《Multisim及其在電子設計中的應用》課件第10章

第10章Multisim在大學生電子競賽中的應用10.1低頻功率放大器(2009年全國大學生電子競賽—高職高專組G題)10.2信號波形合成實驗電路(2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽C題)

Multisim作為一款常用的EDA仿真軟件在大學生電子設計競賽中得到了廣泛的使用。本章作者結合多年指導大學生電子設計競賽的經(jīng)驗，通過分析2009年和2010年的兩道競賽題，對Multisim在電子系統(tǒng)設計中的應用作進一步的介紹。

(2009年全國大學生電子競賽—高職高專組G題)

10.1.1低頻功率放大器的設計要求及評分標準

1．任務

設計并制作一個低頻功率放大器，要求末級功放管采用分立的大功率MOS晶體管。10.1低頻功率放大器

2．要求

1)基本要求

(1)當輸入正弦信號電壓有效值為5mV時，在8Ω電阻負載(一端接地)上，輸出功率不小于5W，輸出波形無明顯失真。

(2)通頻帶為20Hz～20kHz。

(3)輸入電阻為600Ω。

(4)輸出噪聲電壓有效值Uon≤5mV。

(5)盡可能提高功率放大器的整機效率。

(6)具有測量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號輸入時)、直流電源的供給功率和整機效率的功能，測量精度優(yōu)于5%。

2)發(fā)揮部分

(1)低頻功率放大器通頻帶擴展為10Hz～50kHz。

(2)在通頻帶內低頻功率放大器失真度小于1%。

(3)在滿足輸出功率不小于5W、通頻帶為20Hz～20kHz的前提下，盡可能降低輸入信號幅度。

(4)設計一個帶阻濾波器，阻帶頻率范圍為40～60Hz。在50Hz頻率點輸出功率衰減不小于6dB。

(5)其他。

3．說明

(1)不得使用MOS集成功率模塊。

(2)本題輸出噪聲電壓定義為輸入端接地時，在負載電阻上測得的輸出電壓，測量時使用帶寬為2MHz的毫伏表。

(3)本題功率放大電路的整機效率定義為：功率放大器的輸出功率與整機的直流電源供給功率之比。電路中應預留測試端子，以便測試直流電源供給功率。

(4)發(fā)揮部分(4)制作的帶阻濾波器通過開關接入。

(5)設計報告正文中應包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、主要測試結果。完整的電路原理圖、重要的源程序用附件給出。

4．評分標準(見表10-1)

表10-1競賽題一的評分標準10.1.2低頻功率放大器設計與Multisim仿真

1．方案設計

1)系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)由前級小信號放大電路、前置及功率放大電路、檢測電路、單片機測量電路、LED數(shù)字顯示器等構成。系統(tǒng)主要模塊如圖10-1所示。

圖10-1系統(tǒng)框圖

2)方案論證

(1)方案一：全部采用分立元件，如果電路選擇得好，元器件性能優(yōu)越，則性能指標可能高過集成元件，但電路復雜，調試困難。

(2)方案二：前級放大電路采用合適的集成運放電路，比如選擇集成運放OP37，后級按題目要求采用大功率的MOS管。與方案一相比，本方案可以使后級電路相對簡單，易于調試。

綜上所述，采用方案二能更好地完成本題目的要求。

2．電路設計與Multisim仿真

1)

前級小信號放大電路

根據(jù)題目要求，當輸入正弦信號電壓有效值為5mV時，在8Ω電阻負載上，輸出功率不小于5W。由于輸出功率Po?=?(1/2)?×?(/RL)，則計算出Uom≥8.95V，即輸出電壓的有效值大于6.3V，那么整個系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)AV≥6.3/0.005

=

1260，即AV≥62dB。考慮到整個系統(tǒng)的增益問題，要留有一定的富余量，前級小信號放大電路的電壓放大倍數(shù)約取100倍，功放的前置放大電路的電壓放大倍數(shù)約為15倍，所以前級小信號放大電路采用由集成運放OP37AL組成的放大電路實現(xiàn)。依據(jù)理論分析，前級小信號放大電路的仿真電路如圖10-2所示，其仿真結果如圖10-3所示。

圖10-2前級小信號電壓放大電路的仿真電路

圖10-3前級小信號電壓放大電路輸出波形從輸出波形圖可以看出，當A通道的輸入正弦信號電壓有效值為5mV時，B通道的輸出信號幅度可以達到714.441mV(有效值約為505mV)，因此前級小信號放大電路的電壓放大倍數(shù)約為101倍，達到了理論設計要求。

