的差动放大器

4、，分析其功能。,图5-11 例5.3差动放大电路,理论分析：,仿真分析：,输出波形，幅值为2V,例5.4 用集成运放设计一个实现Vo=0.2Vi的电路。,分析：按照设计要求， Vo=0.2Vi，因此可采用两级反相比例运放电路， 第一级实现Auf1=-0.2， 第二级实现Auf2=-1， 从而实现Auf=0.2。设计电路如图5-13所示。,5.1.2 模拟信号运算电路分析,图5-13 例5.4电路原理图,由电路可估算：,图5-14 例5.4仿真结果,通过瞬态分析仿真，得到输出波形如图5-14所示。通过测试可以发现Vo=0.2Vi。,输出波形,图5-17 例5.6电路原理图,例5.6 如图5-17

5、，是一个方波和锯齿波产生电路。测试其周期，如果使其周期可调，该如何处理？,5.1.3 信号产生和处理电路分析,在该电路中，运放U1和电阻R1、R3、R5等构成了一个滞回比较器;,分析：,其中R3、R5将Vo1反馈到运放U1的同相输入端，与零电位比较，实现状态的转换。,同时R3还将Vo反馈到运放U1的同相输入端，作为滞回比较器的 输入，构成闭环。,滞回比较器,UREF 为参考电压；输出电压 uO 为 +UZ 或 -UZ；uI 为输入电压。,当 u+ = u- 时，输出电压的状态发生跳变。,比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。,UT-,UT+,若 uO= UZ ，当 uI 逐渐减小时

6、，使 uO 由 UZ 跳变为 UZ 所需的门限电平 UT-,回差(门限宽度)UT ：,若 uO = UZ ，当 uI 逐渐增大时，使 uO 由 +UZ 跳变为 -UZ 所需的门限电平 UT+,作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。抗干扰能力强。,运放U2和电阻R4、电容C1等构成反相积分电路，通过对Vo1的积分运算，输出三角波。,其周期T为：T=4R1*R3*C/R40.4ms,分析：,改变它，可调整输出信号频率,图5-18 例5.6结果(左图为Vo1，右图为Vo),检查电路无误后，启动仿真，双击示波器，打开其显示窗口。结果如图5-18所示。,仿真分析：,输出波形 测得周期为4ms

7、,如果将电阻R3换成一个变阻器，则可调整其周期！,矩形波发生电路仿真分析举例,三角波发生电路仿真分析举例,仿真分析结果,首先根据该滤波电路截止频率为100Hz ，可选取低通滤波器的RC的值；,例5.8 设计一个通带截止频率为100Hz的二阶低通有源滤波电路。,分析：,若选取R16k，则可算出C0.1uF,图5-22 例5.8电路,然后，加上运放，组成有源二阶低通滤波器电路，如图：,根据运放电路的参数，则可算出：,运行仿真分析： 得输入信号V1和输出信号V0的波形图,说明输入信号通过了该滤波器，并被放大；,并从中可以测试到Vo=1.6Vi,从波特图仪上可以观察到当20lgAup从4.1dB下降到

8、1dB左右时，其f0约为100Hz，理论值基本相同，达到设计要求。,图5-24 波特图仪显示结果,若将信号源的频率分别修改为200Hz 和1MHz ，再次启动仿真，其输出电压有何变化？,200Hz,1KHz,适当修改参数R1、R2、R3、R4和C1、C2，观察通带电压放大倍数和通带截止频率的变化？,增大C1、C2或R3、R4，截止频率减小,增大R1输出波形幅度增大,如果R1太大，输出会？,比较有源低通滤波器和无源低通滤波器的带负载？,1. 输出功率要足够大,2. 效率要高,Po为信号输出功率, PE是直流电源向电路提供的功率。,3. 非线性失真要小,为使输出功率大, 功率放大器采用的三极管均应

9、工作在大信号状态下。由于三极管是非线性器件, 在大信号工作状态下, 器件本身的非线性问题十分突出, 因此, 输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。,5.1.4 功率放大器分析,特 点,功率放大电路有三种工作状态,(1) 甲类工作状态,静态工作点 Q 大致在负载线的中点。三极管的工作角度为360度。,这种工作状态下，放大电路的最高效率为 50%。,(2) 甲乙类工作状态,(3) 乙类工作状态,静态工作点 Q 沿负载线下移，静态管耗减小，但产生了失真。三极管的导通角度大于180度小于360度。,静态工作点下移到 IC 0 处 ，管耗更小，但输出波形只剩半波了。,图5-25 乙类互补对称功放电路

