《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)高保真音頻功率放大器設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名: 專(zhuān)業(yè)班級(jí): 電 子 0803 班 指導(dǎo)教師: 工作單位: 信 息 工 程 學(xué) 院 題 目: 高 保 真 音 頻 功 率 放 大 器 設(shè) 計(jì) 初始條件:可選元件:集成功放la4100或la4102;集成功放4430;集成功放td2030;集成功放tda2004、2009;集成功放ta7240ap(集成功放的選擇應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo))。電容、電阻、電位器若干。直流電源12v可用儀器:示波器,萬(wàn)用表,毫伏表,萬(wàn)用表要求完成的主要任務(wù): (包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求,以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求)1 設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和已知條件,選擇合適的功放電路,如:ocl、otl或btl電路

2、。完成對(duì)高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。2 設(shè)計(jì)要求輸出功率10w/8;頻率響應(yīng)2020khz;效率60;失真小。選擇電路方案,完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫(huà)出總體電路原理圖,闡述基本原理。(選做:用pspice或ewb軟件完成仿真)安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。3 時(shí)間安排:1、2010年1月18日集中,作課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求說(shuō)明。2、2010年1月19日,查閱相關(guān)資料,學(xué)習(xí)電路的工作原理。3、2010年1月20日至2010年1月21日,焊接電路、調(diào)試和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)。4、2010年1月22日下午課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告,同時(shí)進(jìn)行答

3、辯。課設(shè)答疑地點(diǎn):鑒主13樓電子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日目錄摘要1 緒論 12 設(shè)計(jì)要求及思路 2 2.1 設(shè)計(jì)題目2 2.2設(shè)計(jì)任務(wù)2 2.3設(shè)計(jì)要求2 2.4設(shè)計(jì)分析2 2.5設(shè)計(jì)思路33 調(diào)試軟件介紹6 3.1仿真軟件的介紹6 3.2仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍6 3.3仿真軟件版本74 電路原理圖 8 4.1原理框圖 8 4.2工作原理論述8 4.3電路原理圖9 4.3.1 理論分析10 4.3.2 具體數(shù)值計(jì)算 105 仿真部分 116 心得體會(huì) 14參考文獻(xiàn) 15附錄:元件清單16摘要本文介紹利用三極管的電壓控制作用,并將電源的

4、功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流,主要是闡述如何使用集成功放tda2030制作高保真音頻功率放大電路。利用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)正相、反相集成功放的平衡橋式電路使得整個(gè)電路的輸出功率更大,電源的使用效率更高,并且tda2030集成功放上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小、保護(hù)性能以較完善、外圍電路簡(jiǎn)單,使用方便。同時(shí)在電路中加入了幾個(gè)電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率可調(diào)。使功放的實(shí)用性更強(qiáng)!關(guān)鍵詞:tda2030 集成功放abstract this article describes the use of transistor voltage-controlled role, and the power supply of th

5、e power conversion in accordance with the current changes in the input signal is mainly described how to use the integrated production of high-fidelity audio power amplifier tda2030 power amplifier circuit. the use of two symmetric normal phase, reversed the balance of power amplifier integrated cir

6、cuits makes the whole circuit bridge output power greater use of more efficient power supplies, and rising rates of high-power amplifier tda2030 integrated, transient intermodulation distortion, protection performance in order to better, the external circuit is simple, easy to use. at the same time

7、in the circuit by adding a few potentiometer adjustable output power. so that the usefulness amplifier stronger!key words: tda2030,integrated amplifier緒論功率放大器是機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的部分,也是其最基本的部分。功率放大器發(fā)展至今,有許多種類(lèi)和應(yīng)用,在工業(yè)方面,有數(shù)控機(jī)床的電機(jī)驅(qū)動(dòng),有應(yīng)用于新型磁軸承開(kāi)關(guān),也有在電力電子控制技術(shù)種的應(yīng)用。在通訊方面,有幾百毫瓦的蜂窩電話發(fā)射機(jī)、有基站幾十瓦的功率放大器、也有上千瓦的電視信號(hào)發(fā)射機(jī)。但所有的

