第6章模擬電子技術(shù)MULTISIM仿真實驗課件

第6章

模擬電子技術(shù)Multisim仿真實驗

6.1二極管特性仿真實驗

6.2單相整流濾波電路仿真實驗

6.3單管共發(fā)射極放大電路仿真實驗

6.4射極跟隨器仿真實驗

6.5差動放大電路仿真實驗

6.6負反饋放大電路仿真實驗

6.7正弦波振蕩電路仿真實驗

6.8集成運放線性應(yīng)用仿真實驗

6.9電壓比較器仿真實驗

6.10有源濾波電路仿真實驗

6.11功率放大電路仿真實驗

6.12串聯(lián)穩(wěn)壓電路仿真實驗

6.1二極管特性仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)測量二極管的伏安特性，掌握二極管各工作區(qū)的特點。

(2)掌握二極管正向電阻、反向電阻的特性。

(3)用溫度掃描的方法測試二極管電壓及電流隨溫度變化的情況，了解溫度對二極管的影響。2．實驗原理

半導(dǎo)體二極管主要是由一個PN結(jié)構(gòu)成的，為非線性元件，具有單向?qū)щ娦?。一般二極管的伏安特性可劃分成4個區(qū)：死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)。

3．實驗電路

(1)測試二極管正向伏安特性電路，如圖6-1所示。

圖6-1測試二極管正向伏安特性電路

(2)測試二極管反向伏安特性電路，如圖6-2所示。

圖6-2測試二極管反向伏安特性電路

4．實驗步驟

(1)測量二極管的正向伏安特性。

按圖6-1連接電路，按a鍵或Shift+a鍵改變電位器的大小，先將電位器的百分?jǐn)?shù)調(diào)為0%，再逐漸增加百分?jǐn)?shù)，從而可改變加在二極管兩端正向電壓的大小。啟動仿真開關(guān)，將測量的結(jié)果依次填入表6-1中。

表6-1正向伏安特性測試結(jié)果

結(jié)論：從表6-1中RD的值可以看出，二極管的電阻值不是一個固定值。當(dāng)在二極管兩端加正向電壓時，若正向電壓比較小，則二極管呈現(xiàn)很大的正向電阻，正向電流非常小，稱為“死區(qū)”。當(dāng)二極管兩端的電壓達到0.6V左右時，電流急劇增大，電阻減小到只有幾十歐姆，而兩端的電壓幾乎不變，此時二極管工作在“正向?qū)▍^(qū)”。

(2)測量二極管的反向伏安特性。

按圖6-2連接電路。改變RW的百分比，啟動仿真開關(guān)，將測量的結(jié)果依次填入表6-2中。

表6-2反向伏安特性測試結(jié)果

結(jié)論：由表6-2所示的測試結(jié)果可知，二極管加上反向電壓時，電阻很大，電流幾乎為0。比較表6-1和表6-2，二極管反偏電阻大、而正偏電阻小，說明二極管具有單向?qū)щ娦?。但若加在二極管上的反向電壓太大時，二極管進入反向擊穿區(qū)，反向電流急劇增大，而電壓值變化很小。

(3)研究溫度對二極管參數(shù)的影響。

對圖6-1所示電路進行溫度掃描分析，RW調(diào)到70%，啟動分析菜單中的TemperatureSweep選項，在參數(shù)設(shè)置對話框中的SweepVariationType欄選擇List，在Value欄輸入掃描的溫度0、27和100，選擇節(jié)點6為分析變量，點擊Simulate按鈕，仿真結(jié)果如圖6-3所示。

圖6-3溫度掃描的結(jié)果

5．結(jié)論

隨著溫度的升高，二極管的正向壓降減少，PN結(jié)具有負的溫度特性。

6.2單相整流濾波電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)連接一個單相橋式整流濾波電路，掌握電路的結(jié)構(gòu)形式。

(2)測量電路中各電壓波形，掌握整流濾波電路的工作原理。

2．實驗原理

(1)利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒄撟兓慕涣麟娮兂蓡我环较虻拿}動電。常見的電路形式有半波整流、全波整流和橋式整流。

(2)利用電容的“通交隔直”的特性，將整流后脈動電壓中的交流成分濾除，得到較平滑的電壓波形。

3．實驗電路

單向整流濾波實驗電路如圖6-4所示，將電路中XMM1調(diào)到交流電壓擋，XMM2調(diào)到直流電壓擋。當(dāng)J1開關(guān)打開時，電路是一個橋式整流電路；當(dāng)J1開關(guān)閉合時，電路是一個橋式整流電容濾波電路。

