模電課設(shè)二階帶通濾波器頻率特性仿真分析與彩燈電路自激多諧振蕩電路

1、1 課程設(shè)計(jì)的目的與作用 1.1總體方案的選擇 在方案的選擇：根據(jù)彩燈控制設(shè)計(jì)的情況，參考各方面的參考書，大多是運(yùn)用集成芯片控制.單片機(jī)控制和自激震蕩電路， 故提出以下三種電路：220V交流電壓彩燈電路集成芯片比較控制直流穩(wěn)壓電源方案一：選用集成芯片控制 圖1.1.1設(shè)計(jì)流程圖此構(gòu)思主要用芯片控制電路使的電路中的彩燈能夠閃爍。彩燈電路單片機(jī)控制電路直流穩(wěn)壓電源220V交流電壓方案二：選用單片片及控制 圖1.1.2設(shè)計(jì)流程圖 此構(gòu)思主要利用單片機(jī)對(duì)電路進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)電路的循環(huán)控制彩燈電路方案三：選用自激振蕩電路220V交流電壓自激多諧振蕩器直流穩(wěn)壓電源 圖1.1.3設(shè)計(jì)流程圖 運(yùn)用模電知識(shí)實(shí)現(xiàn)彩燈

2、效果1.2 課程設(shè)計(jì)的作用 綜合以上三種方案：方案一中運(yùn)用的是集成芯片對(duì)電路進(jìn)行控制，此種電路 不能在模擬仿真軟件上運(yùn)行，且實(shí)驗(yàn)室里不一定有現(xiàn)成的芯片，還不能徹底理解 電路的原理，故不選此方案。方案二運(yùn)用的是單片機(jī)控制電路，這種方案最常用， 但是要編程序做成芯片，但現(xiàn)在還沒學(xué)單片機(jī)，故不支持用此種做法。方案三運(yùn)用的是模擬電子的知識(shí)，所有原器件都能在實(shí)驗(yàn)室找到，結(jié)構(gòu)清晰，原理易懂。因此，最終確定的方案為方案三和各步驟的方案如下：1.運(yùn)用二極管組成單相橋式整流電路2.電容濾波電路。3.用三塊三極管搭成自激多諧振蕩器，達(dá)到交替導(dǎo)通和截止的目的4.彩燈電路。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及所用Multisim軟件環(huán)境介

3、紹2.1 Multisim軟件環(huán)境介紹 Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim 10 啟動(dòng)畫面圖工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖

4、捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。突出優(yōu)點(diǎn)：1. 通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路2. 通過交互式SPICE仿真, 迅

5、速了解電路行為 3. 借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征 4. 通過一個(gè)工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試5. 通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間2.2 Multisim軟件界面介紹 Multisim 10主界面。啟動(dòng)Multisim，就會(huì)看到其主界面，主要是由菜單欄、系統(tǒng)工具欄、設(shè)計(jì)工具欄、元件工具欄、儀器工具欄使用中元件列表、仿真開關(guān)、狀態(tài)欄以及電路圖編輯窗口等組成。如圖2.3.1所示。 圖2.2 .1 Multisim軟件編輯窗口Multisim 10提供了豐富的元器件。這些元器件按照不同的類型和種類分別存放在若干個(gè)分類庫中。這些元件包括現(xiàn)實(shí)元件和虛擬元件。數(shù)的典

6、型值確定。型參數(shù)是根據(jù)這種元件各種元件各種型號(hào)參數(shù)的典型值，而不是某一種特定型號(hào)的參數(shù)典型值確定。另外，Multisim 10元件庫中還提供一種3D虛擬元件，這種元件以三維的方式顯示，比較形象、直觀.。Multisim 10容許用戶根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)建新的元器件，存放在用戶元器件庫中。如圖2.1.2所示。Multisim 10提供了品種繁多、方便實(shí)用的虛擬儀器。比如數(shù)字萬用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器等17種虛擬儀器。點(diǎn)擊主界面中儀表欄的相應(yīng)的按鈕即可方便地取用所需的虛擬儀器如圖2.1.3所示。圖2.2.2 用戶元器件庫圖 圖2.2.3 虛擬儀器圖示Multisim 10提供了各種不同功能的分析工具。