2)

前置及功率放大電路的設計

由于題目要求末級功放管采用分立元件，考慮到效率及失真度等因素，決定采用甲乙類互補對稱功率放大電路來實現(xiàn)。在兩個功率管加適當?shù)幕鶚O偏置電壓，使兩管在靜態(tài)時處于微導通狀態(tài)。動態(tài)時，由于二極管D1、D2的交流電阻很小，管壓降接近零，因此對稱管兩基極之間可視為等電位點，兩只管輪流導通，在負載上可得到完整的正弦波。整個系統(tǒng)功放的前置放大電路的電壓放大倍數(shù)約為15倍，末級功率放大部分采用IRF530和IRF9530組成對管，構成的甲乙類互補對稱功率放大電路如圖10-4所示，仿真輸出波形如圖10-5所示。

圖10-4甲乙類互補對稱功率放大電路

圖10-5功率放大電路仿真輸出波形

從輸出波形可以看出，當A通道的輸入正弦信號電壓為699.337mV(有效值為500mV)時，B通道的輸出信號幅度可以達到10.501V(有效值約為7.42V)，因此前置及功率放大電路的電壓放大倍數(shù)約為15倍，達到了理論設計要求。

3)

整機放大電路的設計

整機放大電路采用由OP37AL組成的兩級電壓放大電路，其功率放大部分用IRF530CF和IRF9530S組成對管。整機放大電路的Multisim仿真電路如圖10-6所示，仿真輸出波形如圖10-7所示。

圖10-6整機放大電路仿真電路

圖10-7整機放大電路仿真輸出波形從輸出波形可以看出，當A通道的輸入正弦信號電壓為7.063mV(有效值為5mV)時，B通道的輸出信號幅度可以達到9.651V(有效值約為6.83V)，因此放大電路的電壓放大倍數(shù)約為1366倍，在8Ω電阻負載上，輸出功率不小于5W。所以該電路達到了理論設計要求。

4)

帶阻濾波器設計(發(fā)揮部分，選做)

采用雙T型RC選頻網(wǎng)絡和運放構成帶阻濾波器，帶阻頻率范圍為40～60Hz。為了使50Hz頻率點的輸出功率衰減最大(要求50Hz頻率點的輸出功率衰減不小于6dB)，根據(jù)公式f=

計算可知，若電阻R取68kΩ，則電容C取0.047μF。采用Multisim仿真的50Hz陷波電路如圖10-8所示，利用波特圖儀測量其幅頻特性如圖10-9所示。

圖10-850Hz陷波仿真電路

圖10-9陷波電路幅頻特性

5)檢測電路設計

根據(jù)題目要求，需要對電壓、電流、功率進行測量并以數(shù)字形式顯示，而單片機采集的信號為直流信號，因此需要采用精密整流電路，為單片機提供合適的測試信號(保證整流輸出的電壓范圍為0～3.3V)。精密半波整流電路的Multisim仿真電路如圖10-10所示，仿真波形如圖10-11所示。

從輸出波形圖可以看出，C通道的輸出信號為2.721V，保證了整流輸出的電壓在0～3.3V范圍，能夠為單片機提供合適的測試信號，其結果達到了理論設計要求。

圖10-10精密半波整流仿真電路

圖10-11精密半波整流電路仿真波形

6)

電源電路設計

依據(jù)設計要求，系統(tǒng)需要±18V和3.3V的穩(wěn)定電壓。本設計采用LM337、LM1084提供±18V的穩(wěn)壓電源給放大電路，采用LM317提供3.3V的穩(wěn)定電壓給單片機供電。電路如圖10-12所示。

圖10-12電源電路

7)

顯示電路設計

顯示數(shù)據(jù)精度取百分位，那么本設計采用四位共陰極LED數(shù)碼管顯示。此類顯示器的功耗較低，既可完全滿足本題所需顯示要求，又可降低成本，提高效率。

8)測量及顯示工作流程

精密半波整流電路為單片機提供了合適的測試信號，通過這些信號可以對電壓、電流、功率進行測量和數(shù)字顯示。單片機的工作流程如圖10-13所示。

圖10-13單片機工作流程圖

3．樣機測試方案與測試結果

采用Multisim仿真大大縮短了設計周期，為實際電路的設計搭建提供了理論依據(jù)。但是Multisim仿真都是按照理想情況處理信號的，而實際電路在許多時候是非理想情況，而且可能還會出現(xiàn)自激振蕩、焊點虛焊等問題。

