Transcript MultiSim 应用实例

第5章 Multisim应用实例
5.1 在模拟电子技术中的应用
5.2 在数字电子技术中的应用
5.3 在通信电路中的应用
5.1 在模拟电子技术中的应用
5.1.1 放大电路设计与分析
例5.1 共射晶体管放大电路，如图5-1所示，要求：
1）判断输出波形是否失真？
2）如何改善波形失真？
3）测试其fL和fH。
图5-1 例5.1原理图
图5-2 瞬态分析结果
输出波形
已经失真
2）如何改善波形失真？
??
图5-3 加入反馈电阻R6
如何确定反馈电阻R6的阻值？
可对R6进行参数扫描分析
图5-4 参数扫描设置对话框
图5-5 参数扫描结果
比较输出波
形，选择
R6为400欧
R6=400
3）如何测试fL和fH？
加上电阻R6前后分别进行交流分析，测试节点为
2，其他设置默认，可分别得幅频和相频特性曲线如
图；
可对比加电阻R6前后的幅频和相频特性曲线，看
出其通频带的变化；
图5-6 未加R6时的幅频、相频特性曲线
fL为1.34kHz
fH为1.14MHz
图5-7 加上R6后的幅频、相频特性曲线
fL为16Hz
fH为18MHz
加上负反馈电阻R6后，不仅消除了波形失真，
同时明显展宽了频带。
例5.2 使用集成运算放大器LM124AJ组成具有深度负反馈
的交流放大器，如图5-8所示。分析其幅频特性和放
大能力，指出fL和fH。
图5-8 多级交流放大器
电路理论分析： 该电路属于LM124AJ的典型应用，第一级
LM124AJ的Gain=1+R2/R1≈10，第二级
LM124AJ的Gain=1+R4/R6=101，因此该电
路的中频电压放大倍数约为1000。
其设计指标为：
中频电压放大倍数A=1000
输入电阻Ri=20k
通频带△f=fH-fL，设其中：fL≤20Hz，fH≥10kHz
据此可估算出电路中C1、C2、C3的取值
取标称值，C1=C2=1
、C3=5.7
启动仿真：得输入输出的信号，可估算出放大倍数约为1000倍
图5-9 例5.2示波器窗口
进行交流频率分析
图5-10 例5.2交流频率分析
可得其fL的值约为13Hz、fH的值约为19KHz
例5.3 如图5.11是一个运放构成的差动放大器，分析其功能。
图5-11 例5.3差动放大电路
理论分析：
仿真分析：
R2
2k
V0 
(V 2  V 1) 
(1.5  0.5)  2.0
R1
1k
输出波形，
幅值为2V
5.1.2 模拟信号运算电路分析
例5.4 用集成运放设计一个实现Vo=0.2Vi的电路。
分析：按照设计要求， Vo=0.2Vi，因此可采用两级反
相比例运放电路，
第一级实现Auf1=-0.2，
第二级实现Auf2=-1，
从而实现Auf=0.2。设计电路如图5-13所示。
图5-13 例5.4电路原理图
由电路可估算：
通过瞬态分析仿真，得到输出波形如图5-14所示。通过
测试可以发现Vo=0.2Vi。
输出波形
图5-14 例5.4仿真结果
5.1.3 信号产生和处理电路分析
例5.6 如图5-17，是一个方波和锯齿波产生电路。
测试其周期，如果使其周期可调，该如何处理？
图5-17 例5.6电路原理图
分析：
在该电路中，运放U1和电阻R1、R3、R5等构成了一
个滞回比较器;
其中R3、R5将Vo1反馈到运放U1的同相输入端，与
零电位比较，实现状态的转换。
同时R3还将Vo反馈到运放U1的同相输入端，作为滞
回比较器的 输入，构成闭环。
滞回比较器
UREF 为参考电压；
输出电压 uO 为 +UZ 或
-UZ；uI 为输入电压。
uO
当 u+ = u- 时，输出电压
的状态发生跳变。
RF
R2
u 
U REF 
uO
R2  RF
R2  RF
比较器有两个不同的门限电平，
故传输特性呈滞回形状。
+UZ
UT+
UT-
O
-UZ
uI
若 uO = UZ ，当 uI 逐渐增大时，使 uO 由 +UZ 跳变
为 -UZ 所需的门限电平 UT+
U T
RF
R2

