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电子CAD
《电子技术课程设计》
实验指导与实验报告书
专业电子信息工程
班级
姓名
学号
南京交通职业技术学院信息工程系
二○一一年十二月
项目一Multisim使用初步
(1)
一、实验目的
1.熟悉Multisim软件及其特点
2.初步掌握软件的基本功能
二、实验内容与步骤
内容一、这是一个带有负反馈的单级放大电路,从图中可以看出该电路由1只3DG6晶体管(设ß=80)、3个电容、6只电阻和1只电位器以及12V的直流电源和交流信号源组成。
我们知道,如果调节该电路中的电位器Rw,用示波器观察电路波形的变化情况就能确定电路的静态工作点。
编辑电路图之后可以将其换名保存,方法与保存一般文件相同。
对本例,原来系统自动命名为“Circuitl.msm”,现将其重新命名为“单管放大电路.msm”,并保存在适当的路径下
确定静态工作点
编辑完电路原理图之后,要对所编辑的电路进行仿真分析。
1.借助示波器,用调整电位器的方法来确定静态工作点。
首先从窗口右边的仪表工具栏(InstrumentsToolbar)中调出一台示波器,方法同从元件工具栏中选取虚拟元件。
与元器件的连接方式一样,将示波器的A通道接输入信号源,B通道接输出端(负载RL的一端),如上图所示。
2.双击电路窗口中的示波器图标,即可开启示波器面板,如下图所示。
示波器面板
从图中看出,该示波器的界面与实验室里常用的示波器面板很相似,其基本操作方法也差不多。
启动电路窗口右上角的电路仿真开关,示波器窗屏幕上将产生输入和输出两个波形。
为了看到较清晰的波形,需适当调节示波器界面上的时基(Timebase)和A、B两通道(Channel)中的Scale值,这里设置时基的Scale值为200Hz/Div,A、B两通道的Scale值为1V/Div。
3.电位器Rw旁标注的文字“Key=a”表明按动键盘上a键,电位器的阻值按5%的速度减少;若要增加,按动Shift+a键,阻值将以5%的速度增加。
电位器变动的数值大小直接以百分比的形式显示在一旁。
4.启动仿真开关,反复按键盘上的a键,观察示波器波形变化。
随着一旁显示的电位器阻值百分比的减少,输出波形产生饱和失真越来越严重。
当数值百分比为35%时,波形如图所示。
饱和失真波形
5.反之,反复按Shift+a键,观察示波器波形变化。
随着一旁显示的电位器阻值百分比的增加,输出波形的饱和失真逐步减小。
当数值百分比为70%-80%时,输出波形已不见失真,电路真正处于放大状态,如下图。
放大状态波形
如再按Shin+a键,继续增大电位器的阻值,从示波器中可观察到输出电压产生了截止失真,下图是数值百分比为90%时的失真波形。
截止失真波形
内容二、完成下图中图的仿真
双击虚拟仪器就会出现仪器面板,面板为用户提供观测窗口和参数设定按钮。
以上图为例,双击图中的示波器,就会出现示波器的面板。
通过Simulation工具栏启动电路仿真,示波器面板的窗口中就会出现被观测点的波形,如下图所示。
三、实验体会
Multisum是一款完整的设计工具系统,具有如下功能:
(1)提供了一个非常大的原件数据库
(2)提供原理图输入接口
