1、信息與電氣工程學院通信工程CDIO級項目(2014/2015學年第二學期)電子電路設計及仿真班級組數： 學生姓名號:設計周數：142015年5月31日、電源設計直流穩壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩壓電路所組成，變壓器 把市電交流電壓變成為直流電；經過濾波后，穩壓器在把不穩定的直流電壓變為 穩定的直流電流輸出。本設計主要采用單路輸出直流穩壓，構成集成穩壓電路， 通過變壓，整流，濾波，穩壓過程將 220V交流電變為穩定的直流電，并實現固 定輸出電壓5V。1.1設計要求1.1.1 輸入：220V, 50Hz;1.1.2 輸出：直流 5V(1組)1.2設計過程1.2.1直流穩壓電源設計思路(

2、1) 電網供電電壓交流220V(有效值)50Hz,要獲得低壓直流輸出，首先必須 采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要交流電壓。(2) 降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大(即 脈動大)。(3) 脈動大的直流電壓須經過濾波、穩壓電路變成平滑，脈動小的直流電，即 將交流成分濾掉，保留其直流成分。(4) 濾波后的直流電壓，再通過穩壓電路穩壓，便可得到基本不受外界影響的 穩定直流電壓輸出，供給負載RL。1.2.2直流穩壓電源原理1.1 O脈動直流直流圖1.1直流穩壓電源方框圖負 載直流穩壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝 置，它需要變壓、整流、濾波、

3、穩壓四個環節才能完成，見圖工頻交流其中(1) 電源變壓器是降壓變壓器，它將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流 電壓，并送給整流電路，變壓器的變化由變壓器的副邊電壓確定。(2) 整流電路，利用二極管單向導電性，把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直 流電。電路圖如1.2 0圖1.2整流電路圖在U2的正半周內，二極管 D1、D3導通，D2 D4截止；U2的負半周內，D2、D4導通，D1、D3截止。正負半周內部都有電流流過的負載電阻RL且方向是一致的。電路的輸出波形如圖1.3所示圖1.3輸出波形圖(3) 濾波電路整流電路輸出電壓雖然是單一方向的， 但是含有較大的交流成分，不能適應 大多數電子電路

4、及設備的需要。因此，一搬在整流后，還需利用濾波電路將脈動 的直流電壓變為平滑的直流電壓。電容濾波是最常見的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯一個電容即構成電 容濾波電路，如圖1.4所示。圖1.4濾波電路濾波電容容量較大，因而一般均采用電解電容，本次我們選用4700uF的電容。電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用.在脈動直流波形的上升段，電容C充電，由于充電時間常數很小，所以充電速度很快；在脈動直流波 形下降段,電容C放電，由于放電時間常數很大,所以放電速度很慢.在C還沒有完 全放電時再次開始進行充電.這樣通過電容C的反復充放電實現了濾波作用，使 輸出電壓趨于平滑，得到工作波形如圖 1

5、.5所示。圖1.5電容濾波電路中二極管的電流和導通角(4)穩壓電路雖然整流網電壓波動時能將正弦交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但 是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網電壓波動時輸出電壓也將隨之波動；另一方面，由于整流濾波電路內阻存在，負載 變化時，內阻上電壓將產生電壓，于是輸出電壓也將隨之產生相反變化。為了獲得穩定性好的直流電壓，必須采用穩壓措施。1.3電路仿真繪制電路圖如圖1.6所示。圖1.6 5V穩壓電源電路仿真1.4 電路調試 注意，因為大容量電解電容由一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩， 形成高頻干擾，所以穩壓器的輸出端常并入瓷介質小容量電容用來抵

6、消電感效 應，抑制高頻干擾。如圖1.7所示，并入一個100nF的小電容來抵制干擾。圖 1.7 5V 穩壓電源電路1.5 電路指標測試電路仿真穩定后得到圖1.8 所示 5V 穩壓源圖 1.8 5V 穩壓電源電路測試結果二、RC振蕩器的設計2.1 設計要求2.1.1 文氏橋振蕩器；2.1.2 輸出:直流 1KHz2.2 設計過程2.2.1RC 正弦振蕩器原理RC串并聯網絡及其頻率特性如圖2.1 0圖 2.1RC 串并聯網絡及其頻率特性RC選頻網絡的傳輸函數為:令: R1=R2=RC1= C2=CRC串并聯選頻網絡具有選頻作用，它的頻率響應特性由明顯的峰值。反饋網絡的反饋系數為:令3 o=1/RC,