U REF 
UZ
R2  RF
R2  RF
若 uO=  UZ ，当 uI 逐渐减小时，使 uO 由 UZ 跳
变为 UZ 所需的门限电平 UT
U T
RF
R2

U REF 
UZ
R2  RF
R2  RF
回差(门限宽度)UT ：
U T  U T  U T
2 R2

UZ
R2  RF
作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形
变换。抗干扰能力强。
分析：运放U2和电阻R4、电容C1等构成反相积分电路，
通过对Vo1的积分运算，输出三角波。
其周期T为：T=4R1*R3*C/R4＝0.4ms
改变它，可调整输出
信号频率
仿真分析：检查电路无误后，启动仿真，双击示波器，
打开其显示窗口。结果如图5-18所示。
输出波形
测得周期为
4ms
图5-18 例5.6结果(左图为Vo1，右图为Vo)
如果将电阻R3换成一个变阻器，则可调整其周期！
矩形波发生电路仿真分析举例
三角波发生电路仿真分析举例
仿真分析结果
例5.8 设计一个通带截止频率为100Hz的二阶低通有源滤
波电路。
分析：
首先根据该滤波电路截止频率为100Hz ，可选取低通滤
波器的RC的值；
1
f0 
2 RC
若选取R＝16k，则可算出C＝0.1uF
然后，加上运放，组成有源二阶低通滤波器电路，如图：
根据运放电路
的参数，则可
算出：
Aup  1 
R2
50
 1
 1.6
R1
82
20 lg Aup  4.1dB
图5-22 例5.8电路
运行仿真分析： 得输入信号V1和输出信号V0的波形图
说明输入信号通过了该滤波器，并被放大；
并从中可以测试到Vo=1.6Vi
从波特图仪上可以观察到当20lg︱Aup︱从4.1dB下降
到1dB左右时，其f0约为100Hz，理论值基本相同，达
到设计要求。
图5-24 波特图仪显示结果
若将信号源的频率分别修改为200Hz 和1MHz ，再次
启动仿真，其输出电压有何变化？
200Hz
1KHz
适当修改参数R1、R2、R3、R4和C1、C2，观察通带电
压放大倍数和通带截止频率的变化？
增大R1输出波
如果R1太大，
形幅度增大
输出会？
增大C1、C2或
R3、R4，截止
频率减小
比较有源低通滤波器和无源低通滤波器的带负载？
5.1.4 功率放大器分析
特
点
1. 输出功率要足够大
2. 效率要高
Po  IoUo
Po
   100%
PE
Po为信号输出功率, PE是直流电源向电路提供的功率。
3. 非线性失真要小
为使输出功率大, 功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状
态下。由于三极管是非线性器件, 在大信号工作状态下, 器件本身
的非线性问题十分突出, 因此, 输出信号不可避免地会产生一定的
非线性失真。
功率放大电路有三种工作状态
iC
iC
(1) 甲类工作状态
Q
静态工作点 Q 大致在负载
线的中点。三极管的工作角度
O
为360度。
t O
(1) 甲类工作状态
这种工作状态下，放大电路的最高效率为 50%。
uCE
(2) 甲乙类工作状态
静态工作点 Q 沿负载
线下移，静态管耗减小，
但产生了失真。三极管的
