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基于Multisim仿真的模擬電子電路分析及設計(詳細教程)

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ID:411478 發表于 2018-10-20 14:09 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
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摘要
電子設計自動化(Electronic Design Auomation,以下簡稱 EDA)技術的應用極大 地改變了生產方式和教學模式。Multisim 與同類型軟件相比功能更強大、操作更加 簡單,已經成為目前國際上流行的 EDA 軟件工具之一。靈活的電子線路仿真研究 是 Multisim 的重要優點和特征,利用 Multisim 可以對電路進行理想情況的仿真研究。 在日常的模擬電子技術教學中配合 Multisim 軟件,學生可以建立以應用能力和創新 能力培養為目標的學習觀念。
本設計以 Multisim 為平臺,對教學中的重點電路進行仿真和重點知識分析,同 時通過理論教學來驗證軟件仿真結果的正確性,達到對所學知識的鞏固和思考。第1 章主要是對 Multisim 軟件的介紹。第 2 章主要完成對基本放大電路、有源濾波器、 電壓比較器、波形發生器和雙邊帶(Double Side Band,以下簡稱 DSB)解調以及 調制的仿真和分析。第 3 章主要完成一個可行的溫度測量電路的實現,用 Multisim 進行測溫電路的設計,用 Labview 制作一個簡單的虛擬儀器,利用此虛擬儀器觀看 測量結果。

摘要I  
Abstract II
第 1 章              緒論 1
11              論文的背景意義 1
12              Multisim 簡介 1
13              Multisim 特點 2
14              Multisim 與 Labview 的聯合 2
15              論文研究內容 3
第 2 章              Multisim 在電子技術中的應用 4
21              基本放大電路的仿真 4
211              單管共射放大電路 4
212              兩級放大電路 7
213              差分放大電路 8
214              負反饋放大器電路 12
22              濾波器電路特性分析 15
221              低通濾波器 15
222              二階有源低通濾波器 17
223              二階有源高通濾波器 18
224              二階有源帶通濾波器 20
23              電壓比較器 21
231              過零比較器 22
232              滯回比較器 22
24              波形發生器的仿真 23
241              RC 正弦波振蕩器 24
242              方波發生電路 25
243              占空比可調的矩形波發生電路。 26
244              三角波發生電路 27
245              鋸齒波發生電路 28
25              DSB 調制與解調分析 29
251              正弦波振蕩信號的產生 31
252              模擬乘法器 33
253              高頻小信號功率放大器 33
254              DSB 信號的解調 35
26              本章小結 35
第 3 章              溫度測量電路的設計 37
31              溫度測量器系統框圖 37
32              溫度測量電路原理與設計 37
321              熱敏電阻模型的建立 37
322              電橋電路原理 38
323              儀表放大電路 40
324              電壓跟隨器 43
325              比例運算放大電路 43
326              顯示模塊 44
327              制冷電路 48
328              數據遠程發射和接收模塊 49
33              總電路圖 52
34    本章小結
53 第 4 章  結論
第 1 章  緒論

1.1   背景意義

上世紀 90 年代,電子科學工作者和計算機科學工作者在設計方法和設計工具方 面取得了巨大的成功。以計算機為平臺的 EDA 技術,將應用電子技術、計算機技 術、信息處理技術的最新成果融合在一起[1]。用戶使用個人電腦即可進行電子產品 的自動化設計。EDA 技術的廣泛使用在很大程度上解決了電路設計的效率問題,去 除了多余的工作量,其在大中專院校的理論教學、科研,科技公司的產品設計與制 造等各方面的應用有著重要作用。


1.2 Multisim 簡介

1988 年,加拿大 IIT 公司推出了 EWB 套件,這是一款優秀的電子線路設計和仿 真的 EDA 套件。IIT 公司隨后推出了更高版本的 EWB 軟件。在 EWB6.0 時,將套 件名稱改為 Multisim,即 Multisim2001。2005 年,IIT 公司被美國 NI(National Instrument) 公司并購之后,在 2006 年推出了Multisim9.0,隨后在 2007 年推出了 Multisim10。 Multisim 軟件中許多關于電路設計和仿真分析的操作是在基本界面的電路工作 窗口中進行的。因此,了解基本界面上各種操作指令、工具欄、元器件庫欄及虛擬

儀器的功能和操作方法是學習 Multisim 的前提。 一、Multisim 的基本元素

圖 1-1 Multisim 的基本界面

Multisim 的基本界面如圖 1-1 所示的圖形界面。

從圖 1-1 可以看出,Multisim 的主窗口簡單明了,類似一個實驗臺。窗口正中央

且邊框帶有數字和字母的較大區域即為電路工作區,這是我們使用 Multisim 主要區 域,電路原理圖就是在工作區搭建,里面含有軟件自帶的電子元器件和各種虛擬儀 器。與 Word 等辦公軟件相似,工具欄和菜單欄位于工作窗口的上方。我們可以從 菜單欄中選擇所需的電路連接或者實驗所需的各種命令。工具欄含有常用的操作命 令按鈕。使用鼠標就可以方便地連接各種電子元器件。測試用的儀器儀表安放在側邊欄的儀器儀表欄存,用鼠標點擊需要的儀表就可以很方便地從元器件和儀器庫中 提取實驗所需的各種元器件及儀器。[2]

二、Multisim 的菜單欄
菜單欄包括 12 個菜單。分別為 File、Edit、View、Palace、MCU、Simulate、Transfer、

Tools、Reports、Options、Window 和 Help。 三、Multisim 的工具欄

Multisim 的系統工具欄包括:新建文件、打開文件、打開安裝路徑下的自帶實 例、保存當前文件、打印當前文件、查找、剪切、復制、粘貼、撤銷、恢復。

Multisim 的設計工具欄,使用它可打開關閉工程設計窗口、打開關閉電路圖數 據表、元器件數據庫管理、創建元器件、開始停止仿真分析、仿真分析選擇等。

Multisim 的器件庫工具欄,用于管理龐大的器件庫。
Multisim 的儀器庫工具欄可供用戶使用多種虛擬儀器。

1.3  Multisim 特點

2007 年推出的 Multisim10 的功能已經很強大了,基本能夠勝任常用電路的設計 和仿真工作:Multisim10 使用起來更加簡單、方便,對多頁設計文件的標記和管理 功能都做了進一步的提升。M1ultisim10 在模擬電路設計和仿真模塊,提升了 Spice 建模功能和 Spice 網表文件的可視化能力,使軟件本身具有更強的分析能力。增強 了的數據可視化功能和圖形化操作界面;元器件庫容量和質量的提升;更加便捷的 工程項目管理;更加人性化的 LabVIEW-Mulitisim 用戶界面。


1.4  Multisim 與 Labview 的聯合

National InstrumentsDAQ 數據采集卡和 Labview 為 Multisim 提供了圖形獲取、 分析工具、數據獲得、量度特性等。因此,現實世界中的模擬信號或是數字信號很 容易經過抽樣納入仿真軟件中進行分析。使用該方法使設計者能驅動仿真,諸如 VHDL 測試平臺,從傳感器獲取數據、測試點甚至數據和地址總線。[3]

