电子电路设计及仿真.pdf
信息与电气工程学院通信工程通信工程 CDIOCDIO 一级项目一级项目设计说明书设计说明书2014/2015 学年第二学期题目：电子电路设计及仿真电子电路设计及仿真班级组数：学生：学号：设计周数：14 周2015 年 5 月 31 日一、电源设计一、电源设计直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成，变压器把市电交流电压变成为直流电；经过滤波后，稳压器在把不稳定的直流电压变为稳定的直流电流输出。本设计主要采用单路输出直流稳压，构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将 220V 交流电变为稳定的直流电，并实现固定输出电压 5V。1.11.1 设计要求设计要求1输入：220V，50Hz；1输出：直流5V(1 组)1.21.2 设计过程设计过程1电网供电电压交流 220V有效值50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。2降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大即脉动大。3脉动大的直流电压须经过滤波、稳压电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。4滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供应负载 RL。1.直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图 1.1。T整流 工频交流脉动直流图直流稳压电源方框图滤波稳压 直流负载其中1 电源变压器是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变化由变压器的副边电压确定。2整流电路，利用二极管单向导电性，把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电。电路图如 1.2。图 1.2 整流电路图在 U2 的正半周内，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止；U2 的负半周内，D2、D4 导通，D1、D3 截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻 RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图所示3滤波电路整流电路输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要。因此，一搬在整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。电容滤波是最常见的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如图 1.4 所示。图 1.4 滤波电路滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容，本次我们选用 4700uF 的电容。电容滤波电路是利用电容的充放电原理到达滤波的作用.在脉动直流波形的上升段,电容 C 充电,由于充电时间常数很小,所以充电速度很快;在脉动直流波形下降段,电容 CCC 的反复充放电实现了滤波作用,使输出电压趋于平滑，得到工作波形如图 1.5 所示。图 1.5 电容滤波电路中二极管的电流和导通角4稳压电路虽然整流网电压波动时能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时输出电压也将随之波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻存在，负载变化时，内阻上电压将产生电压，于是输出电压也将随之产生相反变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。绘制电路图如图 1.6 所示。图 1.6 5V 稳压电源电路仿真注意，因为大容量电解电容由一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。如图所示，并入一个 100nF 的小电容来抵抗干扰。图 5V 稳压电源电路电路仿真稳定后得到图所示 5V 稳压源图 5V 稳压电源电路测试结果二、二、RCRC 振荡器的设计振荡器的设计设计要求设计要求文氏桥振荡器；输出：直流 1KHz设计过程设计过程2.2.1RC 正弦振荡器原理RC 串并联网络及其频率特性如图 2.1。图 RC 串并联网络及其频率特性RC 选频网络的传输函数为：令：R1=R2=RC1=C2=CRC 串并联选频网络具有选频作用，它的频率响应特性由明显的峰值。反馈网络的反馈系数为：令o=1/RC，则上式为由此可得 F 的幅频特性为F 的相频特性为由上式可得 RC 串并联正反馈网络的幅频特性和相频特性的表达式和相应曲线。由特性曲线图可知，当01/RC 时，正反馈系数|F|达最大值为 1/3，且反馈信号 Uf 与输入信号 U 同相位，即F0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振01/RC 为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率 fo 为当输入信号 Vi 的角频率低于0 时，反馈信号的相位超前，相位差F 为正值；而当输入信号的角频率高于0 时，反馈信号的相位滞后，相位差F 为负值。正是利用 RC 串并联网络这一选频特性，构成了 RC 桥式正弦波振荡电路。2.2.2RC 正弦振荡的电路组成1放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡的过程，是电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。2选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。3正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。4稳幅环节：也就是非线性环节，作用使输出信号幅值稳定。