(3)全部的数模Spice仿真功能
(4)VHDL/Verilog设计接口于仿真
(5)FPGA/CPLD综合
(6)EF设计能力和后处理功能
(7)还可以进行从原理图到PCB布线工具包的无缝隙数据传输。
(8)它提供的单一易用的图形输入接口可以满足用户的设计需求。
项目一、multisim的应用
(2)
一、实验目的:
1熟悉multisim的基本功能键的使用
2熟悉软件的机本功能
二、实验内容:
内容一、构造同步16进制计数器,并用7段数码管进行观测(文件名:
counter.msm)。
通过运行仿真验证电路功能。
在这个电路的基础上将计数器改为10进制,并通过仿真验证修改结果是否正确(注:
显示0~9)。
首先选用T触发器和带译码的7段数码管和与门一起构成4位16进制计数器如下图。
在电路中选用1Hz矩形波发生器,通过仿真观测运行的情况。
使用异步置零法,在图中加入反馈电路,当触发器的状态变为1010时通过Reset端对触发器进行清零。
电路设计结果如下图。
通过仿真可以观测到电路已经成为10进制计数器(文件名:
counterb.msm)。
内容二、分析已经给出的阶梯波发生器。
电路如下图(文件名:
Stepwave.msm)。
通过运行仿真观测电路的功能,通过改变信号源的参数来改变阶梯波的频率,同时用示波器进行观测。
从图中可以看到,电路大致分为两个部分,上部分为4个T触发器和相应门电路构成的16进制计数器,下部分为D/A转换器。
电路的信号源为矩形波发生器,通过示波器观测到的波形如下图。
三、实验体会
1.1Multisim2001的仿真功能
(1)仿真环境直观,操作界面简洁明了,操作方便。
(2)增强专业版的仿真库提供近16000个仿真元件,分别有实际元件和虚拟元件,其中实际元件的基本参数完全和实际产品一致,虚拟元件的参数可以方便的更改。
(3)提供大量的激励源(信号源)和数学模型元件,方便各种分析的需要。
(4)提供各种能发亮的指示元件和发声元件,可用键盘控制电路中的开关、电位器调节、电感器调节和电容器调节,使仿真过程更为形象。
(5)提供各种常用的仪器仪表,增加仿真结果的直观度,并允许多个仪表同时调用和重复调用。
且仪表均具有存储功能。
(6)提供了射频元件,可以进行射频电路的仿真,许多软件不具备这项功能。
(7)提供了机电元件,可以进行自动控制电路的仿真,这也是许多软件所不具备的。
(8)除了仪表仿真方式以外,还具有波形仿真的方式,和Protel99SE类似。
在本次实验中我清楚的认识到使用软件仿真可以快捷迅速的对电路进行查错,修正。
省时省力,方便快捷。
尤其对较复杂的电路,搭建电路进行硬件仿真比较困难耗时,而且还会浪费资源,如果在软件调试成功后,在进行硬件电路的搭建就比较方便快捷,而且硬件电路的功能也比较容易实现。
实验总结:
在模拟电子线路分析与设计过程中,经常需要选择合适的元件。
如果在设计过程中,每换一个元件就进行一次测试,则工作量非常大。
利用MULTISIM提供的大量的仿真分析法,可以为电路设计提供许多有效的方法。
单级共射放大电路是放大电路的基本形式,为了获得不失真的放大输出,需设置合适的静态工作点,静态工作点过高或过低都会引起输出信号的失真。
通过改变放大电路的偏置电压,可以获得合适的静态工作点.