若需要外部的實測信號作為測試電路的輸入信號,則所設計的 Labview 虛擬儀
器需要配合數據采集卡等硬件來完成數據采集功能。對于不同的輸入信號類型及不 同的數據采集設備,硬件電路的連接和軟件的配置都有所不同。通過 Multisim與
Labview 的交互,極大地提高了電子電路設計的效率,在實驗教學中得到了廣泛應用,是實驗教學的一個新發展方向。




1.5  論文研究內容

本文首先介紹了 EDA 軟件對于當代電子科學教學以及產品研發的重要性,并著 重介紹了國際上流行的 Multisim 軟件。只有掌握好Multisim 軟件的操作指令和常用 工具,才能很好的為我們在電子電路設計中提供服務。同時,我們要將在老師教學 中所學的模擬電子電路的知識與 Multisim 仿真結合起來,在實踐中學好理論,學好 理論后更好地指導實踐。最后,我們要進行綜合設計,實現具有某種特定功能的溫 度測量電路。

本文第 1 章完成對 Multisim 進行簡單的介紹,使我們對軟件有個大體的了解。 第 2 章主要仿真和分析各種常用的模擬電子電路(基本放大電路的仿真、有源濾波 器的仿真、波形發生器)和 DSB 調制解調電路。第 3 章則在前兩章的基礎上通過軟 件構建傳感器模型,并且結合基本電路理論而仿真設計了溫度測量器這一綜合系統。




第 2 章  Multisim 在電子技術中的應用

引言:學以致用是非常重要的,學習知識比較好的方法就是去實踐,在實 踐中鞏固知識,反思遺漏知識點,開拓思維。本章針對模擬電子技術基礎課中的基 本重要電路進行仿真,并在仿真中盡量多的展示 Multisim 的強大功能。

本章內容分為四部分,依次為基本放大電路的仿真、有源濾波器的仿真、波形
發生器和 DSB 調制解調電路。




2.1  基本放大電路的仿真

如今是集成電路全勝的時代,各種電子產品都依賴于集成芯片。本節將從單管 共射電路、多級放大電路、差分放大電路、負反饋放大電路仿真與分析入手,為后 面章節引出集成運算放大器。

2.1.1    單管共射放大電路

單管共射放大電路是放大電路的基礎,也是模擬電子技術課程的基礎部分。放 大電路必須要有合適的靜態工作點,在此基礎之上馱載著交流信號,實現無失真放 大;單管共射放大電路適用于低頻小信號。因此,即便是靜態工作點設置合適,如 果輸入信號幅值太大,也會造成輸出信號失真;衡量單管共射基本放大電路的主要 指標包括電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻。

圖 2-1 所示為典型的單管共射放大電路圖。偏置電阻 R1 ,R2 ,R6 組成分壓電路, 配合發射極電阻 R3 ,穩定了放大器的靜態工作點。
圖 2-1 單管共射放大電路
設置合適的靜態工作點后,在放大電路的輸入端接上信號Ui,放大器的輸出端 便輸出一個與Ui相位相反幅值被放大了的輸出信號U o,從而實現信號的放大。


1.靜態分析:當輸入信號 ui=0,確定靜態工作點,求解電路中有關的電流、電 壓值等。如圖 2-2,利用 Multisim 的 DC Operation Point 可分析放大電路的靜態工作
點。
圖 2-2 單管共射放大電路的靜態工作點分析

基極電壓 Vb=2.395V,集電極電壓 Vc=7.89V,發射機電壓 Ve=1.723V,則 Vce=6.17V,
發射機電流為 Ie=1.722mA。與上式結果相近。
2.求單管共射電路的電壓放大倍數 Au:按如圖 2-3 所示,選擇儀器儀表欄的電

5


壓表,將電壓表接在接在輸入端和輸出端。


圖 2-3 用電壓表測量電壓值

運行電路圖,并雙擊兩個電壓表,如圖 2-4 所示,左邊為輸入電壓的有效值,右邊 衛輸出電壓的有效值。



(a)輸入電壓值              (b)輸出電壓值 圖 2-4 輸入電壓和輸出電壓的平均值

由圖 2-4 所示可得出電壓放大倍數:


A ? 579.235 ? 81
u7.71

(2-8)


2.這個值與我們計算的相差較大,究其原因是我們認為UT ? 26mV ,并且以我們 計算的 Ie去計算 rbe。而實際上,UT不恒等于 26mV 且Ie的值并不等于我們計算的 結果。從這些不確定性來看,當我們使用分離元件的放大電路時,數值計算可以起

到一個參考作用,但若要得到準確的數值還需要通過仿真軟件來獲得,這樣更加可 靠。

3.以及輸入電阻 Ri和輸出電阻 Ro:我們利用 Multisim 的 Analysis 中的 Transfer
Function 功能,在 Analysis Parameter 中設定好參數,進行仿真,得到如圖 2-5 所示



結果。


圖 2-5 傳遞函數分析結果圖

從圖中可看出,輸出電阻為 4.6K ? ,輸入電阻為 2.3K ? 。這與我們的計算值比 較相近。

通過上述的對比,我們可以確定理論知識的正確性,并且熟悉了 Multisim 強大 的分析功能。以后分析電路需要具體的指標時,先考慮的就是使用仿真軟件。

2.1.2              兩級放大電路

在實際電路中,單管共射放大電路的放大能力有限,這時我們可以用兩個單管 共射放大電路組合成兩級放大電路來提高放大倍數,其衡量指標與單管放大電路相 同,輸入阻抗和輸出阻抗的計算方法與前一節相同。放大倍數就是將單個電路的放 大倍數相乘。本節內容以兩級放大電路為例重點探討系統的頻率響應這一重要特性。

在實際應用中,加入電子系統的信號,如語音信號、電視信號等都不是只有一 個頻率的正弦波信號。相反,大部分信號都是由多頻率分量合成的復雜信號,即具 有一定的頻譜。如音頻信號的頻率范圍為 20Hz~20KHz,由于放大電路中存在電抗元 件(如管子的極間電容,電路的負載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容), 使得放大器可能對不同頻率信號分量的放大倍數和相移不同[4]。

兩個單級放大電路間相連的方式成為耦合,實現兩個單機放大電路之間連接的 電路稱為耦合電路。耦合電路能夠保證各級有合適的靜態工作點,保證耦合電路的 接入不引起信號的失真,耦合電路上信號的損失盡可能小。下面分析的兩級放大電

路就是用耦合的方式構成的,電路圖如圖 2-6 所示電容耦合的兩級放大電路。




圖 2-6 兩級放大電路圖

常用波特儀開觀察系統的幅度譜和頻率譜,不過需要注意的是由于波特儀內部沒有 信號源,所以在使用時,必須在電路輸入端示意性地接一個交流信號源,但不需要 進行任何參數設定。如圖 2-7 所示分別為電路的幅度譜和頻率譜。


(a)幅度特性              (b)相位特性 圖 2-7 兩級放大電路的頻響特性

從圖中不僅可以得到通頻帶的范圍,更是可以精確的得到信號無失真傳輸的頻
率范圍。

2.1.3    差分放大電路

單級放大電路、與多級放大電路都存在一個問題,就是在工作時存在零點漂移 的現象,當零點漂移現象嚴重時,放大電路的性能就會受到嚴重的影響。差分放大 電路在解決這一問題上具有很大的優勢,因此很有必要了解差分放大電路。差分放 大電路如圖 2-8 所示。

