电路设计及仿真精选(九篇)

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第1篇：电路设计及仿真范文

关键词：模8计数器 Multisim2001 交通灯控制器 BCD码显示器

中图分类号:TN702 文献标识码：B 文章编号：1007-9416(2012)01-0001-03

1、交通灯控制器的功能及要求

设计目标及任务分析。

本设计的交通灯系统工作的十字路口由A、B两条交叉的道路组成，要求实现的控制过程为：

A街道绿灯亮，同时B街道红灯亮，保持3秒；3秒后A街道绿灯熄灭，黄灯亮，保持1秒；1秒后A街道黄灯与B街道红灯同时熄灭，继而A街道红等亮，B街道绿灯亮，并保持3秒；3秒后B街道绿灯熄灭，黄灯亮，保持1秒；1秒后A街道红灯与B街道黄灯同时熄灭，继而A街道绿灯与B街道红灯亮。依照上述过程如此循环。

路通灯控制系统与其他控制系统一样，划分为控制器和受控电路两部分。根据交通灯控制器的设计要求，本课题需要实现一个8秒的周期循环控制。整个系统由一个模8计数器和6个交通灯组成，为了更直观地观察模8计数器工作过程及交通灯的受控状态，电路中接入BCD码显示其显示循环过程。

2、交通灯控制器数字电路设计

2.1 模8计数器设计

74LS160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器,功能管脚图及功能说明分别如图1和表1所示。

因为74LS160兼有异步置零和同步预置数功能，所以置零法和置数法均可采用。图2所示电路是采用异步置零法接成的八进制计数器。由于要产生8s的控制信号，所以CLK端输入1Hz的脉冲信号，而8s一循环相当于摸8计数器，即0000-0111，当计数器计成QDQCQBQA=1000状态时，非门74LS04D将QD=1的信号转化为低电平信号给CLR端，将计数器置零，QDQCQBQA回到0000状态。

2.2 显示电路

译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号或另外一个代码。在数字测量仪表和各种数字系统中得到广泛的采用，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。

本逻辑系统电路采用CTCMOSIC，这是一种采用CMOS-TTL混合集成工艺的CMOS逻辑电路。因此，它既具有一般COMS集成电路的各种特点，还具有一般CMOSIC所欠缺的强驱动特性，即所谓的低能耗、强驱动的特性，是一种COMS-TTL兼容的集成电路，具有静电功耗低（一般为微瓦数量级）；电源电压范围宽（4～15V），适宜与各种电平的电路相匹配；抗噪声能力大。直流噪声容限可达45%电源电压；负载能力强，可直接匹配驱动LED数码管等特点。完成的设计的电路图如图3所示。

2.3 交通灯逻辑表达式的设计

首先对A街道绿灯（GA）的设计进行分析。根据设计要求GA的时序波形如图4a)所示；根据波形图得到GA真值表，如表2所示；得到真值表后可以根据卡诺图的步骤进行卡诺图化简如图6b)所示。

化简后的逻辑表达式为：

同理可以得到A街道黄灯（YA）、A街道红灯（RA）、B街道绿灯（GB）、B街道黄灯（YB）、B街道红灯（RB）的化简后的逻辑表达式，分别为：

3、交通灯控制器电路实现及仿真

根据上述逻辑表达式，可以用门电路画出相应的电路图。在完成电路设计后就可以采用Multisim软件进行仿真分析，其步骤为：创建仿真电路原理图电路图选项的设置使用仿真仪器设定仿真分析方法启动Multisim仿真。

步骤一：按照常规方式从各元件库中调用元器件放置到电路窗口中，并按照已经计算好的参数对元器件进行相应的设置。Multisim的界面上的In Use List栏内列出了电路所使用的所有元器件，使用它可以检查所调用的元器件是否正确。放置完所有元器件后需要按照设计好的原理图对其进行线路连接，连接后的交通灯控制器电路如图5所示。

步骤二：正确连接电路及逻辑分析仪后启动Simulate菜单中的Run命令或者按下F5

步骤三：交通灯交替闪烁过程及时间显示功能的仿真结果。

如图6a)所示，上排的是A街道灯，下排是B街道灯，图6b)所示的是BCD码显示器，可以观察到的现象：BCD码显示器自0开始计数当计数到7时回到0重新计数，如此循环。与此同时A街道绿灯（GA）和B街道红灯（RB）同时亮，依照计数器的计数节奏3秒后，GA熄灭YA亮；1秒后YA与RB同时熄灭，RA与GB亮；随后相对于上半周期，3秒后GB熄灭YB 亮，并且在1秒后同RA一起熄灭。如此完成一个周期，再回到计数器0状态继续循环。

步骤四：通过逻辑分析仪对电路的工作情况进行分析，得到时序逻辑图，如图7a)所示为的仿真时序波形图，图7b)所示为的仿真时序波形图。逻辑分析仪窗口，自上到下的波形依次是，A街道绿灯（GA）、A 街道黄灯（YA）、A街道红灯（RA）、B街道绿灯(GB)、B街道黄灯（YB）B街道红灯（RB）。

注意事项：Simulate菜单中的Default Instrument Settings...命令，在打开的Default Instrument Settings对话框中选择“Real”或“Ideal”可调整仿真速度。逻辑分析仪的时钟设置为1Hz。

4、结语

本课题是为十字路通灯的控制而设计的，可以实现交通控制的自动化。结合课题设计的要求，确立了一个基于74LS160计数器的交通灯控制器的设计方案。交通灯控制器的设计采用的是时序逻辑电路的设计方法，按设计要求将同步十进制计数器构成为八进制计数器，通过对实际情况的分析，得出交通灯相应的时序波形图，之后得到真值表，最后通过卡诺图依次对各交通灯状态进行化简得出逻辑表达式，完成了整个设计。

为了进一步验证设计的正确性，本课题通过Multisim软件来创建电路原理图，然后再通过基本操作对电路仿真情况进行观察。通过仿真，可以看出仿真结果符合设计要求，结果正确，达到了预期的目的。

参考文献

[1]刘建沁.从零开始学电路仿真Multisim与电路设计Protsl技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2]王冠华，王伊娜. Multisim 8电路设计应用[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3]康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2000.

[4]郑步生,吴渭.Multisim 2001电路设计及仿真入门与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

[5]郭勇.EDA技术基础（第二版）[M].北京:机械工业出版社,2006.

作者简介

第2篇：电路设计及仿真范文

关键词 Multisim仿真；电子电路设计；抢答器

中图分类号：TP319.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）10-0035-03

Abstract Introduces the function and characteristic of Multisim simu-

lation software， and describes the use of Multisim simulation software for electronic circuit design process with a digital responder

design as an example.

