電路分析專題研究部分題目輔導(dǎo)材料

1、2011電路分析專題研究部分題目輔導(dǎo)材料北京交通大學(xué)電工電子教學(xué)基地電路分析教學(xué)組2011-9目 錄一. 專題研討的目的二. 專題研討報告的寫作要求三. 專題研討部分參考題目1數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(dac)原理研究2模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（adc）原理研究3運用動態(tài)電路分析原理研究rc消除噪聲電路4 dc-dc電壓轉(zhuǎn)換電路原理研究 5 rc一階有源濾波電路研究6 rlc電路的動態(tài)和頻率特性綜合研究7互感和諧振電路應(yīng)用rfid原理研究一專題研討的目的電路分析課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，不僅有完整的理論體系，也有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。在許多實際工程問題中，電路分析的理論和方法都起著重要作用。事實上，電路分析課程中

2、的許多知識點設(shè)定、例題和習(xí)題均來自于工程實踐。了解電路分析方法如何應(yīng)用在實際問題的解決過程中，有助于理解電路課程的知識體系，加深對于所學(xué)理論和方法的理解。電路課程是一門實踐性很強(qiáng)的課程。電路分析的最終目的是為了解決實際電路問題，這需要將電路問題的建模、理論分析、實驗和計算機(jī)仿真方法綜合應(yīng)用。專題研討是對課后普通計算習(xí)題類型的補(bǔ)充，訓(xùn)練知識的綜合運用，嘗試將理論分析、軟件仿真和實驗方法結(jié)合起來，模擬工程問題解決的過程。電子信息領(lǐng)域是一個發(fā)展迅速、不斷創(chuàng)新的領(lǐng)域。電路分析的基礎(chǔ)理論和基本分析方法是經(jīng)典的，而電路理論的應(yīng)用領(lǐng)域是不斷變化更新的，為經(jīng)典的分析方法增加了新的應(yīng)用案例。通過專題研討題目可促

3、進(jìn)知識面的擴(kuò)展，了解更多有趣的新知識和新應(yīng)用。將課程的學(xué)習(xí)過程當(dāng)作培養(yǎng)能力的過程，專題研討就是一個好的載體。專題研討問題主要靠自主完成。一些實際問題需要用不同于課本上的方法解決，或者可能有多種解決方法，需要根據(jù)自己的理解去確定自己的方法；超出課上知識的內(nèi)容，需要通過查閱參考書、搜集互聯(lián)網(wǎng)上的資源來了解；而綜合運用理論計算、仿真驗證、程序設(shè)計等多種方法，更是發(fā)揮、展現(xiàn)自己能力的好機(jī)會。二專題研討報告的寫作要求項目問題的完成按小組進(jìn)行，每組選擇一個題目，完成一份報告。報告的內(nèi)容和格式要求如下。（1）報告標(biāo)題（2）作者姓名，班級，學(xué)號（3）對于題目的簡要描述（4）方案和電路原理的描述；理論分析和計算

4、，包括步驟、結(jié)果、討論 （5）仿真實驗方案設(shè)計，仿真電路，仿真結(jié)果。需要包括關(guān)鍵步驟的圖形，數(shù)據(jù)和波形。（6）發(fā)揮和擴(kuò)展（7）結(jié)論：對分析和仿真結(jié)果的歸納；結(jié)果的意義；設(shè)計的方案是否達(dá)到要求，進(jìn)一步改進(jìn)的方向等。（8）參考文獻(xiàn)：將那些在報告中直接引用的材料，以參考文獻(xiàn)的方式列在報告的最后（編號、作者，文章或書籍標(biāo)題，出版社或期刊號，時間），引用網(wǎng)絡(luò)上的資源要給出作者和網(wǎng)址。（9）心得和總結(jié)：題目完成過程中：u 那些知識來自于教材？那些知識來自于教材之外的？u 有哪些沒有預(yù)料到或沒有解決的問題？u 有什么收獲和體會？u 關(guān)于此項內(nèi)容，你有什么意見和建議？三專題研討部分參考題目1. 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換