8、功率放大器,其設(shè)計(jì)所遵循的基本規(guī)律幾乎是相同的。而它的設(shè)計(jì)包含了電子電路技術(shù)、模擬控制理論、測(cè)試技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)智能化的單片機(jī)控制技術(shù)等。因此以電子管音頻功率放大器設(shè)計(jì)制作作為載體。實(shí)現(xiàn)興趣與理論實(shí)踐相結(jié)合,使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程不枯燥無(wú)味,從而既實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率放大器的理論學(xué)習(xí),又進(jìn)行一次高性能智能型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí),通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)與制作,進(jìn)一步發(fā)揮和鞏固四年來(lái)所學(xué)的知識(shí),在實(shí)踐中鍛煉自己,在鍛煉中提高自己專(zhuān)業(yè)水平。功率放大器的歷史很悠久,常被認(rèn)為是個(gè)很老的課題。甲、乙、甲乙類(lèi)丙類(lèi)的劃分方傳可以追溯到上世紀(jì)30年代,現(xiàn)今這樣的概念仍然被廣泛使用。然而,隨著現(xiàn)代通信體制的發(fā)展,特別是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用。功率

9、放大器所涉及的許多概念正被重新定義或者修正?,F(xiàn)代功率放大器設(shè)計(jì)中,引入了很多過(guò)去沒(méi)有的概念和技術(shù)。功率放大器的設(shè)計(jì)考慮的因素越來(lái)越多,設(shè)計(jì)中折衷考慮的過(guò)程也越發(fā)復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和dsp技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計(jì)過(guò)程也和傳統(tǒng)方法大相徑庭,引入了建模、仿真等新工具。并且出現(xiàn)了很多新的電路方案,例如:結(jié)合dsp技術(shù)的反饋技術(shù),卡特生環(huán)等。功率放大器發(fā)展至今,己經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍用,民用通信,工業(yè)控制,生活享受等各領(lǐng)域。相應(yīng)的功率放大器研究也成了未來(lái)的趨勢(shì)和熱點(diǎn)2 設(shè)計(jì)要求及思路2.1 設(shè)計(jì)題目:高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2.2 設(shè)計(jì)任務(wù):根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和已知條件,選擇合適的功放電路,如:ocl、otl

10、、或btl電路。完成對(duì)高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、裝備與調(diào)試。 2.3設(shè)計(jì)要求:在8揚(yáng)聲器的負(fù)載下,達(dá)到10w的輸出功率;頻率響應(yīng)20-20khz;效率60%;失真小。2.4 設(shè)計(jì)分析:2.4.1音頻功率放大器的作用是使輸入信號(hào)的音量和功率在輸出元件上重新產(chǎn)生高功率低失真的音頻信號(hào)。音頻頻率范圍約為2020khz,所以要求此功率放大器在2020khz的頻率范圍內(nèi)有良好的頻率響應(yīng)。輸出的功率盡可能大(約10w左右),電源的使用效率高,盡可能減小非線性失真。(1)輸出功率較大:要求功放管的輸出電壓和電流較大,而且輸出信號(hào)沒(méi)有失真;(2)電源使用效率高:功率放大器的效率=負(fù)載上得到的功率/電源提供的

11、直流功率,所以應(yīng)該使輸出功率盡可能大,以提高電源的使用效率;(3)非線性失真?。汗β史糯笃魇窃谳^大信號(hào)下工作的電子元件,輸出電壓、輸出電流變化幅值很大,很容易使輸出信號(hào)超過(guò)功率管的線性工作范圍,進(jìn)入非線性工作區(qū),導(dǎo)致輸出信號(hào)失真。因此控制功放工作在線性區(qū)域,是本次設(shè)計(jì)任務(wù)的一個(gè)難點(diǎn)。2.4.2 根據(jù)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)在交流負(fù)載線上所處的位置不同,可將放大管的工作狀態(tài)分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)和丙類(lèi)四種。其中丙類(lèi)工作狀態(tài)的輸出功率和效率最高,單是丙類(lèi)放大器的電流波形失真太大,因而不能用于低頻功率放大。甲類(lèi)工作方式是將靜態(tài)工作點(diǎn)取在交流負(fù)載線的中點(diǎn),使放大電路的工作狀態(tài)始終在線性工作區(qū),但甲類(lèi)負(fù)載的功