通常情況下,兩個晶體管不可能做到完全對稱,這時我們在發射級加入調零電

位器 Rp ,通過調節 Rp 使得輸入信號Ui=0 時,雙端輸出電壓Uo =0。Re為兩管公用的 發射極電阻,它對差模信號無抑制作用,對于差模信號的放大不影響,但對共模信 號有較強的抑制作用,能夠大大減小零漂對電路的影響,穩定晶體管的靜態工作點。





圖 2-8 差分放大電路原理圖

1.              差分放大器的靜態工作點分析:
在設計時,選擇Q1、Q2 管的特性完全相同,相應的電阻也完全相同,調節電阻

R的位置置于 50%處,則當輸入電壓等于零時,U? U
,即U =0。如圖 2-9


圖 2-10 差動放大器靜態工作點
2.              差模電壓放大倍數和共模電壓放大倍數:
(1)差模電壓放大倍數
如差分放大電器的發射極電阻 RE足夠大,差模電壓放大倍數 A d只與輸出端的 方式有關,單端輸出時為雙端輸出的一半,而與輸入方式無關。
1)雙端輸出方式
RE= ? , Rp 在中心位置,則

雙入雙出方式差分放大電路如圖 2-11 所示
圖 2-11 雙入雙出方式差分放大電路
可根據顯示的輸入輸出波形幅值計算雙入雙出差分放大電路的差模放大倍數, 實驗結果與理論分析基本相符。
雙入單出方式差動放大電路如圖 2-12 所示:
圖 2-12 雙入單出方式差動放大電路
(2)共模電壓放大倍數倍數如圖 2-13 所示。
圖 2-13  共模電壓放大倍數的測量
由圖可見,共模電壓放大倍數基本為 0。
3  共模抑制比 CMRR
為了體現差分放大電路對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力,人們 制定了一個綜合指標,即共模抑制比。具體為:

2.1.4              負反饋放大器電路

電子電路系統的正常工作離不開負反饋機制,它是以犧牲放大器的部分放大能 力為代價,卻改善了放大器的許多性能指標,比如穩定放大倍數,改變輸入、輸出 電阻,減小非線性失真和拓寬通頻帶等。正因如此,任何形式的放大電路都具有負 反饋機制。

如圖 2-14 所示為帶有負反饋的兩級阻容耦合放大電路,在電路中通過 RfCf 把 輸出電壓Uo引回到輸入端,加在晶體管Q1 的發射極上,在電阻 Rf上形成反饋電壓 uf 。由負反饋判斷方法可知,此電路為電壓串聯負反饋電路。

圖 2-14 帶有負反饋的兩級阻容耦合放大電路



主要性能指標如下。
1.閉環電壓放大倍數

AuoRl ? ? 時基本放大器的電壓放大倍數。

5.引入負反饋對電路頻率失真的改善效果

設置信號源的頻率為 1KHz,當輸入電壓為 1V 時,在沒有引入負反饋時,輸出電 壓失真。如圖 2-15 藍色曲線為輸出電壓曲線,紅色曲線為輸入電壓曲線。

圖 2-15              無負反饋時輸出波形圖

然后將開關“Key=A”閉合,電路引入了電壓串聯負反饋。如圖 2-16 所示,為引入 負反饋后的輸出波形。

從圖 2-15 與圖 2-16 的比較可知,負反饋放大電路是以降低放大倍數來換取失真 的改善,負反饋電路對失真作用的改善效果明顯。





圖 2-16 有負反饋時輸出波形不失真

6.負反饋對頻帶的擴展

斷開開關,如圖 2-17 所示為未加入負反饋放大電路的幅頻特性。標尺指示的位 置參數為 39.156dB/134.416kHz。

圖 2-17 未加入負反饋時放大電路的幅頻特性
兩級阻容耦合放大電路引入負反饋后,放大電路的中頻放大倍數減小了,但是 上限頻率 f  提高到原來的(1 ? AF)倍,而下限頻率 f 降低到原來的(1 ? AF),所
Hu   uLu   u
以總的通頻帶得到了擴展。如圖 2-18 所示是加入負反饋時放大電路的幅頻特性,標
尺指示的位置參數為 23.118dB/1.027MHz。

通過仿真,從圖 2-17 和圖 2-18 可以看出波特圖儀的參數設置是基本一樣的,但 是兩級阻容耦合放大電路引入負反饋后通頻帶得到了擴展。




圖 2-18 引入了負反饋后的放大電路的幅頻特性

2.2              濾波器電路特性分析

前面所講述的電路各有優點,人們將這些電路合理地集成到一個芯片上,稱之 為運算放大器。運算放大器具有兩高一低的特點:高放大倍數、高輸入電阻和低輸 出電阻。集成運算放大電路最初用于各種模擬信號的運算(如比例、求和、求差、 積分、微分)上,故稱為運算放大器,簡稱集成運放。集成運放廣泛用于模擬信號 的處理和產生電路之中,因其高性能低價位,在大多數情況下,已經取代了分立元 件放大電路。

利用集成運算放大器和電容、電阻等可以構成濾波器。濾波器是一種能使有用 頻率信號通過,而將其余頻率的信號抑制或衰減的裝置。其在信號處理、抑制干擾 等方面發揮重要作用。傳統的濾波器主要由電阻、電容、電感(RCL)等無源 器件組成的濾波器稱為無源濾波器,而由 RC等無源器件再配合集成運放這個有 源器件組成的濾波器稱為有源濾波器。有源濾波器與無源濾波器相比沒有電感,因 此體積小、重量輕。此外,由于運算放大器具有高的電壓放大倍數和輸入阻抗,低 輸出阻抗,因此有源濾波器能夠提供一定的信號增益和帶負載能力,這是無源濾波 器所不能做到的。通常有源濾波器分為:低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、 帶阻濾波器。本文主要研究前三類有源濾波器。


2.2.1              低通濾波器

低通濾波器能夠通過低于一定頻率的信號,衰減掉高于一定頻的信號。如圖 2-19
所示為典型的一階有源低通濾波器。



圖 2-19 一階有源低通濾波器

由一階 RC 低通濾波器電路再加上一個電壓跟隨器組成。由于電壓跟隨器的輸 入阻抗很高,輸出阻抗很低,因此,可得出如下關系



利用交流分析(AC Analysis)可以分析一階有源低通濾波器電路的頻率特性。 如圖 2-20 所示為一階有源低通濾波器 AC Analysis 仿真分析結果。從圖 2-20 中,可
以看出低于信號的低頻率分量可以以相同的增益通過低通濾波器,而信號中高頻率 分量的增益卻是越少。
為了體現一階低通濾波電路的特性,我們在電路輸入端分別輸入峰峰值均為

5V,頻率分別為 500Hz,100kHz 和 10MHz 的正弦波信號。并用示波器觀察輸入端 的混合信號和輸出信號,按照理論推測。輸入的混合信號雜亂無章,而輸出信號應 該含有 500Hz 和 100KHz 頻率成分,不含有 10MHz 頻率成分。