5、器（dac）原理研究dac的作用是將計算機(jī)或控制器產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成與之成比例的模擬電壓。利用等效方法和疊加原理可以分析dac電路的工作原理。圖1-1可作為研究da轉(zhuǎn)換電路的模型，其中開關(guān)20，21，22分別與三位二進(jìn)制數(shù)相對應(yīng)。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)為“1”時開關(guān)接入相應(yīng)電壓vs，為“0”時開關(guān)接地。設(shè)vs=12v，完成下列2項分析和設(shè)計。（1） 列出從000到111所有數(shù)字信號對應(yīng)的模擬電壓。（2） 若每隔1us可以給出一個數(shù)字信號，試給出一種產(chǎn)生周期為16us，幅度為7v的鋸齒波和三角波和方波的數(shù)字信號方案（僅給出一個波形周期的數(shù)字信號即可）。用ewb軟件仿真你的設(shè)計方案。圖1-1（3）查閱da

6、c0832芯片手冊，分析其倒置r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)（圖1-2）進(jìn)行dac轉(zhuǎn)換原理。當(dāng)其輸出接電流電壓轉(zhuǎn)換運放如圖1-3時，推導(dǎo)其輸出電壓。圖1-2圖1-3（4）擴(kuò)展：設(shè)計一個數(shù)字控制增益的電壓放大器，v0=nkvi，其中n=0-15，k=2, vi的變化范圍是+/-5v。用ewb仿真設(shè)計結(jié)果。2. 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（adc）原理研究adc：將連續(xù)變化的電壓轉(zhuǎn)換成與電壓值成比例的二進(jìn)制數(shù)字。利用等效方法和疊加原理可以分析adc電路的原理。圖2-1可作為研究adc轉(zhuǎn)換電路的簡化模型，電路采用逐次比較的方法找到與輸入電壓vi對應(yīng)的3位二進(jìn)制數(shù)字d2d1d0 。圖中開關(guān)22，21，20分別與三位二進(jìn)制數(shù)

7、d2d1d0相對應(yīng)。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)di為“1”時開關(guān)接入相應(yīng)電壓vs，為“0”時，開關(guān)接地。設(shè)vs=12v。其中vin為輸入模擬信號，并將其接到比較器的負(fù)輸入端，比較器的正輸入端接ad轉(zhuǎn)換電路的輸出端。比較器的作用是：當(dāng)正輸入端電壓大于負(fù)輸入端電壓時（vd0）輸出電壓v0為高電壓（例如+5v），反之（vd0）, v0為低電壓（例如-5v或0）。設(shè)定使比較器輸出為負(fù)的最大ad輸出電壓所對應(yīng)的數(shù)字信號作為ad轉(zhuǎn)換的結(jié)果。（1） 設(shè)計一種找到模擬信號vin對應(yīng)的數(shù)字信號的方案。（2） 給出找到模擬信號vin分別為0.5v、3.5v、6.5v所對應(yīng)的數(shù)字信號的過程。（3） 若三個開關(guān)可同時動作，且允許每隔

8、1us動作一次。給出找到vin=0.5v、3.5v、6.5v對應(yīng)的數(shù)字信號所需要的時間。圖2-13. 運用動態(tài)電路分析原理，研究rc消除噪聲電路設(shè)圖3-1（a）中的vin為信號源，圖3-1（b）為該信號源正常情況下的波形。若輸入信號受到干擾，假設(shè)干擾噪聲的幅度與信號幅度大小相同，只是持續(xù)時間不同，干擾噪聲疊加到正常信號上的波形如圖3-1（c）所示。噪聲持續(xù)時間很短，被稱為“毛刺”。毛刺會影響后級電路的工作。比如第1個毛刺，可能導(dǎo)致將本來是低電平的正常信號誤認(rèn)為高電平，而第2個毛刺可能導(dǎo)致將本來是高電平的信號誤認(rèn)為低電平。圖3-1（a）所示的rc電路可以在一定程度上降低毛刺的影響，但是也會影響正