Key words Multisim simulation； electronic circuit design； responder

1 前言

随着电子电路复杂程度越来越高、更新速度越来越快、设计规模越来越大、推向市场时间越来越短，这就迫切需要实现设计工作的自动化。电子设计自动化（EDA）技术的出现，改革了传统的电子电路设计方法。

2 Multisim仿真软件的功能及特点

Multisim是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，可实现原理图捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试等功能；具有如下特点：界面设计人性化、操作简洁明了、元件库规模庞大、仪器仪表库种类齐全（包括函数信号发生器、示波器、逻辑分析仪等）、分析功能强大（包括直流工作点分析、交流分析、噪声分析等）。

3 应用实例

以数字抢答器的设计为例，阐述采用Multisim仿真软件进行电子电路设计的过程。

设计任务和要求 用中、小规模集成电路设计一个数字抢答器，设计要求：

1）抢答器可同时供8名选手参加比赛，每个选手拥有一个抢答按键，分别用按键J0～J7表示，按键编号和选手编号相同；

2）主持人扳动控制开关J8，可控制系统的复位和抢答的开始；

3）抢答器具有第一抢答信息的鉴别、锁存和显示功能，抢答开始后，第一抢答者按动抢答按键时，该选手的编号立即被锁存，并显示在LED数码管上，控制电路使扬声器发出报警声音，并对输入电路进行封锁，使其他选手的抢答不起作用；

4）抢答器具有定时抢答功能，主持人通过设定一次抢答时间，控制比赛的开始和结束[1]。

电路组成 抢答器由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路由主持人控制开关、抢答按键、控制电路、优先编码器、锁存器、译码器、编号显示器和报警电路构成，完成基本抢答的功能；扩展电路由秒脉冲产生电路、定时电路、译码器和定时显示器构成，完成定时抢答的功能。

抢答器工作过程：首先，接通抢答器电源，主持人将开关J8置于复位位置，禁止抢答器工作，编号显示器被熄灭，定时显示器显示定时时间；然后，主持人将开关J8置于开始位置，允许抢答器工作，计数器进行减计时；当选手在定时时间内抢答时，计数器停止工作，编号显示器显示抢答选手的编号，定时显示器显示剩余抢答时间，并禁止其他选手随后的抢答；当定时时间到，但无人抢答时，系统报警，并禁止选手超时抢答。

电路设计及仿真

1）抢答器电路。抢答器电路如图1所示。优先编码器74LS148能鉴别第一抢答者的按键操作，并使其他选手的操作无效；RS锁存器74LS279能锁存第一抢答者的编号，并经译码器74LS48译码后显示在LED数码管上。

抢答器电路仿真波形如图2所示。借助于Multisim仿真软件中的逻辑分析仪，可对抢答器电路的多路逻辑信号同步进行高速采集和时序分析。将逻辑分析仪的输入端口相应地连接到电路的如下测试点上：开关J8，74LS279的输出端Q4、Q3、Q2、Q1（EI、BI），按键J7、J6、J5、J4、

J3、J2、J1、J0。被采集的输入信号将显示在屏幕上。

由图2可知，在第一个Clock脉冲的上升沿，主持人将开关J8置于复位位置时，74LS279被复位，禁止锁存器工作，其输出Q4Q3Q2Q1=0000。于是，74LSl48的选通输入端EI=0，允许优先编码器工作；74LS48的消隐输入端BI=0，编号显示器被熄灭。在第一个Clock脉冲的下降沿，当主持人将开关J8置于开始位置时，允许优先编码器和锁存器工作。在第二个Clock脉冲的下降沿，将J6按键按下时，74LSl48的输出A2A1A0=001，GS=0，经RS锁存后，Q4Q3Q2Q1=1101。于是，Q1=1，使BI=1，允许74LS48工作；Q4Q3Q2=110，经译码显示为“6”。此外，Q1=1，使EI=1，禁止74LSl48工作，封锁了其他按键的输入（即在第三个Clock脉冲的上升沿J3按键的输入）。在第四个Clock脉冲的上升沿，当按下的J6键松开后，GS=1，此时由于仍为Q1=1，使EI=1，所以仍禁止74LSl48工作，封锁了其他按键的输入（即第五个Clock脉冲的下降沿J0按键的输入），从而实现了抢答的优先性，保证了电路的准确性。在第六个Clock脉冲的下降沿，主持人将开关J8重新置于复位位置，以便进行下一轮的抢答。

2）定时电路。将两片同步十进制可逆计数器74LSl92级联，以串行进位方式构成百进制计数器；计数器的计数脉冲由555定时器构成的秒脉冲电路提供；通过预置时间电路，主持人对计数器进行一次抢答时间的预置；74LS48译码器和定时显示器构成译码显示电路。当主持人将开关J8置于复位位置时，计数器预置定时时间，并显示在定时显示器上。当主持人将开关J8置于开始位置时，74LS279的输出Q1=0，经非门反相后，使555定时器的时钟输出端CP与74LSl92的时钟输入端CPD相连，计数器进行减计时；在定时时间未到时，74LS192的借位输出端BO2=1，使74LSl48的EI=0，允许74LSl48工作。当选手在定时时间内抢答时，Q1=1，经非门反相后，封锁CP信号，计数器停止工作，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统复位为止；同时，EI=1，禁止74LSl48工作。当定时时间到无人抢答时，BO2=0，EI=1，禁止74LSl48工作，禁止选手超时抢答；同时，BO2=0，封锁CP信号，计数器停止工作，定时显示器上显示00[2]。

3）报警电路。报警电路由555定时器、三极管推动级和扬声器构成。由若干电阻、电容和555定时器接成多谐振荡器，将时序电路控制信号PR接至555定时器的清零端，以控制多谐振荡器振荡的起停，多谐振荡器输出信号控制三极管的导通、截止，从而推动扬声器发出报警声音。

根据上述设计思路，画出各单元电路的仿真电路图，先对各单元电路逐个进行仿真调试，再将各单元电路连接起来进行系统联调；通过Multisim仿真，观察各部分电路之间的时序配合关系，测量电路各项性能指标，调整部分元器件参数，检查电路各部分功能，使其满足设计要求；最后进行电路焊接与装配，并对实际电路进行测试。

4 结语

Multisim是电子电路计算机仿真设计与分析的基础，在电子电路设计中应用Multisim仿真软件，把虚拟仿真和硬件实现相结合，可以节约设计成本、缩短开发周期和提高设计效率，有利于培养学生工程实践、综合分析和开发创新能力，提高学生运用现代化设计工具的能力。

参考文献

第3篇：电路设计及仿真范文

关键词：Multisim；单管放大电路；仿真分析；放大电路

中图分类号：TN7；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模拟电子技术是电子、通信类专业的一门专业基础课。通过这门课的学习，使学生掌握电子电路的基本理论与基本实验技能，并初步具有电子电路的设计和创新能力。随着科技的发展，电子电路分析和设计方法实现了现代化和自动化，在教学中适当引用计算机辅助工具实现硬件设计软件化，让实验变得简单、方便，同时可帮助学生快速理解理论知识。使用Multisim软件不仅可以快速设计电路，还可与理论设计进行比较，为电路的进一步调试提供便利，极大地缩短了产品的研发周期。

本文以典型的单管放大电路为例，具体介绍了利用Multisim设计单管放大电路，并对其进行静态和动态分析，得到放大电路的静态工作点，分析静态工作点的影响因素；在动态分析的基础上得到了电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及带宽。

1 Multisim仿真软件功能及特点

学习电子技术，不仅要熟练掌握电子器件以及电路的基本原理、参数计算方法，更重要的是对电路的分析、应用以及开发。Multisim是一款在业内广泛采用的电子电路仿真与设计软件，其功能强大，能最大化满足使用者的需求，其拥有的专业功能可以轻松处理较为复杂的电路设计。它包含电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入，具有丰富的仿真分析能力，元件库中提供了大量仿真模型，确保了仿真结果的准确性、真实性和实用性，并集成了多种虚拟仪表，包含大量设计实例、课程设计和研究项目，使得实验更加简便快捷。

2 单管共射放大电路设计

根据NPN型晶体管的特性，设计一个输入电阻为Ri、输出电阻为Ro、电压放大倍数为Au的共射放大电路，电路设计具体过程如下：

（1）晶体管是放大的核心元件，输入信号为正弦波电压Ui。在输入回路中，加入基极电源VBB使晶体管基极与集电极之间的电压UBE大于开启电压UON，并与基极电阻Rb同时决定基极电流IB；在输出回路中，应该让集电结反向偏置，使晶体管处在放大状态，所以集电极电源VCC应该足够高，这里取12 V，基本共射放大电路如图1所示。

