電子電路設(shè)計(jì)及仿真

1、信息與電氣工程學(xué)院通信工程CDIO 級(jí)工程設(shè)計(jì)說明書2022/2022學(xué)年第二學(xué)期題 目：電子電路設(shè)計(jì)及仿真班級(jí)組數(shù) ：學(xué)生：學(xué) 號(hào)：設(shè)計(jì)周數(shù)：14周2022年5月31日一、電源設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成， 變壓器 把市電交流電壓變成為直流電；經(jīng)過濾波后，穩(wěn)壓器在把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)?穩(wěn)定的直流電流輸出。本設(shè)計(jì)主要采用單路輸出直流穩(wěn)壓，構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路， 通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將 220V交流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實(shí)現(xiàn)固 定輸出電壓5V。1.1設(shè)計(jì)要求1 輸入：220V, 50Hz1 輸出：直流 5V1組1.2設(shè)計(jì)過程1電網(wǎng)供電電壓交流220V有效

2、值50Hz,要獲得低壓直流輸出，首先必須 采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。2降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大即 脈動(dòng)大。3脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即 將交流成分濾掉，保存其直流成分。4濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到根本不受外界影響的 穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載 RL。1.直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成，見圖1.1。其中負(fù) 載1電源變壓器是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流 電壓，并送給整流電路

3、，變壓器的變化由變壓器的副邊電壓確定。2整流電路，利用二極管單向?qū)щ娦?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直 流電。電路圖如1.2。圖1.2整流電路圖在U2的正半周內(nèi)，二極管 D1、D3導(dǎo)通，D2 D4截止；U2的負(fù)半周內(nèi)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過的負(fù)載電阻RL且方向是一致的。電路的輸出波形如下圖3濾波電路整流電路輸出電壓雖然是單一方向的， 但是含有較大的交流成分，不能適應(yīng) 大多數(shù)電子電路及設(shè)備的需要。因此，一搬在整流后，還需利用濾波電路將脈動(dòng) 的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸ｋ娙轂V波是最常見的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容即構(gòu)成電 容濾波電路，如圖1.

4、4所示。圖1.4濾波電路濾波電容容量較大，因而一般均采用電解電容，本次我們選用4700uF的電容。電容濾波電路是利用電容的充放電原理到達(dá)濾波的作用在脈動(dòng)直流波形的上升段，電容C充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很小，所以充電速度很快；在脈動(dòng)直流波 形下降段，電容CCC勺反復(fù)充放電實(shí)現(xiàn)了濾波作用，使輸出電壓趨于平滑，得到工 作波形如圖1.5所示。圖1.5電容濾波電路中二極管的電流和導(dǎo)通角4穩(wěn)壓電路雖然整流網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)能將正弦交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但 是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)輸出電壓也將隨之波動(dòng)；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻存在，負(fù)載 變化時(shí)

5、，內(nèi)阻上電壓將產(chǎn)生電壓，于是輸出電壓也將隨之產(chǎn)生相反變化。 為了獲 得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采用穩(wěn)壓措施。圖1.6 5V穩(wěn)壓電源電路仿真注意，因?yàn)榇笕萘侩娊怆娙萦梢欢ǖ睦@制電感分布電感，易引起自激振蕩, 形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸出端常并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效 應(yīng)，抑制高頻干擾。如下圖，并入一個(gè) 100nF的小電容來抵抗干擾。U1圖5V穩(wěn)壓電源電路1 Mnasci電路仿真穩(wěn)定后得到圖所示5V穩(wěn)壓源圖5V穩(wěn)壓電源電路測(cè)試結(jié)果、RC振蕩器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求文氏橋振蕩器；輸出：直流1KHz設(shè)計(jì)過程正弦振蕩器原理RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性如圖2.11 Fv(3)(b)圖RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其頻率