12、率放大電路電源使用效率最高只有25%,不滿足設(shè)計(jì)要求,不可取。乙類(lèi)工作方式是將靜態(tài)工作點(diǎn)移到橫軸上,單是乙類(lèi)工作電路的導(dǎo)通角為180波形嚴(yán)總失真,不滿足設(shè)計(jì)要求。所以我選擇的是甲乙類(lèi)工作方式。2.5設(shè)計(jì)思路:2.5.1 功放電路,我們決定在ocl、otl和btl電路中選擇其一進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖 2-1 otl電路圖 圖 2-2 ocl電路及波形 otl(output transformerless load power amplification circuit,無(wú)輸出變壓器的功率放大電路)電路,是一種輸出級(jí)與揚(yáng)聲器之間采用電容耦合而無(wú)輸出變壓器的功放電路,它是高保真功率放大器的基本電路之一,但輸

13、出端的耦合電容對(duì)頻響也有一定影響。otl電路的主要特點(diǎn)有:(1)輸出端直流電位為電源電壓的一半;(2)輸出端與負(fù)載之間采用大容量電容耦合,揚(yáng)聲器一端接地;(3)具有恒壓輸出特性,允許揚(yáng)聲器阻抗在4、8、16之中選擇,最大輸出電壓的振幅為電源電壓的一半,即1/2 vcc,額定輸出功率約為(vcc* vcc) /(8rl)。ocl(output capacitorless power amplification circuit,無(wú)輸出電容的功率放大電路)電路:是在otl電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。ocl電路的主要特點(diǎn)有:采用雙電源供電方式,輸出端直流電位為零;由于沒(méi)有輸出電容,低頻特性很好;揚(yáng)聲器一端

14、接地,一端直接與放大器輸出端連接,因此須設(shè)置保護(hù)電路;具有恒壓輸出特性;允許選擇4、8或16負(fù)載;最大輸出電壓振幅為正負(fù)電源值,額定輸出功率約為(vcc * vcc )/(2rl) 。需要指出,若正負(fù)電源值取otl電路單電源值的一半,則兩種電路的額定輸出功率相同,都是 (vcc * vcc)/(8rl)。 btl(bridge-tied-load power amplification circuit)電路:稱(chēng)為平衡橋式功放電路。它由兩組對(duì)稱(chēng)的otl或ocl電路組成,揚(yáng)聲器接在兩組otl 或ocl電路輸出端之間,即揚(yáng)聲器兩端都不接地。btl電路的主要特點(diǎn)有:可采用單電源供電,兩個(gè)輸出端直流電位

15、相等,無(wú)直流電流通過(guò)揚(yáng)聲器,與otl、 圖2-3 btl功放電路ocl電路相比,在相同電源電壓、相同負(fù)載情況下,btl電路輸出電壓可增大一倍,輸出功率可增大四倍,這意味著在較低的電源電壓時(shí)也可獲得較大的輸功率,但是,揚(yáng)聲器沒(méi)有接地端,給檢修工作帶來(lái)不便。為了使負(fù)載(10w/8)得到較高的輸出功率,充分利用系統(tǒng)電源,增加電源的使用效率。我們決定選擇btl電路圖 圖2-3 btl功放電路 2.5.2 芯片選擇我們選取的芯片為tda2030a芯片。tda2030a芯片:tda 2030 是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路,其主要特點(diǎn)是上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小,在目前流行的數(shù)十種功率放大集成電路中

16、,規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)的僅有包括tda 2030 在內(nèi)的幾種。我們知道,瞬態(tài)互調(diào)失真是決定放大器品質(zhì)的重要因素,該集成功放的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。tda2030 集成電路的另一特點(diǎn)是輸出功率大,而保護(hù)性能以較完善。根據(jù)掌握的資料,在各國(guó)生產(chǎn)的單片集成電路中,輸出功率最大的不過(guò)20w,而tda 2030的輸出功率卻能達(dá)18w,若使用兩塊電路組成btl電路,輸出功率可增至35w。另一方面,大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大,在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在tda 2030集成電路中,設(shè)計(jì)了較為完善的保護(hù)電路,一旦輸出電流過(guò)大或管殼過(guò)熱,集成塊能自動(dòng)地減流或截止,使自己得到保護(hù)(當(dāng)然這保護(hù)是有條