圖 2-20 一階有源低通濾波器 AC Analysis 仿真分析結果。

運行電路,打開示波器,如圖 2-21 所示。紅色曲線為輸入端混合信號,藍色曲 線為輸出信號。從圖 2-21 可見,輸出信號為頻率 500Hz的信號,這符合我們的理論 推測。



圖 2-21  輸入與輸出波形

2.2.2              二階有源低通濾波器



為了改善濾波效果,使輸出信號在 f?
fo時衰減得更快,可將上述濾波電路再


加一級 RC低通電路,組成二階低通濾波器。如圖 2-22 所示為二階低通濾波器。




圖 2-22 二階有源低通濾波器

二階有源濾波器的頻響特性如圖 2-23 所示。
圖 2-23 二階有源低通濾波器 AC Analysis 仿真分析結果

2.2.3              二階有源高通濾波器

高通濾波器用來通過高頻信號,衰減掉低頻信號。由此可見,高通濾波器性能 與低通濾波器相反,其頻率響應呈鏡像關系。

在二階有源低通濾波器中,將濾波器網絡中的 RC互換位置,即可得到二階 有源高通濾波器。二階有源高通濾波器如圖 2-24 所示。




圖 2-24 二階有源高通濾波器

二階有源高通濾波電路頻率特性如圖 2-25 所示。


圖 2-25 二階有源高通濾波器頻率特性

從圖中坐標可知,當頻率大于 195Hz 時,信號可以無失真的通過。 為了驗證高通濾波器的特性,我們在輸入端同樣加入峰峰值均為5V,頻率分別

為 50Hz 和 10KHz 的正弦波信號,按照理論推測,在高通濾波器的輸出端我們應該 得到的輸出信號是頻率為 10KHz 的信號。探針結果如圖 2-26 所示。與理論推斷結 果相同。





圖 2-26 驗證高通濾波器的特性

2.2.4              二階有源帶通濾波器

二階有源帶通濾波器允許在某一個通帶范圍內的信號通過,而通頻帶以外頻率 的信號均加以衰減。帶通濾波器是由低通 RC 環節和高通RC 環節組合二成的。要 將高通的下限頻率設置的小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。要想獲 得好的頻率特性,一般需要較高的階數。如圖 2-27 所示為二階有源帶通濾波器電路。

圖 2-27 二階有源帶通濾波器
利用 AC Analysis 可以分析二階有源帶通濾波器電路的頻率特性,如圖 2-28 所示。




圖 2-28 二階有源帶通濾波器的頻響特性

為了驗證帶通濾波器的特性,我們在輸入端分別加入頻率為 50Hz,4KHz,

500KHz 的正弦波信號。由理論分析,輸出端應該得到 4KHz 的信號。探針結果如 圖 2-29 所示。從圖 2-29 可知,與我們理論分析結果相同。



圖 2-29 驗證帶通濾波器的特性

2.3              電壓比較器

在某些場合下,我們需要電路具有對信號的進行鑒幅與比較,電壓比較器正是 具有此功能電路,利用它可以產生各種非正弦波信號,在測量和控制中有著相當廣

泛的應用。



2.3.1              過零比較器

電路只有一個閾值電壓,即UT ? 0V ,集成運放工作在開環狀態,其輸出電壓為
+UOM或-UOM,此處穩壓管的Uz ? 6.2V ,當輸入電壓 Ui<0V 時,Uo=+UOM? 6.2V ; 當輸入電壓 Ui>0V 時,Uo=-UOM? -6.2V 。電路如圖2-30 所示。

圖 2-30  過零比較器電路

用示波器觀察輸入、輸出波形如圖所示藍色曲線為輸入電壓,紅色曲線為輸出 電壓。過零比較器的傳輸特性如圖 2-31 所示。

圖 2-31 過零比較器的傳輸特性

2.3.2              滯回比較器

雖然過零比較器很靈敏,但是抗干擾能力低,如果輸入電壓在閾值電壓附近且突 然變化或者有外部的干擾,那么輸入電壓就在閾值電壓附近搖擺,使得輸出電壓也 跟著變化,這顯然是我們不太樂見得。滯回比較器具有滯回特性特性,即具有慣性,

因而也就有一定的抗干擾能力。[5]



由集成運放輸出端的限幅電路可以看出,Uo= ? Uz。閾值電壓為:



? UT  ? ?3.1V
(2-22)


此處Uz ? 6.2V ,R1 ? R2 ? 10K? ,則 ? UT  ? ?3.1V 。滯回比較器電路如圖 2-32 所示:
圖 2-32  滯回比較器電路

過零比較器的傳輸特性如圖 2-33 所示。示波器面板,在 Timebase 區,選擇。 選擇將 A通道信號作為 X軸掃描信號,B通道施加于 Y軸上。觀察李薩育圖形。


圖 2-33 滯回比較器的傳輸特性

2.4              波形發生器的仿真

在模擬電子電路中,常常需要各種波形的信號,如正弦波,矩形波,三角波和 鋸齒波等。



2.4.1              RC正弦波振蕩器

正弦波振蕩電路是在沒有外加輸入信號的情況下,依靠電路自激振蕩而產生正 弦波輸出電壓的電路。它廣泛地應用于測量、遙控、通訊、自動控制中。

為使正弦波振蕩電路能夠穩定工作必須有兩個條件:一是要有正反饋網絡;二 要有外加的選頻網絡,可以確定振蕩頻率。振蕩平衡的條件 A? F? ? 1,電路的起振條

件是 A? F? ? 1。RC正弦波振蕩器電路如圖 2-34 所示。


運行電路,打開示波器,產生的正弦波如圖 2-35 所示,頻率與理論結果非常相 近。





圖 2-35 正弦波振蕩器效果圖

2.4.2              方波發生電路

方波發生電路是其他非正弦波信號發生電路的基礎。若方波電壓加在積分運算 電路的輸入端,則輸出就獲得了三角波;若改變積分電路正向積分和反向積分時間 常數,使某一方向的積分常數趨于零,則可獲得鋸齒波。

方波電壓只有高電平或是低電平,所以電壓比較器是它的重要組成部分。因為 電路中引入反饋產生振蕩。因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化,電路中要 有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。方波發生電路如圖 2-36 所示

圖 2-36  方波發生器電路

它由反相滯回比較器和 RC電路組成。RC回路既作為延遲環節,又作為反饋網 絡,通過 RC充放電實現輸出狀態的自動轉換。振蕩周期為






運行電路,打開示波器,產生的方波如圖 2-37 所示。
圖 2-37 方波發生器產生的方波

2.4.3              占空比可調的矩形波發生電路。

欲改變輸出電壓的占空比,就必須使電容正向和反向充電的時間常數不同,即 兩個充電回路的參數不同。利用二極管的單向導電性可以引導電流流經不同的通路, 占空比可調的矩形波發生電路如圖 2-38 所示。


圖 2-38 占空比可調的矩形波發生電路


運行電路,打開示波器,波形如圖 2-39 所示
圖 2-39 占空比可調的矩形波發生器產生的方波

2.4.4              三角波發生電路

將方波電壓作為積分運算電路的輸入,在其輸出就得到三角波電壓。電路如圖
2-40 所示。




振蕩周期 T為:
圖 2-40 三角波發生器



調節電路 R5、R2、R4 的阻值和 C的容量中可以改變振蕩頻率;調節 R5 和 R4 的阻
值,可以改變三角波的幅值。產生的三角波如圖 2-41 所示。
圖 2-41 三角波發生器產生的三角波