圖6-4單相整流濾波實驗電路

4．實驗步驟

(1)測量變壓器的輸出波形。變壓器后的電路暫不要連接，用示波器測量變壓器的輸入、輸出波形，輸出波形與輸入波形完全相同，只是幅度不同，如圖6-5所示。

(2)將電路按圖6-4所示電路進行連接，先將J1斷開，用示波器同時觀察輸入波形和橋式整流輸出波形，波形如圖6-6所示。同時打開萬用表讀取數(shù)據(jù)，U1≈21.972V，U2≈18.468V。

(3)將J1閉合，用示波器再次同時觀察輸入波形和整流濾波后的輸出波形，波形如圖6-7所示。同時讀取萬用表的數(shù)據(jù)，U1≈21.972V，U2≈27.474V。

5．實驗結(jié)果分析

觀察圖6-5、圖6-6和圖6-7所示波形圖，可知變壓器只改變初次級電壓幅度，不改變其波形；經(jīng)橋式整流后，變壓器將正、負變化的交流電壓變換成了單一方向的全波脈動電壓；再經(jīng)過電容濾波，把脈動電壓中的交流成分濾掉，輸出較平滑的電壓波形。

從測得數(shù)據(jù)分析，橋式整流后負載上的平均電壓約是輸入電壓有效值的0.9倍；經(jīng)過濾波后，輸出電壓的平均值增加了，負載上的電壓約是輸入電壓的1.2倍。

圖6-5變壓器輸入、輸出波形

圖6-6橋式整流電路的輸入、輸出波形

圖6-7橋式整流電容濾波電路的輸入、輸出波形

6．問題探討

(1)將橋式整流電路中的一個二極管開路，重復(fù)實驗內(nèi)容，有什么變化？

(2)將負載電阻R1改為10Ω，觀察輸出波形的變化。

6.3單管共發(fā)射極放大電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)建立單管共發(fā)射極放大電路。

(2)調(diào)整靜態(tài)工作點，觀察靜態(tài)工作點的改變對輸出波形和電壓放大倍數(shù)的影響。

(3)測量電路的放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。

2．實驗原理

晶體三極管具有電流放大作用，可構(gòu)成共射、共基、共集三種組態(tài)放大電路。為了保證放大電路能夠不失真地放大信號，電路必須要有合適的靜態(tài)工作點，信號的傳輸路徑必須暢通，而且輸入信號的頻率要在電路的通頻帶內(nèi)。

3．實驗電路

在第2章中我們創(chuàng)建了一個單管共射放大電路，并對它進行了簡單的仿真，下面我們繼續(xù)仿真分析該電路，如圖6-8所示。

圖6-8單管共發(fā)射極放大電路

4．實驗步驟

(1)調(diào)整靜態(tài)工作點。通過調(diào)節(jié)放大電路基極電阻RW，可以改變UB的大小，從而改變?nèi)龢O管的靜態(tài)工作點，用示波器監(jiān)測輸出波形，當(dāng)RW調(diào)到30%時電路處于放大狀態(tài)。這時可用儀表測量電路的靜態(tài)值，也可采用靜態(tài)工作點分析方法分析得到電流的靜態(tài)值。詳細的仿真過程見第2章第2.2節(jié)。

(2)測試電壓放大倍數(shù)。當(dāng)電路處于放大狀態(tài)時，用示波器或萬用表的交流電壓擋測量輸入、輸出信號，用公式AV?=

Uo/Ui算出電路的放大倍數(shù)。示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖6-9所示，根據(jù)示波器參數(shù)的設(shè)置和波形的顯示可以知道輸出信號的最大值Uom

=?1000mV，輸入信號的最大值Uim

=?100?mV，放大倍數(shù)Av?=

Uom/Uim

=?1000?mV/100?mV?=?10。再注意到輸入、輸出波形是反相的關(guān)系，它的放大倍數(shù)應(yīng)該是負值，所以Av?=?-10。

圖6-9處于放大狀態(tài)的波形

(3)測量輸入電阻。測量輸入電阻時的電路如圖6-10所示，接入輔助測試電阻R1，用示波器監(jiān)測輸出波形要求不失真，電壓表和電流表設(shè)置為交流“AC”狀態(tài)，讀取電壓表和電流表的數(shù)據(jù)。

電路的輸入電阻為

圖6-10測量輸入電阻時的電路

(4)測量輸出電阻。測量輸出電阻時的電路如圖6-11所示，在負載支路加一個開關(guān)J1，在J1斷開時測量輸出電壓Uo1，在J1閉合時測量輸出電壓Uo2，Uo1、Uo2測量值如圖6-12所示。

圖6-11測量輸出電阻時的電路

圖6-12開關(guān)斷開和閉合輸出電壓測量結(jié)果

(5)測量電路的頻率特性。電路頻率特性的測量有兩種方法，一種是使用波特圖儀來測量，另一種是采用交流分析法分析得到電路的頻率特性曲線。下面采用交流分析的方法測量電路的頻率特性。