7、點(diǎn)擊分析按鈕，即可拉出分析菜單，其中列出了Multisim 10的各種分析工具，例如直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析等。Multisim為用戶提供了豐富的元器件，并以開放的形式管理元器件，使得用戶能夠自己添加所需要的元器件，如圖2.3.4所示的界面。 圖2.2.4 元器件庫圖示2.3設(shè)計(jì)任務(wù)：二階帶通濾波器頻率特性仿真分析與彩燈電路 單相橋式整流電路當(dāng)電流電壓處于U2的正半周時(shí)變壓器的二次繞組的a端電壓高于b端電壓VD1,VD3,在正向電壓作用下導(dǎo)通，VD2,VD4在反向電壓下截止，電流從變壓器的二次繞組的a端發(fā)出，經(jīng)VD1, Rl, VD3,由b端返回構(gòu)成通路。有電流流過負(fù)載電阻Rl，輸出

8、電壓U0= U2。 電容濾波電路就是在負(fù)載兩端并聯(lián)一只電容組成。整流后的波形含有直流和交流兩種成分，題目中需要直流電，則必須把交流成分濾掉，電容器是一種儲(chǔ)能元件，具有吞吐能量的能力。電容器具有通交流.隔直流的特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分短路濾掉。 自激多諧振蕩電路由6只電阻、三只電容、三只二極管和三只三極管組成,R1=R2=R3=

9、51千歐姆,R4=R5=R6=51歐姆, C1=C2=C3=47微法；三只二極管的型號(hào)是1N4001,三只三極管型號(hào)為：2N222A。自激多諧振蕩電路主要由Q1Q3組成，他們組成三級(jí)共發(fā)射極電路放大器，由于電容C1C3的耦合作用而產(chǎn)生振蕩，電路振蕩后三極管Q1Q3均處于開關(guān)工作狀態(tài)，并在導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)之間進(jìn)行周期性翻轉(zhuǎn)。但在任何時(shí)刻總有一只三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，另兩只三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)若導(dǎo)通的那一路是Q3路，則 電容C3開始放電，電容C2開始充電達(dá)到能導(dǎo)通D2時(shí)，X5,X6就熄滅了，X3,X4 就閃爍了，以此類推，三路燈依次循環(huán)不停的閃爍。由于主控電路的三只三極管的開關(guān)狀態(tài)不斷翻轉(zhuǎn)，所

10、以三路彩燈X1X6也就依次點(diǎn)亮與熄滅。3 電路模型的建立3.1單相橋式整流電路 單相橋式整流電路，有電源變壓器T,整流二極管VD1,VD2,VD3,VD4，和負(fù)載Rl,組成， 與全波整流電路一樣，變壓器將電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)化成整流電路所需的交流電壓，設(shè)U2=1.414U2sinwt。 當(dāng)電流電壓處于U2的正半周時(shí)變壓器的二次繞組的a端電壓高于b端電壓VD1,VD3,在正向電壓作用下導(dǎo)通，VD2,VD4在反向電壓下截止，電流從變壓器的二次繞組的a端發(fā)出，經(jīng)VD1, Rl, VD3,由b端返回構(gòu)成通路。有電流流過負(fù)載電阻Rl，輸出電壓U0= U2。 當(dāng)電源電壓U2的負(fù)半周時(shí)，變壓器二次繞組的b端電位高

11、于a端電位，VD4, VD2,在正向電壓作用下導(dǎo)通，VD1, VD3,在反向電壓作用下截止，電流從變壓器二次繞組 的 b端出發(fā)，經(jīng)VD2, Rl,VD4回到a端。有電流通過負(fù)載Rl，輸出電壓U0= U2。 由此可見，在交流電壓U2的整個(gè)周期內(nèi)，整流器件在正，負(fù)半周期內(nèi)各導(dǎo)通一次，負(fù)載Rl始終有電流流過而且保持為同一方向，得到兩個(gè)半波電壓和電流。所以，橋式整流電路為電路整流再好不過了。 圖3.1單相橋式整流電路電路圖3.2濾波電路 電容濾波電路就是在負(fù)載兩端并聯(lián)一只電容組成。整流后的波形含有直流和交流兩種成分，題目中需要直流電，則必須把交流成分濾掉，電容器是一種儲(chǔ)能元件，具有吞吐能量的能力。電容