17、件的,我們決不能因?yàn)橛斜Wo(hù)功能而不適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行使用)。tda2030 集成電路的第三個(gè)特點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單,使用方便。在現(xiàn)有的各種功率集成電路中,它的管腳屬于最少的一類(lèi),總共才5端,外型如同塑封大功率管,這就給使用帶來(lái)不少方便。tda2030 在電源電壓14v,負(fù)載電阻為4時(shí)輸出14瓦功率(失真度05);在電源電壓 16v,負(fù)載電阻為4時(shí)輸出18瓦功率(失真度05)。該電路由于價(jià)廉質(zhì)優(yōu),使用方便,并正在越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種款式收錄機(jī)和高保真立體聲設(shè)備中。該電路可供低頻課程設(shè)計(jì)選用。 圖2-4 tda2030 實(shí)物圖最終,我們選擇的原理圖為,tda2030abtl功放電路圖。3 調(diào)試軟件介紹3.1

18、仿真軟件概況multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司(interactive image technoligics簡(jiǎn)稱(chēng)iit公司)推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具,適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用multisim交互式地搭建電路原理圖,并對(duì)電路進(jìn)行仿真。multisim提煉了spice仿真的復(fù)雜內(nèi)容,這樣工程師無(wú)需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì),這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)multisim和虛擬儀器技術(shù),pcb設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從

19、理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。3.2 仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍通過(guò)直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路通過(guò)交互式spice仿真, 迅速了解電路行為借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征通過(guò)一個(gè)工具鏈, 無(wú)縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試通過(guò)改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間ni multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真,能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借ni multisim,您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖,并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)spice模擬器模仿電路行為。借助專(zhuān)業(yè)的高級(jí)spice分析和虛擬儀器,您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)

20、計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證,從而縮短建模循環(huán)。與ni labview和signalexpress軟件的集成,完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程,從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。3.3 仿真軟件版本這次課程設(shè)計(jì),我們用的是multisim 10對(duì)電路進(jìn)行仿真。應(yīng)用multisim 10對(duì)電路進(jìn)行仿真分析的基本過(guò)程與pspice類(lèi)似,只是在繪電路圖時(shí)還需要接入所需要的儀器儀表,構(gòu)成完整的實(shí)驗(yàn)電路。multisim為用戶(hù)提供了數(shù)量眾多的元器件,被分門(mén)別類(lèi)地存放在多個(gè)器件庫(kù)中。在繪制電路圖時(shí)只需打開(kāi)器件庫(kù),再用鼠標(biāo)左鍵選中要用的元器件,并把它拖放到工作區(qū)即可。當(dāng)光標(biāo)移動(dòng)到元器件的引腳時(shí),會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)帶十字的

21、黑點(diǎn),進(jìn)入到線性狀態(tài)。單擊鼠標(biāo)左鍵確認(rèn)后,移動(dòng)鼠標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)連線,搭接電路原理圖既方便又快捷,就像在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)一樣。4 電路原理圖4.1 原理框圖輸入音頻信號(hào)tda2030(1) 輸出tda2030(2)u1負(fù)反饋反向輸入負(fù)反饋圖4-1 4.2 工作原理論述功率放大器用兩塊集成功放tda2030組成 ,tda2030(1)為同向放大器,輸入信號(hào)通過(guò)功放管的同向輸入端輸入,其電壓放大倍數(shù)由反饋網(wǎng)絡(luò)決定。tda2030(2)為反向放大器,其輸入信號(hào)由tda 2030(1)輸出端經(jīng)過(guò)分壓器衰減后取得后反饋給tda2030(2)的反相輸入端。兩個(gè)功放管的輸出信號(hào)相位相反, 使輸出電壓加倍。工作原理