6、特性令:R仁 R2=RRC選頻網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為:C1= C2=CRC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，它的頻率響應(yīng)特性由明顯的峰值。 反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)系數(shù)為：令3 o=1/RC,那么上式為F=F =由此可得F的幅頻特性為(31 +r11F/ =0) 購凹4丿3F的相頻特性為由上式可得RC串并聯(lián)正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性的表達(dá)式和相應(yīng)曲 線。由特性曲線圖可知，當(dāng)3 = 3 0= 1/RC時(shí)，正反應(yīng)系數(shù)|F|達(dá)最大值為1/3 , 且反應(yīng)信號(hào)Uf與輸入信號(hào)U同相位，即© F= 0,滿足振蕩條件中的相位平衡條 件，此時(shí)電路產(chǎn)生諧振3 = 3 0= 1/RC為振蕩電路的輸出正弦波的角頻率，即諧振頻

7、率fo為2RC當(dāng)輸入信號(hào)Vi的角頻率低于3 0時(shí)，反應(yīng)信號(hào)的相位超前，相位差© F為正值；而當(dāng)輸入信號(hào)的角頻率高于30時(shí)，反應(yīng)信號(hào)的相位滯后，相位差© F為負(fù)值。正是利用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)這一選頻特性，構(gòu)成了 RC橋式正弦波振蕩電路。 正弦振蕩的電路組成1放大電路：保證電路能夠從起振到動(dòng)態(tài)平衡的過程，是電路獲得一定幅值 的輸出量，實(shí)現(xiàn)能量的控制。2選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率，是電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即保證電 路產(chǎn)生正弦波振蕩。3正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)：引入正反應(yīng)，使放大電路的輸入信號(hào)等于反應(yīng)信號(hào)。4穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。起振條件為了滿足起振的幅值條件|AF

8、|>L已經(jīng)知道當(dāng)“時(shí)，|匸上1/3,由此可以求得振蕩電路的起振條件為|A|>3放大倍數(shù)A應(yīng)略大于3根據(jù)同相比例運(yùn)算電路輸出電壓與輸入電壓之間的比例系數(shù)為 隨口+血/時(shí)，為了到達(dá)|a|=i+Vr, >3負(fù)反應(yīng)支路的參數(shù)應(yīng)滿足關(guān)系Rf > 2RJ正弦波振蕩電路原理圖RC正弦波振蕩電路原理圖2.2 。根據(jù)原理圖連接得到得到圖所示正弦波振蕩電路圖VEED1R1丄、4650QHZ12kQn .： R3I:：12kQ»F匸2HHfOriF圖2.3正弦波調(diào)整R4使輸出波形為最大且失真最小的正弦波。假設(shè)電路不起振，說明振 蕩的振幅條件不滿足，應(yīng)適當(dāng)加大 R4的值；假設(shè)輸出波形

9、嚴(yán)重失真，說明 R4 太大，應(yīng)減小R4的值。當(dāng)調(diào)出幅度最大且失真最小的正弦波后，可用示波器或 頻率計(jì)測(cè)出振蕩器的頻率。假設(shè)所測(cè)頻率不滿足設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)所測(cè)頻率的大 小，判斷出選頻網(wǎng)絡(luò)的元件值是偏大還是偏小， 從而改變R或C的值，使振蕩頻 率滿足設(shè)計(jì)要求。電路指標(biāo)測(cè)試經(jīng)過電路調(diào)試后得到輸出波形如圖2.4三、濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)于信號(hào)的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路， 它的功能是使特定頻率范 圍內(nèi)的信號(hào)通過，而阻止其他頻率通過。3.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)無源和有源濾波器低通包括無源和有源： 高通包括無源和有源：截至頻率：低通1KHz截至頻率：高通10MHz3.2設(shè)計(jì)過程包括電路圖濾波器根本原理1濾波器是對(duì)輸

10、入信號(hào)的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻 率通常是某個(gè)頻帶范圍的信號(hào)通過，而其它頻率的信號(hào)受到衰減或抑制。2假設(shè)濾波電路僅由無源元件電阻、電容、電感組成，那么稱為無源濾波 電路。假設(shè)濾波電路由無源元件和有源元件雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放 共同組成那么稱為有源濾波電路。無源濾波電路如圖Ui濾浪器U3圖無源濾波器如下圖的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)Hj 3 ，又稱為傳遞函數(shù)dIPA (d> |Z & e )有源濾波電路如圖圖源濾波電路圖3.2所示的有源濾波電路的通帶放大倍數(shù)、截止頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為二階低通瀕器的辭増益皿十務(wù)3根據(jù)幅頻特性所表示的通過或阻止信號(hào)頻率范圍的不同，濾波器可分為低