通过本现代电路的上机课程学习后,清楚地认识到软件仿真的重要性,也学习到了Multisim此款仿真软件的设计功能,及对我们专业电路设计方面的帮助,虽然在本课程的学习只是在了解与认识的程度,但在以后的学习中,我一定会更加努力学习此款软件的功能,将其应用到实际学习工作之中。
项目二、函数信号发生器的设计与制作
一、实验目的:
掌握函数信号发生器的工作原理及设计关键
熟练使用软件对自己设计的电路进行仿真测试
二、实验内容
内容一:
设计和制作一信号发生器,指标如下:
1.输出为方波和三角波两种波形,用开关切换输出
2.均为双极性
3.输出阻抗均为50欧
4.输出方波时,输出电压峰值为0~5V可调,输出信号频率为200HZ~2KHZ可调
5.输出为锯齿波时,输出电压峰值为0~5V可调,输出信号频率为200HZ~2KHZ可调
实验要求:
1.画出电路原理图
2.元器件及参数选择
电路仿真与调试
内容二:
设计和制作一信号发生器,指标如下:
1.输出为方波和三角波两种波形,用开关切换输出
2.均为双极性
3.输出阻抗均为50欧
4.输出方波时,输出电压峰值为0~1V可调,输出信号频率为100HZ~1KHZ可调
5.输出为锯齿波时,输出电压峰值为0~1V可调,输出信号频率为100HZ~1KHZ可调
实验要求:
3.画出电路原理图
4.元器件及参数选择
5.电路仿真与调试
内容三:
设计和制作一信号发生器,指标如下:
1.输出为矩形波和锯齿波波两种波形,用开关切换输出
2.均为双极性
3.输出阻抗均为50欧
4.输出方波时,输出电压峰值为0~1V可调,输出信号频率为200HZ~2KHZ可调,正脉冲占空比为30%~70%可调
5.输出为锯齿波时,输出电压峰值为0~1V可调,输出信号频率为200HZ~2KHZ可调,正脉冲占空比为30%~70%可调
实验要求:
6.画出电路原理图
7.元器件及参数选择
8.电路仿真与调试
二、实验体会
电路的时间常数R*C,构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时,Uc=Oo.随后C充电,由于RC≥Tk,充电很慢,所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故
Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫Uidt
这就是输出Uo正比于输入Ui的积分(∫Uidt)
RC电路的积分条件:
RC≥T
发光二极管VD用作电源指示(接通电源时亮),C1是电源滤波电容,
C2为定时电容,C2的充电回路是R2→R3→RP→C2;C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。
电位器RP可以调节占空比,在本电路图中,由于R3+RP》R2,所以充电时间常数(R2+RP+R3)*C2与放电时间常数(R2+RP)*C2近似相等,所以由多谐振荡器的3脚输出的是近似对称方波。
按图所示元件参数,按计算式(1-4)可以求得其频率为0.867~1.140KHZ,同时调节电位器RP可改变振荡器的频率。
方波信号经R4、C5积分网络后,输出三角波。
三角波再经R5、C6低通滤波器(能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路,其作用是滤去音频信号中的中音和高音成分,增强低音成分),输出近似的正弦波。
,该信号发生器如图所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出,特别适合电子爱好者或学生用示波电路简单、成本低廉、调整方便。
根据原理图由式1-3因为R3+RP’远大于R2,所以占空比=
=
≈50%
由式1-4f=
≈1.43/(R2+2R3+2RP’)C2
当RP=0时f=1144HZ周期T=
=0.874ms
当RP=20K时f==866.7HZ周期T=
=1.154ms
频率稳定度=
*100%=
MULTISIM仿真的电路图
RP=0%时的波形
RP=100%时的波形
MULTISIM仿真结果
RP=0%时
仿真波形
周期
峰峰值
矩形波
910.714us
5.000v
三角波
910.714us
234.416mv
正弦波
910.786us
150.467mv
RP=100%时
仿真波形
周期
峰峰值
矩形波
1.196ms
5.097v
三角波
1.196ms
307.346mv
正弦波
1.196ms
222.743mv
五、系统测试及误差分析
5.1、测试仪器
数字示波器、万用表(UT52)。
5.2、测试数据
基本波形的频率测量结果
RP=0%时
测量波形
峰峰值
绝对误差
相对误差
矩形波
三角波
正弦波
RP=100%时
测量波形
峰峰值
绝对误差
相对误差
矩形波
三角波
正弦波
实验结果分析
实验误差分析
1.测量时直流电源引起的误差
在MULTISIM仿真过程中,直流电源VCC接的是5V,而在实际测量中接的是+5V档,用万用表测得直流电源的实际输出电压为5.04V.