將RW調(diào)在30%的位置，電路處于放大狀態(tài)。啟動分析菜單中的ACAnalysis...菜單命令，在打開的對話框中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，選擇輸出信號節(jié)點為分析節(jié)點。仿真結(jié)果如圖6-13所示。

圖6-13電路仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻率的高端放大倍數(shù)很大，通頻帶很寬，這與實際電路是不相符的，原因在于在這次實驗電路中采用的三極管是虛擬三極管。若將虛擬三極管更換成現(xiàn)實元件2N2222A元件再仿真一次，得到的仿真波形如圖6-14所示。顯示數(shù)軸，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以測得電路的下限頻率f1≈59Hz，上限頻率f2≈6.3MHz，通頻帶BW=f2-f1=6.3MHz-59Hz=6.24MHz。

圖6-14仿真結(jié)果

5．結(jié)論

(1)要使放大電路工作在放大狀態(tài)，必須給三極管加上合適的靜態(tài)偏置。

(2)共射放大電路的輸出信號與輸入信號是反相的。

(3)共射放大電路的輸入電阻較大，輸出電阻也較大。

(4)電路在通頻帶內(nèi)具有放大能力，超出通頻帶的頻率范圍，放大倍數(shù)減小。

(4)仿真時盡量采用現(xiàn)實元件箱中的元件，使仿真更接近于實際情況。

6．問題探討

(1)如何確定最佳的靜態(tài)工作點？

(2)將發(fā)射極旁路電容C2拆除，對靜態(tài)工作點會有什么影響？對交流信號有什么影響?

(3)如何提供本次實驗電路的放大倍數(shù)？

6.4射極跟隨器仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)進一步掌握靜態(tài)工作點的調(diào)試方法，深入理解靜態(tài)工作點的作用。

(2)調(diào)節(jié)電路的跟隨范圍，使輸出信號的跟隨范圍最大。

(3)測量電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。

(4)測量電路的頻率特性。

2．實驗原理

在射極跟隨器電路中，信號由基極和地之間輸入，由發(fā)射極和地之間輸出，集電極交流等效接地，所以，集電極是輸入/輸出信號的公共端，故稱為共集電極電路。又由于該電路的輸出電壓是跟隨輸入電壓變化的，所以又稱為射極跟隨器。

3．實驗電路

射極跟隨器電路如圖6-15所示。

圖6-15射極跟隨器

4．實驗步驟

(1)靜態(tài)工作點的調(diào)整。按圖6-15連接電路，輸入信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生一個幅度為100mV、頻率為1kHz的正弦信號。調(diào)節(jié)RW，使信號不失真輸出。

(2)跟隨范圍調(diào)節(jié)。增大輸入信號直到輸出出現(xiàn)失真，觀察出現(xiàn)了飽和失真還是截止失真，再增大或減小RW

，使失真消除。再次增大輸入信號，若出現(xiàn)失真，再調(diào)節(jié)RW

，使輸出波形達到最大不失真輸出，此時電路的靜態(tài)工作點是最佳工作點，輸入信號是最大的跟隨范圍。最后輸入信號增加到4V，RW調(diào)在6%，電路達到最大不失真輸出。最大輸入、輸出信號波形如圖6-16所示。

圖6-16最大輸入、輸出信號波形

(3)測量電壓放大倍數(shù)。觀察圖6-16所示輸入、輸出波形，射極跟隨器的輸出信號與輸入信號同相，幅度基本相等，所以，放大倍數(shù)AV≈1。

(4)測量輸入電阻。測量輸入電阻電路如圖6-17所示，在輸入端接入電阻R6=1kW

，XMM1調(diào)到交流電流擋，XMM2調(diào)到交流電壓擋，輸入端輸入頻率為1000Hz，電壓為1V的輸入信號，示波器監(jiān)測輸出波形不能失真。打開仿真開關(guān)，兩臺萬用表的讀數(shù)如圖6-18所示。所以，電路的輸入電阻為

圖6-17輸入電阻測試電路

圖6-18測量結(jié)果

(5)測量輸出電阻。在測量共射極放大電路的輸出電阻時，采用的是不接負載時測一次輸出電壓，再接負載測一次，通過計算得到輸出電阻的大小。這里再介紹一種測量輸出電阻的方法，即將電路的輸入端短路，將負載拆除，在輸出端加交流電源，測量輸出端的電壓和電流，如圖6-19所示。

