Multisim模擬電路仿真實(shí)例

1、二、Multisim11 應(yīng)用實(shí)例,1 在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用 2 在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用,圖5-1 例5.1原理圖,例5.1 共射晶體管放大電路，如圖5-1所示，要求： 1）判斷輸出波形是否失真？ 2）如何改善波形失真？ 3）測(cè)試其fL和fH。,5.1 在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用,5.1.1 放大電路設(shè)計(jì)與分析,圖5-2 瞬態(tài)分析結(jié)果,輸出波形已經(jīng)失真,圖5-3 加入反饋電阻R6,2）如何改善波形失真？,?,圖5-4 參數(shù)掃描設(shè)置對(duì)話框,如何確定反饋電阻R6的阻值？,可對(duì)R6進(jìn)行參數(shù)掃描分析,圖5-5 參數(shù)掃描結(jié)果,R6=400,比較輸出波形，選擇R6為400歐,3）如何測(cè)試fL和fH？,加上電

2、阻R6前后分別進(jìn)行交流分析，測(cè)試節(jié)點(diǎn)為2，其他設(shè)置默認(rèn)，可分別得幅頻和相頻特性曲線如圖；,可對(duì)比加電阻R6前后的幅頻和相頻特性曲線，看出其通頻帶的變化；,圖5-6 未加R6時(shí)的幅頻、相頻特性曲線,fL為1.34kHz,fH為1.14MHz,圖5-7 加上R6后的幅頻、相頻特性曲線,fL為16Hz,fH為18MHz,加上負(fù)反饋電阻R6后，不僅消除了波形失真，同時(shí)明顯展寬了頻帶。,圖5-8 多級(jí)交流放大器,使用集成運(yùn)算放大器LM124AJ組成具有深度負(fù)反饋的交流放大器，如圖5-8所示。分析其幅頻特性和放大能力，指出fL和fH。,例5.2,該電路屬于LM124AJ的典型應(yīng)用，第一級(jí) LM124AJ的

3、Gain=1+R2/R110，第二級(jí)LM124AJ的Gain=1+R4/R6=101，因此該電路的中頻電壓放大倍數(shù)約為1000。 其設(shè)計(jì)指標(biāo)為： 中頻電壓放大倍數(shù)A=1000,電路理論分析：,輸入電阻Ri=20k,取標(biāo)稱值，C1=C2=1 、C3=5.7,通頻帶f=fH-fL，設(shè)其中：fL20Hz，fH10kHz 據(jù)此可估算出電路中C1、C2、C3的取值,圖5-9 例5.2示波器窗口,啟動(dòng)仿真：得輸入輸出的信號(hào)，可估算出放大倍數(shù)約為1000倍,圖5-10 例5.2交流頻率分析,進(jìn)行交流頻率分析,可得其fL的值約為13Hz、fH的值約為19KHz,例5.3 如圖5.11是一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的差動(dòng)放大器

4、，分析其功能。,圖5-11 例5.3差動(dòng)放大電路,理論分析：,仿真分析：,輸出波形，幅值為2V,例5.4 用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)Vo=0.2Vi的電路。,分析：按照設(shè)計(jì)要求， Vo=0.2Vi，因此可采用兩級(jí)反相比例運(yùn)放電路， 第一級(jí)實(shí)現(xiàn)Auf1=-0.2， 第二級(jí)實(shí)現(xiàn)Auf2=-1， 從而實(shí)現(xiàn)Auf=0.2。設(shè)計(jì)電路如圖5-13所示。,5.1.2 模擬信號(hào)運(yùn)算電路分析,圖5-13 例5.4電路原理圖,由電路可估算：,圖5-14 例5.4仿真結(jié)果,通過(guò)瞬態(tài)分析仿真，得到輸出波形如圖5-14所示。通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)Vo=0.2Vi。,輸出波形,圖5-17 例5.6電路原理圖,例5.6 如圖5-17

