Multisim模拟电路仿真实例课件.ppt

二 Multisim11应用实例 1在模拟电子技术中的应用2在数字电子技术中的应用 图5 1例5 1原理图 例5 1共射晶体管放大电路 如图5 1所示 要求 1 判断输出波形是否失真 2 如何改善波形失真 3 测试其fL和fH 5 1在模拟电子技术中的应用 5 1 1放大电路设计与分析 图5 2瞬态分析结果 输出波形已经失真 图5 3加入反馈电阻R6 2 如何改善波形失真 图5 4参数扫描设置对话框 如何确定反馈电阻R6的阻值 可对R6进行参数扫描分析 图5 5参数扫描结果 R6 400 比较输出波形 选择R6为400欧 3 如何测试fL和fH 加上电阻R6前后分别进行交流分析 测试节点为2 其他设置默认 可分别得幅频和相频特性曲线如图 可对比加电阻R6前后的幅频和相频特性曲线 看出其通频带的变化 图5 6未加R6时的幅频 相频特性曲线 fL为1 34kHz fH为1 14MHz 图5 7加上R6后的幅频 相频特性曲线 fL为16Hz fH为18MHz 加上负反馈电阻R6后 不仅消除了波形失真 同时明显展宽了频带 图5 8多级交流放大器 使用集成运算放大器LM124AJ组成具有深度负反馈的交流放大器 如图5 8所示 分析其幅频特性和放大能力 指出fL和fH 例5 2 该电路属于LM124AJ的典型应用 第一级LM124AJ的Gain 1 R2 R1 10 第二级LM124AJ的Gain 1 R4 R6 101 因此该电路的中频电压放大倍数约为1000 其设计指标为 中频电压放大倍数A 1000 电路理论分析 输入电阻Ri 20k 取标称值 C1 C2 1 C3 5 7 通频带 f fH fL 设其中 fL 20Hz fH 10kHz据此可估算出电路中C1 C2 C3的取值 图5 9例5 2示波器窗口 启动仿真 得输入输出的信号 可估算出放大倍数约为1000倍 图5 10例5 2交流频率分析 进行交流频率分析 可得其fL的值约为13Hz fH的值约为19KHz 例5 3如图5 11是一个运放构成的差动放大器 分析其功能 图5 11例5 3差动放大电路 理论分析 仿真分析 输出波形 幅值为2V 例5 4用集成运放设计一个实现Vo 0 2Vi的电路 分析 按照设计要求 Vo 0 2Vi 因此可采用两级反相比例运放电路 第一级实现Auf1 0 2 第二级实现Auf2 1 从而实现Auf 0 2 设计电路如图5 13所示 5 1 2模拟信号运算电路分析 图5 13例5 4电路原理图 由电路可估算 图5 14例5 4仿真结果 通过瞬态分析仿真 得到输出波形如图5 14所示 通过测试可以发现Vo 0 2Vi 输出波形 图5 17例5 6电路原理图 例5 6如图5 17 是一个方波和锯齿波产生电路 测试其周期 如果使其周期可调 该如何处理 5 1 3信号产生和处理电路分析 在该电路中 运放U1和电阻R1 R3 R5等构成了一个滞回比较器 分析 其中R3 R5将Vo1反馈到运放U1的同相输入端 与零电位比较 实现状态的转换 同时R3还将Vo反馈到运放U1的同相输入端 作为滞回比较器的输入 构成闭环 滞回比较器 UREF为参考电压 输出电压uO为 UZ或 UZ uI为输入电压 当u u 时 输出电压的状态发生跳变 比较器有两个不同的门限电平 故传输特性呈滞回形状 UT UT 若uO UZ 当uI逐渐减小时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 回差 门限宽度 UT 若uO UZ 当uI逐渐增大时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 作用 产生矩形波 三角波和锯齿波 或用于波形变换 抗干扰能力强 运放U2和电阻R4 电容C1等构成反相积分电路 通过对Vo1的积分运算 输出三角波 其周期T为 T 4R1 R3 C R4 0 4ms 分析 改变它 