2.4.5              鋸齒波發生電路

如果積分電路正向積分的時間常數遠大于反向積分的時間常數,那么輸出電壓 上升和下降的斜率相差很多,就可以獲得鋸齒波。利用二極管的單向導電性使積分

電路兩個方向的積分通路不同。鋸齒波發生電路如圖 2-42 所示。
調整 R2 和 R4 的阻值可以改變鋸齒波的幅值;調整 R2 、R4 和 R3 的阻值以及 C 的

容量,可以改變振蕩周期;調整電位器滑動端的位置,可以改變鋸齒波上升和下降 的斜率。產生的鋸齒波如圖 2-43 所示。
圖 2-43 產生的鋸齒波

2.5              DSB 調制與解調分析

調制就是把信號轉換成適合在信道中傳輸的的形式的一種過程。廣義的調制分 為基帶調制和載波調制,在無線通信中,調制常指載波調制。

載波調制的原理是,用調制信號去改變載波(通常為高頻信號)的參數,使載 波的幾個參數能夠體現調制信號的規律。



首先,我們要知道為什么要提出調制的概念。調制的概念源于在無線傳輸過程

中遇到的諸多問題。例如,根據電磁場理論,信號是以電磁波的形式通過天線在空 間中傳播。只有信號的波長與天線的長度相比擬時才能夠獲得較高的輻射效率。通 常情況下,天線長度要大于1/ 4 波長。如果將 3000Hz 的基帶信號直接耦合到天線發 射,那么將需要尺寸約為25km 的天線。這是極不現實的情況。如果通過調制,把 基帶信號的頻譜搬至較高的載波頻率上,使已調信號的頻譜與信道的帶通特性相匹配,這樣就可以提高傳輸性能,以較小的功率與較短的天線來發射電磁波。其次, 為了實現多路復用,即把不同的基帶信號用不同的載波進行調制,使它們的頻譜搬 移至不同的高頻段,這樣就可以同時傳輸且不干擾。再次,擴展信號的帶寬,提高 系統抗干擾、抗衰落能力,還可實現傳輸帶寬與信噪比之間的互換。

最常用和最重要的模擬調制方式是用正弦波作為載波的幅度調制和角度調制。 常見的調幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶等調制就是幅度調制的幾個典型事例。

單邊帶調制和殘留邊帶調制的發射設備比調幅調制和雙邊帶調制復雜。而調幅 調制雖然接收設備簡單;缺點是功率利用率低,抗干擾能力差。DSB 調制適合點對 點的專用通道。為了服務于我們在第 3 章中設計的綜合電路,在這里我們采用 DSB 調制和解調。

雙邊帶調制又稱為抑制載波雙邊帶信號(DSB-SC)。設正弦型載波為:



c(t) ? Acos(?ct??o)
(2-31)


式中: A為載波幅度;?c為載波角頻率;?o 為載波初始相位,假定為 0,而不失討
論的一般性。

假設調制信號 m(t) 的平均值為零。與載波信號 c(t) 相乘得到雙邊帶信號。其實 與表達式為:



中: M(?) 為調制信號 m(t) 的頻譜。其典型波形和頻譜如圖 2-44 所示




圖 2-44 DSB 信號的波形和頻譜

與調幅信號相比,DSB 信號的調制效率是 100%,即全部功率都用于信息傳輸。 上述分析可見,若要實現 DSB 調制我們需要實現三個功能:一、產生高頻載波

信號;二、實現調制信號與載波信號相乘;三、將已調信號進行功率放大通過天線 發射出去。下面我們就將圍繞 DSB 調制的硬件實現來分析。


2.5.1              正弦波振蕩信號的產生

我們介紹了 RC橋式振蕩電路。但是 RC橋式振蕩電路不易起振且振蕩頻率較低, 這些不足限制了 RC 橋式振蕩電路在高頻電子線路的應用。實際中的振蕩器多采用 石英晶體振蕩器和 LC振蕩。因西勒振蕩器具有頻率穩定性高,振幅穩定,頻率調 節方便的特點,故本文采用LC振蕩電路中的西勒振蕩器。

如圖 2-45 所示,為西勒電路的原理圖。
圖 2-45 西勒振蕩器原理圖

要求C3 ?? C1 , C2 。先不考慮各級間電容的影響,這時諧振回路的總電容量為
上式成立的條件的是C1 ,C2 都要選得比較大,由此可見, C1 ,C2 對振蕩頻率的影
響顯著減小,那么與C1 ,C2 并聯的晶體管極間電容的影響也就很小了,提高了振蕩
頻率的穩定度。此時C4 起粗調作用,C3 起細調作用,電路調頻方便而且調頻范圍大。
合適的靜態工作點對于振蕩電路的穩定性和波形的好壞有著至關重要的作用。
振蕩電路的靜態工作點應遠離飽和區而靠近截止區。振蕩器晶體管的集電極電流
ICQ 一般在 0.8-4mA。本文中的電路:


如圖 2-46,所示為完整的西勒振蕩器。




圖 2-46  穩定后的西勒振蕩器電路

從圖中的探針可知,穩定后,正弦波形的頻率 f為 5.06MHz,峰峰值為 13.5V。

2.5.2              模擬乘法器

模擬乘法器可以完成兩個相互獨立的模擬信號的相乘功能。由兩個輸入端口 X
Y,輸出為:



Uo ? K? X?Y
(2-40)


比例系數為 K。在元器件庫中選擇 Sources|Control_function_block|Multiplier.如圖
2-47 所示為模擬乘法器的模型。

圖 2-47 模擬乘法器

2.5.3              高頻小信號功率放大器

此時,我們已經獲得了已調信號,但是這個已調信號功率太小,若要使用天線 進行遠距離傳輸必須先要對已調信號進行功率放大。功率放大器的特點在于輸出功



率大和高效率。

高頻功率放大器一般采用諧振回路做負載,解決了大功率放大時的效率、失真、 阻抗變換等問題。電路中的功率管采用高頻管,其特點是放大倍數小,特征頻率高, 工作時處于截止、放大、至飽和區,具有明顯的非線性特性。可以對窄帶信號實現 不失真放大,同時又可以使電壓增益隨輸入信號大小變化,實現非線性放大。

設直流電源供給的功率為 Pv,交流輸出信號功率為 Po ,集電極耗散功率為 Pc 。 由能量守恒定律可得:


定義集電極轉換效率?c

Pv ? Po? Pc

? ? Pov


(2-41)

(2-42)


如果?c ? 75% 則為丙類放大。高頻功率放大器一般選擇丙類功率放大器。
如圖 2-48 所示為一個典型的丙類諧振功率放大器。基極直流偏置電壓 V2使基極 和發射級處于反向偏置狀態,工作在丙類放大狀態。負載采用 LC并聯諧振回路,
且諧振頻率為載波頻率(5.06MHz),起到濾波和阻抗匹配作用。
圖 2-48  丙類功率放大器

由圖中電感 L和電容 C參數可得:

2.5.4    DSB 信號的解調

解調是調制的逆過程,其作用是從接收的已調信號中恢復原基帶信號(即調制 信號)。解調的方法可分為兩類:相干解調和包絡解調。DSB 采用相干解調。
相干解調也叫同步檢波。解調與調制的實質是一樣的,均是頻譜搬移。調制是
把基帶信號的頻譜搬到了載波位置,這一過程可以通過一個相乘器與載波相乘來實 現。解調則是調制的反過程,即把在載頻位置的已調信號的頻譜搬回到原始基帶位 置,因此同樣可以用相乘器與載波相乘來實現。
相干解調時,為了無失真地恢復原基帶信號,接收端必須提供一個與接收的已 調載波嚴格同步(同頻同相)的本地載波(稱為相干載波),它與接收的已調信號相 乘后,經低通濾波器去除低頻分量,即可得到原始的基帶調制信號。
設送入解調器的已調信號的一般表達式為:

至于低通濾波器,我們采用前面介紹的二階有源低通濾波器。

2.6              本章小結

本章內容較多,基本上涵蓋了本科模擬電子技術中學到的各種電路和原理,部 分涉及了高頻電子線路中的 DSB 調制解調部分。在以上電路的分析和仿真中,力求 更多的介紹 Multisim 強大的電路分析功能。通過 Multisim 對其進行仿真分析,驗證 理論計算與實際電路的相似性,可以得出 Multisim 軟件仿真平臺在電子電路教學中 的可行性。
通過對這些電路的仿真,在熟悉課本知識的基礎上,更加深入的研究這些電路 的工作原路及應用,并且能夠加深對該 Multisim 軟件的熟練操作與理解,將理論知 識的學習與實踐緊密聯系起來。通過該軟件我們可以足不出戶的在沒有實驗室的條 件下完成對電路的設計,極大地提高了設計效率,節約了資源,滿足了電子設計愛
好者的需求。并且仿真軟件的計算結果與真實結果相差無幾,節約了計算時間。在




設計電路和驗證設計結果時,首先想到的即時仿真軟件。

第 3 章              溫度測量電路的設計

我們已經在前面的兩章內容打下了必要的知識,使得我們能夠繼續結合所學知 識發揮大腦的創造力,自己設計一個具有一定功能的綜合性電路。在第 1 章里,我 們介紹 Multisim 軟件的操作指令和工具欄儀器。第 2 章,我們先是從分立元件放大 器的仿真開始,驗證了所學知識的正確性和可靠性,特別重要的是從分立元件開始 我們進入了集成運算放大器所構成的功能強大、可靠性更高的集成電路,包括有源濾波電路的設計,電壓比較器的設計,以及利用電壓比較器我們開始設計各種波形 發生電路。本章內容,我們將設計一個簡單的溫度測量電路,如果溫度高于我們設 定的預期值將會啟動散熱器。同時我們也有必要給這個簡單的溫度測量電路加上 DSB 調制解調功能,使其具有遠程無線傳輸信號的能力。


3.1              溫度測量器系統框圖

我們將繼續在 Multisim 的工作臺上搭建電路。圖 3-1 為溫度測量電路的系統方 框圖。首先我們都知道要將一個物理量轉化為一個電信號需要傳感器,這里我們采 用熱敏電阻。結合電橋電路就可以將溫度轉換為輸出電壓信號,然后經過線性放大, 將放大的電壓信號傳到用Labview 制作的 VI 上,在 VI 上顯示結果,也可以通過 DSB 調制將信號發射出去。


圖 3-1 溫度測量器系統框圖

3.2              溫度測量電路原理與設計

3.2.1              熱敏電阻模型的建立

熱敏電阻有正溫度系數(PTC)和負溫度系數(NTC)兩種類型,其電阻值隨 著環境溫度的變化而變化。利用這一特性,可將環境溫度轉變為熱敏電阻阻值的變




化。
熱敏電阻 Pt100 的測溫范圍為-200~850℃,在 0~850℃滿足的數學關系為:



R? R(1 ? At? Bt2 )
(3-1)


其中 R0 =100(t? 0℃)

A? 3.94 ?10?3 / ℃
B? ?5.84 ?10-7 / ℃

由于系數 B相較于系數 A很小,對于溫度影響不大,可以略去。

在 Multisim 中是沒有熱敏電阻仿真模型的,需要我們通過設置電阻參數來進行 模擬設置。將任意一個電阻放置于工作區,雙擊,打開其參數設置面板。結合 Pt100 的特性,將電阻按照圖 3-2 進行設定。

圖 3-2 電阻參數設置

Temperature 為工作溫度,默認為 27℃。TNOM 是額定溫度工作點,設定為 0。
TC1 是一次線性系數,設定為 0.00394。這樣我們就在 Multisim 中建立 Pt100 熱敏 電阻模型。環境溫度 t與電阻變化 ?R的關系為:


t? 0 ? t? ?Rt ? 0.00394t

(3-2)


3.2.2              電橋電路原理

如今,我們已經成功的在 Multisim 中創建了 Pt100 型正溫度系數的熱敏電阻,

并找到了當前環境溫度與電阻值的關系,這是非常重要的一步,但是這樣還不夠,

因為電路處理對的是電信號,我們還要想辦法將電阻值的變化量轉變為電信號。惠 斯通電橋電路即可完成此任務。圖 3-3 為直流電橋原理圖。



圖 3-3 直流電橋電路

惠斯通電橋常用于測量測量電阻。電阻 R1R2R3R4叫做電橋的四個臂,RL 的作用是檢測所在支路有無電流。當 RL沒有電流時,電橋達到平衡,此時四個臂滿 足如下關系式:


3.2.3              儀表放大電路

儀表放大電路是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的放大電路。通常情 況下,儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高,且輸出電阻很低。可是專 用的儀表放大器通常比較昂貴,于是利用三個普通的集成運算放大器組成儀表放大

器成了一種多數人的選擇。





下面我們將對這個儀表放大電路進行深入的探討弄清它的來源。先來看一個常
見的差分放大電路,如圖 3-5 所示。
圖 3-5 用單運放實現儀表放大器的差分放大電路功能框圖
這一個簡單的電路既可以放大差分信號又能夠抑制共模信號,但是也是有些不 足的。首先,從圖中明顯可以看出同相輸入端和反向輸入端的阻抗不是很高。源阻
抗的不平衡會降低電路的共模抑制比 CMRR。另外,如果電路不嚴格滿足 R1/R2
R3/R4的比值匹配,這兩個輸入端的增益會有差異,降低共模抑制比。 為了解決輸入阻抗低的問題,我們想到了本章剛開始介紹的電壓跟隨器。




圖 3-6 帶輸入緩沖的減法器電路

我們將以上前置的兩個運放作為電壓跟隨器使用現在改為同相放大器,如圖 3-7
所示。


圖 3-7 帶增益緩沖放大器的緩沖減法器電路

上圖所示電路加入運放 U2U3后,它對差分信號和共模信號有相同的增益, 及未改變原電路共模抑制比并沒有增加。

而圖 3-4,標準三運放儀表放大器電路是對帶緩沖減法器電路的改進。增益電阻 器 RG連接在兩個輸入緩沖器的求和點之間,這樣圖 3-7 中的 R6R7就被取代了。 由電壓跟隨器的特性(輸入電壓=輸出電壓),RG 兩端的電壓就等于整個差分輸入電 壓。因為輸入電壓經過放大后(在 U2U3的輸出端)的差分電壓呈現在 R5RG R6這三只電阻上,所以可以僅改變 RG來進行差分增益的調整。