12、器具有通交流.隔直流的特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分特性，電容濾波電正是利用這一特性，利用電容充.放電方法，把整流后的交流成分短路濾掉。 在電源的正半周，二級(jí)管道通，一方面給負(fù)載Rl供電；另一方面對(duì)電容器C進(jìn)行充電。充電時(shí)間常數(shù)T1=2RdC,其中Rd為二極管的正向?qū)娮?，其值非常小，充電電壓Uc與上升的正弦電壓U2一致，U0=UcU2，當(dāng)Uc充電到U2的最大值1.414U2時(shí)，U2開始下降，且下降速率

13、加快。當(dāng)U2<Uc時(shí)，4個(gè)二極管均截止，電容C經(jīng)負(fù)載Rl放電，放電時(shí)間常數(shù)T2=RlC故放電較慢同理，在電源負(fù)半周，電路重復(fù)上述其過程。負(fù)載兩端的輸出電壓波形如下所示通過濾波前后對(duì)比，經(jīng)過電容濾波，把交流成分濾掉。電容濾波后，輸出電壓U0=(1.2-1.4)U2范圍，濾波電容是幾十微法的電解電容，耐壓值應(yīng)高于1.414U2。 圖3.2電容濾波電路和單相橋式整流電路的整合圖3.3二階帶通濾波器電路模型的建立在Multisim中構(gòu)建二階帶通濾波器電路模型，電路參數(shù)為=51k，=30k,=15k，=75k,=2200pF，VCC=15V,VEE=-15V,集成運(yùn)放采用741模型。由二階帶通濾波

14、器電路的工作原理及課程設(shè)計(jì)的基本要求，在Multisilm軟件中建立電路模型如圖3.3所示： 圖3.3二階帶通濾波器電路仿真模型圖3.4自激多諧振蕩電路 自激多諧振蕩電路由6只電阻、三只電容、三只二極管和三只三極管組成,R1=R2=R3=51千歐姆,R4=R5=R6=51歐姆, C1=C2=C3=47微法；三只二極管的型號(hào)是1N4001,三只三極管型號(hào)為：2N222A。自激多諧振蕩電路主要由Q1Q3組成，他們組成三級(jí)共發(fā)射極電路放大器，由于電容C1C3的耦合作用而產(chǎn)生振蕩，電路振蕩后三極管Q1Q3均處于開關(guān)工作狀態(tài)，并在導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)之間進(jìn)行周期性翻轉(zhuǎn)。但在任何時(shí)刻總有一只三極管處于導(dǎo)通狀

15、態(tài)，另兩只三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)若導(dǎo)通的那一路是Q3路，則 電容C3開始放電，電容C2開始充電達(dá)到能導(dǎo)通D2時(shí)，X5,X6就熄滅了，X3,X4 就閃爍了，以此類推，三路燈依次循環(huán)不停的閃爍。由于主控電路的三只三極管的開關(guān)狀態(tài)不斷翻轉(zhuǎn)，所以三路彩燈X1X6也就依次點(diǎn)亮與熄滅。 由自激多諧振蕩電路的工作原理及課程設(shè)計(jì)的基本要求，在Multisilm軟件中建立電路模型如圖3.4所示： 圖3.4自激多諧振蕩電路圖4 理論分析及計(jì)算4.1二階帶通濾波器帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而將此頻帶以外的信號(hào)阻斷。帶通濾波器經(jīng)常用于抗干擾設(shè)備中，以便于接收某一頻帶范圍內(nèi)的有效信號(hào)，而消除高

16、頻段和低頻段的干擾和噪聲。從原理上說，將一個(gè)通帶截止頻率為的低通濾波器與一個(gè)通帶截止頻率為的高通濾波器串聯(lián)起來，當(dāng)滿足條件時(shí)，即可構(gòu)成帶通濾波器。當(dāng)輸入信號(hào)通過電路時(shí)，低通濾波器將的高頻信號(hào)阻斷，而高通濾波器將的低頻信號(hào)阻斷，最后，只有頻率范圍在的信號(hào)才能通過電路，于是電路成為一個(gè)帶通濾波器，其通過頻帶等于-。根據(jù)以上原理組成的帶通濾波器的典型電路如圖4.1。圖4.1 帶通濾波器典型電路圖輸入端的電阻和電容組成低通電路，另一個(gè)電容和電阻組成高通電路，二者串聯(lián)起來接在集成運(yùn)放的同相輸入端。輸出端通過電阻引回一個(gè)反饋，當(dāng)=2，=時(shí)，可求得帶通濾波器的電壓放大倍數(shù)為式中其中，為中心頻率，為通帶電壓放