2.元器件误差
在MULTISIM上仿真时,各种元器件的值都是按标准值计算的,而在实际的测量中,各种元器件的值都与标准值有出入,下表中列出了电阻阻值的准确值与实际测量值的大小
电阻标准值与实际值对照表
元件
标准值
实际值
电阻R1
510
516
电阻R2
1K
0.982K
电阻R3
62K
61.1K
电阻R4
10K
9.9K
电阻R5
10K
9.9k
电阻R6
10K
9.9k
3焊接时导线引起的误差
在电路焊接的过程中,焊点、导线等也存在着不可避免的误差
4.测量是各种仪器仪表引起的误差
5.人为误差
缺陷:
在实验测量波形图发现测得的正弦波很不明显,波形频率的可调范围小,误差较大。
正弦波不明显的可能原因:
因为此电路中的正弦波是从三角波经低通滤波器而来,由傅里叶变换将三角波转变为直流及正弦波各次谐波的形式经过R5.C6组成的低通滤波器输出来,可能含有多次谐波,使所得的正弦波失真,所以要改善正弦波,可以考虑改电容的大小使其他谐波的影响降低。
波形频率的可调范围小的原因:
在本实验的电路图中电位器RP的最大值是20K,而R2有62K所以波形的频率为f=f=
≈
由该式子可知RP对整个电路的频率影响不大,所以要想扩大频率范围可以尝试加大RP的阻值。
误差较大的原因:
根据上述实验误差分析最后输出的波形应是每阶段误差的叠加,要减少误差,应该采用比较精确的仪器,而且本实验的设计也存在不妥之处,用三角波积分转变为正弦波在理想状态下也是一个近似值,而在实验过程中存在很多的干扰及试验中的累积性误差,是得到的波形存在较大的失真。
还有很多影响的因素在实验之前没有考虑到
项目三、低频功率放大器的设计与制作
一、实验目的
1.了解和掌握功率放大电路的一般问题;乙类双电源互补对称功率放大电路;甲乙类互补对称功率放大电路;集成功率放大电路功率器件的的电路组成。
特点
2.完成功率放大器的设计与制作
二、实验内容
内容一、试用集成运放和功率BJT设计并制作低频功率放大器,指标如下:
1.最大输出功率Pom≥8W(正弦输入Ui=10mV)
2.负载电阻RL=8Ω
3.失真度THD≤5%
4.效率η≥50%
5.输入电阻Ri≥100KΩ
设计要求:
1.画出电路原理图
2.元器件及参数选择
3.电路仿真与调试
内容二、试用集成运放和功率BJT设计并制作低频功率放大器,指标如下:
6.最大输出功率Pom≥5W(正弦输入Ui=10mV)
7.负载电阻RL=16Ω
8.失真度THD≤5%
9.效率η≥50%
10.输入电阻Ri≥100KΩ
设计要求:
4.画出电路原理图
5.元器件及参数选择
6.电路仿真与调试
内容三、试用集成运放和功率BJT设计并制作低频功率放大器,指标如下:
11.最大输出功率Pom≥8W(正弦输入Ui=10mV)
12.负载电阻RL=8Ω
13.失真度THD≤2%
14.效率η≥50%
15.输入电阻Ri≥100KΩ
设计要求:
7.画出电路原理图
8.元器件及参数选择
9.电路仿真与调试
三、实验体会
电路原理图如下:
放大电路的设计
电压放大电路可选用两个INA128芯片来对微弱信号进行放大。
若采用一级放大,当放大倍数较大时,电路可能不稳定,故应采用两级放大,并在级间采用电容耦合电路,图3所示是其电路图。
图中,INA128具有低失调电压漂移和低噪声等性能指标,且放大倍数设置简单,只用一个外部电阻就能改变放大倍数。
图3中1、8脚跨接的电阻就是用来调整放大倍率,4、7脚需提供正负相等的工作电压,2、3脚输入要放大的电压,并从6脚输出放大的电压值。
5脚则是参考基准,如果接地,则6脚的输出即为与地之间的相对电压。
功率放大电路的设计