圖 3-4 標準三運放儀表放大器電路還有另一個優點:當減法器電路的增益用比 率 匹 配 的 電 阻器 設 定 后 , 在 改 變 增 益 時 不再 對 電阻 匹 配 有 任 何 要 求 。如 果


因為 RG的電壓等于 VIN,因此 RG上的電流等于 VIN/RG,輸入信號通過 U2

U3得到了放大。注意,由于放大器輸入端的共模電壓在 RG兩端具有相同的電位, 從而不會在 RG上產生電流。由于沒有電流流過 RG(也就無電流流過 R5R6),放 大器 U2U3將作為電壓跟隨器而工作。因此,共模信號以 1 倍增益通過輸入緩沖 器,而差分電壓將按(1 ?2R5 / RG)的增益系數被放大。

理論上,用戶可以得到所要求的增益,而不增加共模增益和誤差。所以比率〔增

益(差分輸入電壓)/(共模誤差電壓)〕將增大。因此 CMRR 理論上直接與增益成 比例增加,這是一個非常有用的特性。最后,由于結構上的對稱性,輸入放大器的 共模誤差,將被輸出級的減法器消除。


3.2.4    電壓跟隨器

電壓跟隨器的應用已在儀表放大電路中有所了解。這里再次強調其特點和適用 場合。如圖 3-8 所示為電壓跟隨器電路。



圖 3-8 電壓跟隨器

電壓跟隨器的特點是:輸入阻抗極高,輸出阻抗極低,一般來說輸入阻抗可以 達到幾兆歐,而輸出電阻可以低到幾歐姆。電壓跟隨器往往起到輸出緩沖級的作用。 如果后級的輸入阻抗相較于前級的輸出電阻不是很高,則根據分壓原理,有相當部 分信號消耗在前級阻抗中。這時候哦就可以在中間只有電壓跟隨器,一方面提高輸 入阻抗,一方面降低輸出阻抗。


3.2.5    比例運算放大電路

同相比例運算電路如圖 3-9 所示。電路引入了電壓串聯負反饋,故可以認為輸



入電阻為無窮大,輸出電阻為零。輸出電壓與輸入電壓關系為:



圖 3-9 同相比例運算放大電路

3.2.6              顯示模塊

為了將溫度的數值顯示出來,我們將借助 Labview 軟件做出一個針對本文使用 的虛擬儀器,并將這個虛擬儀器嵌入到 Multisim 中。需要注意的是版本的兼容問題, 一般選擇 Multisim10.0 與 Labview8.2。

具體的創建步驟如下:
步驟 1:復制并重命名模板項目

1.打開 Multisim 軟件,在標準工具欄中選擇“open a     sample design”,即單擊 藍 色 圖 標  。 將 Labview Instruments\Templates\Input 文件 夾 復 制 到 Labview Instruments 文件夾下。

2.將..\Input 文件夾重新命名為 ..\wendu。
3.將..\wendu\StarterInputInstrument.lvproj 件重新命名為 wendu.lvproj。
4.啟動 LabVIEW 后,打開..\wendu\wendu.lvproj 項目文件。

5.在 Starter Input Instrument.vit 上點擊右鍵,并選擇 Save As(另存為)。在彈出 的對話框中,將模板重新命名為 wendu Instrument.vit。

6.重復相同的過程將 Starter Input Instrument_multisimInformation.vi 重新命名為 wendu_multisimInformation.vi (注意:不管為子 VI 選擇什么樣的名稱,都必須保持 “_multisimInformation.vi”的擴展名,使得 Multisim 能夠加載儀器)。

7.保存項目,如圖 3-10 所示






步驟 2:制定界面信息
圖 3-10 Labview 項目瀏覽器


1.在 wendu_multisimInformation.vi 上雙擊將其打開;
2. 切 換 到              VI 的 程 序 框 圖 中 ( 按              Ctrl-E, 或 者 點 擊              Window>Show Block
Diagram);
3.輸入下列信息:
1)Instrument ID ="wendu"(用于在 Multisim 和 Labview 間進行數據通信);
2)Display name ="wendu"(顯示在 Multisim 儀器列表中的名字);
3)Number of pins ="1"(設定儀器輸入管腳的數目);
4) Input pin names ="In"(使用在 SPICE netlist 或 netlist report 中的管腳名稱)。

4.保存 (File>Save)VI 文件并關閉程序框圖和前面板,如圖 3-11 所示。注意: 有效的儀器可以擁有輸入管腳或輸出管腳,但是不能兩者兼有。如果將輸入管腳和 輸出管腳的數目都設定為>0,那么該儀器不會被認為是有效的 Labview/Multisim 儀

器。





步驟 3:創建個性化儀器
圖 3-11 程序框圖


wendu.vit 中 VI 的前面板是 Multisim 用戶看到并進行操作的儀器界面,在程序框圖 中可以為儀器添加圖形化代碼,實現特定功能。我們力求使這個虛擬儀器的對話框 與我們的功能相近,比如要有溫度計,數值顯示的溫度,顯示時間的控件,否開啟 制冷模塊的指示燈。具體步驟如下:

1.在項目管理器目錄下,打開 wendu.vit,wendu.vit 的前面板如圖 3-12 所示.
圖 3-12  前面板

2.為了放置我們需要的控件,需要將其對話框的界面放大,并將 sampling rate 控件



interpolation method 等控件,我們不能夠刪除修改同時也不需要顯示他們放到對話
框底部。如圖 3-13 所示
圖 3-13 簡單處理的前面板

3.在前面板中添加控件,單擊右鍵,選擇數值選板中的數值顯示控件和溫度計和時 間顯示控件;選擇布爾選板中的圓形指示燈。并將它們合理安排,最終我們還要將 對話框縮小到只能看到這些控件為宜。如圖 3-14 所示。

圖 3-14 最終處理好的前面板

4.打開前面板的程序框圖(Ctrl+E)。在 while loop 的“Updata data”case 結構中添加 圖形化代碼。由于我們的控件相對于 case 默認的控件較大,所以先擴大 case 結構的



空間。從數組選版中選取“數組索引”的控件與 case 相連,后在波形選版中選取“從
波形中獲取數值”,然后進行相對應的數值運算即可(具體的數值運算在給出完整電 路圖后我們來分析)。如圖 3-15 所示為完成后的程序框圖。



步驟 4:程序的處理及保存
圖 3-15 已編譯通過的程序框圖


1.在項目管理器中展開程序生成規范,并在 Source Distribution 上雙擊將其打開。選 擇"發布設置”將目標路徑改為 ...\wendu\Build\wendu.llb。點擊生成按鈕。

2.在構建過程完成后,點擊確定。

3.保存項目 (File > Save Project),并關閉 Labview。 步驟 5:將儀器導入 Multisim10

轉到項目的 Build 文件夾"...\wendu\Build\" ,并將新型的儀器"wendu.llb" 復制到 Multisim10 安 裝 目 錄 ... \lvinstruments\ 文 件 夾 中 。 然 后 啟 動Multisim10 。 單 擊 simulate|instruments|labview|wendu 拖到工作區 雙擊如圖 3-16 所示。

圖 3-16  在 Multisim 中打開自己制作的虛擬儀器

3.2.7    制冷電路

為了更加豐富電路的功能,我們可以加入發動機作為降溫的工具,當溫度大于



我們所設定的溫度后,電路就自動開啟制冷的功能,那么如何設計這種具有判斷功
能的電路呢?