（2）在实际电路中，通常用一个直流电源代替基极电源和集电极电源，为了设置合适的静态工作点，在输入回路中增加一个电阻Rb1，得到如图2所示的直接耦合共射放大电路。

（3）加入输入信号时，图1的Rb和图2的Rb1上均有电压损失，减小了基极与发射极之间的电压差值，影响了电路的放大能力。由于电容有“隔直通交”的作用，在输入端加入大电容C1，使输入信号可以无损失地加在基极与发射极之间，在输出端加入电容C2，连接放大电路与负载。为了稳定静态工作点，并增大放大电路的交流电压增益，在发射极端增加一个电阻Re和一个电容Ce并联电路，具体电路如图3所示。

3 静态工作点分析

为保证放大电路不失真地对已知小信号进行放大，设置合m的静态工作点非常必要。将输入信号置零，使直流电源单独作用时，将基极电流、集电极电流、晶体管b-e间电压和管压降称为静态工作点Q，通常记为IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在图3所示的阻容耦合共射放大电路中，已知Vcc=12 V，Rb1=5kΩ，Rb2=15 kΩ，Re=2.3 kΩ，Rc=5.1 kΩ，RL=5.1 kΩ；晶体管的β=50，rbe=1.5 kΩ，UBEQ=0.7 V，分别取C1、C3、Ce为30 μF、10 μF、50 μF。根据晶体管特性以及回路方程，估算静态工作点。因为（1+β）Re>>Rb1∥Rb2，所以 ：

（1）

（2）

（3）

（4）

然后通过Multisim的仿真功能与菜单栏Simulate选项中Analysis and Simulation中的DC Operating Point Analysis直接测出b、c、e的节点电压和Rc的支路电流。静态工作点分析如图4所示，其中V（b）=2.98 V， UCEQ=V（c）-V（b）= 6.80V-2.35 V=4.45 V， I（Rc1）=1.01 mA，由此可以看出仿真结果与理论估计值接近。

通过公式（1）～（4）可知，静态工作点与Rb2的取值有关，Rb2越小，静态工作点越高。将Rb2换成最大阻值为100 kΩ的滑动变阻器。改变Rb2，采用直流仿真方法测出四组不同阻值下的静态工作点，数据结果见表1所列，可以看出随着Q点的增高，IEQ越大。

4 动态参数分析

在电路的交流通路中，用h参数等效模型代替晶体管得到交流等效电路，这样的分析方式称为h参数等效模型分析。电容对交流信号短路，晶体管用h参数模型代替，画出图3的交流等效电路图如图5所示。电路的放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro称之为动态参数，根据电路的回路方程，可以得到动态参数的表达式：

（5）

（6）

（7）

在输入输出端接入万用表，设置为交流电压档，测得输入端电压为14 .142 mV记作Ui，输出端电压为1.173 V记作Uo，根据公式（5）计算得到放大增益Au为83.57，输入输出电压如图6所示。也可以放入双踪示波器，A通道连接输入端，B通道连接输出端，打开仿真开关，得到图7所示的输入、输出波形，可以看出输入输出波形有180°的相位差，并且输入波形被放大了81.5倍，与理论值相差甚微。

在输入端并联一个电压表，串联一个电流表，测得输入端电压和电流，通过计算得出输入端电阻Ri为1 kΩ；在输出端采用同样的方式得到输出电阻Ro为5 kΩ，电表均设置为交流档（即AC档）。由以上分析可知理论计算数值与仿真结果基本一致。

用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线，共射放大电路幅频如图8所示。由图可知中频电压增益为39.834 dB，根据频带宽度的测量原理，移动测试指针，使幅度值下降3dB，找到半功率点，低端频率fL约为134.4 Hz，高端l率fH约为1.425 MHz，同时计算出放大器的频带宽度fW=fH-fL≈1.4MHz。

5 结 语

利用Multisim仿真软件对单管共射放大电路进行设计和仿真，对电路的静态工作点和动态参数进行详细分析，理论与仿真结果基本相同。在仿真过程中充分利用Multisim的多种仿真方式，快速得到仿真结果，先仿真后制作增加了设计成功率，提高了实验效率。作为教学辅助工具，该设计方法对其他电子电路的设计有一定的参考价值与不可估量的作用。

参考文献

[1]肖渊.基于Multisim的放大电路设计及仿真研究[J].陕西科技大学学报，2009，27（4）：126-128.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]吕曙东.Multisim10在差动放大电路分析中的应用[J].现代电子技术，2010，33（22）：24-27.

[4]刘俊清，赵海，张玉梅.基于multisim10的单管放大电路的仿真[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2012，8（4）：55-56，66.

[5]代素梅，刘照红，钟宁.单管放大电路静态工作点仿真分析[J].测控技术，2014，33（12）：143-146.

[6]付扬.Multisim在仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索，2011，30（4）：120-122.

第4篇：电路设计及仿真范文

关键词：Liu混沌系统；虚拟仪器；LabVIEW；自治混沌系统

中图分类号：O415.5；TM132 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)09-098-02オ

LabVIEW Simulation Research and Circuit Design of Liu Chaotic System

LIU Xingyun1，2

(1.Hubei Normal University,Huangshi,435002,China；2.Faculty of Material Science and Engineering,Hubei University,Wuhan,430062,China)

オ

Abstract：The chaotic dynamic characteristic of Liu chaotic system is further investigated.The software system of Liu chaotic system based on virtual instrument is designed.Topology construction of experimental system based on virtual instrument technique is given.The hardware circuit design is designed and the interrelated circuit implementation is realized.A feasible program is provided for the research of nonlinear system.As the approach has been used,the result of experimental system is satisfactory.To compare the traditional autonomous chaotic system,it has many advantages,such as a convenient parameter changing,easy gaining,high accuracy,good real-time capability and so on.

Keywords：Liu chaotic system;virtual instrument;LabVIEW;autonomous chaotic system

1 引 言

自从1963年，Lorenz在三维自治系统中发现了第一个混沌吸引子以来[1]，其混沌理论研究和实际应用得到了极大的关注，但供研究的混沌系统并不多。1999年Chen等采用线性反馈控制方法控制Lorenz混沌系统而发现了一种与Lorenz混沌系统类似但不拓扑等价的Chen混沌系统[2] ;2001年和2002年，吕金虎等人相继发现了Lü混沌系统和连接上述三个混沌系统的统一混沌系统[3,4]；2003年，Liu等发现了在三维连续自治混沌系统中能产生四螺旋混沌吸引子的混沌系统，并用实际的硬件电路证实了该混沌系统的存在[5]。2005年，Qi等在Lorenz混沌系统的第一个式子上，加上一个非线性项，发现了一类变形Lorenz混沌系统，并对该混沌系统进行了详细的分析[6]。 2004年，Liu等提出了一类含有平方非线性项的三阶连续自治混沌系统[7]，由于Liu混沌系统是一个新的混沌系统，开展其动力学特性及电路实现的研究具有重要的理论意义和实际价值,便于作为混沌保密通信系统的信息载体，提高通信系统的安全性。

2 Liu混沌系统动力学分析及数值仿真

Liu混沌系统是一类含有平方非线性项的混沌系统，其数学模型描述如下[7]：

И

=a(y－x)=bx－kxz=－cz+hx2

(1)

И

图1 随b变化的李雅普诺夫指数谱

当a=10,k =1,c=25,h=4时，b在-10~100之间变化时，Ю用Jacobia方法计算的李雅普诺夫指数谱如┩1所示，用最大值法计算的分岔图如图2所示[3]，从图可以看出b=40时，此系统的李雅普诺夫指数有一个大于零，分岔图中x有很多个最大值，可知该系统为混沌系统。