9、常信號的波形。假設(shè)信號周期為t=200ns，噪聲持續(xù)時間為1ns。為了簡化分析，假設(shè)噪聲出現(xiàn)在半周期的正中間的ns位置。為了保證后續(xù)電路正確識別信號電壓，要求當(dāng)正常信號從0v上升到5v后，輸出電壓必須在50ns內(nèi)上升到，而當(dāng)正常信號從5v下降到0v后，輸出電壓必須在50ns內(nèi)下降到，同時，還要求當(dāng)出現(xiàn)如圖3-1（c）所示的毛刺時，輸出電壓必須將其幅度限制在0.3v以下。要求做如下研究：（1）若已選定電阻r為100，試分析電容c的取值范圍；（2）若選定c為0.18nf，試分析當(dāng)受干擾信號為如圖（c）所示波形時的輸出波形；（3）用仿真軟件記錄各相關(guān)波形。圖3-14. dc-dc電壓轉(zhuǎn)換電路原理研究

10、在各種電子設(shè)備中，經(jīng)常需要將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換到電路所需要的直流電壓，同時，將不穩(wěn)定的直流電壓變成穩(wěn)定的電壓，這種電路稱為dc-dc電源電路。電路通常用電子開關(guān)器件和起儲能和平滑作用的電感和電容構(gòu)成。用動態(tài)電路分析方法可以解釋這種電路的工作原理。圖4-1是降壓轉(zhuǎn)換器的原理電路，圖4-2是升壓轉(zhuǎn)換器的原理電路。電路中兩個開關(guān)周期交替閉合，由電壓vsw控制（圖4-3）。在一個周期開始的0- t1期間，s1閉合，s2斷開如圖4-1(a)和圖4-2(a)；在t1-t期間，s1斷開s2閉合, 如圖4-1(b)和圖4-2(b)。圖4-1 降壓轉(zhuǎn)換器圖4-2 升壓轉(zhuǎn)換器圖4-3 開關(guān)動作的控制電壓（1）當(dāng)開

11、關(guān)周期動作重復(fù)多次后，電路中電壓電流變成周期性波形。用動態(tài)分析方法求出電感電流一個周期的波形。計算時可假定輸出電壓v0近似為常數(shù)。 （2）求出兩個電路中輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。圖4-3電壓波形中，脈沖寬度t1與周期t的比值d =t1/ t稱為脈沖波形的占空比。證明改變占空比d可以調(diào)整輸出電壓的高低。（3）在ewb中，用電壓控制開關(guān)構(gòu)建dc-dc電路的仿真電路。用20khz的脈沖波形控制開關(guān)的切換，驗證理論分析結(jié)果。（4）擴(kuò)展：將電路中的開關(guān)s2用二極管代替，在圖4-1中，正極在下方；在圖4-2中，正極在左側(cè)。假設(shè)二極管加正向電壓時導(dǎo)通，電阻為0；加反向電壓時斷開，電阻無窮大。重復(fù)上面的理論分

12、析，并進(jìn)行ewb仿真。5. rc一階濾波電路研究圖5-1中的，。（1） 運用仿真軟件畫出的波形。（2） 求輸出電壓表達(dá)式。 （3） 運用仿真軟件畫出，并說明該電路的功能。（4） 若做實驗時，錯將r1與c1的位置對調(diào)，求輸出電壓表達(dá)式，并用仿真軟件畫出。（5） 若設(shè)計時，將r1的錯算為，求輸出電壓表達(dá)式，并用仿真軟件畫出。（6） 若設(shè)計時，將c1的錯算為，求輸出電壓表達(dá)式，并用仿真軟件畫出。（7） 令r1電阻左端節(jié)點電壓為vi，運用正弦穩(wěn)態(tài)分析方法，找出輸出電壓與輸入信號之間的關(guān)系，分析這種關(guān)系如何受信號頻率的影響，解釋上面各種情形下電路中的現(xiàn)象，得出結(jié)論。圖5-16. 二階rlc電路的動態(tài)特性

