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文檔簡介
1、1.模擬電子設計部分1.1 課程設計的目的與作用1.1.1目的1. 掌握multisim軟件的應用及設計方法和各種元器件的作用及參數(shù)調(diào)整方法。2. 能正確理解鋸齒波發(fā)生電路的電路組成、工作原理、和主要參數(shù)的估算方法。3. 掌握RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路的組成,工作原理、振蕩頻率、起振條件以及電路的特點。1.1.2作用1. 能夠更加熟練的應用軟件對電路進行仿真設計以及分析仿真結(jié)果。2. 能夠加強自己動手設計電路的能力以及增強對模擬電子設計的興趣。1.2 設計任務、及所用Multisim軟件環(huán)境介紹1.2.1設計任務1. 利用multisim軟件建立電路模型對RC串并聯(lián)網(wǎng)絡震蕩電路和鋸齒波發(fā)生電路的進
2、行仿真設計。2. 對電路進行分析和理論計算并對仿真結(jié)果進行分析。1.2.2Multisim軟件環(huán)境介紹Multisim是加拿大IIT公司推出的基于Windows的電路仿真軟件,適用于板級的模擬數(shù)字電路版的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入,電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力。由于采用交互式界面,比較直觀,操作方便,具有豐富的元器件庫和品種繁多的虛擬儀器,以及強大的分析功能等特點,因而得到了廣泛的應用。 Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎的仿真工具,適用于
3、板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力。為適應不同的應用場合,Multisim推出了許多版本,用戶可以根據(jù)自己的需要加以選擇。在本課程中將以教育版為演示軟件,結(jié)合教學的實際需要,簡要地介紹該軟件的概況和使用方法,并在“實驗講授”中給出若干個應用實例,其對應msm文件見“實驗仿真文件”。 Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具,適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisi
4、m交互式地搭建電路原理圖,并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容,這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計,這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù),PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 軟件以圖形界面為主,采用菜單、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式,具有一般Windows應用軟件的界面風格,用戶可以根據(jù)自己的習慣和熟悉程度自如使用。 一、Multisim的主窗界面。啟動Multisim 2001后,將出現(xiàn)如圖1所示的界面。 界面由多個區(qū)域構(gòu)成
5、:菜單欄,各種工具欄,電路輸入窗口,狀態(tài)條,列表框等。通過對各部分的操作可以實現(xiàn)電路圖的輸入、編輯,并根據(jù)需要對電路進行相應的觀測和分析。用戶可以通過菜單或工具欄改變主窗口的視圖內(nèi)容。 二、菜單欄位于界面的上方,通過菜單可以對Multisim的所有功能進行操作。 不難看出菜單中有一些與大多數(shù)Windows平臺上的應用軟件一致的功能選項,如File,Edit,View,Options,Help。此外,還有一些EDA軟件專用的選項,如Place,Simulation,Transfer以及Tool等。1.3. RC串并聯(lián)網(wǎng)絡震蕩電路1.3.1電路模型的建立1.3.1.1電路組成圖_01是RC橋式振蕩
6、電路的原理電路,這個電路由兩部分組成,即放大電路 和選頻網(wǎng)絡 。選頻網(wǎng)絡(即反饋網(wǎng)絡)的選頻特性已知,在 處,RC串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡的 , ,根據(jù)振蕩平衡條件 和 ,可知放大電路的輸出與輸入之間的相位關(guān)系應是同相,放大電路的電壓增益不能小于3,即用增益為3(起振時,為使振蕩電路能自行建立振蕩, 應大于3)的同相比例放大電路即可。根據(jù)這個原理組成的電路如圖_01所示,由于Z1、Z2和R1、Rf正好形成一個四臂電橋,電橋的對角線頂點接到放大電路的兩個輸入端,因此這種振蕩電路常稱為RC橋式振蕩電路。圖_01 RC 橋式振蕩電路1.3.1.2振蕩的建立與穩(wěn)定由圖_01可知,在 時,經(jīng)RC反饋網(wǎng)絡傳輸?shù)竭\放