11、 通濾波器LPF、高通濾波器HPF、帶通濾波器BPF和帶阻濾波器BEF四種, 我們把能夠通過的信號(hào)頻率范圍定義為通帶，把阻止通過或衰減的信號(hào)頻率范圍 定義為阻帶。而通帶與阻帶的分界點(diǎn)的頻率f，稱為截止頻率或稱轉(zhuǎn)折頻率。圖中的Aup為通帶的電壓放大倍數(shù)，f0為中心頻率，fcL和f CH分別為低端和高端截 止頻率。AupA up1fC>ffC>f阻帶.通帶*阻帶->通帶*阻帶.*通帶阻帶通帶通帶阻帶fCLfCHfCLfCH圖3.3各種濾波器的理想幅頻特性有源濾波器和無源濾波器的實(shí)驗(yàn)線路圖如圖Id1K.*'41-1OOluTdO.Oi0.91 uJrC無；#高誦泯液器中肓源

12、低通渡鱷<d>蜩高迪濾緞器圖3.4有源濾波器和無源濾波器的實(shí)驗(yàn)線路3.3電路仿真根據(jù)實(shí)驗(yàn)線路圖連接電路，用圖3.6無源咼通通濾波器圖3.7有源低通通濾波器VCCVI1 vrnisIkHi7415V|T圖3.8有源高通通濾波器3.4電路調(diào)試用波特測(cè)試儀測(cè)量濾波器，進(jìn)行調(diào)試，改變電阻或電容使低通截至頻率到達(dá)1kHz。高通截止頻率到10MHZ3.5電路指標(biāo)測(cè)試經(jīng)過調(diào)試電路指標(biāo)到達(dá)要求，如圖3.9，圖3.10，圖3.11和圖3.12IJ-AV>R2WVtom :FO1 Vr(TTS:九(TO :Bode Plotter-XBP1:：C1 :Hh:WC2 '-lh士s 1 Vr

13、tns 、MkHz 乂 IT ：HI .R?：soonBode Plotter-XBP13K.144 H?Mode>illl If-rillll-r-ilil-il ill WilHons&ntalReverseInLagControls-LS.adeMagnitude.J.IIB.MI Uli *I Illi Illi1I1 IGHz1mHlLinLogLin0dB*200dBPhaseSave Set.4 * OjtR1 -WV30k0：R2-tAAA:：30kQ:C2 ：豐Q0那么工四、高頻小信號(hào)諧振放大電路設(shè)計(jì) 4.1設(shè)計(jì)要求4諧振頻率：1MHz4.2設(shè)計(jì)過程4計(jì)算：確定

14、靜態(tài)工作點(diǎn)：由于發(fā)射極電流為0.15mA，那么?。篒CQ" IEQ=1.5mA由于所取三極管的為150貝U:IBQ=IEQAURe在Vcc未給出時(shí)取值一般為12V,在 Vcc已經(jīng)給出時(shí)取，這里給出 Vcc 為 5V，貝U: URe=0.1Vcc=1V求電阻：求 RC(R3)和 RE(R4):RC=URC/ICQ " k QRE=URE/IEQ k Q求電阻R1和R2:由于 IR2»IBQ,所以可以取 IR2" IR 1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ) mV 那么有：;R2=UR2/IR2=17 kQ; R1=UR1 /IR1=33