5、，是一個(gè)方波和鋸齒波產(chǎn)生電路。測(cè)試其周期，如果使其周期可調(diào)，該如何處理？,5.1.3 信號(hào)產(chǎn)生和處理電路分析,在該電路中，運(yùn)放U1和電阻R1、R3、R5等構(gòu)成了一個(gè)滯回比較器;,分析：,其中R3、R5將Vo1反饋到運(yùn)放U1的同相輸入端，與零電位比較，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。,同時(shí)R3還將Vo反饋到運(yùn)放U1的同相輸入端，作為滯回比較器的 輸入，構(gòu)成閉環(huán)。,滯回比較器,UREF 為參考電壓；輸出電壓 uO 為 +UZ 或 -UZ；uI 為輸入電壓。,當(dāng) u+ = u- 時(shí)，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。,比較器有兩個(gè)不同的門(mén)限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。,UT-,UT+,若 uO= UZ ，當(dāng) uI 逐漸減小時(shí)

6、，使 uO 由 UZ 跳變?yōu)?UZ 所需的門(mén)限電平 UT-,回差(門(mén)限寬度)UT ：,若 uO = UZ ，當(dāng) uI 逐漸增大時(shí)，使 uO 由 +UZ 跳變?yōu)?-UZ 所需的門(mén)限電平 UT+,作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形變換?？垢蓴_能力強(qiáng)。,運(yùn)放U2和電阻R4、電容C1等構(gòu)成反相積分電路，通過(guò)對(duì)Vo1的積分運(yùn)算，輸出三角波。,其周期T為：T=4R1*R3*C/R40.4ms,分析：,改變它，可調(diào)整輸出信號(hào)頻率,圖5-18 例5.6結(jié)果(左圖為Vo1，右圖為Vo),檢查電路無(wú)誤后，啟動(dòng)仿真，雙擊示波器，打開(kāi)其顯示窗口。結(jié)果如圖5-18所示。,仿真分析：,輸出波形 測(cè)得周期為4ms

7、,如果將電阻R3換成一個(gè)變阻器，則可調(diào)整其周期！,矩形波發(fā)生電路仿真分析舉例,三角波發(fā)生電路仿真分析舉例,仿真分析結(jié)果,首先根據(jù)該濾波電路截止頻率為100Hz ，可選取低通濾波器的RC的值；,例5.8 設(shè)計(jì)一個(gè)通帶截止頻率為100Hz的二階低通有源濾波電路。,分析：,若選取R16k，則可算出C0.1uF,圖5-22 例5.8電路,然后，加上運(yùn)放，組成有源二階低通濾波器電路，如圖：,根據(jù)運(yùn)放電路的參數(shù)，則可算出：,運(yùn)行仿真分析： 得輸入信號(hào)V1和輸出信號(hào)V0的波形圖,說(shuō)明輸入信號(hào)通過(guò)了該濾波器，并被放大；,并從中可以測(cè)試到Vo=1.6Vi,從波特圖儀上可以觀察到當(dāng)20lgAup從4.1dB下降到

8、1dB左右時(shí)，其f0約為100Hz，理論值基本相同，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。,圖5-24 波特圖儀顯示結(jié)果,若將信號(hào)源的頻率分別修改為200Hz 和1MHz ，再次啟動(dòng)仿真，其輸出電壓有何變化？,200Hz,1KHz,適當(dāng)修改參數(shù)R1、R2、R3、R4和C1、C2，觀察通帶電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻率的變化？,增大C1、C2或R3、R4，截止頻率減小,增大R1輸出波形幅度增大,如果R1太大，輸出會(huì)？,比較有源低通濾波器和無(wú)源低通濾波器的帶負(fù)載？,1. 輸出功率要足夠大,2. 效率要高,Po為信號(hào)輸出功率, PE是直流電源向電路提供的功率。,3. 非線性失真要小,為使輸出功率大, 功率放大器采用的三極管均應(yīng)