7、同相端的電壓 與 同相,即有 和 。這樣,放大電路和由Z1、Z2組成的反饋網(wǎng)絡剛好形成正反饋系統(tǒng),可以滿足相位平衡條件,因而有可能振蕩。所謂建立振蕩,就是要使電路自激,從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩。由于電路中存在噪聲,它的頻譜分布很廣,其中一定包括有 這樣一個頻率成分。這種微弱的信號,經(jīng)過放大器和正反饋網(wǎng)絡形成閉環(huán)。由于放大電路的 開始時略大于3,反饋系數(shù) ,因而使輸出幅度愈來愈大,最后受電路中非線性元件的限制,使振蕩幅度自動地穩(wěn)定下來,此時 ,達到 振幅平衡條件。 1.3.2理論分析及其計算圖_01a1.3.2.1定性分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡如圖_01a所示。為了討論方便,假定輸入電壓 是正弦波信號電壓,其
8、頻率可變,而幅值保持恒定。如頻率足夠低時, , ,此時,選頻網(wǎng)絡可近似地用圖XX_01b所示的RC高通電路表示。隨著w的下降,輸出電壓 將減小,輸出電壓 超前于輸入電壓 的相位角jf也就愈大。但超前角jf的最大值小于90°。當頻率足夠高時, , ,則選頻網(wǎng)絡近似地用圖_01c所示的RC低通電路來表示。這是一個相位滯后的RC電路,頻率愈高,輸出電壓 愈小,輸出電壓 滯后于輸入電壓 的相位角jf愈大。同樣,滯后角jf的最大值也小于90°。綜上分析可以推出,在某一確定頻率下,其輸出電壓幅度可能有某一最大值;同時,相位角jf從超前到滯后的過程中,在某一頻率f0下必有jf=0。1.3
9、.2.2定量計算由圖_01a所示RC串并聯(lián)電路可得, 和 。設 , ,令 ,則得 (1)當上式分母中虛部系數(shù)為零時,RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的相角為零。滿足這個條件的頻率可由式(1)求出:或 圖_02將式(5)代入式(4)得因此有和(由式(4)及式(5)可知,當或 時,幅頻響應的幅值為最大,即而相頻響應的相位角為零,即由式(7)和式(8)可畫出串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的幅頻相位和相頻響應,如圖_02所示。 1.3.2.3振蕩頻率與振蕩波形 由于集成運放接成同相比例放大電路,它的輸出阻抗可視為零,而輸入阻抗遠比RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的阻抗大得多,可忽略不計,因此,振蕩頻率即為RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的。當適當調(diào)整負反饋的強弱,使AV
10、的值略大于3時,其輸出波形為正弦波,如AV的值遠大于3,則因振幅的增長,致使波形將產(chǎn)生嚴重的非線性失真。 1.3.3仿真結(jié)果分析在Multisim中構(gòu)建RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路原理圖如圖所示: (1)調(diào)節(jié)電位器Rw,觀察電路的輸出情況。由虛擬示波器可見,當減小Rw至一定值時,電路將不能震蕩。增大Rw至一個合適值時,電路能夠震蕩,輸出波形較好,如下圖所示:(2)若繼續(xù)增大Rw當Rw得值太大時,輸出波形將產(chǎn)生嚴重失真,如下圖所示:1.4.鋸齒波發(fā)生電路1.4.1電路模型的建立1.4.1.1設計框圖滯回比較器鋸齒波矩形波充放電控制電路積分電路1.4.1.2設計原理結(jié)構(gòu)說明(1)滯回比較器滯回比較器具有
11、電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點。在比較電路當中,如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響,在門限電平上下波動,則輸出電壓將在高、低兩個電平之間反復地跳變,如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況,將對執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。滯回比較器則克服了單限比較器的這種缺陷。滯回比較器又名施密特觸發(fā)器,其電路如圖2所示。圖2 滯回比較器電路原理圖輸入電壓Ui經(jīng)電阻加在集成運放的反相輸入端,參考電壓Uref經(jīng)電阻接在同相輸入端,此外從輸出端通過電阻Rf引回同相輸入端。電阻和背靠背穩(wěn)壓管VDz的作用是限幅,將輸出電壓的幅度限制在Uz。在本電路中,當集成運方反相輸入端與同相輸入端的電位相等,即時,輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。其中U+則由參考電
