1仿真技术与应用过程作业及报告.docx
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1仿真技术与应用过程作业及报告.docx
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1仿真技术与应用过程作业及报告
长沙航空职业技术学院
电子技术应用专业
《仿真技术与应用(Multisim)》
过程作业及报告
班级电子0802
学号19
姓名杨泉
指导教师欧阳红
2010年9月
项目一直流稳压电源的设计与仿真
1、稳压电源的指标分析及仿真电路绘制
长沙航空职业技术学院
电源的指标分析工作卡
编号
1-1
所属项目
电源设计
计划课时
4学时
共页第页
所用器材设备及软件名称
序号
名称
型号(规格)
数量
序号
软件名称
版本
备注
1
计算机
1
1
Multisim
10.0
2
串联直流稳压电源技术指标仿真分析报告
1.总体要求
设计一个串联型直流稳压电源电路并进行仿真。
2.指标要求
①输入电源:
单相(AC),220V±10%,50HZ±5%;
②输出电压:
DC:
+3~+12V,连续可调;
③输出电流:
DC:
0~800mA;
④负载效应:
≤5%;
⑤输出纹波噪声电压:
Vop-p≤10mV(有效值);
⑥保护性能:
超出最大输出电流20%时立即截流保护;
⑦适应环境:
温度:
0~40℃,湿度:
20%~90%RH;
3.串联直流稳压电源原理框图设计
满足设计指标要求的串联直流稳压电源应当具有……几部分结构,原理框图如下:
4.电路方案形式的确定
根据性能指标要求,确定电路的基本形式,采用桥式整流、电容滤波、……组成的直流稳压电源,电路的基本形式如图1-1所示。
图1-1……元件组成的直流稳压电路
5.直流稳压电源的技术指标
稳压电源的技术指标分为两类:
一类是特性指标,另一类是质量指标。
(1)特性指标
①输入电压及其变化范围
本项目中要求稳压电源输入的是220V市电,并且要考虑市电可能存在约10%的波动,将输入电压范围定在200V~240V。
应当测试一下电源在输入电压波动的范围内能否稳压。
②输出电压及其调节范围
输出电压及调整范围决定了电源的适用范围,本项目中电源要求输出电压在3~12V内连续可调。
在图1-1中,稳压电源的输出电压可通过Rp1调节,
③额定输出电流
额定输出电流即直流稳压电源正常工作时的最大输出电流,它反映了电源带负载的能力,在本项目中,额定输出电流应为800mA。
额定输出电流主要受两个方面的约束,一个方面是调整元件的最大允许电流和最大允许耗散功率,另一个方面还要考虑输出电压的稳定性。
在设计过程中都应加以注意。
(2)稳压电源的质量指标
①稳压系数KU
稳压系数KU是指在负载电流和环境温度不变的条件下,稳压电源输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比,即
稳压系数表征了稳压电源对电网电压变化的抑制能力。
②电压调整率SU
反映稳压电源对输入电网电压波动的抑制能力,也可用电压调整率表征。
其定义为:
负载电流IL及温度T不变时,输出电压UO的相对变化量与输入电压变化量的比值,即
KU的单位是:
%/V。
KU和SU越小,稳压性能越好。
电压调整率通常也表述为:
在负载电流和温度不变时,输入电压变化10%时,输出电压的变化量,单位为mV。
③纹波系数Kγ
直流电源输出电压中存在着纹波电压,它是输出直流电压中包含的交流分量。
常用纹波系数Kγ来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小,其定义为
式中UOγ为输出直流电压中交流分量的总有效值,UO为输出直流电压。
④输出电阻RO
当电网电压和温度不变时,稳压电源输出电压的变化量与输出电流的变化量之比定义为输出电阻,即
(Ω)
输出电阻表征了稳压电源带载能力的大小,RO越小,带负载能力越强。
⑤负载效应
负载效应是指仅当由于负载的变化而引起输出稳定量的变化的效应。