9、工作在大信號(hào)狀態(tài)下。由于三極管是非線性器件, 在大信號(hào)工作狀態(tài)下, 器件本身的非線性問(wèn)題十分突出, 因此, 輸出信號(hào)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的非線性失真。,5.1.4 功率放大器分析,特 點(diǎn),功率放大電路有三種工作狀態(tài),(1) 甲類工作狀態(tài),靜態(tài)工作點(diǎn) Q 大致在負(fù)載線的中點(diǎn)。三極管的工作角度為360度。,這種工作狀態(tài)下，放大電路的最高效率為 50%。,(2) 甲乙類工作狀態(tài),(3) 乙類工作狀態(tài),靜態(tài)工作點(diǎn) Q 沿負(fù)載線下移，靜態(tài)管耗減小，但產(chǎn)生了失真。三極管的導(dǎo)通角度大于180度小于360度。,靜態(tài)工作點(diǎn)下移到 IC 0 處 ，管耗更小，但輸出波形只剩半波了。,圖5-25 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路

10、,例5.9 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路如圖5-25所示。要求觀察其輸出波形，并判斷其最大電壓輸出范圍。,功放電路仿真分析,工作原理？,輸出波形,從中可以發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)的波形有明顯的交越失真。,當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，達(dá)不到三極管的開(kāi)啟電壓，三極管不導(dǎo)電。 因此在正、負(fù)半周交替過(guò)零處會(huì)出現(xiàn)非線性失真，即交越失真。,其失真原因,運(yùn)行仿真：,輸入波形,其失真范圍如何呢？,下面進(jìn)行直流掃描分析，以便確定其交越失真的范圍。,直流掃描分析： Simulate/Analysis/DC Sweep,在Output variables標(biāo)簽中，選定節(jié)點(diǎn)1作為測(cè)試節(jié)點(diǎn)，其他項(xiàng)默認(rèn)。,設(shè)置StartValue和Stop value

11、的值分別為-5V和5V,設(shè)置Increment為0.1V,圖5-27 例5.9直流掃描分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)其失真范圍為 -775.0000mV666.6667mV。,圖5-28 例5.9最大輸出電壓測(cè)試結(jié)果,如何判斷其最大電壓輸出范圍？,打開(kāi)直流掃描分析設(shè)置窗口，設(shè)置其Start value和Stop value的值分別為-20V和20V，然后進(jìn)行直流掃描分析，結(jié)果如圖5-28所示；,其最大電壓輸出范圍為 -11.5000V12.5000V。,圖5-29改進(jìn)后的電路 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路,例5.10 針對(duì)上例中乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的交越失真問(wèn)題，如何對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)？,電路原理分析,圖5-30

12、例5.10輸出波形,觀察輸出波形，如圖所示，可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沒(méi)有交越失真,仍然觀察其輸出波形，并判斷其最大電壓輸出范圍。,仿真分析,Simulate/Analysis/DCSweep，直流掃描設(shè)置：設(shè)置Start value和Stop value的值分別為-10V和10V，設(shè)置Increment為0.1V，在Output variables標(biāo)簽頁(yè)，選定節(jié)點(diǎn)5作為測(cè)試點(diǎn)，其他項(xiàng)默認(rèn)。,判斷其最大電壓輸出范圍：,其最大電壓輸出范圍為 -5V5V。,5.1.5.1 直流電源的組成,圖 直流電源的組成,電網(wǎng)電壓,電源 變壓器,整流電路,濾波器,穩(wěn)壓電路,負(fù)載,5.1.5 直流電源分析,一、單相整流電路,優(yōu)

13、點(diǎn)：使用元件少。,缺點(diǎn)：輸出波形脈動(dòng)大；直流成分小；變壓器利用率低。,5.1.5.2整流電路,二、單相全波整流電路,三、 單相橋式整流電路,5.1.5.3 濾波電路,一、電容濾波電路,適用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。,濾波電容大，效果好。,輸出直流電壓為：,脈動(dòng)系數(shù) S 約為 10% 20%。,二、RC - 型濾波電路,輸出直流電壓為：,脈動(dòng)系數(shù) S 約為：,適用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。,三、電感濾波電路和 LC 濾波電路,一、電感濾波器,適用于負(fù)載電流比較大的場(chǎng)合。,二、LC 濾波器,輸出直流電壓為：,脈動(dòng)系數(shù) S ：,適用于各種場(chǎng)合。,圖 10.3.5,圖 10.3.6,5.1.5.4串聯(lián)型直流穩(wěn)