12、壓Uref及輸出電壓Uo二者共同決定,而Uo有兩種可能的狀態(tài):+Uz或Uz。由此可見,這種比較器有兩個不同的門限電平,故傳輸特性呈滯回形狀,如圖3所示。圖2 滯回比較器的傳輸特性下面對此電路進行定性的分析:用疊加原理可求得同相輸入端的電位為 (2) 若原先Uo=+Uz,當Ui逐漸增大時,使Uo從+Uz跳變?yōu)閁z所需的門限電平用UT表示,由上式可知: (3)若原先Uo=Uz,當Ui逐漸減小,使Uo從Uz跳變?yōu)?Uz所需的門限電平用UT表示,則: (4)上述兩個門限電平之差成為門限寬度,用符號表示,由以上兩式可求得: (5)由此可見,門限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz以及電阻和的值,但與參考電
13、壓Uref無關(guān)。也就是說,當Uref增大或減小時,滯回比較器的傳輸特性將平行地右移或左移,但滯回曲線的寬度將保持不變。說明滯回比較器的抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動時,只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當調(diào)整滯回比較器兩個門限電平UT和UT的值,就可以避免比較器的輸出電壓在高低電平間反復跳變。(2)積分電路積分電路時一種應用比較廣泛的模擬信號運算電路,它是組成模擬計算機的基本單元,可以實現(xiàn)對微分方程的模擬。同時,積分電路也是控制和測量系統(tǒng)中常用的重要單元,利用其充放電過程可以實現(xiàn)延時、定時以及各種波形的產(chǎn)生。電路組成如圖4,根據(jù)理想運放工作在線型區(qū)時“虛短”和“虛斷”的特點可知:電
14、路的輸出電壓Uo與電容兩端的電壓Uc成正比,而電路的輸入電壓Ui與流過電容的電流ic成正比,即Uo與Ui之間成為積分運算關(guān)系。圖2.3積分電路由于集成運放的反相輸入端“虛地”,故可見輸出電壓與電容兩端電壓成正比。又由于“虛斷”,運方反相輸入端的電流為零,則,故即輸入電壓與流過電容的電流成正比。由以上幾個表達式可得: (6)由此可知,當輸入電壓為矩形波時,通過積分換算,輸出電壓即可轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣ā#?)矩形波轉(zhuǎn)換成三角波電路的工作原理: 在上式中,積分時間常數(shù)為RC。當輸入信號為矩形波時,其輸出信號為三角波,電路波形圖如下:圖2.4三角波(4)電路組成和工作原理如下圖為鋸齒波發(fā)生電路原理圖假設初始
15、時刻滯回比較器輸出端為高電平,而且假設積分電容上的初始電壓為零。由于A1同相輸入端的電壓U+同時與Uo1和Uo有關(guān),根據(jù)疊加原理,可得: 則此時U+也為高電平。但當時,積分電路的輸出電壓Uo將隨著時間往負方向線性增長,U+隨之減小,當減小至時,滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳變,使,同時U+將跳變?yōu)橐粋€負值。以后,積分電路的輸出電壓將隨著時間往正方向線性增長,U+也隨之增大,當增大至時,滯回比較器的輸出端再次發(fā)生跳變,使,同時U+也跳變?yōu)橐粋€正值。然后重復以上過程,于是可得滯回比較器的輸出電壓為矩形波,而由于積分電路的充放電時間不等,故積分電路輸出電壓Uo為鋸齒波。如圖所示:圖4.1 鋸齒波發(fā)生電路
16、的波形圖1.4.2理論分析和計算由上圖可知,當發(fā)生跳變時,鋸齒波輸出Uo達到最大值Uom,而發(fā)生跳變的條件是:,將條件,代入(7)式,可得: 由此可解得鋸齒波輸出的幅度為: 當忽略二極管VD1、VD2的導通電阻時,電容充電和放電的時間T1、T2以及鋸齒波的震蕩周期T分別為: T1=2R1R4CR2 T2=2R1R4CR2 T=T1+T2=2R1R4 CR21.4.3仿真結(jié)果分析假設調(diào)節(jié)電位器R4滑動端的位置,使得充電電路串入電阻R4<<放電電路串入電阻R4,此時,電容充電的時間常數(shù)將比放電時間常數(shù)小得多,于是充電過程很快,而放電過程很慢,此時積分電路的輸出波形如圖所示:可以根據(jù)之前