22、: 用兩塊tda2030 組成如圖1所示的btl功放電路,tda 2030(1)為同相放大器,輸入信號(hào)vin通過(guò)交流耦合電容c1饋入同相輸入端腳,交流閉環(huán)增益為kvc1r4 / r6r4/ r626db。r3 同時(shí)又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài),確保電路直流工作點(diǎn)穩(wěn)定。tad 2030(2)為反相放大器,它的輸入信號(hào)是由tda 2030(1)輸出端的u01 經(jīng)r5、r7分壓器衰減后取得的,并經(jīng)電容c6后饋給反相輸入端腳,它的交流閉環(huán)增益kvc26db。由電路的對(duì)稱(chēng)性,知tda 2030(1)與tda 2030(2)的兩個(gè)輸出信號(hào)u01 和u02 應(yīng)該是幅度相等相位相反的,即: u01uinr3 /

23、 r2u02u01r9 / r5 r9r5 u02 u01因此在揚(yáng)聲器上得到的交流電壓應(yīng)為:uy u01 -( -u02) 2u01 2u02揚(yáng)聲器得到的功率 py 按下式計(jì)算:4.3 電路原理圖圖4-24.3.1 理論分析直流電源vee和vcc兩端的接地電c5、c1和c6、c2是用來(lái)作為退耦電容的。直流電源成分不只有直流電,還有交流電,在直流電源的的輸出端加上電容可以使直流電中的交流成分對(duì)地端接,使輸入功放管的是較好的直流電;u1為同相放大器,通過(guò)引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋到u1的反相輸入端,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓放大倍數(shù)的控制,u2為反相放大器,它由u1的輸出端電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)r12、r7分壓衰減后輸入到反

24、相放大器的反相輸入端,再加上負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)電壓增益的控制;c4、r9和c3、r8作為消除喇叭網(wǎng)絡(luò)和tda網(wǎng)絡(luò)之間的影響的,減少音頻輸出信號(hào)的干擾;r1,r2起到對(duì)稱(chēng)作用; 可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器r4、r11、r12的大小來(lái)控制功率放大器的電壓輸出幅度,從而實(shí)現(xiàn)輸出功率可調(diào)。 4.3.2 具體數(shù)值計(jì)算 因?yàn)檫\(yùn)用的是雙tda2030,可以使輸出功率提高為單個(gè)放大器的四倍即:p=4p=10w 為了使輸出功率大約為10 w,負(fù)載為8,所以對(duì)于單個(gè)放大器的輸出電壓有 若取 根據(jù)對(duì)稱(chēng)性 所以 r11、r12 也取18k根據(jù)輸入信號(hào)中的高低頻交流信號(hào)分別取c1=0.1f c5=100f由于電路的對(duì)稱(chēng)性c2=0.1f

25、 c6=100fr1=r5=10k 輸出端的電、容有濾波作用,查閱資料知c3=c4=0.22f r8 r9為限流電阻 可取r8=r9=25 仿真部分 圖5-1第一次輸入0.8v 500hz的信號(hào)時(shí),輸出波形出現(xiàn)嚴(yán)重的失真,如圖5-1。于是我逐漸減小輸入信號(hào)的幅值,當(dāng)輸入交流信號(hào)的幅值為0.32v時(shí),輸出波形達(dá)到最大不失真(如圖 5-2),但是輸出的功率還比較大;圖5-2通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的大小,改變電壓電路的電壓放大倍數(shù),使輸出達(dá)到10 w左右,如圖 5-3所示。圖5-36 心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)心得體會(huì):(1)這次課程設(shè)計(jì)是我進(jìn)入大學(xué)以來(lái)做的第一個(gè)課程設(shè)計(jì),在這過(guò)程中使我學(xué)到了很多東西,讓我受益匪淺。(2)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的電路,需要考慮 它各部件之間的作用,并根據(jù)功能要求和設(shè)計(jì)要求認(rèn)真選取電子元件。重要的事還要考慮到整個(gè)電路的安全性、可行性、實(shí)用性等。通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高了我分析電路的能力;(3)另外,我學(xué)會(huì)了使用multisim電

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