可调整输出信号频率 图5 18例5 6结果 左图为Vo1 右图为Vo 检查电路无误后 启动仿真 双击示波器 打开其显示窗口 结果如图5 18所示 仿真分析 输出波形测得周期为4ms 如果将电阻R3换成一个变阻器 则可调整其周期 矩形波发生电路仿真分析举例 三角波发生电路仿真分析举例 仿真分析结果 首先根据该滤波电路截止频率为100Hz 可选取低通滤波器的RC的值 例5 8设计一个通带截止频率为100Hz的二阶低通有源滤波电路 分析 若选取R 16k 则可算出C 0 1uF 图5 22例5 8电路 然后 加上运放 组成有源二阶低通滤波器电路 如图 根据运放电路的参数 则可算出 运行仿真分析 得输入信号V1和输出信号V0的波形图 说明输入信号通过了该滤波器 并被放大 并从中可以测试到Vo 1 6Vi 从波特图仪上可以观察到当20lg Aup 从4 1dB下降到1dB左右时 其f0约为100Hz 理论值基本相同 达到设计要求 图5 24波特图仪显示结果 若将信号源的频率分别修改为200Hz和1MHz 再次启动仿真 其输出电压有何变化 200Hz 1KHz 适当修改参数R1 R2 R3 R4和C1 C2 观察通带电压放大倍数和通带截止频率的变化 增大C1 C2或R3 R4 截止频率减小 增大R1输出波形幅度增大 如果R1太大 输出会 比较有源低通滤波器和无源低通滤波器的带负载 1 输出功率要足够大 2 效率要高 Po为信号输出功率 PE是直流电源向电路提供的功率 3 非线性失真要小 为使输出功率大 功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下 由于三极管是非线性器件 在大信号工作状态下 器件本身的非线性问题十分突出 因此 输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真 5 1 4功率放大器分析 特点 功率放大电路有三种工作状态 1 甲类工作状态 静态工作点Q大致在负载线的中点 三极管的工作角度为360度 这种工作状态下 放大电路的最高效率为50 2 甲乙类工作状态 3 乙类工作状态 静态工作点Q沿负载线下移 静态管耗减小 但产生了失真 三极管的导通角度大于180度小于360度 静态工作点下移到IC 0处 管耗更小 但输出波形只剩半波了 图5 25乙类互补对称功放电路 例5 9乙类互补对称功放电路如图5 25所示 要求观察其输出波形 并判断其最大电压输出范围 功放电路仿真分析 工作原理 输出波形 从中可以发现输出信号的波形有明显的交越失真 当输入信号较小时 达不到三极管的开启电压 三极管不导电 因此在正 负半周交替过零处会出现非线性失真 即交越失真 其失真原因 运行仿真 输入波形 其失真范围如何呢 下面进行直流扫描分析 以便确定其交越失真的范围 直流扫描分析 Simulate Analysis DCSweep 在Outputvariables标签中 选定节点1作为测试节点 其他项默认 设置StartValue和Stopvalue的值分别为 5V和5V 设置Increment为0 1V 图5 27例5 9直流扫描分析结果 可以发现其失真范围为 775 0000mV 666 6667mV 图5 28例5 9最大输出电压测试结果 如何判断其最大电压输出范围 打开直流扫描分析设置窗口 设置其Startvalue和Stopvalue的值分别为 20V和20V 然后进行直流扫描分析 结果如图5 28所示 其最大电压输出范围为 11 5000V 12 5000V 图5 29改进后的电路甲乙类互补对称功放电路 例5 10针对上例中乙类互补对称功放电路的交越失真问题 如何对电路进行改进 电路原理分析 图5 30例5 10输出波形 观察输出波形 如图所示 可以发现已经没有交越失真 仍然观察其输出波形 并判断其最大电压输出范围 仿真分析 Simulate Analysis DCSweep 直流扫描设置 