10、,例5.9 乙类互补对称功放电路如图5-25所示。要求观察其输出波形，并判断其最大电压输出范围。,功放电路仿真分析,工作原理？,输出波形,从中可以发现输出信号的波形有明显的交越失真。,当输入信号较小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。 因此在正、负半周交替过零处会出现非线性失真，即交越失真。,其失真原因,运行仿真：,输入波形,其失真范围如何呢？,下面进行直流扫描分析，以便确定其交越失真的范围。,直流扫描分析： Simulate/Analysis/DC Sweep,在Output variables标签中，选定节点1作为测试节点，其他项默认。,设置StartValue和Stop value

11、的值分别为-5V和5V,设置Increment为0.1V,图5-27 例5.9直流扫描分析结果,可以发现其失真范围为 -775.0000mV666.6667mV。,图5-28 例5.9最大输出电压测试结果,如何判断其最大电压输出范围？,打开直流扫描分析设置窗口，设置其Start value和Stop value的值分别为-20V和20V，然后进行直流扫描分析，结果如图5-28所示；,其最大电压输出范围为 -11.5000V12.5000V。,图5-29改进后的电路 甲乙类互补对称功放电路,例5.10 针对上例中乙类互补对称功放电路的交越失真问题，如何对电路进行改进？,电路原理分析,图5-30

12、例5.10输出波形,观察输出波形，如图所示，可以发现已经没有交越失真,仍然观察其输出波形，并判断其最大电压输出范围。,仿真分析,Simulate/Analysis/DCSweep，直流扫描设置：设置Start value和Stop value的值分别为-10V和10V，设置Increment为0.1V，在Output variables标签页，选定节点5作为测试点，其他项默认。,判断其最大电压输出范围：,其最大电压输出范围为 -5V5V。,5.1.5.1 直流电源的组成,图 直流电源的组成,电网电压,电源 变压器,整流电路,滤波器,稳压电路,负载,5.1.5 直流电源分析,一、单相整流电路,优

13、点：使用元件少。,缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。,5.1.5.2整流电路,二、单相全波整流电路,三、 单相桥式整流电路,5.1.5.3 滤波电路,一、电容滤波电路,适用于负载电流较小的场合。,滤波电容大，效果好。,输出直流电压为：,脉动系数 S 约为 10% 20%。,二、RC - 型滤波电路,输出直流电压为：,脉动系数 S 约为：,适用于负载电流较小的场合。,三、电感滤波电路和 LC 滤波电路,一、电感滤波器,适用于负载电流比较大的场合。,二、LC 滤波器,输出直流电压为：,脉动系数 S ：,适用于各种场合。,图 10.3.5,图 10.3.6,5.1.5.4串联型直流稳

14、压电路,一、电路组成和工作原理,采样电路：R1、 R2、 R3 ；,放大电路：A；,基准电压：由 VDZ 提供；,调整管：VT；,稳压过程：,UI 或 IL, UO, UF, UId, UBE, IC,UCE,UO,二、输出电压的调节范围,由于 U+ = U- ，UF = UZ， 所以,当 R2 的滑动端调至最上端时，UO 为最小值,当 R2 的滑动端调至最下端时，UO 为最大值，,则：,串联型直流稳压电路,直流电源分析举例1,例5.11分析下面的直流电源，负载为1k。,图5-33 滤波前后的波形,图5-34 负载上的电流,仿真分析,图5-34 负载上的电压,如何减小纹波系数？,通过参数扫描分

15、析,设定分析时间为0.05s,需要选择一个合适的电容,可见电容取值大于350F时，纹波就已经比较小,设定C的变化范围： 50uF650uF,直流电源分析举例2,串联型直流稳压电源,其电压调节范围？,稳压效果怎样？,例5.12 针对与非门电路74LS00D，分析与非门的特性，加深对各参数意义的理解。,5.2 在数字电子技术中的应用,5.2.1 逻辑门电路基础,74LS00D是一种有四个二输入端与非门的芯片，其外部特性参数有：输出电平、开门电平、关门电平、扇出系数、平均传输延时和空载功耗等。,图5-37 VoH测试电路,创建电路后，启动仿真， 进行各种参数测试：,（1） VoH测试,仿真分析：,V