7、則上式為由此可得 F 的幅頻特性為F的相頻特性為由上式可得RC串并聯正反饋網絡的幅頻特性和相頻特性的表達式和相應曲線如上圖 2.2 。由特性曲線圖可知，當3 = 30= 1/RC時，正反饋系數|F|達最大值為1/3，且反饋信號Uf與輸入信號U同相位，即© F= 0,滿足振蕩條件中的相位平衡條件，此時電路產生諧振3 = 30= 1/RC為振蕩電路的輸出正弦波的角頻率,諧振頻率 fo 為當輸入信號Vi的角頻率低于3 0時，反饋信號的相位超前，相位差©F為正值；而當輸入信號的角頻率高于30時，反饋信號的相位滯后，相位差©F 為負值。正是利用RC串并聯網絡這一選頻特性，構

8、成了 RC橋式正弦波振蕩電路。222RC正弦振蕩的電路組成(1) 放大電路：保證電路能夠從起振到動態平衡的過程，是電路獲得一定幅值的輸出量，實現能量的控制。(2) 選頻網絡：確定電路的振蕩頻率，是電路產生單一頻率的振蕩，即保證電路產生正弦波振蕩。(3) 正反饋網絡：引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于反饋信號。(4) 穩幅環節：也就是非線性環節，作用使輸出信號幅值穩定。2.2.3起振條件為了滿足起振的幅值條fr|AF|>b己經知道當口。時，|F7/3,由此可以求得振蕩電路的起振條件為|A|>3C放大倍數A應略大于3)根據同相比例運算電路輸出電壓與輸入電壓之間的比例系數為|A|司+比

9、R，為了達到|A|=l+fe/R' >3負反饋支路的參數應滿足關系Rf > 2R*2.2.4RC正弦波振蕩電路原理圖RC正弦波振蕩電路原理圖2.2 。圖2.2 RC正弦波振蕩原理圖2.3電路仿真根據原理圖連接得到得到圖2.3所示正弦波振蕩電路圖。圖2.3正弦波2.4電路調試調整R4使輸出波形為最大且失真最小的正弦波。若電路不起振，說明振蕩 的振幅條件不滿足，應適當加大 R4的值；若輸出波形嚴重失真，說明 R4太大,應減小R4的值。當調出幅度最大且失真最小的正弦波后，可用示波器或頻率計 測出振蕩器的頻率。若所測頻率不滿足設計要求，可根據所測頻率的大小，判斷出選頻網絡的元件值是

10、偏大還是偏小， 從而改變R或C的值，使振蕩頻率滿足設 計要求。2.5電路指標測試經過電路調試后得到輸出波形如圖 2.4。圖2.4RC振蕩電路輸出波形三、濾波器的設計對于信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路， 它的功能是使特定頻率范 圍內的信號通過，而阻止其他頻率通過。3.1設計要求設計無源和有源濾波器低通（包括無源和有源）： 高通（包括無源和有源）： 截至頻率：低通1KHZ截至頻率：高通10MHz3.2設計過程（包括電路圖）3.2.1濾波器基本原理（1）濾波器是對輸入信號的頻率具有選擇性的一個二端口網絡，它允許某些頻 率（通常是某個頻帶范圍）的信號通過，而其它頻率的信號受到衰減或抑制。（2）

11、若濾波電路僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，貝U稱為無源濾波電 路。若濾波電路由無源元件和有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）共同 組成則稱為有源濾波電路。無源濾波電路如圖3.1圖3無源濾波器（如圖3.1所示）的網 有源濾波電路如圖' 3.2.1無源濾波電路數 H（j。），又稱為傳遞函數。+圖3.2有源濾波電路圖3.2所示的有源濾波電路的通帶放大倍數、截止頻率和品質因數分別為（3）根據幅頻特性所表示的通過或阻止信號頻率范圍的不同，濾波器可分為低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）四種。 我們把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，把阻

12、止通過或衰減的信號頻率范圍定義為阻帶。而通帶與阻帶的分界點的頻率f,稱為截止頻率或稱轉折頻率。圖3.3中的Aup為通帶的電壓放大倍數，fo為中心頻率，fcL和fcH分別為低端和高端截止頻率。A upAp通帶阻帶阻帶通帶阻帶 通帶阻帶通帶阻帶通帶CLI CHCLf CH圖3.3各種濾波器的理想幅頻特性3.2.2濾波器實驗電路有源濾波器和無源濾波器的實驗線路圖如圖3.4。圖3.4有源濾波器和無源濾波器的實驗線路3.3電路仿真根據實驗線路圖連接電路，用Multisim仿真得到圖3.5，圖3.8圖3.6，圖3.7和p.5 無源低通濾波器 R2圖36-無源高通通濾波器- 、甬仏:；'tOIKQ