下面将设计一个基于LabVIEW 8.2仿真实验系统[8]，此系统参数调节方便，易实现，可靠性高，实时性好。图3是前面板图，图4是程序框图。图中给出了各状态变量的时序图，相互之间的相图。

图2 随b变化的分岔图

图3 基于虚拟仪器Liu混沌系统前面板图

图4 基于虚拟仪器Liu混沌系统流程框图

Liu混沌系统混沌信号的输出，安装NI公司的PC 6014数据采集卡并设置参数，这样就可由数据采集卡输出状态变量X(或Y，Z)的混沌信号[9]。

3 Liu混沌系统的电路设计及硬件实验

3.1 电路设计

采用线性电阻、线性电容、运算放大器(LM741)、模拟乘法器(AD633) 来设计Liu混沌系统的电路[7]，如图5所示。其中运算放大器是用来进行电路的加减运算，模拟乘法器则用来实现系统中的非线性项。由于运算放大器(LM741)的容许电压仅为±18 V，对于乘法器(AD633)来说，其容许电压仅为±10 V。为了有效地进行电路实验，我们把混沌信号的输出电平调小为原来的1/10，设:

И

u=10x,v=10y,w=10z

(2)

И

又由于系统变量的变换，不影响系统的状态及性能，从而再令:

И

x=u,y=v,z=w

(3)

И

则式(1)可变为:

И

=a(y－x)=bx－10kxz=－cz+10hx2

(4)

И

其中参数a=10,k=1,c=2.5,h=4,b=40。根据电路理论以及各个元件的特性，其电路如图5所示。其中R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10为10 kΩ，R11，R12，R14为1 kΩ，R13，R16为250 Ω，R15为4 kΩ，У缛菸10 nF，运算放大器为LM741，模拟乘法器为AD633。

图5 电路原理图

3.2 电路仿真结果及硬件实验

根据图5的电路在EWB的仿真结果如图6所示。硬件实验结果也是一致的，说明基于虚拟仪器技术的方案是可行的。

图6 EWB实验的混沌吸引子

4 结 语

本文首先对Liu混沌系统的数学模型进行了分析，当参数b∈［-10,100］变化时，给出了李雅普诺夫指数谱图和分岔图，然后应用美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器技术结合混沌理论设计了基于虚拟仪器Liu混沌系统信号发生器，该系统最大的优点是：用户在操作时感觉同操作真实的仪器设备一样，参数调节方便，易实现，可靠性高，实时性好，更适合于作为加密混沌通信系统的信息载体，提高通信系统的安全性,也提供了一种研究非线性混沌系统的新途径。最后进行Liu混沌系统的电路设计，仿真及其硬件设计，结果与理论分析是一致的。

参 考 文 献

［1］Lorenz E N.Deterministic Nonperiodic Flow［J］.Atoms.Sci.,1963,20:130-141.

［2］Chen G R,Ueta T.Yet Another Chaotic Attractor ［J］.Int. of Bifurcation and Chaos,1999,9(7):1 465-1 466.

［3］Lü J H,Chen G R,Zhang S C.Dynamical Analysis of a New Chaotic Attractor Coined［J］.Int. of Bifurcation and Chaos,2002,12(5):1 001-1 015.

［4］Lü J H,Chen G R.A New Chaotic Attractor Coined［J］.Int. of Bifurcation and Chaos,2002,12(3):659-661.

［5］Liu W B,Chen G R.A New Chaotic System and Its Generation［J］.Int.of Bifurcation and Chaos,2003,13(01):261-267.

［6］Qi G Y,Du S Z,Chen G R,et al.Analysis of a New Chaotic System［J］.Physica A:Statistical Mechanics and Its Applications,2005,352:295-308.

［7］Liu C X,Liu T,Liu L,et al.A New Chaotic Attractor［J］.Chaos,Solitons & Fractals,2004,22:1 031-1 038.

［8］陈小平,李云飞,颜友钧,等.基于虚拟仪器技术的变频器测试系统的研制［J］.仪器仪表学报,2004,25(5)：684-687.

［9］刘兴云,鲁池梅,程永山.基于虚拟仪器技术新型混沌信号产生器的设计［J］.现代电子技术,2007,30(20):1-3.

第5篇：电路设计及仿真范文

3.1 基本理论

常用的开关电压电源未补偿的开环传递函数Tu可分为单极点和双极点两种，对于单极点一般采用PI（比例积分）补偿，双极点一般采用PID（比例积分微分）补偿。也可以大致理解为电流型控制的采用PI补偿，电压型控制的采用PID补偿。

PI补偿可以用如下电路实现：

WL=1/(R2C2) Wp=1/(R2C1) Gc=R2/R1 (C2>>C1)

Gc是比例因子；零点WL引入积分，当频率小于WL，增益增加，直流增益提高，意味着稳压精度提高；极点Wp使高频的干扰信号迅速衰减。需要注意的是上面的等式是在C2>>C1的假设下得到的，实际选择反馈参数时要注意满足这个条件。

PID补偿可以采用如下方式：

若R1>>R3，C2>>C1，有：

为在fc点获得θ的超前补偿，有：

fL使低频增益加大，提高稳压精度；fz引入相位超前补偿，增加相位裕度；fp1、fp2使高频干扰衰减。注意满足：R1>>R3，C2>>C1。

3.2补偿网络设计实例

画出Tu的Bode图之后，就可以设计补偿网络了。下面对几个实际电路进行分析。

3.2.1 非隔离的电压型BUCK（TPS40007）

输入5.5V，输出3.3V/5A，开关频率fs=300kHz。按照TPS40007的内部结构，锯齿波的幅值是Vm=0.9V，所以控制电压Vc到占空比D的传递函数Gain=1/Vm。补偿网络的设计步骤如下：

/psimu/ZXTJ/TJ6700/small signal 3V

第一步：去掉补偿网络，对控制电压Vc（即补偿网络的输出）进行直流扫描，找到使Vo=3.3V时的Vc值，将Vc的直流分量设为次值，即设置了电路的静态工作点。

第二步：对Vc进行交流扫描，得到未补偿的Vc到Vo的传递函数Tu。Tu的直流增益为15.7dB，交越频率为10.5kHz。

第三步：设计补偿网络参数。由于是电压型控制，所以采用PID补偿。设补偿后的交越频率fc=20kHz，在fc处得到60°的相位补偿；而Tu在fc处的增益是dbGc=-12.38；设置极点fp2=180kHz以抑制高频干扰；R1=36K。按上述参数得到补偿网络的反馈参数：R2=40K（取39k）， C2=7.4nF（取4.7nF），C1=53pF（取47pF），R3=1k， C3=820pF（取1nF）。

仿真结果：fc=24.7kHz， 相位裕度φm=43°。下面是实测的环路BODE 图。

实测的交越频率及相位裕度都比仿真的大些，这是由于频率高了以后，电路的分布参数影响的结果。

3.2.2 隔离的电流型BUCK（TDA16888）

输入400Vdc，输出54V/5A，开关频率fs=100kHz。

/psimu/zx500W/main/small signal1

为便于补偿网络的设计，将光藕部分也归入未补偿的传递函数Tu，即：只将补偿网络分开。那么Tu是光藕的输入Vc（补偿网络运放的输出）到输出Vo的传递函数。

补偿斜率mva的计算：芯片15脚的外接电容100pF，通过内部的10K电阻充电，时间常数只有1us，电源的开关频率是100kHz，在电流信号与Vc比较的瞬间，外接电容已经基本充满了电，对斜率补偿没有多大影响，实际上此处电容的作用只是消除电流检测波形前端的尖峰。对环路特性有影响的斜率是指锯齿波与Vc比较时的斜率。TDA16888芯片内部是将电流检测信号放大了5倍，即加在电流锯齿波信号上的补偿斜率是电流信号本身斜率的4倍。根据实际电路结构，可以算出在变压器原边检流电阻上的电流信号（实际是电压信号）的斜率：