17、大倍數(shù)，為輸出電壓放大倍數(shù)，為品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)公式可估算出圖3.1所示電路的各項(xiàng)參數(shù)如下：=4.82kHz=4.67=2.47=1.894.2總電路圖 總電路圖是由單相橋式整流電路.電容濾波電路和自激多諧振蕩電路三組電路圖連接而成。 4.2.彩燈控制總電路圖原理：該電路由電容濾波電路.單相橋式整流電路和自激振蕩電路組成，市網(wǎng)電壓220V電壓加到電路上，經(jīng)VD2形成半波整流，給C1-C3充電，當(dāng)期電壓達(dá)到一 定時(shí)，VT1導(dǎo)通, 由于晶體管參數(shù)的差異合上電源后，例如晶體管VT1先導(dǎo)通，則其集電極中燈X1，X2發(fā)光，同時(shí)二極管V1導(dǎo)通,使VT2基極被鉗住而截至。C3充電時(shí)，VT3基極電壓升高至一定程度

18、時(shí)，VT3導(dǎo)通，X5,X6 發(fā)光，VT1導(dǎo)通后，電容C1通過V3，VT3放電，使VT1截止，而VT2又因電容C2的充電而導(dǎo)通。這樣也就使的電路中的的一個(gè)連接一個(gè)的發(fā)光.熄滅,使得電路具有流動(dòng)5 仿真結(jié)果分析5.1 二階帶通濾波器頻率特性Multisim仿真結(jié)果分析利用Multisim的交流分析功能分析二階帶通濾波器電路輸出信號(hào)（圖3.1 結(jié)點(diǎn)4）的頻率特性，調(diào)整頻率范圍為1KHz100KHz,結(jié)果如圖5.1所示：圖5.1 二階帶通濾波器頻率特性仿真結(jié)果分析：由圖可得，二階帶通濾波器的中心頻率=4.8kHz，通帶電壓放大倍數(shù)=4.7。與理論計(jì)算結(jié)果一致，說明仿真結(jié)果正確。5.2單相橋式整流利用M

19、ultisim仿真結(jié)果分析利用Multisim的交流分析功能分析單相橋式整流電路，有電源變壓器T,整流二極管VD1,VD2,VD3,VD4，和負(fù)載Rl,組成， 與全波整流電路一樣，變壓器將電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)化成整流電路所需的交流電壓，設(shè)U2=1.414U2sinwt。結(jié)果如圖5.2所示： 圖5.2電容濾波電路前后的電壓波形圖性。5.3 EDA軟件模擬仿真和實(shí)驗(yàn)室調(diào)試 1.按照上述總電路圖在multisim7連接電路。 2.改變電路中的參數(shù)對(duì)燈的閃爍頻率進(jìn)行改變。 3.利用抓圖記錄電路中每一路燈的閃爍情況。燈從右邊先亮及X5,X6閃爍 如下EDA調(diào)試電路圖5.3.1所示： 圖5.3.1 EDA調(diào)試電

20、路圖其次是中間的亮及X3,X4閃爍 如下EDA調(diào)試電路圖5.3.2所示 圖5.3.2 EDA調(diào)試電路圖最后是左邊的亮及X1，X2閃爍 如下EDA調(diào)試電路圖5.3.3所示 圖5.3.3 EDA調(diào)試電路圖 電路中三路燈按上述方式依次閃爍，只改變每路燈的功率就可以改變閃爍頻率。5.4實(shí)驗(yàn)室電路的調(diào)試 在實(shí)驗(yàn)室里按照總的實(shí)驗(yàn)電路圖連接電路如圖5.4.1 圖5.4.1理論實(shí)驗(yàn)電路圖但在實(shí)驗(yàn)室中沒有足夠的燈泡，只能將上圖中的燈泡全換成發(fā)光二極管，但這樣又使的每一路產(chǎn)生的電流過大，因此還要把輸入到單相橋式整流電路的電壓減至6V，實(shí)驗(yàn)室里也沒有變壓器T1，用的是信號(hào)發(fā)生器SG1648，直接輸出10V電壓給單相