17、的公式計算由R1=12k,R2=7.5k,Uz=5.9v求得Uom=9.4v根據(jù)示波器可以讀出為9.357V,由此可以看出,仿真結(jié)果和理論計算的是一致的。反之,如果R4>>R4,則電容充電的時間常數(shù)將比放電時間常數(shù)大的多,則充電過程慢而放電過程很快,此時積分電路的輸出波形如下圖所示:同樣的由鋸齒波幅度計算公式計算得到Uom=9.4v,在誤差允許的范圍內(nèi),結(jié)果和仿真的結(jié)果是一致的,取得了很好的結(jié)果。同樣的由鋸齒波幅度計算公式計算得到Uom=9.4v,在誤差允許的范圍內(nèi),結(jié)果和仿真的結(jié)果是一致的,取得了很好的結(jié)果。1.5.設計總結(jié)體會通過本次課程設計,能夠更加熟悉的運用multisim
18、軟件的元件庫以及各元件的作用,而且能更好的對電路進行仿真。加深了對非正弦波電路產(chǎn)生的原理的理解和電路中各部分的作用以及對RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路產(chǎn)生正弦波的條件的把握和各種參數(shù)對輸出波形的影響。1.6.參考文獻楊素行 主編模擬電子技術(shù)基礎簡明教程(第三版)2005年2數(shù)字電子設計部分2.1課程設計的目的與作用 通過課程設計,深入了解二進制同步減法計數(shù)器以及74LS163電路的原理和應用,通過對電路進行仿真和模擬來對數(shù)據(jù)進行分析。我們可以更加熟練地使用Multisim軟件,獨立完成課程設計對我們的學習思考和創(chuàng)新也有了很大的幫助。2.2 課程設計任務本次課程設計有兩方面的內(nèi)容:1.六進制同步減法計數(shù)
19、器,無效狀態(tài)001,1012.74163構(gòu)成24進制同步計數(shù)器并顯示。2.3二進制同步減法計數(shù)器(無效狀態(tài)為001、101)2.3.1電路設計方案2.3.1.1設計總框圖二進制加法器74LS112輸入減法計數(shù)器脈沖輸出進位信號CP圖1程序總框圖2.3.1.2設計過程(1)狀態(tài)圖 /0/0 /0 /0 /0000010 011100110111/1圖1-3-2(a)狀態(tài)圖(2)選擇觸發(fā)器、求時鐘方程、輸出方程、狀態(tài)方程和結(jié)果選擇觸發(fā)器由于JK觸發(fā)器功能齊全、使用靈活,故選用3個下降沿JK觸發(fā)器。求時鐘方程CP0=CP1=CP2=CP求輸出方程輸出方程的卡諾圖為: Q1Q0Q20001111000
20、1xxx010000011xxx110100 0 1圖1-3-2(b)輸出方程卡諾圖輸出方程:Y=Q2Q1Q0狀態(tài)方程:次態(tài)卡諾圖: Q1Q0 Q200011110111xxx010000011xxx110100 01 圖1-3-2(c)Q2n+1Q1n+1Q0n+1次態(tài)卡諾圖Q2n+1的次態(tài)卡諾圖為: Q1Q0 Q200011110 1 x 0 0 0 x 1 1 01圖1-3-2(d)Q2n+1次態(tài)卡諾圖Q1n+1的次態(tài)卡諾圖為: Q1Q0 Q2000111101x101x1001圖1-3-2(e)Q1n+1的次態(tài)卡諾圖Q0n+1的次態(tài)卡諾圖為: Q1Q0 Q2000111101x001x
21、0001圖1-3-2(f)Q0n+1次態(tài)卡諾圖狀態(tài)方程:Q2n+1=Q1nQ2n+Q1nQ2nQ1n+1=Q0nQ1n+Q0nQ1nQ0n+1=Q1nQ0n J0 =Q1n J1 =Q0n J2 =Q1n K0=1 K1 =Q0n K2 =Q1n按動時鐘脈沖開關(guān),觀察三個指示燈的變化情況,并將結(jié)果與理論值與真值表比較。實驗過程中集成芯片74LS112的16腳接5V直流電源,8腳接地. 最后結(jié)果:表1-3-2CPQ2Q1Q0Q2n+1Q1n+1Q0n+11000111211111031101004100011501000160010002.3.1.3邏輯接線圖2.3.2模擬仿真結(jié)果分析仿真111 小燈 亮 亮 亮仿真 110 小燈 亮 亮 滅仿真010 小燈 滅 亮 滅通過仿真結(jié)果分析,由multisim軟件仿真的結(jié)果可知,001和101是約束項,通過輸出Q2、Q1、Q0接到顯示屏上來顯示六進制的數(shù)值,在CP脈沖下將會依次顯示7、6、4、3、2、0共六個數(shù),然后繼續(xù)返回到這個循環(huán)之中?;蛘咄ㄟ^3個小燈泡的亮滅顯示二進制的值,會依次顯示111、110、100、011、010、000然后又返回到這個
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