输入电压Vi=400V，变压器变比n=2.875，输出电感Lo=200uH，输出电压Vo=54V，输出电感电流的上升斜率mi=(Vi/n-Vo)/Lo=0.425A/us，折合到原边，电流上升斜率mip=mi/n=0.148A/us，在检流电阻上的电压上升率mv=mip*Rs(0.22)=0.0325V/us=32.5K V/s，也可以通过仿真直接得到电流斜率。由此得到补偿斜率mva=4*mv=130K V/s。

V9是芯片内部的压降。

第一步：先得到Vc到Vo的传递函数Tu。方法是对Vc进行DC扫描，得到使输出电压为Vo时的Vc值，从而确定了电路的工作点（Bias point）。设定Vc的直流分量为工作点的值，然后进行AC扫描，得到Tu：DC增益32.84dB、转折频率fo=23.6Hz。

第二步：确定补偿网络的形式。因为是电流型控制，可以采用PI补偿。补偿前Tu的直流增益dbTuo=32.84dB，Tu的转折频率fo=23.57Hz，Tu的交越频率fc’=1kHz。为提高系统的动态响应，将补偿后的fc提高到2kHz（由于光藕的带宽只有10kHz左右，所以在有光藕隔离的场合，很难将交越频率提得很高）；为提高稳压精度，加入零点fL=fc/10；为抑制高频干扰，加入极点fp=10*fc；在确定R1=33k后，可以算出反馈网络的参数：R2=64k C2=12nF C1=120pF

第三步：将补偿网络加入环路中，此时得到的电路就和实际的一样了。进行偏置点扫描（biaos point swip），得到电路各点的电压，与实际的测试结果比较，保证电路的参数设计合适，比如可以看看光藕的If是否合适。将环路中各器件设计到合适的工作点是保证电路在各种环境下稳定工作及长的工作寿命的前提。注意：补偿网络的参数不会影响电路的静态工作点。确定环路的静态工作点后，加入Lf、Cf及Vsti进行AC扫描，得到整个系统补偿后的开环传递函数T。

在上述仿真电路中，电感Lf很大，对直流信号相当于短路，所以不会影响整个环路的静态工作点，Lf对交流信号来说相当于开路，所以仿真出的T是开环传递函数；Cf也很大，对激励源Vsti来说相当于短路，从而引入激励信号，Cf对直流信号相当于开路，Vsti的任何直流分量不会影响环路的静态工作点。

从仿真结果可以看出，交越频率fc处的相位裕度φm=66°，且频率低于fc的最低相位裕度也有36°，所以系统是稳定的。下面是实测的开环Bode图。

3.2.3 带前馈的电压型隔离BUCK（LM5025）

输入48V，输出3.3V/40A，LM5025控制器，开关频率fs=280kHz，下图是实际电路参数，可以看出测试结果与仿真结果很相似，表示所建的仿真模型准确度是可以信赖的！

LM5025-2

下面对此电路按上面的方法重新设计补偿网络。

首先，将补偿网络移出，画出从光藕输入到Vo的未补偿传递函数Tu。C8、C9、C6、R12不要，R6及Vr1是芯片内部参数，需保留。

从仿真结果可以看出，Tu的直流增益很小，只有-0.44dB。原因是光藕的电阻R5接到了输出Vo，从而降低了Vo对Vc的增益。若将R5接到一个固定电平VCC上，则整个增益增加了，Tu的直流增益增加到25.6dB！以此为基础进行补偿网络设计。由于是电压型控制，所以采用PID补偿。由于本电源的开关频率很高，达fs=280kHz，若没有光藕隔离限制，补偿后的交越频率可取fc=0.2*fs=56kHz，但由于光藕的带宽只有10kHz左右，且光藕引入的相位滞后在5kHz 以后急剧增加，所以为了得到尽可能大的带宽，首先应对光藕进行适当补偿以拓展其带宽。此处在光藕的输出加入RC零点。设补偿后的交越频率为fc=20kHz，Tu在fc处的增益dbGc=-8.67dB，希望在fc处得到60°的相位补偿，设置极点fp2=180kHz以抑制高频干扰，R1=100k//56k=35.9k，计算得到补偿网络如下：

补偿后带宽20kHz，相位裕度30°。仿真得到的相位裕度往往小于预期的值，这是由于补偿网络的运放及未完全补偿的光藕造成的。

3.2.4 准谐振Flyback（UCC28600）

220Vac输入、28V/2.3A输出，光藕+TL431反馈。

UCC28600

先把补偿网络去掉，计算未补偿的Vc到Vo的传递函数Tu，由于光藕直接接到输出，所以Tu的直流增益很低。

下面是实测的环路BODE图，可见仿真结果与实测符合得很好。

第6篇：电路设计及仿真范文

【关键词】Multism10；电路设计与仿真；三相电动机；模拟操作

1.引言

电机的控制电路是生活中广泛的应用电路，也是我们本科（包括电气类、机电类等专业）在校生学习的一个重要的做成部分。自（互）锁控制电路占有很大的比重。然而，在进行相关的实验或实习中，三相交流电往往是很高的电压，具有一定的危险性；并且，三相电机某些参数测定实验（如短路实验）在实际操作中很难进行。针对这些问题，Multism10为实际操作前的准备提供更加贴近实际的环境。这些可以增加我们学生电机控制电路实际操作中的信心和积极性，使我们在实际操作中敢于大胆动手，勇于创新，最终达到对理论知识更加深刻的理解和增强我们的操作的熟练性。

2.Multism10的概述

A、Multism10是美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）推出的一款仿真软件。

B、Multisim 10是一个功能强大的EDA系统，它提供了一个非常大的元器件数据库，同时拥有VHDL和Verilog设计接口与仿真等功能。

C、Multism10操作界面友好，能够利用鼠标完成对元件的选择、连线，元件属性的查看以及修改以及对仿真结果的查看。

D、Multism10提供了电路的多种分析方法，例如：参数扫描分析、噪声分析等；同时也提供了许多的测试元件，如：虚拟电流表、探针、虚拟伏特表等。

3.两个电动机自（互）锁控制电路的设计

3.1 确定电路的控制方式和元件

3.5 两个三相电动机自（互）锁控制电路的功能一览表

3.6 两个三相电机控制电路的仿真过程

A、按开关QF，主电路和控制电路此时得电。

B、若按开关SA，交流接触器KM1线圈得电闭合，此时，原理图中的KM1-1闭合，使电机1的自锁和电机1的连续运转；同时原理图中的KM2-1断开，实现电机1运转时，电机2停止，实现电机1、2互锁。

C、若按开关SB，同理，可实现电机2的自锁和电机1、电机2的互锁。

3.7 结果

通过以上的仿真，仿真的结果符合控制的要求，对于在实践中电机控制电路的操作具有一定的知道意义。

4.结束语

通过Multism10的仿真，不仅可以能够更好地为电工电子实践和实际操作前做准备，减少在实践中的仪器和设备的损坏，更重要的是能够较少电工电子实践中较高电压等因素引起的对操作者的威胁。除此之外，Multism10的仿真电路的运行，使我们在不必导致损坏设备或有危险的情况下能够更好地掌握电路的性能。

参考文献

[1]《职业技能鉴定教材》编委会.电工[M].中国劳动社会保障出版社,2011,12.

[2]邓泽霞,陈新岗主编.电路电子基础实验[M].中国电力出版社,2009.