功率放大电路往往要求其驱动负载的能力较强,从能量控制和转换的角度来看,功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别,只是功放既不是单纯追求输出高电压,也不是单纯追求输出大电流,而是追求在电源电压确定的情况下,输出尽可能大的功率。
本电路采用两个MOS管构成的功率放大电路,其电路如图4所示。
此电路分别采用一个N沟道和一个P沟道场效应管对接而成,其中RP2和RP3为偏置电阻,用来调节电路的静态工作点。
特征频率fT放大电路上限频率fH的关系为:
fT≈fhβh,系统阶跃相应的上升时间tr与放大电路上限频率的关系为:
trfh=0.35。
对于OCL放大器来说,一般有:
PTM≈0.2POM,其中PIM为单管的最大管耗,POM为最大不失真输出管耗。
根据计算,并考虑到项目要求,本设计选用IRF950和IRF50来实现功率放大。
AD转换电路的设计
此工作可由单片机内部的10位AD转换器完成,但实验发现,单片机的10位AD芯片的处理效果不是很好。
因此本设计采用了两个AD转换芯片来对负载输出的信号进行转换,并使用单片机控制计算,然后送入液晶显示其功率和效率。
AD1*是一片高速12位逐次比较型A/D转换器,该芯片内置双极性电路构成的混合集成转换器,具有外接元件少,功耗低,精度高等特点,并具有自动校零和自动极性转换功能,故只需外接少量的电阻和电容元件即可构成一个完整的A/D转换器。
AD8326是TI公司推出的16位高速模数转换器,其转换速度快,线性度好,精度高AD8326和A1*的电路连接图分别如图5和图所示
系统软件设计
由于本系统是低频正弦信号的功率放大,要求能测量并显示输出功率、整机效率等信息,所以要用到AD转换。
AD芯片测量的交流信号,所以,测量的电压数据进行比较,以获得最大电压值,此值即为正弦信号的最大值。
而要想得到正弦信号的有效值,就要对最大值进行处理,从而获得有效值。
这样,就可以将电源的输出功率和供给功率,根据欧姆定律计算出其数值,并将测得的数据用液晶适时的显示出来。
因此,本系统软件实现的功能应当可以实现对正弦信号有效值的测量;同时能够通过液晶准确显示输出功率和系统供给功率和整机效率。
项目四、直流稳压电源的设计与制作
一、实验目的
1、了解和掌握直流稳压电源的基本组成与工作原理;串联反馈式稳压电路;开关式直流稳压电路的电路组成,特点,功能
2、完成直流稳压电源的设计与制作
二、实验内容
内容一、用三端式稳压器设计并制作一直流电源,指标如下:
1、输出电压U0=9±0.5V
2、最大输出电流I0max=1A
3、输出纹波峰峰值小于4mV(I0max=1A时)
4、其他指标同三端式稳压器
设计要求:
1.画出电路原理图
2.元器件及参数选择
3.电路仿真与调试
内容二、用三端式稳压器设计并制作一直流电源,指标如下:
1、输出电压U0=5±0.5V
2、最大输出电流I0max=1A
3、输出纹波峰峰值小于2.5mV(I0max=1A时)
4、其他指标同三端式稳压器
设计要求:
1、画出电路原理图
2、元器件及参数选择
3、电路仿真与调试
三、实验体会
直流稳压电源的设计一般包括变压、整流、滤波、稳压四个基本环节。
为了提高电源的质量及其可靠性,需对电源输出电压进行采样、比较、放大,并用此误差放大信号来调节其输入电压,使得负载变化时输出电压保持稳定。
此外,为了提高电源的使用安全性能,需设计简单可靠的过压过流保护电路,防止电压电流过大时损坏负载元件。
以下将从电源主电路、控制电路、保护电路设计等3个方面简要介绍直流稳压电源的制作方法。
A.主电路设计
主电路部分设计主要包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路设计(图1)。