21、橋式整流電路。 故實(shí)驗(yàn)室的電路圖5.4.2如下： 圖5.4.2實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)電路圖雖然實(shí)驗(yàn)室的條件還是比較簡(jiǎn)陋，但是經(jīng)過和老師的不懈努力最終三路燈開始了閃爍，雖然沒有仿真的理想，但是實(shí)現(xiàn)了彩燈的閃爍。6設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì)在這短短的幾天電子課程設(shè)計(jì)中，不僅僅讓我們動(dòng)了手動(dòng)了腦，更讓我們體會(huì)到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，使我又不得不承認(rèn)理論的重要，我們必須打好基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程中，讓我們體會(huì)到以前從來沒有過的動(dòng)手能力，以及新穎的思維方式，讓我從中獲益非淺。實(shí)驗(yàn)過程中，剛開始就參看電路指導(dǎo)書，畫出了許多電路圖，進(jìn)行了仿真，但是由于實(shí)驗(yàn)元件選擇的不恰當(dāng)，是的電燈不能依次閃爍但最后用萬用表才得以發(fā)現(xiàn)問題的所

22、在，并在老師的指導(dǎo)下，終于完成了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，雖然道路艱難，但我們卻也樂在其中，既鍛煉了動(dòng)手能力，有培養(yǎng)了動(dòng)腦能力，更加利于我們?cè)谏鐣?huì)上工作。雖說設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷的時(shí)間并不是很長(zhǎng)，但感覺每一天都十分的充實(shí)，我有的時(shí)候，老犯迷糊，總用腦子空想，到最后把思路往電腦上一實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)行。不通，這些也給我了啟發(fā)，光憑空想是不能夠解決任何問題的，從這次電子課程設(shè)計(jì)中，讓我深深的體會(huì)到這一點(diǎn)，與此同時(shí)，我也體會(huì)到了理論與實(shí)踐的差異性很大?？障氲睦碚摏]有實(shí)踐的支持是站不住腳的。在本次課程設(shè)計(jì)中，我首先加強(qiáng)了對(duì)二階帶通濾波器電路的學(xué)習(xí)，同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)其它相關(guān)理論知識(shí)的深入研究。課程設(shè)計(jì)中使用了Multisim仿真軟件，對(duì)二

23、階帶通濾波器進(jìn)行模擬仿真。使用Multisim仿真二階帶通濾波器電路，能夠很好學(xué)習(xí)帶通濾波器電路以及濾波器的相關(guān)工作原理，使電路的分析和數(shù)據(jù)的運(yùn)算都變得簡(jiǎn)單明了。通過Multisim對(duì)輸出信號(hào)頻率特性進(jìn)行交流分析，形象生動(dòng)，既加深了我對(duì)二階帶通濾波器電路的理解，同時(shí)又將所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行相關(guān)模擬，聯(lián)系實(shí)踐生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)今后工作有很大幫助。經(jīng)過了連續(xù)幾天的不懈努力,我終于完成了此次模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)剛開始的時(shí)候,由于理論知識(shí)匱乏,再加上對(duì)Multisim軟件一知半解,我遇到了可謂許多的困難。但是經(jīng)過老師同學(xué)的幫助，加上我自己的不斷學(xué)習(xí)，最后終于弄明白相關(guān)原理，熟悉軟件的基本操作。從剛開始對(duì)知識(shí)的一知半解到現(xiàn)在的深刻理解與熟練應(yīng)用,這些都是我在本次課程設(shè)計(jì)中的收獲。本次課程設(shè)計(jì)不僅僅讓我加深對(duì)帶通濾波器以及其它一些電路基本原理的理解，更重要的是培養(yǎng)了我們一種態(tài)度，一種解決問題的辦法。在工作學(xué)習(xí)中，我們要學(xué)會(huì)與他人合作，培養(yǎng)自己認(rèn)真，堅(jiān)持，謙遜的工作態(tài)度，遇到問題時(shí)，要仔細(xì)思考，不斷嘗試，不要懼怕失敗。堅(jiān)持到最后的人才會(huì)是最終取得成功的人。當(dāng)然，我也在