樣機測試采用的儀器設備包括KH4116失真器、DW3061(DT9205)數(shù)字萬用表、DS1052E示波器、F40數(shù)字信號發(fā)生器、DF2170A毫伏表。測量數(shù)據(jù)及方法如下。

1)功率和通頻帶測試

在功率放大電路輸出端加上8Ω負載，用數(shù)字信號發(fā)生器F40在輸入端加上5mV正弦信號，調節(jié)兩個衰減電位器R10、R1，使輸出波形剛好不失真，用數(shù)字萬用表DT9205測得輸出電壓，如表10-2所示。

表10-2功率測試數(shù)據(jù)(條件：RL?=?8Ω，Ui?=?5mV)

2)

失真度測試

方法：用失真器KH4116測量出失真度。測試數(shù)據(jù)如表10-3所示。表10-3失真度測試數(shù)據(jù)(條件：RL?=?8Ω，Ui?=?5mV)由測試數(shù)據(jù)可知，在通頻帶內的失真度可以達到小于1%的指標。

3)噪聲測量

把信號輸入端短路，用毫伏表測量輸出端電壓。測試數(shù)據(jù)如表10-4所示。表10-4噪聲測量數(shù)據(jù)題目要求輸出噪聲電壓有效值Uon不大于5mV，由測試數(shù)據(jù)可以看出，輸出噪聲基本達到要求。

4)

陷波電路

輸入電壓Ui?=

5V，用示波器觀察輸出波形得到如表10-5所示數(shù)據(jù)。表10-550Hz陷波測試數(shù)據(jù)題目要求阻帶頻率范圍為40～60Hz，在50Hz頻率點的輸出功率衰減不小于6dB。由測試數(shù)據(jù)可以看出，陷波電路已達到要求。

5)

效率

當Uom?=

10.4V，f

=?500Hz，VDD=18V時，電源供給功率為

輸出功率為

效率為

4．總結

綜合上述測試結果可以發(fā)現(xiàn)，本設計不僅完成了題目基本部分的要求，還較好地完成了題目發(fā)揮部分的要求，整個系統(tǒng)沒有出現(xiàn)自激，工作穩(wěn)定、可靠。

(2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽C題)

10.2.1信號波形合成實驗電路試題

1．任務

設計制作一個電路，能夠產(chǎn)生多個不同頻率的正弦信號，并將這些信號合成為近似方波和其他信號。電路示意圖如圖10-14所示。10.2信號波形合成實驗電路

圖10-14電路示意圖

2．要求

1)基本要求

(1)方波振蕩器的信號經(jīng)分頻與濾波處理，同時產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz的正弦波信號，這兩種信號應具有確定的相位關系。

(2)產(chǎn)生的信號波形無明顯失真，幅度峰峰值分別為6V和2V。

(3)制作一個由移相器和加法器構成的信號合成電路，將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號，作為基波和3次諧波，合成為一個近似方波，波形幅度為5V。合成波形的形狀如圖10-15所示。

圖10-15利用基波和3次諧波合成的近似方波

2)發(fā)揮部分

(1)再產(chǎn)生50kHz的正弦信號作為5次諧波，參與信號合成，使合成的波形更接近于方波。

(2)根據(jù)三角波諧波的組成關系，設計一個新的信號合成電路，將產(chǎn)生的10kHz、30kHz等各個正弦信號，合成為一個近似的三角波形。

(3)設計制作一個能對各個正弦信號的幅度進行測量和數(shù)字顯示的電路，測量誤差不大于

5%。

(4)其他。

3．評分標準(見表10-6)

表10-6競賽題二的評分標準10.2.2信號波形合成電路設計與Multisim仿真

1．方案設計

1)系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)主要由信號產(chǎn)生電路、分頻電路、濾波電路、信號調理電路、移相電路、信號合成電路、檢測電路、單片機顯示模塊和直流穩(wěn)壓電源等構成。

首先由振蕩電路產(chǎn)生脈沖信號，由分頻電路將其分頻為所要求的10kHz、30kHz、50kHz方波信號，這些信號經(jīng)過濾波電路變換為適用于合成的正弦波信號，然后正弦波信號通過信號調理電路進行幅度調理、經(jīng)過移相電路進行相位調整，最后合成為近似方波和三角波。在波形合成之前加入了測試與顯示電路，用于實現(xiàn)正弦波信號的幅值測試及結果的顯示功能，且保證測試誤差不大于±5%。