電路的輸出電阻為

圖6-19輸出電阻測試電路

(6)測量電路的頻率特性。采用波特圖儀來測量電路的頻率特性。波特圖儀的連接如圖6-20所示。打開波特圖儀的面板，圖6-21所示是幅頻特性曲線，圖6-22所示是相頻特性曲線，各項參數(shù)設(shè)置如圖中所示。移動數(shù)軸，可以讀取電路的下限頻率和上限頻率，求得通頻帶。并且從幅頻曲線可以知道，在通頻帶內(nèi)，輸出與輸入的比約為1∶1；從相頻曲線可以看到，在通頻帶內(nèi)，電路的輸出與輸入相位差為0，說明輸出與輸入信號同相。

圖6-20波特圖儀測量電路的頻率特性

圖6-21幅頻特性曲線

圖6-22相頻特性曲線

5．結(jié)論

射極跟隨器具有下列特點：

(1)電壓放大倍數(shù)接近于1，輸出與輸入同相，輸出信號跟隨輸入信號的變化，電路沒有電壓放大能力。

(2)輸入電阻高，輸出電阻低，說明電路具有阻抗變換作用，帶負載能力強。

6.5差動放大電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)構(gòu)建差動放大電路，熟悉差動放大電路的電路結(jié)構(gòu)特點。

(2)分析差動放大電路的放大性能，掌握差動放大電路差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)和共模抑制比的測量。

(3)觀察和了解差動放大電路對零點漂移的抑制能力。

2．實驗原理

基本差動放大電路可以看成由兩個電路參數(shù)完全一致的單管共發(fā)射極電路所組成。差動放大電路對差模信號有放大能力，而對共模信號具有抑制作用。差模信號指電路的兩個輸入端輸入大小相等，極性相反的信號。共模信號指電路兩個輸入端輸入大小相等，極性相同的信號。差動放大電路有雙端輸入和單端輸入兩種輸入方式，有雙端輸出和單端輸出兩種輸出方式。單端輸入可以等效成雙端輸入，所以，下面研究雙端輸入、單端輸出和雙端輸出時差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)及共模抑制比。

3．實驗電路

實驗電路如圖6-23所示，這是一個雙端輸入長尾式差動放大電路，輸入信號是一個頻率為1kHz、幅度為100mV的正弦交流信號。

4．實驗步驟

(1)測量差模輸入時，電路的放大倍數(shù)。按圖6-23連接電路，用示波器同時測量兩輸入端的波形，可以看到兩輸入信號幅度都是50mV，且相位相反。

測量輸出信號波形，可以采用示波器觀察單端輸出的波形，但由于還要測量雙端輸出時的輸出波形，所以下面用瞬態(tài)分析的方法得到兩單端輸出的波形，再利用后處理器，將兩波形相減得到雙端輸出電壓波形。

圖6-23差動放大電路

啟動分析菜單中的TransientAnalysis...命令，在彈出的對話框中選取兩輸出端(節(jié)點3和4)為分析變量，將Endtime設(shè)置為0.002sec，為了得到比較平滑的曲線，將minimumnumberoftimepoint設(shè)為1000，其余相不變，仿真結(jié)果如圖6-24所示。

圖6-24差動放大電路單端輸出電壓波形

圖6-25雙端輸出波形

從圖6-25中可以看出：雙端輸出時只有交流成分，直流分量為0，這是因為從雙端輸出時，直流分量相互抵消。雙端輸出交流電壓的幅值為3.9791V，雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)Aud=3.9791V/100mV=39.791，約為單端輸出時的2倍。

(2)測量共模輸入時電路的放大倍數(shù)。共模輸入時電路如圖6-26所示。

圖6-26共模輸入時電路

當(dāng)輸入共模信號時，用瞬時分析法分析得到電路單端輸出波形如圖6-27所示。從圖中可以看出：由于Multisim仿真元件非常一致，在共模作用時，單端輸出時兩輸出端得到的信號完全相同，這時信號中既有直流成分(靜態(tài)值)，又有交流成分(輸出信號)，輸出信號的峰-峰值為6.4875-6.3904=0.0971V，幅值為0.0971/2=0.04855V。單端輸出時共模電壓放大倍數(shù)Auc1=0.04855V/100mV=0.4855。

圖6-27共模輸入時單端輸出電壓波形

若采用雙端輸出，輸出信號幾乎為0，共模放大倍數(shù)Auc≈0。

(3)共模抑制比。單端輸出時共模抑制比為

雙端輸出時共模抑制比為因為共模放大倍數(shù)Auc≈0，趨近于∞。5．結(jié)論

(1)差動放大電路對差模信號有放大能力，對共模信號有抑制作用。

(2)電路差模放大倍數(shù)越大，共模放大倍數(shù)越小，則共模抑制比越大，電路性能越好。

(3)雙端輸出比單端輸出性能要好。

6．問題探討

(1)如何進一步提高單端輸出時電路的共模抑制比？

(2)當(dāng)信號單端輸入時，如何等效成雙端輸入進行分析？

6.6負反饋放大電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)構(gòu)建負反饋放大器，掌握電路引入負反饋的方法。