2.2.3 起振条件2.2.4RC 正弦波振荡电路原理图RC 正弦波振荡电路原理图 2.2。图 RC 正弦波振荡原理图根据原理图连接得到得到图所示正弦波振荡电路图。图 2.3 正弦波调整 R4 使输出波形为最大且失真最小的正弦波。假设电路不起振，说明振荡的振幅条件不满足，应适当加大 R4 的值；假设输出波形严重失真，说明 R4太大，应减小 R4 的值。当调出幅度最大且失真最小的正弦波后，可用示波器或频率计测出振荡器的频率。假设所测频率不满足设计要求，可根据所测频率的大小，判断出选频网络的元件值是偏大还是偏小，从而改变 R 或 C 的值，使振荡频率满足设计要求。电路指标测试电路指标测试经过电路调试后得到输出波形如图 2.4。三、滤波器的设计三、滤波器的设计对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率通过。3.13.1 设计要求设计要求设计无源和有源滤波器低通包括无源和有源：高通包括无源和有源：截至频率:低通 1KHz截至频率:高通 10MHz3.23.2 设计过程包括电路图设计过程包括电路图滤波器基本原理1滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率(通常是某个频带范围)的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制。2假设滤波电路仅由无源元件电阻、电容、电感组成，则称为无源滤波电路。假设滤波电路由无源元件和有源元件双极型管、单极型管、集成运放共同组成则称为有源滤波电路。无源滤波电路如图图无源滤波器(如图所示)的网络函数 H(j)，又称为传递函数。有源滤波电路如图图源滤波电路图 3.2 所示的有源滤波电路的通带放大倍数、截止频率和品质因数分别为3根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BEF)四种。我们把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率 f，称为截止频率或称转折频率。图中的 Aup为通带的电压放大倍数，f0为中心频率，fCL和 fCH分别为低端和高端截止频率。AupAup通带阻带阻带通带fCffCf阻带通带阻带通带阻带通带fCLfCHffCLfCHf图 3.3各种滤波器的理想幅频特性3.有源滤波器和无源滤波器的实验线路图如图。图 3.4 有源滤波器和无源滤波器的实验线路3.33.3 电路仿真电路仿真根据实验线路图连接电路，用图 3.5 无源低通滤波器图 3.6 无源高通通滤波器图 3.7 有源低通通滤波器图 3.8 有源高通通滤波器3.43.4 电路调试电路调试用波特测试仪测量滤波器，进行调试，改变电阻或电容使低通截至频率到达1kHz。高通截止频率到 10MHZ。3.53.5 电路指标测试电路指标测试经过调试电路指标到达要求，如图 3.9，图 3.10，图 3.11 和图 3.12。四、高频小信号谐振放大电路设计四、高频小信号谐振放大电路设计4.14.1 设计要求设计要求 4 谐振频率:1MHz4.24.2 设计过程设计过程4 电路连接如下4 计算：确定静态工作点：由于发射极电流为 0.15mA，则取：ICQIEQ=1.5mA由于所取三极管的为 150则：IBQ=IEQAURe 在 Vcc 未给出时取值一般为 12V,在 Vcc 已经给出时取，这里给出 Vcc 为 5V，则：URe=0.1Vcc=1V求电阻:求 RC(R3)和 RE(R4)：RC=URC/ICQ kRE=URE/IEQ k求电阻 R1 和 R2：由于 IR2IBQ,所以可以取 IR2IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ)mV则有:；R2=UR2/IR2=17 k；R1=UR1/IR1=33 k求电容：C1=10F;C2=10F;C3=10F由于谐振频率 f=1MHz，则根据公式：f=1/(2LC)，得到C3=500pF L=mHUs=1v，Vcc=5v，C1=10uF，C2=10uF，4.34.3 电路仿真电路仿真4.44.4 电路调试电路调试由于失真有些严重，经过调节，得到下列图4.54.5 电路指标测试电路指标测试五、高频谐振功率放大电路设计五、高频谐振功率放大电路设计5.15.1 设计要求设计要求 5 单调谐谐振频率:1MHz5.25.2 设计过程设计过程 5 电路连接如下：5 计算为使此高频功率谐振放大电路工作在丙类下，则：内阻取 1k，Rs=R2=1 k由于为放大电路，则取 Us=1v,频率 f=1MHz根据 f=1/2LC)=1MHz，则可大概取得 L=400pH C=625mF5.35.3 电路仿真电路仿真 5 将以上数据带入，得到下列图:5 测试如下：5.45.4 电路调试电路调试由于在数值上 L 应该大于 C，所以经过调试，得到下列图:5.55.5 电路指标测试电路指标测试六、六、LCLC 振荡电路设计振荡电路设计6.16.1 设计要求设计要求 6 振荡频率:1MHz6.26.2 设计过程设计过程 6 电路连接如下：6 计算确定静态工作点：由于发射极电流为 0.15mA，则取：ICQIEQ=1.5mA由于所取三极管的为 150则：IBQ=IEQAURe 在 Vcc 未给出时取值一般为 12V,在 Vcc 已经给出时取，这里给出 Vcc 为 5V，则：URe=0.1Vcc=1V求电阻:求 RC(R3)和 RE(R4)：RC=URC/ICQ kRE=URE/IEQ k求电阻 R1 和 R2：由于 IR2IBQ,所以可以取 IR2IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ)mV则有:；R2=UR2/IR2=17 k；R1=UR1/IR1=33 k求电容：C1=10F;C2=10F;C3=10F由于谐振频率 f=1MHz，则根据公式：f=1/2LC4C5/C4+C5)=1MHzC4C5 设 C4/C5=5则可大概取得 L=550nH C4=275nF C5=55nF6.36.3 电路仿真电路仿真 6 将数据修改，得到下列图6 测试如下：6.46.4 电路调试电路调试 6 由于电路有些失真，则需要调节参数，得到以下列图6.56.5 电路指标测试电路指标测试最终测得如下：七、参考文献七、参考文献1 权明富,齐佳音,舒华英.客户价值评价指标体系设计J.南开管理评论,2004,7(3):17-18