设置Startvalue和Stopvalue的值分别为 10V和10V 设置Increment为0 1V 在Outputvariables标签页 选定节点5作为测试点 其他项默认 判断其最大电压输出范围 其最大电压输出范围为 5V 5V 5 1 5 1直流电源的组成 图直流电源的组成 电网电压 电源变压器 整流电路 滤波器 稳压电路 负载 5 1 5直流电源分析 一 单相整流电路 优点 使用元件少 缺点 输出波形脉动大 直流成分小 变压器利用率低 5 1 5 2整流电路 二 单相全波整流电路 三 单相桥式整流电路 5 1 5 3滤波电路 一 电容滤波电路 适用于负载电流较小的场合 滤波电容大 效果好 输出直流电压为 脉动系数S约为10 20 二 RC 型滤波电路 输出直流电压为 脉动系数S约为 适用于负载电流较小的场合 三 电感滤波电路和LC滤波电路 一 电感滤波器 适用于负载电流比较大的场合 二 LC滤波器 输出直流电压为 脉动系数S 适用于各种场合 图10 3 5 图10 3 6 5 1 5 4串联型直流稳压电路 一 电路组成和工作原理 采样电路 R1 R2 R3 放大电路 A 基准电压 由VDZ提供 调整管 VT 稳压过程 UI 或 IL UO UF UId UBE IC UCE UO 二 输出电压的调节范围 由于U U UF UZ 所以 当R2的滑动端调至最上端时 UO为最小值 当R2的滑动端调至最下端时 UO为最大值 则 串联型直流稳压电路 直流电源分析举例1 例5 11分析下面的直流电源 负载为1k 图5 33滤波前后的波形 图5 34负载上的电流 仿真分析 图5 34负载上的电压 如何减小纹波系数 通过参数扫描分析 设定分析时间为0 05s 需要选择一个合适的电容 可见电容取值大于350 F时 纹波就已经比较小 设定C的变化范围 50uF 650uF 直流电源分析举例2 串联型直流稳压电源 其电压调节范围 稳压效果怎样 例5 12针对与非门电路74LS00D 分析与非门的特性 加深对各参数意义的理解 5 2在数字电子技术中的应用 5 2 1逻辑门电路基础 74LS00D是一种有四个二输入端与非门的芯片 其外部特性参数有 输出电平 开门电平 关门电平 扇出系数 平均传输延时和空载功耗等 图5 37VoH测试电路 创建电路后 启动仿真 进行各种参数测试 1 VoH测试 仿真分析 VoH测试结果 得到VoH为5 0V 大于标准高电平2 4V 并且有100ns的输出延迟 图5 39VoL测试电路 创建测试电路 如图5 39所示 启动仿真后 测试结果为VoL 0V 小于标准低电平0 4V 2 测试输出低电平VoL 图5 40VoL测试结果 图5 41测试Iis电路 图5 42万用表显示窗口 创建电路如图5 41所示 启动仿真后 万用表读数显示如图5 42所示 其值为0 即Iis 0A 由于仿真误差 因此Iis的实际值不可能为0 远小于规定的1 6mA 3 测试输入短路电流Iis 图5 43测试扇出系数 创建电路如图5 43所示 启动仿真后 毫安表显示最大允许负载电流IOL 5 545mA 而前面测试得到Iis的值为0 可见No IOL Iis的值大于8 4 测试扇出系数No 测得最大允许负载电流IOL 5 545mA 图5 44半加器电路 例5 13如图5 44所示 是一个74LS00D构成的半加器 分析其功能 信号发生器XFG3 设定方波频率为20Hz 幅值为5V 信号发生器XFG1 设定方波频率为10Hz 幅值为5V 节点7输出其本位和 节点4输出其进位 表达式为 电路中使用两个指示灯和两个三极管分别构成的两个基本放大电路 作为电平指示电路 修改参数 电路分析 表5 4电平指示器件闪亮情况表 检查电路无误后 启动仿真 观察并记录电平显示情况如表5 4所示 仿真分析 图5 45A B S C点波形图 可以在示波器看到如图所示的A点 B点 S点和C点的波形 输入A 输入B 和S 进位C 计数器电路仿真分析举例 