代码收藏家技术教程 2024-09-27

Multisim电路综合设计实践指南

设计1 运放应用电路的设计

1、设计目的

理解运算放大器的原理，掌握运算放大器的应用与设计。

2、学习及训练内容

运算放大器是工程中的常用器件，利用运算放大器可以构建各种信号调理电路，实现信号的放大或数模转换功能，也可以实现各种微积分方程或线性方程。

自学教材第1.8节和第3.6节的内容，注意“虚短路”和“虚断路”规则的使用。
自学《电路实验与Multisim仿真设计》第5.4节和第5.5节。
理论分析图1~图6所示电路的功能是什么，并对分析结果进行仿真验证与分析。仿真时R1=1kΩ，R2=5kΩ，Rf=10kΩ，C=10μF，输入信号源可以使用直流、交流或方波，要注意运算放大器饱和的情况。

设计2 五级数模转换电路原理及设计方案

1. 数模转换器的工作原理

在实际设计电路时，经常要将数字信号转换为模拟信号输出。根据数字信号的位数不同，数模转换器有一级数模转换器，二级及以上数模转换器。仿真电路图5.4.2所示电路为-级数字模拟信号转换电路。其中，左端是由电阻和电压源组成的一级梯形电路。可知该梯形电路的等效电阻为10。当电压源us=IV时，此时相当于输入信号为二进制的数字量“1”，对应输出的模拟量为1V;如果当电压源us=OV时，相当于输入信号为二进制的数字量“0”，对应输出的模拟量为0V。第一个运算放大器为负反馈电路，其放大倍数为2。第二个运算放大器是反相器电路，其放大倍数为1,目的是使输出的模拟电压和实际数字信号表示的方向为同向。

图中输入信号为1V,对应的模拟输出量为1V，即1×20=1。

由此可推出若要设计五级数模转换器，则对应放大器的放大倍数需调整，并且要求五个信号为1V时，输出的模拟量为31V，即1×24＋1×23＋1×22＋1×21+1×20=31

2.仿真验证

根据实验原理图在仿真软件中连接好仿真图，如下图所示：

运行后通过电压表测得数据如下：

接着，当改变五个信号源为“10110”时，测出电压值是否与0×24+1×23+1×22+0×21+1×20=13相等。

由此可得，给该五级数模转化电路设计正确。

设计3 方波发生器

利用运放设计一个方波发生器，使其产生方波，设置方波频率为个人学号最后两位的10倍，并利用频率计测量其频

一．电路组成

滞回电压比较器，运算放大器，正反馈电阻R4。

R1,R2,C1组成具有延迟作用的反馈，Uc为反馈电压。

稳压管构成输出限幅电路，R3是集成运放的限流电阻。

二. 周期的确定

电容正向充电和反相放电的时间常数均为（R1+R2)C1,电压幅值也相等，所以输出方波信号。
方波周期

改变R1,R2,C1,或者R5/R4的值能达到调节方波的周期或频率的目的。

三. 实验原理电路图及输出波形

四. 仿真分析

根据实验原理图在仿真软件中连接好仿真图，其中由f0=600Hz,可以计算得出R5=38.8Ω，最后进行仿真验证，用频率计测出频率的纸与f0进行比较，总结实验结论。

图中可看出T=1.667ms，由f=1/T可知这与f0=600Hz相吻合。然后用频率计测得的频率如下图

设计4 阻抗匹配电路的设计

阻抗匹配问题是信号传输电路中经常遇到的问题，阻抗匹配的方法有很多种，本设计研究L型阻抗匹配电路的设计。图7和图8给出了两种基本的阻抗匹配问题。通过合理选择L与C的参数，能够使给定的含源电阻网络Ns（可以用戴维宁定理等效）与给定负载RL之间实现阻抗匹配，使负载RL上能够获得最大有功功率。请自选图7或图8，分析其阻抗匹配原理及参数选择依据。（本设计可能用到的知识：戴维宁定理、最大功率传输定理、串联谐振电路或并联谐振电路）。

图9和图10由含源电阻网络Ns、匹配网络N1或N2及负载电阻RL构成，请分别确定图9和图10中含源电阻网络Ns的戴维宁等效阻抗，并根据上述原理从图9或图10电路中任选1个电路进行阻抗匹配设计，确定网络N1或N2中的结构与参数，利用Multisim进行仿真验证与分析。

设计原理及设计方案

（1）选择图10，将其进行戴维宁等效，如下图：

求得Req=3000Ω,Uoc=Us/2。

因为Req＞RL,所以运用图7所示的匹配类型。

取Us为初相为0，幅值为Us=220V，频率为f=6000Hz。实验电路如下：

由最大功率传输定理可知，当电源外导纳与电源内导纳相等时，即RLC电路发生并联谐振时，总电路取得最小的总导纳，从而可使负载取得最大功率。通过实际计算求得理论值为

根据提出的设计方案和求得的L,C的值连接好仿真电路，运行。并且用功率表测负载电阻的功率，然后和理论值进行比较分析。仿真电路如下：

仿真的结果为1.007与理论值1.008相差非常小，几乎该误差可以忽略不记，引起该误差的原因可能有传输过程中有损耗，并非全部都是理想原件。该实验主要用到的就是最大功率传输定理以及电感电容串并联谐振有关的知识，把握好谐振条件，计算细心，就可以将这仿真实验做好。

设计5 信号的分解与合成设计

在电气、电子和通信等工程领域广泛存在非正弦周期电流电路，其中电流和电压是时间的非正弦周期函数。存在这类电路的原因一方面是认为设计，如通信中常常将有用的信号加载到载波上，以提高信号的传输能力；通过整流将交流变为脉动电流等。

工程上遇到的方波信号，可以采用谐波分析法将非正弦周期信号分解为一系列正弦周期信号的叠加，具体计算办法详见电路书中傅里叶函数分解部分，实施方法包含下列两种方案：方案1，可采用RLC串联谐振特性，设计选频电路实现方波信号的分解；方案2，设计无源RC级联滤波器、无源带通滤波器或者有源带通滤波器，实现信号的提取功能，具体可参考实验书目4.6和4.7节。各次谐波信号的合成可采用采样电阻或运算放大电路实现谐波的合成。

1.设计要求

（1）设计一种电路从给定方波信号分离出基波、三次谐波和五次谐波，其中给定方波信号的频率为学号后两位*100Hz，给出相应的仿真电路和仿真波形，图中能直观的看出三种谐波信号的周期；

（2）利用1中的三个谐波合成方波信号，并与1中给定方波信号进行比较，分析合成波形失真的原因。

2.设计原理及设计方案

（1）方波信号的分解

在仿真软件中，使用函数信号发生器输出与给定条件一致的方波信号。为了分别过滤出基波，三次波和五次波，可以利用电感与电容的串联谐振得到所需要的频率的信号，其他频率的信号使阻抗无穷大，相当于开路，无法通过，从而得到所需频率的信号。其中L,C的参数可通过谐振条件由已知频率f0=6000Hz确定，计算原理公式如下

wL=1/wC

w=2Πf

（2）方波信号的合成

反相加法电路中，运放的反相端为虚地，反馈回路的电流等于输入电流。如果输入电流由几个输入电压共同产生，那么反馈电流流过反馈电阻形成的输出电压就与几个输入电压之和成比例。如下图三个输入信号为例，分析如下：