对于直流稳压电源,负载效应指电网电压和温度不变时,从空载到满载时输出电压的相对变化量。
即:
负载效应=
6.绘制仿真电路原理草图
根据电路的基本形式,在Multisim软件环境下绘制电源电路原理图
7.元件参数计算
根据电路的基本形式及设计要求计算电路元件参数
(1)变压器选择
①变压器次级电压的计算
考虑调整管VT1两端电压差大于3V以保证工作在放大区,整流滤波电路可能带来2V以下的电压波动,输出电压最高12V。
整流滤波后电压最小值应为:
2V+3V+12V=17。
变压器次级输出电压U2min应该是:
U2min=17/1.2=14.2V。
考虑电网电压可能下降10%,变压器次级额定电压至少为:
U2min/0.9=14.2V÷0.9=15.7V
选择输出电压18V的变压器。
②变压器功率的计算
考虑电网电压上升+10%时,整流滤波后最高电压UC1max=1.1×1.2×18=23.76V。
最大输出功率约为:
23.76V×800mA=19W,考虑变压器的效率约0.7,应选择输入端功率大于19/0.7=27W的变压器。
留一定余量,选定变压器18V/30W。
(2)整流二极管及滤波电容的选取
a)整流二极管VD1~VD4选IN4007,其极限参数为VRM≧50V,IF=1A。
满足>√2V2,IF=Iomax的条件。
b)滤波电容由纹波电压和稳压系数确定,可选3300uf~4700uf的电容,这里选4700uf的电容。
⑶选取取样电路元件
如图1-1所示,取样电路由R5、R6、RP8电阻所组成的分压器构成。
调节RP8可改变输出电压的大小,当RP8滑到最左边的时候输出最大,滑到最右边时输出电压最小,其值分别为:
⑷选取比较放大器
比较放大器是一个高增益的直流放大器,其作用是将取样电压和基准电压进行比较后放大其差值,利用放大了的差值电压来控制调整管的管压降,使输出稳定的电压,可见,比较放大器的电压增益越高,调整的灵敏度也越高,输出电压越稳定。
如图1-1所示,比较放大管Q4可选9013型号的三极管,R3是Q4的集电极负载电阻,又是复合调整管基极的偏流电阻其值为3KΩ。
⑸选调整管
调整管是稳压电路的核心,为使调整管有效的起到调整作用,应在任何情况下都使它工作在线性放大区,调整管集电极——发射极间电压最低,其值为UCE(min)。
要使调整管不进入饱和区,
UCE(min)必须大于调整管饱和压降,一般取UCE(min)=(2~4)V0同时,为了保证负载开路时调整管不至于截至,通常取调整管的泄放电流为最大输出电流的2%左右。
由于调整管与负载串联,流过调整管的电流近似等于最大负载电流Io(max),因此调整管应选功率管。
当要求负载电流Io比较大而调整管β又比较小时,可采用复合调整管,如图1-1所示,Q1为小功率管,Q2为大功率管,复合管的β=β1×β2,要求复合管的驱动电流Ib=Io/β1×β2。
⑹其它电容的选择
C2是考虑到在市电电压降的时候,为了减小输出电压的交流成分而设置的,C3的作用是降低稳压电源的交流内阻和纹波,因此都可以选电解电容。
参数确定后的串联直流稳压仿真电路图
2、稳压电源原理图仿真测试
长沙航空职业技术学院
稳压电源原理图仿真测试工作卡
编号
1-2
所属项目
电源设计
计划学时
4学时
共页第页
所用器材设备及软件名称
序号
名称
型号(规格)
数量
序号
软件名称
版本
备注
1
2
串联直流稳压电源电路原理图仿真测试报告
【指标测试】
根据所设计的原理图,在Multisim环境下对要求的设计指标进行仿真测试。
1.电压调整范围
指标意义:
本项目中要求稳压电源输入的是220V市电,并且要考虑市电可能存在约10%的波动,将输入电压范围定在200V~240V。
应当测试一下电源在输入电压波动的范围内能否稳压。
输出电压及调整范围决定了电源的适用范围,本项目中电源要求输出电压在3~12V内连续可调。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
(1)万用表正端接RL上端(节点3),万用表负端接RL下端(节点0)。
(2)选择直流电压挡。
(3)记录测试条件:
负载RL=Ω。
(4)调整RP1的滑动端到0%,万用表读数:
10.276V,
调整RP1的滑动端到100%,万用表读数:
5.086V。
结论:
电源输出电压的调整范围为:
5.086V~10.276V。
(注明红字内容请根据仿真测量情况修改。
)
2.最大输出电流
指标意义:
……
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
(1)将输出电压调到12V,接上100Ω的可调电阻。
(2)将输出负载断开输出电流为零。
(3)调节输出电阻使其输出电压下降5%时的电流值,即为最大输出电流值。
Rp8的滑动端到1%,万用表1读数:
12.12V,RL的滑动端到100%,万用表2读数:
128.25mA,。
调整Rp2的滑动端到16%,R1两端的电压调整到0.313V,在调节RL使其输出电压降5%,万用表1读数为:
11.54V,RL的滑动端调到12%,输出电流的读数为:
819mA。
此电流为电源的最大输出电流,在加大电流输出电压不稳定。
3.稳压系数
指标意义:
稳压系数Sr表示在负载电流和环境温度不变的条件下,输入电压的相对变化量△Ui/Ui与输出电压的相对变化量△Uo/Uo之比,值愈大,反映稳压效果愈好,即稳定度愈高。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
(1)接上负载使其保持负载电流不变,先调节自耦调压器使输人电压增加10%,即Vi=242V,
(2)测量此时对应的输出电压V01=12.233V;此时的负载电流为242.229mA;
(3)再调节自耦调压器使输入电压减少10%,即Vi=198V,测量这时的输出电压V02=11.98V,此时的负载电流为242.515mA;
(4)然后再测出Vi=220V时对应的输出电压V0=12.118V,此时的负载电流为242.353mA;则稳压系数
结论:
S=0.014
4.电压调整率
指标意义:
电压调整率是输入电压的变化引起输出电压的相对变化量。
变压器某一个绕组的空载电压和同一绕组在规定负载和功率因数时的电压之差与该绕组空载电压的比
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
在额定输入电压下,当输出满载时,调整输出电阻,使流过的电流值约为最大值800mA,得满载时电阻值,保持这个电阻值不变,在对以上数据进行测量。
电压调整率SU测试表
额定输出电压U0
电源电压Ui变动±10%
198V
242V
对应的输出电压U
输出电压变化量△U0
电压调整率KU
结论:
5.纹波系数
指标意义:
反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
在额定220V输入电压下,输出满载时800mA时,调节Rp1的滑动端到100%,输出电压最大时为12VRL=100Ω,用示波器观察输出波形,选择观察交流成分,所观察到的信号为纹波电压信号
结论:
纹波系数=8.1/12=6.75×10-4
6.输出电阻
指标意义:
输出电阻RO是指输入电压及环境温度不变的条件下,负载电流变化△IL引起输出电压变化△UL的程度;也就是输出电压变化量△U与负载电流变化量△I的比值,输出电阻RO愈小,稳压性能愈好。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
在输入电压分别为220V时,改变负载电阻值,测量相应的输出电流的变化量△Io,读出相应的输出电压的变化量△Uo,计算电源内阻r0
结论:
7.负载效应
指标意义:
对于直流稳压电源,负载效应指电网电压和温度不变时,从空载到满载时输出电压的相对变化量。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
输入电压为额定值,输出空载时,输出电压U1为12.162V,调节负载为满载时(输出电流为800mA),输出电压U2为12.039V,调节负载为50%满载时,输出电压U0为12.096V.