变压器把高压交流电变为所需要的低压交流电;整流器把交流电变为脉动直流电;滤波器滤除直流中的交流成分;稳压器把波动较大的直流电压变为稳定的直流电压输出(图2)。
图1主电路组成示意图
图2电路输出波形图
变压器的工作原理是基于电磁感应定律进行电压、电流、阻抗变换。
在直流稳压电源设计中,电源变压器一般是将单相工频交流220V电压转换成电压较低的交流电以满足后续电路的需要。
根据电路所要求输出的直流电压和电流值来确定电源变压器次边的抽头个数和各个抽头应输出的电压和功率。
此外,为了减小电源变压器的体积和重量,宜选用高频电源变压器。
利用二极管的单向导电性将交流电压变换为单向的直流电压称之为整流。
实际设计中应根据所制作电源要求的输出精度和质量特性选择合理的整流方式。
直流稳压电源设计中一般利用电感、电容等储能元件两端电压不能突变的特性对交流电压进行滤波,从而输出波动较小的直流电。
通过滤波输出的直流电仍含有较多的交流成分,因此不能直接加在负载两端,需对其进行稳压。
稳压管反向击穿时,在一定的电流范围内表现出稳压特性,因此可用来稳定直流输出电压。
然而其电源稳定性较差,输出精度较低,因此一般选用输出稳定可靠的三端集成稳压器,在满足电源设计要求的前提下还可缩短设计周期、降低设计成本。
B.控制电路设计
仅有以上四个基本环节组成的稳压电源带载能力较差,当负载电流增大时输出电压会降低,不能满足大多数电子元件工作的电源要求。
一般通过闭环反馈控制和扩大输出电流来提高电源性能。
为了保证电源的输出电压不会随着负载的变化而变化,应使电源自身具有反馈调节能力,其原理如图3所示。
图3闭环稳压电源框图
当负载两端电压发生变化时,电阻网络的采样电压随之改变,将此采样的电压值与给定的基准电压进行比较,并将此微弱的误差信号进行放大进而调节控制元件的工作状态,从而调节负载两端的电压,使其保持稳定。
控制元件应选用工作状态可调节的元件,如三极管,其发射极电流会随着基极电流的变化而改变,因此通过控制三极管基极的电压即可调节三级管的导通程度,从而可调节电路的输出电压使其满足要求。
此外,为了提高电源的带载能力,可采用三极管将电源的输出电流进行扩大,其原理如下图所示。
图4电流扩大电路
图4中,当负载电流较小时,负载所需的电流完全由稳压模块提供,当负载电流增大时,电阻R上的压降增大,将使串联调整三极管Q导通,三极管与稳压模块一起提供负载电流。
C.保护电路设计
为了提高电源的使用可靠性和安全性能,通常需设计一些简单的保护电路,如过压、过流保护等,如下图所示。
图5系统保护电路
图5中,F1、Q1、R5、R6组成过电压保护电路,当负载两端的电压升高时,R6上的压降增大,晶闸管门极得触发电流,晶闸管导通,瞬时大电流使F1熔断,从而起到保护电路的作用。
R1、Q2、D1组成预稳压电路,将稳压模块的输入电压固定在某一电压值,使得,输入电压不随负载变化。
R2、Q3、R4组成过流保护电路,到电路中的电流过大时,电阻R2上的压降增大,使得三极管Q3导通,从而为大电流提供通路,防止电路中电流过大损坏电路元件和伏在元件。
R3、Q4组成电流扩大电路,提供电路的带载能力。
3.电源电压检测与管理
在有多种制式直流电压输出的复杂控制系统中,当系统发生故障时,首先要检测各个芯片或电路的电源输出是否正常,为了避免人工检测所带来的耗时费力和不便等缺点,本论文提出一种简单可靠、方便快捷的直流电压输出有无的检测方法,如图6所示。
图6电压有无检测电路
R1、R2组成对直流输出电压的采样电阻网络,当电源有输出电压时R2上的压降使光耦导通,R5上的压降增大,将R5上取得的高电平信号送给单片机处理后显示。
当电源无输出电压时,R2上无压降,光耦不工作,R5上的电压为0V,将此低电平
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