(2)研究負反饋對放大電路性能的影響。

2．實驗原理

在放大電路中引入負反饋，可以改善放大電路的性能指標(biāo)，如提高增益的穩(wěn)定性、減小非線性失真、展寬通頻帶、改變輸入/輸出電阻等。根據(jù)引入反饋方式的不同，可以分為電壓串聯(lián)型負反饋、電壓并聯(lián)型負反饋、電流串聯(lián)型負反饋和電流并聯(lián)型負反饋。

3．實驗電路

實驗電路如圖6-28所示。按a或A調(diào)整Rw1大小，從而可以調(diào)整第一級放大電路的靜態(tài)工作點；按b或B調(diào)整Rw2大小，從而可以調(diào)整第二級放大電路的靜態(tài)工作點；按c鍵控制J2接不同的負載；按Space鍵控制J1閉合或斷開。當(dāng)J1斷開時，電路是一個兩級共射放大電路；當(dāng)J1閉合時，電路中引入電壓串聯(lián)負反饋。

圖6-28負反饋放大電路

4．實驗步驟

(1)測量電壓放大倍數(shù)。按圖6-28連接電路，設(shè)置信號源為幅值2mV，頻率為1kHz的正弦交流信號。調(diào)整靜態(tài)工作點，使電路工作在放大狀態(tài)。按Space鍵選擇是否接入負反饋，按c鍵選擇不同的負載，示波器監(jiān)測輸出波形，在輸出波形不失真的情況下，用萬用表交流電壓擋測量輸出電壓的大小，將數(shù)據(jù)填入表6-3中。

表6-3測

量

結(jié)

果

(2)測量輸入電阻。通過測量輸入電壓和輸入電流來計算輸入電阻。

分析表6-4中數(shù)據(jù)可知，引入電壓串聯(lián)負反饋后，提高了放大電路的輸入電阻。

表6-4輸入電阻測量值

(3)測量輸出電阻。通過測量輸出端接負載(RL=2.4kW)時的輸出電壓UOL和不接負載時的輸出電壓Uo，計算輸出電阻值。

分析表6-5中數(shù)據(jù)可知，引入電壓串聯(lián)負反饋后，降低了放大電路的輸出電阻。

表6-5輸出電阻測量值

(4)觀察負反饋對非線性失真的改善。將輸入信號幅值改為20mV，負載接RL1，按Space鍵斷開J1，不接負反饋，打開仿真開關(guān)，用示波器觀察輸入、輸出信號波形，如圖6-29所示，由圖可看出輸出波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。按Space鍵閉合J1，引入負反饋，打開仿真開關(guān)，觀察到的輸入、輸出波形如圖6-30所示，由圖可看出非線性失真已基本消除。

圖6-29無負反饋電路輸入、輸出波形

圖6-30負反饋電路輸入、輸出波形

(5)觀察負反饋對放大電路頻率特性的影響。將圖6-28中的示波器換成波特圖儀(注意波特圖儀的連接)，具體設(shè)置可參考前面的相關(guān)內(nèi)容。按Space鍵斷開或閉合負反饋支路，分別測試電路的頻率特性。圖6-31所示為沒有負反饋時電路的幅頻特性曲線，圖6-32所示為引入負反饋時電路的幅頻特性曲線。

圖6-31無負反饋電路的幅頻曲線

圖6-32負反饋電路的幅頻曲線

5．結(jié)論

引入負反饋可以改善電路的交流性能：

(1)提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。

(2)減小電路的非線性失真。

(3)改變輸入、輸出電阻的大小。

(4)展寬通頻帶。

6．問題探討

(1)反饋電阻對負反饋放大倍數(shù)和通頻帶有什么影響？在Multisim中如何快速地觀察反饋電阻的參數(shù)變化對負反饋放大倍數(shù)和通頻帶的影響？

(2)電源電壓的波動對負反饋增益是否有影響？

6.7正弦波振蕩電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)構(gòu)建正弦波振蕩電路。

(2)分析正弦波振蕩電路性能。

2．實驗原理

正弦波振蕩電路是一種具有選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)的放大電路。振蕩的條件是環(huán)路增益為1，即AF=1。其中A為放大電路的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)。為了使電路能夠起振，應(yīng)使環(huán)路的增益AF略大于1。

根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，可以把正弦波振蕩電路分為RC振蕩電路和LC振蕩電路。RC振蕩電路主要用來產(chǎn)生小于1MHz的低頻信號，LC振蕩電路主要用來產(chǎn)生大于1MHz的高頻信號。圖6-33文氏橋式正弦波振蕩電