圖10-16系統(tǒng)框圖

2)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

系統(tǒng)采用了抗干擾措施來提高穩(wěn)定性，這些措施包括：系統(tǒng)大部分采用印制板，減小寄生電容和寄生電感，印制板采用銅板大面積接地，減小地回路；級間采用同軸電纜相連，避免級間干擾和高頻自激。這些措施大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2．電路設計與Multisim仿真

1)信號產(chǎn)生電路

方案一：采用N555定時器構成多諧振蕩器。其頻率f?=?0.7(R1+2R2)C。

方案二：采用與非門(或者非門)與RC反饋支路構成多諧振蕩器。它由兩級與非門/非門和電容構成，依靠電容的充放電引起輸入端閾值的變化來輸出矩形脈沖，其頻率f?=?。

方案三：采用ICL8038單片壓控函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生設計中要求的方波。改變ICL8038的調制電壓，可以實現(xiàn)數(shù)控調節(jié)，其振蕩范圍為0.001Hz～300kHz，且外圍電路較為簡單，成本較低。

綜上所述，選擇方案三比較合適。

根據(jù)題目要求，波形合成需要10kHz、30kHz、50kHz的對稱方波。因為10、30、50的公倍數(shù)為150，而波形合成需要對稱方波，所以振蕩電路需要產(chǎn)生 的脈沖信號。

現(xiàn)選擇以ICL8038為核心的信號發(fā)生電路，則輸出信號頻率與電路外圍電阻、電容的關系為

現(xiàn)選擇：RA?=

RB，則 。經(jīng)計算，

，C?=?680pF。

振蕩電路如圖10-17所示。

圖10-17ICL8038振蕩電路

2)分頻電路

既然信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的是脈沖信號，那么可采用計數(shù)器分頻，其電路簡單且精度高。

15分頻、5分頻、3分頻電路由計數(shù)器74LS161實現(xiàn)，2分頻電路由D-FF實現(xiàn)，其原理如圖10-18所示。

采用Multisim進行仿真的電路如圖10-19所示，其中“Key=A”為清零開關。仿真輸出波形如圖10-20所示。

從輸出波形可以看出，當輸入300kHz信號時，從B通道輸出10kHz信號，從C通道輸出30kHz信號，從D通道輸出50kHz信號，分頻結果達到了理論設計要求。圖10-18分頻電路原理圖

圖10-19分頻電路仿真

`

圖10-20分頻電路仿真輸出波形

3)濾波電路

方案一：采用有源濾波器。有源濾波器可動態(tài)濾除各次諧波，對系統(tǒng)內的諧波能夠完全吸收，不會產(chǎn)生諧振。

方案二：采用LC濾波器。LC濾波器無需額外提供電源，但濾波電路較為復雜，不易實現(xiàn)。

綜上所述，選擇方案一，由TL084低通濾波器實現(xiàn)濾波。

當f?=?10kHz時，如果取L=1mH，則電容C?≈?253nF=(220+33)nF。采用Multisim進行仿真濾波的電路如圖10-21所示，仿真輸出波形如圖10-22所示。

當頻率為30kHz，取L=1mH，則可計算出30kHz濾波電路中的電容C大小。

當頻率為50kHz，取L=1mH，則可計算出50kHz濾波電路中的電容C大小。

只要計算好電路中器件的參數(shù)，就可以設計出30kHz濾波電路和50kHz濾波電路。

圖10-21濾波仿真電路

圖10-22濾波電路的仿真輸出波形

4)信號調理電路

要合成近似方波，需借助傅立葉級數(shù)展開式。方波信號的傅立葉級數(shù)展開式為

由上式可以看出，基波、3次諧波、5次諧波是組成方波的主要頻率，即只需求出10kHz、30kHz、50kHz這三個頻率的相位和幅度信息，即可合成近似方波。那么上面的傅立葉級數(shù)展開式可以簡化為所以，在合成方波時，要使基波、3次諧波、5次諧波的幅度滿足1∶1/3∶1/5的比例。

為了滿足波形合成的幅度要求，這里需要對三路正弦波信號進行調理。這里假設10kHz基波的幅度為6V，則3次諧波的幅度為2V，5次諧波的幅度為1.2V?；ㄐ盘栒{理電路的Multisim仿真電路如圖10-23所示，仿真輸出波形如圖10-24所示。3次諧波信號調理電路和5次諧波信號調理電路的仿真與此類似。