5 22555定时器应用电路 555定时器是一种集成电路 因集成电路内部含有三个5k 电阻而得名 利用555定时器可以构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器等 1 电路组成 分压器 比较器 RS触发器 输出缓冲 晶体管开关 555定时器 2 基本功能 0 UOL 饱和 2VCC 3 111 UOL VCC 3 饱和 2VCC 3 VCC 3 不变 不变 2VCC 3 VCC 3 UOH 截止 0 1 1 0 3 555定时器的外引脚 双极型 TTL 电源 4 5 16V 单极型 CMOS 电源 3 18V带负载能力强 图5 46单稳态触发电路 例5 14分析如图5 46所示的单稳态触发电路 确定其周期 单稳态触发电路 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 截止 假设 接通电源时 触发器处于0状态 且Utr为高电平 假设 接通电源时 触发器处于1状态 且Utr为高电平 稳定状态 为暂态 单稳态触发电路 0 1 1 0 1 1 0 0 截止 当电路处于0状态 即稳态 时 稳定状态 进入暂态 Utr为低电平触发 1 此时Utr已为高电平 1 0 1 0 0 回到稳定状态 可用示波器查看其输出波形 也可利用瞬态分析 分析其波形变化 仿真分析 信号发生器设定正弦波频率为100Hz 幅值为10V 瞬态分析设置起止时间为0s和0 05s 选定测试节点为3 4 其他选项采用默认 图5 47例5 14瞬态分析窗口 脉冲宽度Tw 5 5ms周期T 0 01s 触发信号的电压值大于约为3 3958V时 输出处于稳定状态 触发信号的电压值小于约为3 0612V时 输出处于暂稳态 单稳态触发电路还可以用于不规则的输入信号的整形 使其成为幅值和宽度都相同的标准矩形脉冲 脉冲的幅值取决于单稳态电路输出的高 低电平 宽度Tw决定于暂稳态时间 通过该例的分析 可以确定脉冲宽度由R1和C2决定 因此可以通过调整R1 输出不同占空比的脉冲 即将电阻R1置换为可变电阻器 这样该电路就成为了一个可调占空比的单稳态触发电路 注意 输入触发信号的脉冲宽度 Ui为低电平的时间 应小于输出脉冲的宽度 为高电平的时间 图5 46多谐振荡器 例5 15分析如图所示的多谐振荡器 多谐振荡器工作原理 0 1 0 0 1 1 截止 接通电源前 电容C2上无电荷 Uc 0 触发器处于1状态 起始状态 暂稳态I 多谐振荡器工作原理 0 1 0 0 1 1 饱和导通 接通电源后 随着电容C2充电 进入暂稳态II 1 0 1 1 0 0 当Uc 2Vcc 3 触发器自动翻转 多谐振荡器工作原理 0 截止 T饱和导通后 电容C2开始放电 Uc开始缓慢下降 回到了暂稳态I 1 0 1 1 0 0 当Uc Vcc 3时 触发器又自动翻转 0 0 1 1 0 1 可用示波器查看其输出波形 仿真分析 Uc T2 0 7 R1 R2 C 振荡周期 占空比 图5 48例5 15简易门铃电路 例5 16分析如图5 48所示是一个简易门铃电路 电容C3充电时间为 T1 0 7 R1 R2 R3 C电容放电时间为 T2 0 7 R1 R2 C电路振荡周期和频率为 T T1 T2 0 7 2R1 2R2 R3 Cf 1 43 2R1 2R2 R3 输出波形占空比q为q T1 T R1 R2 R3 2R1 2R2 R3 电路分析 该电路是一个利用555定时器构成的多谐波振荡器 它能在输出端产生矩形脉冲波 从而驱动蜂鸣器 理论计算 仿真分析 修改蜂鸣器属性 使其电压值Voltage为1V 按空格键打开开关 接通电路 蜂鸣器鸣叫 再按一次空格键 开关断开 蜂鸣器停止鸣叫 启动仿真 a 触发信号 b 输出信号 c 蜂鸣器输入信号 图5 49信号波形 示波器可得各信号波形 如图 5 3在通信电路中的应用 二极管桥型调幅电路 仿真结果 包络检波电路 仿真结果