13、: 通濾波器r nuf)M圖.3.7眉源低通通濾波器用波特測試儀測量濾波器，進行調試，改變電阻或電容使低通截至頻率達到hh I Vh *11 卜 |dfrllll 卜 14I l«hl4PI4*l lirilllll«3.4電路調試S毗圖.3.8 .有源高通、tVrrns1kHz。高通截止頻率到10MHZ3.5 電路指標測試；：；：；/：；：；：；經過調試電路指標達到要求，如圖 3.9，圖3.10，圖3.11和圖3.12。圖3.9無源低通濾波器波特測試圖3.10無源高通濾波器波特測試 圖3.11有源低通濾波器波特測試圖3.12有源高通濾波器波特測試四、高頻小信號諧振放大電路

14、設計 4.1設計要求4.1.1 諧振頻率：1MHz4.2設計過程4.2.1電路連接如下4.2.2計算：確定靜態工作點：由于發射極電流為0.15mA則?。篒EQ=1.5mA ICQ IEQ=1.5mA由于所取三極管的為150則： IBQ=IEQ/150=0.01mAURe在 Vcc未給出時取值一般為12V,在Vcc已經給出時取O.IVcc，這里給出 Vcc 為 5V,貝URe=O.1Vcc=1VUCQ=O.5Vcc=2.5V, URC=O.5Vcc=2.5V求電阻:求 RC(R3和 RE(R4):RC=URC/ICQ1.7 kQ RE=URE/IEQ 0.7 kQ求電阻 R1 和 R2:由于 I

15、R2>>IBQ,所以可以取 IR2 IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ)UBEQ=0.7mV 貝有:UR2=UBEQ+URE=1；.7VR2=UR2/IR2=17 kQUR1=Vcc-UR2=3.3V； R1=UR1 /IR1=33 kQ求電容:C1=10卩 F; C2=10 卩 F; C3=10 卩 F 由于諧振頻率f=1MHz則根據公式：f=1/(2 nVLC),得到 C3=500pF L=0.05mHUs=1v， Vcc=5v， C1=10uF， C2=10uF，4.3 電路仿真4.4 電路調試由于失真有些嚴重，經過調節，得到下圖4.5 電路指標測試五

16、、高頻諧振功率放大電路設計5.1 設計要求5.1.1 單調諧諧振頻率 : 1MHz5.2 設計過程5.2.1 電路連接如下:5.2.2 計算為使此高頻功率諧振放大電路工作在丙類下，貝:VBB取 0.01v內阻取 1kQ， Rs=R2=1 kQ由于為放大電路，則取 Us=1v，頻率f=1MHz根據 f=1/ (2nVLC)=1MHz 則可大概取得 L=400pH C=0.0625mF5.3 電路仿真5.3.1 將以上數據帶入，得到下圖 :5.3.2 測試如下:5.4 電路調試由于在數值上L應該大于C,所以經過調試，得到下圖：5.5 電路指標測試六、LC振蕩電路設計6.1 設計要求6.1.1 振蕩

17、頻率 : 1MHz6.2 設計過程6.2.1 電路連接如下：6.2.2 計算 確定靜態工作點：由于發射極電流為0.15mA則?。篒EQ=1.5mAICQ IEQ=1.5mA由于所取三極管的為150則：IBQ=IEQ/150=0.01mAURe在 Vcc未給出時取值一般為12V,在Vcc已經給出時取O.IVcc，這里給出 Vcc 為 5V,貝URe=0.1Vcc=1VUCQ=0.5Vcc=2.5V,URC=0.5Vcc=2.5V求電阻:求 RC(R3和 RE(R4):RC=URC/IC® 1.7 kQRE=URE/IEQ 0.7 kQ求電阻 R1 和 R2：由于 IR2>>IBQ,所以可以取 IR2 IR1=Vcc/(R2+R1)=0.1mV(取 10IBQ)UBEQ=0.7mV 則有:UR2=UBEQ+URE=1；.7VR2=UR2/IR2=17 kQUR1=Vcc-UR2=3.3V； R1=UR1 /IR1=33kQ求電容：C1=