14、壓電路,一、電路組成和工作原理,采樣電路：R1、 R2、 R3 ；,放大電路：A；,基準(zhǔn)電壓：由 VDZ 提供；,調(diào)整管：VT；,穩(wěn)壓過(guò)程：,UI 或 IL, UO, UF, UId, UBE, IC,UCE,UO,二、輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍,由于 U+ = U- ，UF = UZ， 所以,當(dāng) R2 的滑動(dòng)端調(diào)至最上端時(shí)，UO 為最小值,當(dāng) R2 的滑動(dòng)端調(diào)至最下端時(shí)，UO 為最大值，,則：,串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路,直流電源分析舉例1,例5.11分析下面的直流電源，負(fù)載為1k。,圖5-33 濾波前后的波形,圖5-34 負(fù)載上的電流,仿真分析,圖5-34 負(fù)載上的電壓,如何減小紋波系數(shù)？,通過(guò)參數(shù)掃描分

15、析,設(shè)定分析時(shí)間為0.05s,需要選擇一個(gè)合適的電容,可見(jiàn)電容取值大于350F時(shí)，紋波就已經(jīng)比較小,設(shè)定C的變化范圍： 50uF650uF,直流電源分析舉例2,串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源,其電壓調(diào)節(jié)范圍？,穩(wěn)壓效果怎樣？,例5.12 針對(duì)與非門(mén)電路74LS00D，分析與非門(mén)的特性，加深對(duì)各參數(shù)意義的理解。,5.2 在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用,5.2.1 邏輯門(mén)電路基礎(chǔ),74LS00D是一種有四個(gè)二輸入端與非門(mén)的芯片，其外部特性參數(shù)有：輸出電平、開(kāi)門(mén)電平、關(guān)門(mén)電平、扇出系數(shù)、平均傳輸延時(shí)和空載功耗等。,圖5-37 VoH測(cè)試電路,創(chuàng)建電路后，啟動(dòng)仿真， 進(jìn)行各種參數(shù)測(cè)試：,（1） VoH測(cè)試,仿真分析：,V

16、oH測(cè)試結(jié)果,得到VoH為5.0V，大于標(biāo)準(zhǔn)高電平2.4V，并且有100ns的輸出延遲。,圖5-39 VoL測(cè)試電路,創(chuàng)建測(cè)試電路，如圖5-39所示，啟動(dòng)仿真后，測(cè)試結(jié)果為VoL=0V，小于標(biāo)準(zhǔn)低電平0.4V。,(2) 測(cè)試輸出低電平VoL,圖5-40 VoL測(cè)試結(jié)果,圖5-41 測(cè)試Iis電路,圖5-42 萬(wàn)用表顯示窗口,創(chuàng)建電路如圖5-41所示。啟動(dòng)仿真后，萬(wàn)用表讀數(shù)顯示如圖5-42所示，其值為0。即Iis=0A(由于仿真誤差，因此Iis的實(shí)際值不可能為0)，遠(yuǎn)小于規(guī)定的1.6mA。,(3) 測(cè)試輸入短路電流Iis,圖5-43 測(cè)試扇出系數(shù),創(chuàng)建電路如圖5-43所示,啟動(dòng)仿真后,毫安表顯示

17、最大允許負(fù)載電流IOL=5.545mA，而前面測(cè)試得到Iis的值為0，可見(jiàn)No=IOL/Iis的值大于8。,(4) 測(cè)試扇出系數(shù)No,測(cè)得最大允許負(fù)載電流 IOL=5.545mA,圖5-44 半加器電路,例5.13 如圖5-44所示，是一個(gè)74LS00D構(gòu)成的半加器，分析其功能。,信號(hào)發(fā)生器XFG3，設(shè)定方波頻率為20Hz，幅值為5V； 信號(hào)發(fā)生器XFG1，設(shè)定方波頻率為10Hz，幅值為5V。,節(jié)點(diǎn)7輸出其本位和，節(jié)點(diǎn)4輸出其進(jìn)位，表達(dá)式為：,電路中使用兩個(gè)指示燈和兩個(gè)三極管分別構(gòu)成的兩個(gè)基本放大電路，作為電平指示電路。,修改參數(shù)：,電路分析：,表5.4 電平指示器件閃亮情況表,檢查電路無(wú)誤后