16、oH测试结果,得到VoH为5.0V，大于标准高电平2.4V，并且有100ns的输出延迟。,图5-39 VoL测试电路,创建测试电路，如图5-39所示，启动仿真后，测试结果为VoL=0V，小于标准低电平0.4V。,(2) 测试输出低电平VoL,图5-40 VoL测试结果,图5-41 测试Iis电路,图5-42 万用表显示窗口,创建电路如图5-41所示。启动仿真后，万用表读数显示如图5-42所示，其值为0。即Iis=0A(由于仿真误差，因此Iis的实际值不可能为0)，远小于规定的1.6mA。,(3) 测试输入短路电流Iis,图5-43 测试扇出系数,创建电路如图5-43所示,启动仿真后,毫安表显示

17、最大允许负载电流IOL=5.545mA，而前面测试得到Iis的值为0，可见No=IOL/Iis的值大于8。,(4) 测试扇出系数No,测得最大允许负载电流 IOL=5.545mA,图5-44 半加器电路,例5.13 如图5-44所示，是一个74LS00D构成的半加器，分析其功能。,信号发生器XFG3，设定方波频率为20Hz，幅值为5V； 信号发生器XFG1，设定方波频率为10Hz，幅值为5V。,节点7输出其本位和，节点4输出其进位，表达式为：,电路中使用两个指示灯和两个三极管分别构成的两个基本放大电路，作为电平指示电路。,修改参数：,电路分析：,表5.4 电平指示器件闪亮情况表,检查电路无误后

18、，启动仿真。观察并记录电平显示情况如表5.4所示。,仿真分析：,图5-45 A、B、S、C点波形图,可以在示波器看到如图所示的A点、B点、S点和C点的波形。,输入A,输入B,和S,进位C,计数器电路仿真分析举例,5.22 555定时器应用电路,555定时器是一种集成电路， 因集成电路内部含有三个5k电阻而得名。,利用555定时器可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。,1. 电路组成,分压器,比较器,RS 触发器,输出 缓冲,晶体管 开关,555 定时器,2. 基本功能,0,UOL,饱和,2VCC/3,1 1 1,UOL,VCC/3,饱和,2VCC/3,VCC/3,不变,不变,2VC

19、C/3,VCC/3,UOH,截止,0,1,1,0,3. 555 定时器的外引脚,双极型 （TTL） 电源: 4.5 16V,单极型 （CMOS） 电源: 3 18V 带负载能力强。,图5-46 单稳态触发电路,例5.14 分析如图5-46所示的单稳态触发电路，确定其周期。,单稳态触发电路,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0,0,截止,假设：接通电源时，触发器处于0状态，且Utr为高电平；,假设：接通电源时，触发器处于1状态，且Utr为高电平；,稳定状态,为暂态,单稳态触发电路,0,1,1,0,1,1,0,0,截止,当电路处于0状态（即稳态）时,稳定状态,进入暂态,Utr为低电平触发,1,此

20、时Utr已为高电平,1,0,1,0,0,回到稳定状态,可用示波器查看其输出波形； 也可利用瞬态分析，分析其波形变化。,仿真分析：,信号发生器设定正弦波频率为100Hz、幅值为10V，,瞬态分析设置起止时间为0s和0.05s，选定测试节点为3、4，其他选项采用默认。,图5-47 例5.14瞬态分析窗口,脉冲宽度Tw=5.5ms 周期T=0.01s,触发信号的电压值大于约为3.3958V时，输出处于稳定状态,触发信号的电压值小于约为3.0612V时，输出处于暂稳态,单稳态触发电路还可以用于不规则的输入信号的整形，使其成为幅值和宽度都相同的标准矩形脉冲，脉冲的幅值取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度Tw决定于暂稳态时间。,通过该例的分析，可以确定脉冲宽度由R1和C2决定，因此可以通过调整R1，输出不同占空比的脉冲，即将电阻R1置换为可变电阻器，这样该电路就成为了一个可调占空比的单稳态触发电路。,注意：输入触发信号的脉冲宽度（Ui为低电平的时间）应小于输出脉冲的宽度（为高电平的时间）！,图5-46 多谐振荡器,例5.15 分析如图所示的多谐振荡器。,多谐振荡器工作原理,0,1,0,0,1,1,截止,接通电