15、kQ求電容：C1=10 卩 F;C2=10 卩 F;C3=10 卩 F由于諧振頻率f=1MHz，那么根據(jù)公式：f=1/(2 nVLC),得到C3=500pF L=mHUs=1v, Vcc=5v, C1=10uF C2=10uF4.3電路仿真12囹囹T2-T1Time253.073 us2S 3.0 73 usO.OOOsChanrwl_A622.473 mV62Z473 mVO.COOVCh3mel_0117. 443 mV117,443 mV0.000 VExt, triggerTiniebaseChannel AChannell BfriggerScale： 500 n和yScale； i

16、 丫Scale； |1 M/Di"Edge：EEA B ExtKpos,(Div: 0Y pos.(piv)i 0¥ pos.fpiv)! 0Lev*l:n1 V 14.4電路調(diào)試4.5電路指標(biāo)測(cè)試T1 9TmeChannel AChannel B150.324 us1,26273.634 mV12 BB150.324 us4Z3.&84mVT2-710.000 20.000 Vo.coovTimebMe Ch島nr>d 入Channel BScale： SOO ns/DivSeal亡：1 炯vScale： I VirvTrigger引莽；于|壬B E>

17、t五、咼頻諧振功率放大電路設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)要求5單調(diào)諧諧振頻率：1MHz5.2設(shè)計(jì)過程5電路連接如下：5計(jì)算為使此高頻功率諧振放大電路工作在丙類下，那么:內(nèi)阻取 1kQ, Rs=R2=1 kQ由于為放大電路，那么取 Us=1v，頻率f=1MHz根據(jù) f=1/2nVLC)=1MHz 那么可大概取得 L=400pH C=625mF5.3電路仿真5將以上數(shù)據(jù)帶入，得到以下圖4-0.01 VXWH1< *-wvVJ I Vrrns1ODOMJ0.»625m1.0ki « i 一i " r T 15測(cè)試如下:Wa ttmeter-XWM 1Power fiadtcr:2

18、N292Cure nt14.278 mWOscilloscope-XSCIxtp 9S|2-TLTime li727ms 1.727 ms O.OCIO £Channel _AL332V -L332V a.ooo vChanriel-B 986 V 4986 V 0.000 VTlmet>aseChannel AChannel B:ale； 500 ns/DivScale: 2 V/DivScale;2 V/tJivTriggerEdqe:J A R5.4電路調(diào)試由于在數(shù)值上L應(yīng)該大于C,所以經(jīng)過調(diào)試，得到以下圖i* diS Mi i b I J人, isoopFrWV:：1：

19、i0kQVi ：1Vrms1MHz2M2923V25.5電路指標(biāo)測(cè)試Wattm e ter-XV M1F- XWM1 -R2i:i.oko :./S.1 Vrms樣T ： :：VI ：?N?9?|14 840 mWPcer fee tor：1.CHKMVoltageCurrent4-+- 105m0.01 VOsci lloscope-X£Clfcak; |500 nsivScale; 2Scale; 2Edge： Ulfl jT| B Extiir，iCharm el AChannel B1口 * *2.137 ms23.363 mV2.書5YReverse72囹囹2.137 ms

20、旳対券包mV2.455 V12-TL0.000 fi0. OOO V0.000 VSaveExt. triggerTimehaBeChannel A. Channel 呂.Trigger六、LC振蕩電路設(shè)計(jì)6.1設(shè)計(jì)要求6 振蕩頻率：1MHz6.2設(shè)計(jì)過程6電路連接如下：R1:1.0KQUHIt.OpFI 4 ® fe I -i i1-R3：I.OkQ：RZ：: rOkO,cs- -K 4,0.OC 1-.1=11工: : ： IR& :l.nmH M.OkO6計(jì)算確定靜態(tài)工作點(diǎn)：由于發(fā)射極電流為0.15mA，那么?。篒CQ" IEQ=1.5mA由于所取三極管的為150貝U:IBQ=IEQAURe在Vcc未給出時(shí)取值一般為12V,在Vcc已經(jīng)給出時(shí)取，這里給出 Vcc 為 5V，貝U: URe=0.1Vcc=1V求電阻：求 RC(R3)和 RE(R4):RC=URC/ICQ " k QRE=URE/IEQ k Q求電阻R1和R2:由于 IR2»IBQ,所以可以取 IR2