18、，啟動(dòng)仿真。觀察并記錄電平顯示情況如表5.4所示。,仿真分析：,圖5-45 A、B、S、C點(diǎn)波形圖,可以在示波器看到如圖所示的A點(diǎn)、B點(diǎn)、S點(diǎn)和C點(diǎn)的波形。,輸入A,輸入B,和S,進(jìn)位C,計(jì)數(shù)器電路仿真分析舉例,5.22 555定時(shí)器應(yīng)用電路,555定時(shí)器是一種集成電路， 因集成電路內(nèi)部含有三個(gè)5k電阻而得名。,利用555定時(shí)器可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等。,1. 電路組成,分壓器,比較器,RS 觸發(fā)器,輸出 緩沖,晶體管 開(kāi)關(guān),555 定時(shí)器,2. 基本功能,0,UOL,飽和,2VCC/3,1 1 1,UOL,VCC/3,飽和,2VCC/3,VCC/3,不變,不變,2VC

19、C/3,VCC/3,UOH,截止,0,1,1,0,3. 555 定時(shí)器的外引腳,雙極型 （TTL） 電源: 4.5 16V,單極型 （CMOS） 電源: 3 18V 帶負(fù)載能力強(qiáng)。,圖5-46 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,例5.14 分析如圖5-46所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，確定其周期。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0,0,截止,假設(shè)：接通電源時(shí)，觸發(fā)器處于0狀態(tài)，且Utr為高電平；,假設(shè)：接通電源時(shí)，觸發(fā)器處于1狀態(tài)，且Utr為高電平；,穩(wěn)定狀態(tài),為暫態(tài),單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,0,1,1,0,1,1,0,0,截止,當(dāng)電路處于0狀態(tài)（即穩(wěn)態(tài)）時(shí),穩(wěn)定狀態(tài),進(jìn)入暫態(tài),Utr為低電平觸發(fā),1,此

20、時(shí)Utr已為高電平,1,0,1,0,0,回到穩(wěn)定狀態(tài),可用示波器查看其輸出波形； 也可利用瞬態(tài)分析，分析其波形變化。,仿真分析：,信號(hào)發(fā)生器設(shè)定正弦波頻率為100Hz、幅值為10V，,瞬態(tài)分析設(shè)置起止時(shí)間為0s和0.05s，選定測(cè)試節(jié)點(diǎn)為3、4，其他選項(xiàng)采用默認(rèn)。,圖5-47 例5.14瞬態(tài)分析窗口,脈沖寬度Tw=5.5ms 周期T=0.01s,觸發(fā)信號(hào)的電壓值大于約為3.3958V時(shí)，輸出處于穩(wěn)定狀態(tài),觸發(fā)信號(hào)的電壓值小于約為3.0612V時(shí)，輸出處于暫穩(wěn)態(tài),單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路還可以用于不規(guī)則的輸入信號(hào)的整形，使其成為幅值和寬度都相同的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖，脈沖的幅值取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度Tw決定于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。,通過(guò)該例的分析，可以確定脈沖寬度由R1和C2決定，因此可以通過(guò)調(diào)整R1，輸出不同占空比的脈沖，即將電阻R1置換為可變電阻器，這樣該電路就成為了一個(gè)可調(diào)占空比的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。,注意：輸入觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度（Ui為低電平的時(shí)間）應(yīng)小于輸出脈沖的寬度（為高電平的時(shí)間）！,圖5-46 多諧振蕩器,例5.15 分析如圖所示的多諧振蕩器。,多諧振蕩器工作原理,0,1,0,0,1,1,截止,接通電