导 通 角 度 大 于 180 度 小 于
360度。 i
C
iC
iC
iC
Q
O
t O
uCE
(2) 甲乙类工作状态
(3) 乙类工作状态
Q
O
t O
(3) 乙类工作状态
uCE
静态工作点下移到
IC  0 处 ，管耗更小，
但输出波形只剩半波了。
功放电路仿真分析
例5.9 乙类互补对称功放电路如图5-25所示。要求观
察其输出波形，并判断其最大电压输出范围。
工作原理？
图5-25 乙类互补对称功放电路
运行仿真：
从中可以发现输出信号的波形有明显的交越失真。
其失真原因
当输入信号较小时，达
不到三极管的开启电压，三
极管不导电。
因此在正、负半周交替
输入波形
过零处会出现非线性失真，
即交越失真。
输出波形
其失真范围如何呢？
下面进行直流扫描分析，以便确定其交越失真的范围。
直流扫描分析： Simulate/Analysis/DC Sweep
设置StartValue和Stop value的值分别为-5V和5V
设置Increment为0.1V
在Output variables标签中，选定节点1作为测试节
点，其他项默认。
可以发现其失真范围为
-775.0000mV~666.6667mV。
图5-27 例5.9直流扫描分析结果
如何判断其最大电压输出范围？
打开直流扫描分析设置窗口，设置其Start value和
Stop value的值分别为-20V和20V，然后进行直流扫描
分析，结果如图5-28所示；
其最大电压输出范围为
-11.5000V~12.5000V。
图5-28 例5.9最大输出电压测试结果
例5.10 针对上例中乙类互补对称功放电路的交越失
真问题，如何对电路进行改进？
电路原理分析
图5-29改进后的电路
甲乙类互补对称功放电路
仿真分析
仍然观察其输出波形，并判断其最大电压输出范围。
观察输出波形，如图所示，
可以发现已经没有交越失真
图5-30 例5.10输出波形
判断其最大电压输出范围：
Simulate/Analysis/DCSweep，直流扫描设置：设置Start value和Stop value
的值分别为-10V和10V，设置Increment为0.1V，在Output variables标签页，
选定节点5作为测试点，其他项默认。
其最大电压输出范围为
-5V~＋5V。
5.1.5 直流电源分析
5.1.5.1 直流电源的组成
电网
电压
电源
变压器
整流
电路
图
滤波器
直流电源的组成
稳压
电路
负
载
5.1.5.2
整流电路
一、单相整流电路
2U 2 sint
2U 2
RL
优点：使用元件少。
缺点：输出波形脉动大；
直流成分小；变压器利用率
低。
2U 2
2U 2
二、单相全波整流电路
+
全波整流电路
2U 2
2 2U 2
三、 单相桥式整流电路
2U 2
2U 2
RL
2U 2
RL
2U 2
2U 2
5.1.5.3
滤波电路
一、电容滤波电路
滤波电容大，效果好。
适用于负载电流较小的场合。
T
当　RLC  ( 3 ~ 5)
2
UO(AV)  1.2U 2
输出直流电压为：
脉动系数 S 约为 10% ~ 20%。
二、
RC -  型滤波电路
输出直流电压为： U O(AV)
脉动系数 S 约为：
RL