我們想到了第 2 章中的電壓比較器中的過零比較器,不過這個參考電壓不再是 接地端,而是由 50V 直流電源與滑動電阻器組成的簡單分壓電路,設定電壓值與溫 度關系在圖 3-17 中已經標出。制冷電路如圖 3-17 所示。



圖 3-17 制冷電路

U6 同相輸入端接入 17V 的電壓值此電壓值即為 36℃時儀表放大電路的輸出電 壓值,將儀表放大電路的輸出端接入到 U6 的反向輸出端,當溫度高于 36℃時,反 相輸入端的電壓高于 17V,U6 輸出為 -Uom,三極管 Q1 的基極接地,此時三極管導通, 繼電器 K1 閉合,指示燈和發動機工作。當溫度低于 36℃時,反相輸入端的電壓低 于 17V,U6 輸出為 ? Uom,三極管截止,繼電器打開,則指示燈和發動機都不工作。


3.2.8              數據遠程發射和接收模塊

為了實現溫度值的遠程無線傳輸,我們采用本文第 2 章 DSB 調制與解調。雖然 Multisim 有強大的電路仿真功能,但是卻不能仿真空間電磁場,不得不說是個遺憾。 我們知道信息以無線電波的形式傳播出去,必然會有噪聲摻雜其中,比如熱噪聲和 散粒噪聲,這些噪聲它的幅度分布服從高斯分布,而它的功率譜密度又是均勻分布的, 統稱為高斯白噪聲。于是為了與真實空間盡量相似,我們在 DSB 調制電路和解調電路之間加入熱噪聲源來代替信號在空間中傳輸所摻雜的噪聲。Multisim 的熱噪聲源

如圖 3-18 所示。


圖 3-18 熱噪聲源

從 Multisim 的幫助中,我們知道熱噪聲源使用了高斯白噪聲來仿真熱噪聲。當 溫度在絕對零度以上,由于電荷載流子的熱運動,所有電阻都有熱噪聲。熱噪聲的

計算公式如下:



Vrms(B) ? NOISE_FACTOR ?(4KTRB)
(3-16)


其中 k 為波爾茲曼常數(1.38*e^-23J/K),T 為電阻的溫度,B 是帶寬,R 是電

阻阻值。前面所述 LC 正弦波正當電路產生的載波頻率為 5.06MHZ,峰峰值為 13.5V。 我們設定熱噪聲電壓值為 100mV 級別的量。由(3-16 式),設熱噪聲源帶寬為 100MHz, 溫度為 30℃,電阻為 100K ? ,噪聲系數為 100。如圖 3-19 所示。

圖 3-19 設置熱噪聲源參數

DSB 解調電路中的低通濾波器采用二階有源低通濾波器,其截至頻率 fP約為
5.10MHz。而 fP ? 0.37 fo,設電阻 R 為 10K ? ,電容值為 1.1546pF。如圖 3-20 所示



為設置好的二階低通濾波器。
圖 3-20 截止頻率為 5.10MHz 的二階低通濾波器

用波特儀分析電路,如圖 3-21 所示。
圖 3-21              用波特儀分析的幅度特性

如圖 3-22 所示,為完整的數據遠程發射和接收模塊,包括 DSB 調制部分,熱 噪聲源代替的信道噪聲和 DSB 解調部分。




圖 3-22              數據遠程發射模塊

用四通道示波器分別查看 LC振蕩電路波形(紅色曲線),加有熱噪聲源的 DSB
已調信號(綠色曲線)和解調后的信號(藍色曲線),如圖 3-23 所示。
圖 3-23              用示波器觀察的信號波形

3.3              總電路圖

將 3.2 節的所述內容綜合起來,再經調試,如圖 3-24 所示為溫度測量電路。利 用熱敏電路對溫度的反應,經過電橋電路轉換為電壓值,后經儀表放大電路、電壓 跟隨器、同鄉比例運算放大電路經電壓信號進行放大,將溫度值顯示在虛擬儀器 Labview 上。加入了能夠調節閾值溫度的制冷模塊,一旦溫度超過閾值電壓則啟動 發動機制冷。利用 DSB 調制解調電路實現了數據的遠程傳輸,使用者無須守在儀器

旁便可知道溫度值。




圖 3-24 總電路圖

3.4              本章小結

本設計通過對所學電路基本知識進行綜合深入的研究,利用 Multisim 對應變測 量電路進行仿真設計,電路的輸出電壓經 Labview 虛擬儀器仿真后,可直接顯示溫 度測量值。利用 Multisim 高效的仿真分析功能對該測量電路進行仿真分析,大大提 高了設計效率,節省了不必要的花費時間,使設計更加形象化。



第 4 章              結論
本畢業設計的題目是基于 Multisim 的模擬電子電路的分析及設計。相較于其他

EDA 軟件,Multisim 因為其操作簡單、功能強大、應用方便從而得到了廣泛應用。 本文首先通過對 Multism 的功能進行簡單介紹并通過實例演示,使我們利用

Multisim 進行模擬電路仿真分析的方法更加熟練,同時也對理論知識的研究更加深 入。基于以上因素,在文章的第 3 章,完成了溫度測量器的研究設計。該系統由傳 感器模塊、放大器模塊、顯示模塊以及發射模塊組成。其中的顯示模塊是通基于 Labview 的圖形化程序語言單獨設計的,Labview 的這種功能使得我們可以人為根 據不同功能需要完成虛擬儀器的設計。該系統中最關鍵的是模型的建立,因為 Multisim中并沒有設計所需要的傳感器,論文通過分析壓力傳感器的工作原理,通 過熱敏電阻與電橋電路的結合構建了傳感器的模型。這種通過原理分析從而構造傳 感器模型的方法使得 Multisim 的仿真功能大大增強,是其功能的深入應用。另外, 放大模塊中的測量放大器具有抑制溫漂的作用,能夠提高測量精度,在眾多儀器儀 表中作為前置放大,它的引入使儀器的測量精度大大提高。另外該種測量方法也可 以引申到對壓力、氣壓、海拔等方面的測量,具有實際應用價值。

可惜的是,因為模擬電路的一些缺點使得電路在實際的使用中并沒有理論上的 精確測量,我們可以通過數字電路對該系統進行改進。

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沙發
ID:719829 發表于 2020-3-31 21:20 | 只看該作者
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板凳
ID:751800 發表于 2020-5-14 16:04 | 只看該作者

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地板
ID:868397 發表于 2020-12-26 17:18 | 只看該作者
優秀啊,學習一下
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5#
ID:1028892 發表于 2024-8-6 13:54 | 只看該作者

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