13、和頻率特性綜合研究圖6-1所示二階rlc串聯(lián)電路，當(dāng)外加正弦電壓源的為某一個頻率時，端口阻抗呈現(xiàn)為純電阻性，稱電路對外加信號頻率諧振。諧振角頻率為。圖6-1（1）以輸入電壓為參考相量，寫出諧振時各電壓的幅度和相位。用仿真軟件測量諧振時各電壓有效值。改變電阻值分別為時，仿真測量各電壓有效值有什么變化？（2）諧振時，電感或電容上的電壓有效值與電阻有效值的比值等于q稱為電路的品質(zhì)因數(shù)，又稱為q值。q值有明顯的物理意義，它反映了電路在諧振時存儲能量與消耗能量的比值。試證明諧振電路q值的一般定義（3）分析電路q值對電路動態(tài)響應(yīng)中固有響應(yīng)形式的影響，并用ewb軟件仿真驗證。（4）正弦穩(wěn)態(tài)電路的頻率特性用輸

14、出相量與輸入相量的比值來表示，稱為網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。例如，對圖中電阻電壓輸出，可以寫出電壓比當(dāng)信號頻率變化時，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的幅度和相位隨之變化，分別稱為電路的幅度頻率特性和相位頻率特性。用ewb軟件仿真得到頻率特性曲線，說明該特性的類型和信號處理作用。對于電阻值分別為時，曲線有什么變化？物理意義是什么？ （5）在幅度頻率特性曲線中，幅度下降為最大值的倍對應(yīng)的兩個頻率之間的頻率差稱為通帶寬度。對于上述不同的電阻取值，在仿真結(jié)果中尋找q值、和的關(guān)系，解釋q值如何影響曲線。（6）設(shè)輸入電壓中有兩個頻率成分 f1=10khz和f2=20khz，有效值均為1v，在上述給定電路中：(a) 要求輸出電壓中f2 頻率成分

15、有效值小于0.1v ，則r的最大值是多少？（提示：將用，和q表示出來）。(b) 若要求輸出電壓中f1成分被抑制掉，應(yīng)該如何獲取輸出電壓？(c) 用ewb仿真方法觀測輸出波形，驗證分析結(jié)果。（7）對上述分析和仿真結(jié)果給出簡要歸納和結(jié)論。7. 互感和諧振電路應(yīng)用rfid原理研究用非接觸方法進(jìn)行身份識別的技術(shù)稱為射頻識別技術(shù)（rfid-radio frequency identification），廣泛用于電子門禁、身份識別、貨物識別、動物識別、電子車票等場合。rfid系統(tǒng)由計算機(jī)、讀寫器和應(yīng)答器以及耦合器組成。應(yīng)答器存放被識別物體的有關(guān)信息，放置在要識別的移動物體上。耦合器可以是天線或線圈。近距離

16、的射頻識別系統(tǒng)采用耦合線圈。圖7-1所示為為互感耦合rfid系統(tǒng)電路接口的等效電路?；ジ械某跫壊糠诌B接信息讀寫器，它發(fā)出高頻信號，在初級電感l(wèi)1（發(fā)送線圈）上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。次級電路是應(yīng)答器的接收等效電路，l2是應(yīng)答器的接收線圈。當(dāng)應(yīng)答器靠近讀寫器時，線圈之間發(fā)生互感，應(yīng)答器從接收線圈上獲得微弱能量（這部分電路沒有畫出）控制電子開關(guān)s動作發(fā)出特定的id信息。圖7-1電路初級和次級均諧振于vs的頻率=125khz。當(dāng)開關(guān)s閉合時，次級回路失諧，影響到初級回路也失諧。初級回路諧振時，電容c1上有高電壓；失諧時，電容電壓vc顯著下降。當(dāng)開關(guān)s受到控制信號電壓的變化而閉合或斷開時，vc幅度跟著變化。因此，次級負(fù)載變化引起初級電容電壓幅度被調(diào)制，稱為負(fù)載調(diào)制，由此實現(xiàn)信號從次級到初級的傳遞。讀寫器檢測電容c1上電壓幅度變化得到應(yīng)答器的id信息。讀寫器檢測電容c1上電壓幅度變化得到應(yīng)答器的id信息。(1) 給定電路參