U O(AV)
R  RL
1
S
S
C 2 ( R // RL )
适用于负载电流较小的场合。
三、电感滤波电路和 LC 滤波电路
一、电感滤波器
二、LC 滤波器
图 10.3.6
图 10.3.5
适用于负载电流比较
大的场合。
输出直流电压为：

UO(AV)  UO(AV)
 0.9U 2
脉动系数 S ：
1
S 2
S
 LC
适用于各种场合。
5.1.5.4
串联型直流稳压电路
一、电路组成和工作原理
采样电路：R1、 R2、 R3 ； 放大电路：A；
基准电压：由 VDZ 提供；
调整管：VT；
稳压过程：
UI 或  IL UO  UF  UId  UBE  IC
UO
UCE↑
二、输出电压的调节范围
由于 U+ = U ，UF = UZ，
所以
R2  R3
UZ  UF 
UO
R1  R2  R3
R1  R2  R3
UZ
则： U O 
R2  R3
串联型直流稳压电路
当 R2 的滑动端调至最上端时，UO 为最小值
U Omin
R1  R2  R3

UZ
R2  R3
当 R2 的滑动端调至最下
端时，UO 为最大值，
U Omax
R1  R2  R3

UZ
R3
直流电源分析举例1
例5.11分析下面的直流电源，负载为1kΩ。
仿真分析
图5-34 负载上的电流
图5-33 滤波前后的波形
图5-34 负载上的电压
如何减小纹波系数？
通过参数扫描分析
设定分析时间为0.05s
设定C的变化范围：
50uF——650uF
可见电容取值大于
350μF时，纹波就
已经比较小
需要选择一个合适的电容
直流电源分析举例2
串联型直流稳压电源
其电压调节范围？
稳压效果怎样？
5.2 在数字电子技术中的应用
5.2.1 逻辑门电路基础
例5.12 针对与非门电路74LS00D，分析与非门的特性，
加深对各参数意义的理解。
74LS00D是一种有四个二输入端与非门的芯片，其
外部特性参数有：输出电平、开门电平、关门电平、
扇出系数、平均传输延时和空载功耗等。
仿真分析：
创建电路后，启动仿真，
进行各种参数测试：
（1） VoH测试
图5-37 VoH测试电路
VoH测试结果
得到VoH为5.0V，大
于标准高电平2.4V，
并且有100ns的输出延
迟。
(2) 测试输出低电平VoL
创建测试电路，如图5-39所示，启动仿真后，
测试结果为VoL=0V，小于标准低电平0.4V。
图5-39 VoL测试电路
图5-40 VoL测试结果
(3) 测试输入短路电流Iis
创建电路如图5-41所示。启动仿真后，万用表读
数显示如图5-42所示，其值为0。即Iis=0A(由于仿
真误差，因此Iis的实际值不可能为0)，远小于规
定的1.6mA。
图5-41 测试Iis电路
图5-42 万用表显示窗口
(4) 测试扇出系数No
创建电路如图5-43所示,启动仿真后,毫安表显示最
大允许负载电流IOL=5.545mA，而前面测试得到
Iis的值为0，可见No=IOL/Iis的值大于8。
图5-43 测试扇出系数
测得最大允许负载电流
IOL=5.545mA
例5.13 如图5-44所示，是一个74LS00D构成的半
加器，分析其功能。
图5-44 半加器电路
电路分析：
节点7输出其本位和，节点4输出其进位，表达式为：
电路中使用两个指示灯和两个三极管分别构成
的两个基本放大电路，作为电平指示电路。
修改参数：
信号发生器XFG3，设定方波频率为20Hz，幅值为5V；
信号发生器XFG1，设定方波频率为10Hz，幅值为5V。
仿真分析：
检查电路无误后，启动仿真。观察并记录电平显示
情况如表5.4所示。
指示灯X1
指示灯X2
LED2
LED1
(表示输入A)
(表示输入B)
(表示和S)
(表示进位C)
N
N
N
N
Y
N
Y
N
N
Y
Y
N
Y
Y
N
Y
表5.4 电平指示器件闪亮情况表
可以在示波器看到如图所示的A点、B点、S点和C点的波形。
输入A
输入B
和S
进位C
图5-45 A、B、S、C点波形图
计数器电路仿真分析举例
5.22 555定时器应用电路
555定时器是一种集成电路，
因集成电路内部含有三个5kΩ电阻而得名。
利用555定时器可以构成施密特触发器、单稳态触发器
和多谐振荡器等。
555 定时器
1. 电路组成
2
VCC
3
8
+VCC
4
R
输出
缓冲
5 k
5
6
&
1
3
uO
5 k
&
2
1
VCC
3
Q
5 k
1
分压器 比较器 RS 触发器
7
uD
TD 晶体管
开关
2. 基本功能
8
CO
TH
TR
5
6
4 R
10
5 k
2
1
UTH