第7篇：电路设计及仿真范文

论文摘要：由于社会对于电力的总的需求不断增大，同样对于输配电线路的施工技术要求也更加严格，输配电线路施工技术仿真系统的设计成为电力部门非常重视的问题，文章讲述了输配电线路施工技术仿真系统概况和输配电线路施工技术仿真系统功能设计详情，讲述了目前输配电线路施工技术仿真系统的设计策略及应用。

一、输配电线路施工技术概述

目前我国的输配电线路施工技术参与人员数量较多，但是这些人员的能力水平都是各不相同的，操作人员的各方面知识水平和素质也需要提升。对于输配电线路施工操作人员的培训如果仅仅停留在理论的层面，就难以替身操作人员的实践能力，参加培训的人员因为实践比较少，所以技能就比较差，正是这种原因使得人们对于输配电线路施工技术仿真系统的需求也更加迫切。

二、输配电线路施工技术仿真系统设计现状

（一）输配电线路施工技术仿真系统概况

输配电线路施工技术仿真是对现实配电线路施工技术系统的抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到输配电线路施工技术所需的信息，然后帮助实践者对现实世界的输配电线路施工技术的问题做出决策。输配电线路施工技术仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近然而仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。

输配电线路施工技术仿真系统一种先进的实施培训手段，提高培训的效率，强化培训效果。输配电线路施工技术仿真系统的设计是在计算机的基础上开发，通过Internet 软件平台及面向对象程序设计和数据库技术，综合设定，使得输配电线路施工技术仿真系统具有实用性和可维护控制性。

输配电线路施工技术仿真系统的开发，主要是首先起源于国外对于计算机仿真系统的应用，尤其是西方国家如英国、美国等大型企业开发计算机仿真系统，并取得了显著的效果，这样参加培训的人员可以在很短的时间内获得具体输配电线路施工技术作业经验，其技能可以与在现场工作2年的人员比，因此很多国家都看到了计算机仿真技术的优越性，计算机仿真系统也越来越多的应用到各个领域中。目前我国对于仿真系统的应用也是在一些危险性较大的领域，例如大型的锅炉装置、化学化工及变电站的应用中，后来有人提出在输配电线路施工技术作业中应用，但是目前仿真系统在输配电线路施工技术作业中应用仅仅停留在提出的阶段，还没有完全开发出完善的输配电线路施工技术仿真系统。

（二）输配电线路施工技术仿真系统功能设计

目前关于输配电线路施工技术仿真系统的设计的思想越来越统一，即输配电线路施工技术仿真系统必须能够便于施工技术模型的调试和输配电线路画面的构造，输配电线路施工技术仿真系统还应采取先进的运行软件和保证运行数据相分离的一种设计思路。

关于输配电线路施工技术仿真系统功能设计应该分成培训师和受培训者两个方面的功能，对于输配电线路施工技术仿真系统培训师功能应该是输配电线路施工技术仿真系统的集成操作，其主要功能是可以控制受培训者的机器，包括受培训者机器的开始暂停关机等功能，另外可以准确知道受培训者机器是否有事故及分析事故产生源，输配电线路施工技术仿真系统培训师机器功能还应是控制受培训人员考核的现场等具体状况。输配电线路施工技术仿真系统学员机器功能设计，首先要依附于输配电线路施工技术仿真系统培训师机的功能下，即能够受到输配电线路施工技术仿真系统培训师机器的监管控制。在这种模式的输配电线路施工技术仿真系统受培训人员的机器可以提供参家培训人员的操作画面，主要包括操作的流程图、、控制组、趋势图及操作记录等具体的监控画面。

输配电线路施工技术仿真系统将电网仿真系统和输配电线路仿真及配电站系统仿真等有机结合进行设计，该系统应该具有的特点是确保在硬件使用上采用了以局域网应用为核心，利用工作站、开放式系统及微机构成的分布式，以便于以后输配电线路施工技术仿真系统的扩充和升级。此外，在输配电线路施工技术仿真系统软件上采用了软件相互支持系统技术，这样使输配电线路施工技术仿真系统系统更加便于修改和维护。再者，在功能上要更加完善，即充分考虑了仿真电网和输配电线路施工技术仿真系统及仿真变电站之间的相互影响，使输配电线路施工技术仿真系统更加具有真实性。最后，还应通过采用了输配电线路施工技术仿真系统多媒体技术，逐步实现输配电线路施工技术的图像化和可视化，比较完整的反映出输配电线路施工技术作业情况，同时也使仿真的对象更加便于更改和进一步扩充，这样输配电线路施工技术仿真系统就会具有更高的性价比。

通过输配电线路施工技术仿真系统为输配电线路施工技术作业人员提供了一种较为先进的培训手段，同时也彻底改变了传统的培训模式，它的设计及应用可以提高整体的输配电线路施工作业技术，进一步确保电网安全，同样也大大提高了作业者的劳动生产率，为创造良好的经济效益和社会效益发挥着显著的作用。

三、结论

输配电线路施工技术仿真系统仿在不断的发展和完善中，供电有限公司每年都会投入很大的资金和时间等用于施工技术人员的培训及考核，着力开发完善的输配电线路施工技术的仿真系统，使得输配电线路施工技术的仿真系统能自由安排培训项目，并且允许人员在培训中发生各种错误，同时演示出因为操作错误造成的种种后果且不带来任何实际危害，不受其他客观条件的限制，此外还可以人为制造各种故障来综合培训操作人员处理操作中故障的能力。输配电线路施工作业人员进行重复性集中培训，从而使的操作人员在短期内接受较多的培训项目，缩短总的培训周期。可节约大量的培训时间与经费。所介绍的输配电线路施工技术仿真系统目前已经投入运行，实际应用表明该系统能极大地提高培训的质量，在短时间内提高施工技术人员的技术水平，对电力系统的建设起到了重大的推动作用。目前很多设计成果效果较为显著，但是为了进一步提高输配电线路施工技术仿真系统的应用水平，还需要更好的完善输配电线路施工技术仿真系统，争取达到创造更高的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 杨永生，郝小欣.分布交互式仿真技术在变电站仿真中的应用[J]. 电网技术.2000(9)

[2] 汤晓青，周林，栗秋华.输配电线路施工技术仿真系统的设计与实现[J]. 四川电力技术.2007(2)

[3]姜芳芳，来文青，龚庆武.虚拟现实在变电站仿真系统中的应用[J].高电压技术.2005(7)

[4] 王邦志，林昌年，蒲天骄.变电站集中监控仿真系统的设计与实现[J].电网技术.2004(8)

第8篇：电路设计及仿真范文

中图分类号:TN710-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)21-0189-05

Stability Design of Linear Power Amplifying Circuit for Capacitive Loads

YAO Peng, LIU Yan, ZHANG Sheng-xiu

(Department of Base, The Second Artillery Engineering College of PLA, Xi’an 710025, China)

Abstract: Proceeding from stability design of a linear power amplifying circuit and taking a piezoelectric actuator as a research object, the appropriate power operational amplifier was selected for capacitive Loads on the basis of analysis of the relevant design specifications. Two methods for phase compensation of noise gain and feedback zero are adopted to improve the stability of the circuit to avoid overshoot and oscillation. The validity and feasibility of the stability design are verified gradually by theoretical calculation, model simulation and physical test.Keywords: capacitive load; piezoelectric actuator; drive power; amplifying circuit; phase compensation; SPICE

0 引 言

线性功率放大电路在压电材料的驱动、光电管、光谱仪、微机电、纳米工程等方面都有着广泛的应用空间,由于该类应用通常为高精度场合,因此,要求放大电路具有良好的稳定性。其中,压电执行器是利用逆压电效应,通过功率放大电路,以驱动容性压电负载,因此,在设计时必须考虑到容性负载的技术特点和压电执行器的应用要求[1-3]。