3．實驗電路

文氏橋式正弦波振蕩電路如圖6-33所示。

4．實驗步驟

(1)構(gòu)建圖6-33所示的文氏橋式正弦波振蕩電路。

(2)打開仿真開關(guān)，用示波器觀察文氏橋式正弦波振蕩電路的起振及振蕩過程。測得的輸出波形如圖6-34所示。注意：要將屏幕下方的滑動塊拖至最左端觀察起振過程。

移動數(shù)據(jù)指針，可測得振蕩周期T=6.3ms，則振蕩頻率f=1/T=1/6.4ms≈158Hz，與理論計算值基本一致。起振時間大約為114ms。

圖6-34R5=15kW時的振蕩電路輸出波形

(3)改變R5的值，R5分別取10?kW和30?kW，觀察輸出波形。當(dāng)R5?=?10?kW時，沒有輸出信號，因為電路的放大倍數(shù)A?=?1?+(R5/R4)=?1+(10/6)＜3，AF＜1，電路不能起振；當(dāng)R5?=?30?kW時，示波器波形如圖6-35所示。比較圖6-34和6-35可以看出，隨著R5的增大，起振速度加快，起振時間大約是12ms，但振蕩頻率沒有改變。

圖6-35R5?=?30?kW時的輸出波形

(4)將電阻R1和R2的阻值都改為2kW

。打開仿真開關(guān)，從示波器觀察輸出波形，如圖6-36所示。比較圖6-36和圖6-34可知，當(dāng)振蕩頻率減小為原來的1/2時，起振速度同時也減慢了，起振時間大約是300ms。

圖6-36R1=R2=2kW?時的輸出波形

(5)雙擊二極管D1和D2，設(shè)置為開路狀態(tài)，測得輸出波形，如圖6-37所示，輸出產(chǎn)生了失真。

圖6-37D1和D2開路時輸出波形

5．結(jié)論

(1)在起振時，電路的環(huán)路增益必須大于1。

(2)電路中要有自動穩(wěn)幅電路，以使穩(wěn)幅振蕩以后，環(huán)路的增益等于1。

(3)通過改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，可以改變振蕩信號的頻率。

6.8集成運放線性應(yīng)用仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)研究集成運放線性應(yīng)用的主要電路(加法電路、減法電路、微分電路和積分電路等)，掌握各電路結(jié)構(gòu)形式和運算功能。

(2)觀察微分電路和積分電路波形的變換。

2．實驗原理

集成運放實質(zhì)上是一個高增益多級直接耦合放大電路。它的應(yīng)用主要分為兩類，一類是線性應(yīng)用，此時電路中大都引入了深度負反饋，運放兩輸入端間具有“虛短”或“虛斷”的特點，主要應(yīng)用是和不同的反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成各種運算電路，如加法、減法、微分、積分等。另一類就是非線性應(yīng)用，此時電路一般工作在開環(huán)或正反饋的情況下，輸出電壓不是正飽和電壓就是負飽和電壓，主要應(yīng)用是構(gòu)成各種比較電路和波形發(fā)生器等。本次實驗主要研究集成運放的線性應(yīng)用。

3．實驗電路

集成運放線性應(yīng)用的加法電路、減法電路、積分電路和微分電路分別如圖6-38～圖6-41所示。

圖6-38加法電路

圖6-39減法電路

圖6-40積分電路

圖6-41微分電路

4．實驗步驟

(1)測量加法電路輸入/輸出關(guān)系。按圖6-38連接電路，兩輸入信號V1和V2從集成運放的反相輸入端輸入，構(gòu)成反相加法運算電路。設(shè)置V1=2V，V2=3V，電壓表選擇“DC”，打開仿真開關(guān)，測得輸出電壓Uo=-5V。反相輸入加法運算電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為

按圖6-38中給定的各參數(shù)計算得

Uo?=?-(V1?+V2)=?-5V

(3)觀察積分電路輸入、輸出波形。按圖6-40連接電路，雙擊函數(shù)信號發(fā)生器，輸入信號設(shè)置頻率為100Hz，幅值為5V的方波信號。打開示波器，觀察輸入、輸出波形，如圖6-42所示。輸入信號是方波，輸出信號是三角波，可見，積分電路具有波形變換的功能。積分電路的輸出與輸入之間的關(guān)系為

圖6-42積分電路輸入、輸出波形

(4)觀察微分電路輸入、輸出波形。按圖6-41連接電路，雙擊函數(shù)信號發(fā)生器，輸入信號設(shè)置頻率為100Hz，幅值為5V的三角波信號。打開示波器，觀察輸入、輸出波形，如圖6-43所示。輸入信號是三角波，輸出信號是矩形波，可見，微分電路也具有波形變換的功能。微分電路的輸出與輸入之間的關(guān)系為