>2VCC/3
<2VCC/3
<2VCC/3
+VCC
5 k
10
&
Q
uO
7
&
TD
5 k
UTR

>VCC/3
>VCC/3
<VCC/3
3
1
R
0
1
1
1
uo
UOL
UOL
不变
UOH
uD
TD的状态
饱和
饱和
不变
截止
3. 555 定时器的外引脚
GND 1
TR 2
OUT 3
RD
4
555
8
7
6
5
VCC
DIS
双极型 （TTL）
电源: 4.5  16V
TH
CO
单极型 （CMOS）
电源: 3  18V
带负载能力强。
例5.14 分析如图5-46所示的单稳态触发电路，确
定其周期。
图5-46 单稳态触发电路
单稳态触发电路
为暂态
8
稳定状态
4R
5CO
0
6UTH
010
011
3
1
2
1
001
7
截止
假设：接通电源时，触发器处于0状态，且Utr为高电平；
假设：接通电源时，触发器处于1状态，且Utr为高电平；
单稳态触发电路
回到稳定状态
稳定状态
进入暂态
8
4R
5CO
01
6UTH
010
10
3
101
2
1
00
7
截止
1
此时Utr已为高电平
当电路处于0状态（即稳态）时
Utr为低电平触发
1
UTR  VCC
3
仿真分析：
可用示波器查看其输出波形；
也可利用瞬态分析，分析其波形变化。
信号发生器设定正弦波频率为100Hz、幅值为10V，
瞬态分析设置起止时间为0s和0.05s，选定测试节
点为3、4，其他选项采用默认。
触发信号的电压值大于约为3.3958V时，输出处于稳定状态
触发信号的电压值小于约为3.0612V时，输出处于暂稳态
脉冲宽度Tw=5.5ms
周期T=0.01s
图5-47 例5.14瞬态分析窗口
通过该例的分析，可以确定脉冲宽度由R1和
C2决定，因此可以通过调整R1，输出不同占空比
的脉冲，即将电阻R1置换为可变电阻器，这样该
电路就成为了一个可调占空比的单稳态触发电路。
单稳态触发电路还可以用于不规则的输入信号
的整形，使其成为幅值和宽度都相同的标准矩形脉
冲，脉冲的幅值取决于单稳态电路输出的高、低电
平，宽度Tw决定于暂稳态时间。
注意：输入触发信号的脉冲宽度（Ui为低电平的时间）
应小于输出脉冲的宽度（为高电平的时间）！
例5.15 分析如图所示的多谐振荡器。
图5-46 多谐振荡器
多谐振荡器工作原理
起始状态，
暂稳态I
8
4R
5CO
1
6UTH
1
0
3
0
0
2
1
1
7
截止
接通电源前，电容C2上无电荷， Uc=0，触发器处于1状态；
多谐振荡器工作原理
进入暂稳态II
8
4R
5CO
01
6UTH
01
10
3
10
10
01
2
1
接通电源后，随着电容C2充电。。。
当Uc>2Vcc/3，触发器自动翻转。。。
7
饱和导通
多谐振荡器工作原理
回到了暂稳态I
8
4R
5CO
10
6UTH
01
10
3
01
01
10
2
7
0
1
截止
T饱和导通后，电容C2开始放电，Uc开始缓慢下降。。。
当Uc<Vcc/3时，触发器又自动翻转。。。
仿真分析：
可用示波器查看其输出波形；
Uc
振荡周期：
T2=0.7(R1+R2)C
占空比：
R1  R 2

R1  2 R 2
例5.16 分析如图5-48所示是一个简易门铃电路。
图5-48 例5.15简易门铃电路
电路分析：
该电路是一个利用555定时器构成的多谐波振荡器，
它能在输出端产生矩形脉冲波，从而驱动蜂鸣器。
理论计算：
电容C3充电时间为：T1=0.7(R1+R2+R3)C
电容放电时间为：T2=0.7(R1+R2)C
电路振荡周期和频率为：
T=T1+T2=0.7(2R1+2R2+R3)C
f≈1.43/(2R1+2R2+R3)
输出波形占空比q为
q=T1/T=(R1+R2+R3)/(2R1+2R2+R3)
仿真分析：
修改蜂鸣器属性，使其电压值Voltage为1V；
启动仿真：
按空格键打开开关，接通电路，蜂鸣器鸣叫；
再按一次空格键，开关断开，蜂鸣器停止鸣叫。
示波器可得各信号波形，如图：
(a)触发信号
(b)输出信号
(c)蜂鸣器输入信号
图5-49 信号波形
5.3 在通信电路中的应用
二极管桥型调幅电路
仿真结果
包络检波电路
仿真结果