如表1所示,某压电执行器要求在±200 V的直流电源作用下,在±10 V的输入电压范围内,能够输出360 V的电压峰峰值,其工作频率从直流至10 kHz。容性压电负载可以等效为10.6 nF的电容,电路工作环境为25 ℃,且只采用空气对流冷却。

表1 放大电路的设计指标

参数指标参数指标

电源电压+VS=+200 Vdc-VS=-200 Vdc频率范围直流至10 kHz正弦波

输入电压峰峰值VIN=±10 V压电负载CL=10.6 nF

输出电压峰峰值VOUTP-P=360 V散热方式T=25 ℃空气对流冷却

1 功率放大器的选择

功率放大器的选择步骤:

第一步:利用最高频率和最大电压摆幅,计算大信号响应下的转换速率。为了能够跟踪上给定的频率和输出振幅下的正弦波,所需转换速率S.R:

S.R=2πfVOP×(1×10-6)

=2π×104×180×10-6=11.3 V/μs

第二步:在最高频率下,容性负载会产生最大电流,可以采用两种方法得到输出电流峰值[4]IOP:

方法一:

XC=12πfCL=12π×104×10.6×10-9=1.5 kΩ

IOP=VOPXC=1801.5×103=120 mA

方法二:

IOP=CLdVdt=10.6×10-9×11.310-6=120 mA

第三步:计算最坏情况下的功耗[5]PDOUTMAX:

PDOUTMAX=V2S2ZL4π-cos θ

=4V2S2πXC=4×20022π×1.5×103=17.0 W

上式主要显无功负载,θ>40°

第四步:如表2所示,针对放大器的设计指标,选择适用的功率运算放大器。

表2 放大器的设计指标

指标参数指标参数

电源电压+VS=+200 Vdc-VS=-200 Vdc输出电流峰值IOP =120 mA

转换速率S.R=11.3 V/μs输出电压峰值VOP=180 V

最大输出功耗PDOUT MAX =17 W

如图1所示,由PA85的参数可知,当输出电流为±200 mA时,在最坏情况下的饱和压降为10 V。因此,可以满足输出电流峰值为120 mA时,输出电压峰值为180 V的设计指标[6]。

图1 PA85的参数(部分)

如图2所示,由PA85的功率响应可知,无论补偿电容Cc选择为图中任何三种数值,在10 kHz的频率以下,输出电压都处在360 V的峰峰值范围内,因此,满足设计指标[6]。

图2 PA85的功率响应

如图3所示,由PA85的外部连接和相位补偿可知,当选择补偿电容Cc为10 pF、补偿电阻Rc为330 Ω时,增益则为20,可以满足输入电压峰值为10 V,输出电压峰值为180 V,增益为18的设计指标[6]。

图3 PA85的外部连接和相位补偿

如图4所示,由PA85的转换速率可知,当选择Cc为10 pF时,转换速率S.R最大值为400 V/μs,因此,可以满足转换速率为11.3 V/μs的设计指标[6]。

图4 PA85的转换速率

如图5所示,由PA85的小信号响应可知,当闭环增益为18,相当于25.1 dB时,选择Cc为10 pF,该电路的闭环带宽fcl大约为2 MHz。首次检验表明:PA85不仅能够在大信号域内,跟踪上10 kHz的正弦波信号,而且也有足够大的带宽,以满足在小信号域内,10 kHz下的平坦响应[6]。

图5 PA85的小信号响应

如图6所示,根据功率去额的通常经验:当环境温度为25 ℃时,可以通过散热器利用空气对流冷却,以保持放大器的管壳温度在85 ℃。因此,由PA85的功率降额可知,由于最大输出功耗PDOUTMAX为17 W,几乎与Tc为85 ℃的垂线相交,这就意味着初步满足该电路针对散热方式的设计指标[6-7]。

图6 PA85的功率去额

2 电路的稳定性设计

2.1 容性负载的开环增益

如图7所示,开环增益Aol和小信号交流增益1/β的交汇点为闭合频率fcl,此处的环路增益Aolβ为0 dB。当线性功率放大电路驱动容性压电负载时,放大器的输出阻抗Ro和容性负载CL会在开环增益Aol的高频部分增加一个极点,使其改变为含有容性压电负载CL的开环增益Aol w/CL。通过闭合率稳定性检查发现:在fcl处的闭合率为40 dB/dec,大于20 dB/dec,这意味着在fcl以前存在着两个极点,相当于180°的相位移,这就有可能产生破坏性振荡[4]。

图7 PA85的小信号响应曲线

2.2 一阶稳定性分析

2.2.1 幅频曲线的稳定性分析

第一步:如图8所示,由于50 Ω的输出阻抗Ro,4.64 Ω的电流限制电阻[8]RCL和容性负载CL的共同作用下,在开环增益Aol w/CL增加的极点频率fp2:

fp2=12π(Ro+RCL)CL

=16.28×(50+4.64)×10.6×10-9=274.9 kHz

第二步:如图8所示,在低频部分,由于阻性反馈Rf和Ri决定的小信号交流增益1/βlow是一个25.1 dB的水平线,其与含有容性压电负载的开环增益Aol w/CL曲线的闭合率为40 dB/dec,因此,必须提高电路的稳定性。

图8 幅频曲线的一阶稳定性分析

第三步:如图9所示,噪声增益相位补偿法是以维持闭环增益不变的基础上,在高频部分增加了放大电路的整体噪声增益,其缺点是减小了闭环带宽;反馈零点相位补偿法是以单位增益稳定性为代价,其优点是提高了闭环带宽。因此,可以根据性能折中的原则,将上述两种相位补偿法相融合[9-11]。

图9 噪声增益相位补偿法与反馈零点相位补偿法

由Rn和Cn组成的噪声增益相位补偿网络,提高了在高频部分的小信号交流增益1/βhi:

1βhi=RfRn=90×103900=100=40 dB

高频噪声增益的极点频率fp5为:

fp5=12πRnCn=16.28×900×0.18×10-6=9.8 kHz

如图8所示,噪声增益的零点频率fz1可以按照20 dB/dec的闭合率,由噪声增益的极点频率fp5,向小信号交流增益1/βlow变化。然而,仅靠噪声增益相位补偿法,闭合率仍旧为40 dB/dec。

第四步:如图8所示,反馈零点相位补偿法是在小信号交流增益1/βhi上增加一个极点,极点频率设置在闭合频率fcl十分频处,目的是防止Aol曲线随时间和温度发生向左漂移[12],这就可能会导致出现40 dB/dec的闭合率。Cf和Rf的极点频率fp6为:

fp6=12πRfCf

=16.28×90×103×18×10-12=98 kHz

如图8所示,由于小信号增益不能小于[4]0 dB,因此,1/β曲线与0 dB相交形成了零点频率fz2。

第五步:由于在闭合频率fcl处的闭合率为20 dB/dec,因此,初步完成了该电路的稳定性设计。

2.2.2 相频曲线的稳定性分析

如图10所示,从直流到fcl处,相位裕度Φ≥45°,因此该电路应具有较好的稳定性。

2.3 功率设计软件的稳定性分析

采用APEX公司的功率设计软件可以在一阶稳定性分析基础之上进一步提高分析精度[13-14]。

功率设计软件分析的性能指标(部分)如下:估计的闭合频率为1 333521 kHz;建议的最大带宽为42169 65 kHz;估计的闭合率为20 dB/dec;估计的相位裕度为54144 3°;总的输出电阻Zout为5464 Ω;Zout/Cload的极点频率fp2为274789 085 4 kHz;直流的小信号交流增益1/β为256 dB;噪声增益为159 dB;Noise Gain的极点频率fp5为9824 379 039 kHz;噪声增益的零点频率fz1为1.568 598 037 kHz;Cf/Rf的极点频率fp6为98.243 786 57 kHz;Rf/Cf的零点频率fz2为11 691.010 6 kHz。