圖10-23基波信號調理電路仿真

圖10-24基波信號調理仿真輸出波形從輸出波形可以看出，B通道的輸出信號可以達到6.317V，達到了理論設計的要求。

同理，當合成近似三角波時，三角波信號的傅立葉級數(shù)展開式為：

其中，Um是三角波的幅值。不難得出所需的三個頻率的相位和幅度信息。簡化后的三角波信號的傅立葉級數(shù)展開式為由理論分析可知，基波、3次諧波、5次諧波也是組成三角波的主要頻率，在合成三角波時，要使基波、3次諧波、5次諧波幅度滿足1∶1/9∶1/25的比例。同樣為了滿足波形合成的幅度要求，這里也需要對三路正弦波信號進行調理。這里假設10kHz基波的幅度為9V，則3次諧波的幅度為1V，5次諧波的幅度為0.36V。基波信號調理電路、3次諧波信號調理電路、5次諧波信號調理電路與圖10-23所示電路類似。

5)移相電路

由于電路存在附加相移，由前面的理論分析可知，波形合成的初相為零，因此必須添加移相電路。這里采用簡單的RC移相電路，利用開關可選擇相位超前或滯后的信號?；ā?次諧波、5次諧波信號的移相電路如圖10-25所示，仿真輸出波形如圖10-26所示。

從輸出波形可以看出，B通道輸出信號的相位超前A通道，而C通道輸出信號的相位滯后A通道。通過調節(jié)電位器來調整相位，可使信號在合成時具有相同的初相。

圖10-25移相仿真電路

圖10-26移相電路仿真輸出波形

6)信號合成電路

采用由運放構成的反相加法器，可實現(xiàn)信號的合成，其電路簡單。

(1)將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號作為基波和3次諧波，合成一個近似方波，采用Multisim仿真的電路如圖10-27所示，仿真輸出波形如圖10-28所示。

圖10-27基波和3次諧波合成方波仿真電路

圖10-28基波和3次諧波合成方波電路的仿真輸出波形

(2)將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號作為基波和3次諧波，再將產(chǎn)生50kHz的正弦信號作為5次諧波，參與信號合成，使合成的波形更接近于方波，采用Multisim仿真的電路如圖10-29所示，仿真輸出波形如圖10-30所示。

圖10-29基波、3次諧波和5次諧波合成方波仿真電路

圖10-30基波、3次諧波和5次諧波合成方波電路的仿真輸出波形

(3)根據(jù)三角波諧波的組成關系，將產(chǎn)生的10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號合成一個近似三角波形，采用Multisim仿真的電路如圖10-31所示，仿真輸出波形如圖10-32所示。

圖10-31三角波合成仿真電路

圖10-32三角波合成電路的仿真輸出波形

7)

檢測電路

根據(jù)題目要求，需要對各個正弦波信號的幅度進行測量和數(shù)字顯示，而單片機采集的信號為直流信號，因此在典型精密全波整流的基礎上需設計改進型精密全波整流電路，為單片機提供合適的測試信號。

系統(tǒng)中的檢測電路采用TL084BCD寬帶精密全波整流，該電路的整流頻率已達到

50kHz，且該電路的非線性誤差趨近于零，消除了二極管的死區(qū)，并具有較好的溫度穩(wěn)定性。采用Multisim仿真的電路如圖10-33所示，仿真輸出波形如圖10-34所示。從輸出波形可以看出，B通道的輸出信號為1.625V，保證了整流輸出的電壓在0～3.3V范圍內，為單片機提供了合適的測試信號，其結果達到了理論設計要求。

圖10-33精密全波整流仿真電路

圖10-34精密全波整流仿真輸出波形

8)測量及顯示設計

用單片機MSP430F169進行檢測和顯示。其工作流程如圖10-35所示。

圖10-35系統(tǒng)測量及顯示流程圖

9)穩(wěn)壓電源

方案一：線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結構。并聯(lián)型電路復雜，效率低，僅用于對調整速率和精度要求較高的場合；串聯(lián)型電路比較簡單，效率較高，尤其是集成三端穩(wěn)壓器，更是方便可靠。

方案二：開關穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復雜，開關電源的工作頻率通常為幾十至幾百千赫，基波與很多諧波均在工作頻帶內，極容易帶來串擾。綜上所述，選擇方案一中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，用以產(chǎn)生電路中所需的3.3V