圖6-43微分電路輸入、輸出波形

6.9電壓比較器仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)用集成運放設(shè)計并分析過零比較器性能。

(2)用集成運放設(shè)計并分析滯回比較器性能。

(3)用集成運放設(shè)計并分析窗口比較器性能。

2．實驗原理

電壓比較器的功能是能夠?qū)⑤斎胄盘柵c一個參考電壓進行大小比較，并用輸出高、低電平來表示比較的結(jié)果。電壓比較器的特點是電路中的集成運放工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。輸出與輸入之間呈現(xiàn)非線性傳輸特性。

過零比較器的特點是閾值電壓等于零。閾值電壓指輸出由一個狀態(tài)跳變到另一個狀態(tài)的臨界條件所對應(yīng)的輸入電壓值。

滯回比較器的特點是具有兩個閾值電壓。當(dāng)輸入逐漸由小增大或由大減小時，閾值電壓不同。滯回比較器抗干擾能力強。

窗口比較器的特點是能檢測輸入電壓是否在兩個給定的參考電壓之間。

3．實驗電路

過零比較器、滯回比較器和窗口比較器的實驗電路分別如圖6-44～圖6-46所示。

圖6-44過零比較器

圖6-45滯回比較器

圖6-46窗口比較器

4．實驗步驟

(1)構(gòu)建圖6-44所示的過零比較器電路，穩(wěn)壓二極管采用IN4733A。信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1kHz，幅值為2V的正弦信號。打開仿真開關(guān)，用示波器觀察過零比較器的輸入、輸出波形，移動數(shù)據(jù)指針，讀取輸出波形的幅值。過零比較器的輸入、輸出波形如圖6-47所示，從波形可以看出，輸入信號過零時，輸出信號就跳變一次。輸出高低電平的值由穩(wěn)壓二極管限制，約為5.5V。

圖6-47過零比較器輸入、輸出波形

(2)構(gòu)建圖6-45所示的滯回比較器電路。打開仿真開關(guān)，示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖6-48所示。移動數(shù)據(jù)指針，可以讀取其幅值，當(dāng)輸入由小到大逐漸增大到1.1V時，輸出由高電平跳變到低電平；當(dāng)輸入由大到小逐漸減小到-1.1V，輸出由低電平跳變到高電平。因此，該滯回比較器的下限閾值電壓為-1.1V，上限閾值電壓為1.1V。

圖6-48滯回比較器輸入、輸出波形

(3)構(gòu)建圖6-46所示的窗口比較器電路。打開仿真開關(guān)，示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖6-49所示。由于兩個參考電壓分別是1V和-1V，可以觀察到，當(dāng)輸入信號處于-1V～1V窗口范圍內(nèi)時，輸出為低電平，在窗口外，不管信號如何，輸出均為高電平。該窗口比較器的上、下限閾值電壓分別是1V和-1V。

圖6-49窗口比較器輸入、輸出波形

5．結(jié)論

比較上面三種形式的比較器，雖然電路的性能不同，但共同點是輸出不是高電平就是低電平，再仔細觀察電路，可以發(fā)現(xiàn)集成運放不是工作在開環(huán)狀態(tài)就是工作在正反饋狀態(tài)，所以，電路工作在集成運放的非線性區(qū)。

6．問題探討

(1)如何改變滯回比較器的上、下限閾值電壓？

(2)窗口比較器中D1和D2兩只二極管的作用是什么?

6.10有源濾波電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)構(gòu)建有源低通濾波電路，掌握有源濾波電路的結(jié)構(gòu)形式。

(2)分析有源低通濾波電路性能。

2．實驗原理

濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子器件。RC電路具有選頻作用，但對信號沒有放大作用，而且?guī)ж撦d能力很差，因此，通常采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)與有源器件相配合組成有源濾波器。有源濾波器按通過頻率的范圍，可分為高通、低通、帶通和帶阻等。本次實驗主要研究有源低通濾波電路。有源低通濾波電路允許從零到某個截止頻率的信號無衰減地通過，而對其他的頻率信號有抑制作用。

有源低通濾波電路可分為一階有源低通濾波電路和二階壓控電壓源低通濾波電路。一階有源低通濾波電路由一節(jié)RC電路和同相比例放大電路構(gòu)成。其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)，即A0=1+(Rf/Ri)，截止角頻率w0=1/RC，傳遞函數(shù)為

一階有源濾波電路的濾波效果不夠好。當(dāng)信號頻率大于截止頻率時，信號的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號也受到衰減。