建议的最大带宽指的是环路增益Aolβ减小到20 dB处的频率,相当于Aol与1/β的差值为20 dB。如图11,图12所示,在1.5 kHz处的相位裕度为54.1°。

图10 相频曲线的一阶稳定性分析

图11 功率设计软件分析的幅频曲线

图12 功率设计软件分析的相频曲线

2.4 Spice仿真的稳定性分析

如图13所示,利用APEX提供的PA85的宏模型,在NI公司的Multisim 10仿真器下,构建线性功率放大电路的Spice模型。

如图14所示,根据Spice环路增益测试法,将原有的输入信号端置零,在反馈接入点串联上1 GH的电感L、并联上1 GF的电容C,加入测试信号源Vin,其中环路增益Aolβ为Bode_OUT与Bode_IN之比[15],采样点设置为MultisimTM允许的最大值1 000。

图13 线性功率放大电路的Spice模型

图14 Spice环路增益测试法

如图15所示,考虑到放大器开环增益普遍具有的离散性,该误差是可以接受的,但是相位裕度通常必须大于[4]45°。

图15 Spice环路增益波特图

2.5 实际电路的稳定性分析

如图16所示,由于实际电路很难将反馈网络断开,因此可以采用“方波测试法”检测相位裕度。该方法是在1 kHz的频率下,调节输入的幅度,使其输出方波达到2Vpp,并在不同的输出直流偏置下,检测输出方波顶部的超调和振荡,并对照开环相位裕度与阻尼系数的关系曲线,从而得到较完整的相位裕度,以确保在不同应用下无异常[10]。最坏情况是当输出直流偏置为零时,导致Ro为最大值[12,16],此时,阻尼系数大约为0.7,相位裕度大约为50°。

图16 方波测试法(直流偏置为零的情况)

3 结 语

线性功率放大电路的设计是一个复杂的工作,尤其是在针对容性负载时,极点和零点的设置变得更加复杂,这些都可以借助功率设计软件、模型仿真和实物检测的方法来解决这些问题。本次稳定性设计是在提高带宽的同时,处理好了极点和零点的问题,从而避免了超调和振荡,实验结果表明所做的稳定性设计是有效的、可行的。

参考文献

[1]Physik Instrument. Piezoelectrics in positioning nanopositioning piezoelectrics [M]. [S. l.]: Physik Instrument, 2009.

[2]丁文明,王代华.一种压电陶瓷执行器动态驱动电源[J]. 压电与声光,2008(3):297-300.

[3]李福良.基于PA85的新型压电陶瓷驱动电源[J].压电与声光,2005(4):392-394.

[4]Cirrus Logic Corporation. Driving capacitive loads [EB/OL]. [2009-11-25]. Http:///p-70421833.

[5]Cirrus Logic Corporation. General operating considerations [EB/OL]. [2009-11-11]. Http://.

[6]Cirrus Logic Corporation. PA85/85A product data sheet [EB/OL]. [2009-11-16]. Http:∥.

[7]Cirrus Logic Corporation. Thermal techniques [EB/OL]. [2009-10-20]. Http://.

[8]Cirrus Logic Corporation. Foldover current limiting [EB/OL]. [2009-11-13]. Http://.

[9]Cirrus Logic Corporation. Wideband low distortion techniques [EB/OL]. [2009-11-13-23]. Http://.

[10]Cirrus Logic Corporation. Stability for power amplifiers [EB/OL]. [2009-11-13]. Http://.

[11]Texas Instruments. Capacitance-load stability: RISO, high gain & CF, noise gain [EB/OL]. [2010-07-12]. .

[12]GREEN Tim. Loop-stability key tricks and rules of thumb [EB/OL]. [2010-08-24]. http:∥en.genius. net.

[13]姚鹏,张胜修,王道平,等.某伺服PWM驱动系统中低通功率滤波电路优化设计[J].现代电子技术,2009,32(10):178-181.

[14]姚鹏,张胜修,王道平,等.弹用伺服PWM驱动系统中反馈电路的优化设计[J].弹箭与制导学报,2009(3):227-230.

[15]GREEN Tim. Op amp networks, Spice analysis [EB/OL]. [2010-07-10]. .

[16]Cirrus Logic Corporation. SOA Advantages of MOSFETS [EB/OL]. [2009-11-02]. .

第9篇：电路设计及仿真范文

关键词：Proteus；电路设计；四路彩灯；仿真实验

1Proteus软件的概述

Proteus软件是由英国LabcenterElectronics公司开发的一款EDA工具软件，是目前世界上最先进最完善的电路设计与仿真平台。Proteus软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科设计的电路进行设计与仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子电路设计与仿真软。在Proteus编辑界面绘制电路原理图，通过仿真计算，修正错误，直到符合设计指标要求，确定设计方案，输出设计图，自动生成PCB图、修订。

2Proteus在电子电路设计中的应用实例

以四路彩灯数字电路设计为例，结合Proteus软件辅助电子电路设计。其技术指标要求如下：（1）共四个彩灯，分别实现三个过程，构成一个循环共12秒:；（2）第一个过程要求四个灯依次点亮，共4秒；（3）第二个过程要求四个灯以此熄灭，共4秒，先亮者后灭（4）最后4秒要求四个灯同时亮一下灭一下，共闪4下。

2.1核心器件74LS194简介

主要是考察设计四位双向通用移位寄存器74LS194的灵活应用，四个灯可用四个发光二极管表示。如图1，图中MR为复位信号，正常工作时应接高电平；CLK为时钟信号，上升沿到来时有效。

2.2题目分析与设计

把四路彩灯接在74LS194的Q0~Q3上，SR稳定接在一高电平，SL稳定接地地位，而D0~D3接周期为1秒的方波信号。三个过程每个4秒，加起来正好是12秒。图2是正确的CLK信号与1HZ方波信号的比较。前面我们已经确定D0~D3接1Hz的方波信号，那么Q0~Q3在读D0~D3的信号时是在CLK上升沿到来的一瞬间，看图3的前半部分。当74LS194的工作方式为11时，一定要改变CLK的信号频率为D0~D3信号频率的2倍，才可以在D0~D3的一个周期内出现CLK的两个上升沿，Q0~Q3分别读到1和0各一次，如图3的后半部分。即正确的时钟信号在整个12秒时间应该是前8秒为1Hz的频率，后4秒变为2Hz的方波信号，再用D触发器分频产生1HZ的方波信号。

2.3电路实现

连接电路如图3所示。因为设计出的是一个同步时序逻辑电路，注意途中两个D触发器的时钟连接在一起接周期为4秒的时钟信号。

3仿真

根据以上分析，连接电路如图7所示，其中省去了555及二分频电路，直接用数字脉冲源进行仿真。另外，图中所有D触发器的异步输入端在实际电路连接时最好接高电平。产生时钟的电路用与非逻辑替代了与或逻辑。因为与非门的应用最普遍。平时我们在设计电路时，通过卡诺图化简得到的与或式，要想全部用与非门实现，可在草纸上直接画成与或逻辑，然后只需要在与门的输出端与此线的另一头即或门的输入端各加一个小圆圈，两个逻辑非抵消，不影响逻辑关系，直到把或门的输入处理完毕为止。这样或门前面的与门都变成了与非门，或门变成了非或门，而根据摩根定理，非或门恒等于与非门。

参考文献

[1]王尔申，庞涛，，等．Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应［J］．实验技术与管理，2013，78~81．

[2]尉乔南，曹原.基于Proteus的四路彩灯设计[J].科技信息(学术版)，2008，19:179~182．