SR=(U-U0)/U0=(12.162-12.096)/12.096=0.0054
U为U1和U2中相对U0变化较大的值。
负载效应为0.5%
负载效应测试表
额定输出电压U0
输入电流IO的变化
0mA
800mA
对应的输出电压U
输出电压变化量△UO
负载效应
结论:
综合以上的调试结果,此电路基本复合设计要求。
【测试结论】
经仿真测试,电路各项指标均符合要求。
经仿真测试,电路……指标不能达到要求,对元件参数作以下修改:
……
经再次测试,元件参数调整后,电路指标已能达到要求。
【调整后的原理图】
(贴图)
串联直流稳压电源原理图的材料清单
Ultiboard(印刷电路板的绘制):
电源电路PCB板图
项目二音频功率放大器的设计与仿真
1、音频功率放大器的指标分析及仿真电路绘制
长沙航空职业技术学院
音频功率放大器的指标分析工作卡
编号
2-1
所属项目
音频功率放大器的设计
计划课时
4学时
共页第页
所用器材设备及软件名称
序号
名称
型号(规格)
数量
序号
软件名称
版本
备注
1
1
2
音频功率放大器技术指标仿真分析报告
1.总体要求
设计一个音频功率放大器并进行性能仿真测试。
2.指标要求
在放大通道的正弦信号输入电压幅度大于5mV、小于100mV,等效负载电阻RL为8Ω时放大通道应满足以下条件。
(1)额定输出功率Por≥2W;
(2)带宽BW≥50Hz~10KHz;
(3)音调控制范围:
在低音100Hz和高音10KHz处有±12dB的调节范围;
(4)在Por下和BW通频带内的非线性失真系数γ≤3%;
(5)在Por下的效率≥55%
(6)当前置放大器输入端交流短接到地时,RL=8Ω上的交流躁声功率≤10mW。
3.音频功率放大器直流稳压电源设计要求
稳压电源在输入电压220V,频率50Hz,电压变化范围+15%~-20%条件下满足:
(1)输出电压为±15V。
(2)最大输出电流为0.1A。
(3)电压调整率≤0.2%。
(4)负载调整率≤2%。
(5)纹波电压(峰-峰值)≤5mV。
(6)具有过流及短路保护功能。
4.音频功率放大器原理框图设计
满足设计指标要求的音频功率放大器应当具有……几部分结构,原理框图如下:
4.音频功率放大器电路方案形式的确定
根据性能指标要求,确定电路的基本形式,采用……组成的音频功率放大器,电路的基本形式如图2-1所示。
图2-1……元件组成的音频功率放大器
5.音频功率放大器的技术指标
①额定输出功率
在满足规定的失真系数和整机频率特性指标以内,功率放大器所输出的最大功率为:
P0=U20/RL;U0亦称为输出额定电压;
②静态功耗PQ
指放大器处于静态情况下所消耗的电压功率;
c)效率
放大器在达到额定输出功率时,输出功率P0对消耗电源功率PE的百分比,用η表示
η=(P0/PE)100%
d)频率响应(带宽)
在输入信号不变的情况下,输出幅度随频率的变化下降至中频时输出幅度的0.707倍时所对应的频率范围。
音调控制范围
为了改善放大器的频率响应,常对高、低频增益进行控制,如提升或衰减若干分贝,而对中频增益不产生影响。
若未控制的输出幅度为U0,而控制后的输出为U01,则音调控制范围为20㏒10(Au1/Au)
e)非线性失真
在规定的频带内和额定输出功率状态下,输出信号中谐波电压有效值的总和与基波电压有效之比
f)噪声电压
扩音机输入信号为0时,在输出端负载上测的电压有效值为噪声电压Un,噪声电压是扩音机内各种噪声经放大后的总和。
g)输入灵敏度
保证扩音机在额定的输出功率时所需的输入信号。
h)
6.绘制仿真电路原理草图
根据电路的基本形式,在Multisim软件环境下绘制音频功率放大器电路原理图
7.元件参数计算
根据电路的基本形式及设计要求计算电路元件参数
经过各项参数本电路中选用的是的功放管是TDA2030A。
参数确定后的音频功率放大器仿真电路图
2、音频功率放大器原理图仿真测试
长沙航空职业技术学院
音频功率放大器原理图仿真测试工作卡
编号
2-2
所属项目
音频功率放大器的设计
计划学时
4学时
共页第页
所用器材设备及软件名称
序号
名称
型号(规格)
数量
序号
软件名称
版本
备注
1
2
音频功率放大器电路原理图仿真测试报告
【指标测试】
根据所设计的原理图,在Multisim环境下对要求的设计指标进行仿真测试。
1.音频功率放大器的仿真测试
(1)直流工作点分析
(2)测量各级电压增益
(3)最大不失真输出电压Vomax(或Vopp)
(4)最大输出功率Por
指标意义:
……额定输出功率Por≥2W;
选择虚拟仪表:
双踪示波器
测试步骤:
结论:
(5)整机电路的频率响应
指标意义:
……带宽BW≥50Hz~10KHz;
(6)整机高低音控制特性
指标意义:
……音调控制范围:
在低音100Hz和高音10KHz处有±12dB的调节范围;
(7)失真系数
指标意义:
……在Por下和BW通频带内的非线性失真系数γ≤3%;
(8)效率
指标意义:
……在Por下的效率≥55%
(9)噪声电压VN
指标意义:
……当前置放大器输入端交流短接到地时,RL=8Ω上的交流躁声功率≤10mW。
(10)输入灵敏度Vimax
2.音频功率放大器直流稳压电源的仿真测试
(1)输出电压范围
指标意义:
稳压电源在输入电压220V,频率50Hz,电压变化范围+15%~-20%条件下满足:
输出电压范围为±15V。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
将万用表分别连到负载R17两端,调节RP10便可得到输出电压的范围
(2)最大输出电流
指标意义:
……最大输出电流为0.1A。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
将万用表与R4串联在电路里面,然后调节RP10得出最大输出电流
结论:
Imax=0.98A;
(3)电压调整率
指标意义:
……电压调整率≤0.2%。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
结论:
(4)负载调整率
指标意义:
……负载调整率≤2%。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
结论:
(5)纹波电压
指标意义:
……纹波电压(峰-峰值)≤5mV。
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
结论:
(6)具有过流及短路保护功能。
指标意义:
……
选择虚拟仪表:
万用表
测试步骤:
结论:
【测试结论】
经仿真测试,电路各项指标均符合要求。
经仿真测试,电路……指标不能达到要求,对元件参数作以下修改:
……
经再次测试,元件参数调整后,电路指标已能达到要求。
【调整后的原理图】
(贴图)
说明:
红蓝两色选一
音频功率放大器及电源电路材料清单
Ultiboard(印刷电路板的绘制)
项目三数字钟的设计与仿真
长沙航空职业技术学院
数字钟的设计工作卡
编号
3-1
所属项目
数字钟的设计
计划课时
8学时
共页第页
所用器材设备及软件名称
序号
名称
型号(规格)
数量
序号
软件名称
版本
备注
1
1
2
数字钟仿真分析报告
1.总体要求
设计一个数字钟并进行性能仿真测试。
2.数字钟的基本功能要求:
(1)准确计时,以数字形式显示时、分、秒的时间;
小时的计时要求为“24翻1”,分和秒的计时要求为60进位;
(2)具有手动校正时间的功能,可分别对“时”、“分”、“秒”进行校时;
(3)整点报时。
(可加设扩展功能)
3.数字钟原理框图设计
满足设计指标要求的数字钟应当具有……几部分结构,原理框图如下:
4.数字钟单元电路的设计与仿真
(1)秒脉冲产生电路
(3)秒计数器
(4)分计数器
(5)时计数器
(6)校时电路
(7)整点报时
(8)总电路
数字钟整机电路图
6.数字钟整机电路测试与仿真
数字钟整机电路材料清单
Ultiboard(印刷电路板的绘制)
仿真技术与应用(Multisim部分)阶段性课程总结
Multisim是全球独一无二的交互式电路模拟软件,令你产品设计事半功倍。
Multisim完全集成Multicap,乃构建电路并立即模拟运行的理想工具。
有着无可比拟的易用和独特的强大功能,Multisim成为业界最成功的一款模拟软件,并常享美誉而得到超过18万全世界用户的垂青,加上Multisim那诱人的价格,使你毫无理由不模拟你的每一款设计。
公司以Windows为基础的板级仿真工具Multisim,适用于模拟/数字线路板的设计,该工具在一个程序包中汇总了框图输入、Spice仿真、HDL设计输入和仿真、可编程逻辑综合及其他设计能力。
可以协同仿真Spice、Verilog和VHDL,并能把RF设计模块添加到成套工具的一些版本中电子电路全功能模拟测试仿真软件,是一套完整的系统设计工具,其强大功能包含:
元器件编辑、选取、放置;电路图编辑、绘制;
电路工作状况测试;电路特性分析;电路图报表输出打印;档案转入/出;PCB文件转换功能;结合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真;高阶RF设计功能;虚拟仪器测试及分析功能;计划及团队设计功能;
通过这次实际操作,我基本掌握了Multisim软件的使用,并充分体会到自己动手才能学到东西的道理,在以后的学习过程中,我会更加注重动手能力的培养。
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- 关 键 词:
- 仿真技术 应用 过程 作业 报告
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