二階壓控電壓源低通濾波電路由兩節(jié)RC電路和同相比例放大電路構(gòu)成。其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)，即A0=1+(Rf/Ri)，傳遞函數(shù)為

w0=1/RC為特征角頻率；Q=1/(3-A0)為等效品質(zhì)因數(shù)。

二階壓控電壓源低通濾波電路衰減率可以達到40dB/十倍頻，而且在截止頻率附近，有用信號可以得到一定提升。

3．實驗電路

一階低通濾波電路和二階壓控電壓源低通濾波器電路分別如圖6-50和圖6-51所示。

圖6-50一階低通濾波電路

圖6-51二階壓控電壓源低通濾波電路

4．實驗步驟

(1)分析一階低通濾波電路的性能。按圖6-50構(gòu)建一階低通濾波電路。信號發(fā)生器設(shè)置為產(chǎn)生頻率為10Hz、幅值為1V的正弦信號。打開仿真開關(guān)，示波器上顯示一階有源低通濾波電路的輸入、輸出波形，如圖6-52所示。輸出信號的相位滯后輸入信號的相位，低通濾波電路的相位是滯后型的。測量輸入、輸出波形的幅值分別為1V和1.6V，計算得到電壓放大倍數(shù)約為1.6。同相比例運算放大電路的放大倍數(shù)為2，信號有所衰減。

圖6-52一階有源濾波電路的輸入、輸出波形

波特圖儀測量的幅頻特性曲線如圖6-53所示，從幅頻特性曲線可以看出，這是一個低通電路，移動數(shù)據(jù)指針到最大值的0707倍處，得到截止頻率約為15Hz。再將指針移到10Hz處，可以讀得放大倍數(shù)約為1.6，與波形測量結(jié)果是吻合的。

圖6-53一階有源低通濾波電路的頻率特性

(2)分析二階低通濾波電路的性能。按圖6-51構(gòu)建二階壓控電壓源低通濾波電路。信號發(fā)生器設(shè)置為產(chǎn)生頻率為10Hz、幅值為1V的正弦信號。打開仿真開關(guān)，示波器上顯示二階壓控電壓源低通濾波電路的輸入、輸出波形，如圖6-54所示。輸出信號的相位滯后輸入信號的相位，再次說明低通濾波電路的相位是滯后型的。測量輸入、輸出波形的幅值分別為1V和2.2V，計算得到電壓放大倍數(shù)約為2.2。同相比例運算放大電路的放大倍數(shù)為2，輸出信號在此頻率處得到一定的提升。

圖6-54二階壓控電壓源低通濾波電路的輸入、輸出波形

波特圖儀測量的幅頻特性曲線如圖6-55所示，它與一階低通濾波電路頻率特性相較可以看出，轉(zhuǎn)折區(qū)更陡峭，在轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)一個峰值，進一步提升低頻處的放大倍數(shù)，使特性更理想。將指針移到10Hz處，可以讀得放大倍數(shù)約為2.2，與波形測量結(jié)果是吻合的。

圖6-55二階壓控電壓源低通濾波電路頻率特性

6.11功率放大電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)構(gòu)建OCL互補對稱功率放大電路，熟悉電路結(jié)構(gòu)形式。

(2)分析OCL互補對稱功率放大電路的性能。

2．實驗原理

功率放大電路的主要作用是向負載提供較大功率。按功放管工作位置設(shè)置的不同可分為甲類、乙類和甲乙類放大等形式。按電路的結(jié)構(gòu)可分為阻容耦合、變壓器耦合和互補對稱等類型的功率放大電路。目前應(yīng)用較為廣泛的功率放大電路有OCL型功率放大電路和OTL型功率放大電路。OTL互補功率放大電路的特點是輸出端不需要變壓器，只需要一個大電容，其電路僅需要單電源供電。OCL互補對稱功率放大電路的特點是輸出端不需要變壓器或大電容，因此易于做成集成電路，但是需要雙電源供電。

3．實驗電路

OCL互補對稱功率放大電路如圖6-56所示。

圖6-56OCL互補對稱功率放大電路

4．實驗步驟

(1)按圖6-56所示連接OCL互補對稱功率放大電路。Q1為NPN晶體管，Q2為PNP晶體管。選擇要求盡可能地匹配。信號發(fā)示生器產(chǎn)生頻率為1kHz、幅值為2V的正弦交流信號作為輸入信號。示波器的A通道接輸入信號，B通道接輸出信號。J1和J2開關(guān)通過Space鍵控制接通上面或下面，接通上面時電路為甲乙類功率放大電路，接通下面時，電路為乙類功率放大電路。

(2)打開仿真開關(guān)，按Space鍵接通下面的位置，此時電路工作在乙類狀態(tài)