电子电路设计与仿真实验

电子电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与仿真实验 电子电路设计与仿真实验 目 录 实验一 NI multisim 10仿真软件的基本操作 ..........................错误～未定义书签。 实验二 晶体管放大器电路实验..............................................错误～未定义书签。 实验三 门电路..........................................................................错误～未定义书签。 实验四 时序逻辑电路实验......................................................错误～未定义书签。 实验五 集成运算放大器电路实验..........................................错误～未定义书签。 实验六 波形发生器电路..........................................................错误～未定义书签。 实验七 模拟乘法器电路..........................................................错误～未定义书签。 实验八 集成定时电路..............................................................错误～未定义书签。 实验一 NI multisim 10仿真软件的基本操作 一、实验目的和要求 掌握NI multisim 10系统，NI multisim 10的主窗口、菜单栏、工具栏、元器件库、仪器仪表库的基本界面;NI Multisim 10的文件(File)、编辑(Edit)、创建子电路等基本操作;元器件的操作、电路图选项的设置、导线的操作、输入/输出端等电路创建的基础;数字多用表、示波器、函数信号发生器、电压表、电流表等仪器仪表的基本操作;NI Multisim 10的电路分析菜单和分析方法。 二、实践内容或原理 重点掌握NI Multisim 10仿真软件的基本操作方法，重点是NI Multisim 10的菜单、工具栏、元器件库、仪器仪表库、电路创建的操作方法。主要包含有: 1. NI multisim 10的基本界面、主窗口、菜单栏、工具栏 2. NI multisim 10的元器件库 3. NI multisim 10的仪器仪表库 4. NI multisim 10的基本操作 a. 文件(File)基本操作 b. 编辑(Edit)的基本操作 c. 创建子电路(Place?NewSubcircuit) d. 在电路工作区内输入文字(Place?Text) e. 输入注释(Place?Comment) f. 编辑图纸标题栏(Place?TitleBlock) 5. 电路创建的基础 a. 元器件的操作 b. 电路图选项的设置 c. 导线的操作 e. 输入/输出端 6.仪器仪表的使用 a. 仪器仪表的基本操作 b. 数字多用表(Multimeter) c. 函数信号发生器(Function Generator) d. 瓦特表(Wattmeter) e. 示波器(Oscilloscope) f. 波特图仪(Bode Plotter) g. 字信号发生器(Word Generator) h. 逻辑分析仪(Logic Analyzer) i. 逻辑转换仪(Logic Converter) j. 失真分析仪(Distortion Analyzer) k. 频谱分析仪(Spectrum Analyzer) l. 网络分析仪(Network Analyzer) m. 电流/电压(I/V)分析仪 n. 测量探针和电流探针 o. 电压表 p. 电流表 7. NI multisim 10的分析菜单 三、需用的仪器、试剂或材料等 1.计算机 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业 出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. NI multisim 10的基本界面、主窗口、菜单栏、工具栏的介绍和操作 2. NI multisim 10的元器件库的介绍和操作 3. NI multisim 10的仪器仪表库介绍和操作 4. NI multisim 10的文件、编辑、子电路创建等基本操作 5. 元器件的操作、电路图选项的设置、导线的操作等电路创建的基础操作 6. 数字多用表、函数信号发生器、示波器等仪器仪表的使用 7. NI multisim 10的分析菜单的介绍和操作 五、思考 1(Multisim软件具有哪些优势, 2(什么时候需要放置节点, 3(手动连线和自动连线有什么区别, 4(要得到电路的幅频特性和相频特性，有几种方法可以实现, 5(如何分析电路的静态工作点, 实验二 晶体管放大器电路实验 一、实验目的和要求 1.掌握单管放大器电路基本原理、静态工作点的分析、动态分析。 2(掌握负反馈放大器电路工作原理，负反馈对失真的改善作用，负反馈对频带的展宽。 二、实践内容或原理 1(单管放大器电路基本原理 图2.1.1为电阻分压式工作点稳定的单管放大器电路图，偏置电路采用RB11和R组成B12分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端的 加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号u，从而实现了电压放大。 o 在图2.1.1电路中，当流过偏置电阻RB11和RB12的电流远大于晶体管的基极电流时IB(一般5,10倍)，静态工作点可用下式估算 RB12U,VCC BR，RB11B12 U,UBBEI,,IECRE U,V,I(R，R)CECCCCE电压放大倍数 输入电阻 式中，rbe为三极管基极与发射极之间的电阻。 输出电阻 R?R OC 图2.1.1 电阻分压式工作点稳定放大电路 2. 负反馈放大器电路工作原理 图2.2.1为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路，在电路中通过(RF)把输出电压Ru引Fo 端，加在晶体管V(VT1)T的发射极上，在发射极电阻R(RF1)上形成反馈电压。根u1F1f 回到输入 据反馈的判断法可知，它属于电压串联负反馈。 ? 闭环电压放大倍数 AuA= uf1，AFuu 其中， UO A,uUi 式中，Au为基本放大器(无反馈)的电压放大倍数，即开环电压放大倍数; 1，AuFu为反馈深度，它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度。 ? 反馈系数 RF1F, uR，RFF1 uo ui 图2.2.1 带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器 ? 输入电阻 R,(1，AF)R ifuui 式中，Ri为基本放大器的输入电阻。 ? 输出电阻 ROR, Of1，AFuOu 式中，RO为基本放大器的输出电阻。AuO为基本放大器R,?时的电压放大倍数。 L 三、需用的仪器、试剂或材料等 1.计算机 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. 按照图2.1和图2.2，构造电阻分压式工作点稳定放大电路和带有电压串联负反馈的 两级阻容耦合放大器电路; 2( 输出不失真的情况下进行单管放大器静态工作点的分析 3( 进行单管放大器的动态分析 4( 分析负反馈对失真的改善作用 ( 分析负反馈对频带的展宽 5 五、思考 1(如何估算单管放大器的静态工作点和放大倍数, 2(若单管放大器的输出有失真，应从哪几个方面考虑,单管放大器的静态工作点如何调整, 3(测试负反馈放大电路的通频带时，纵坐标采用线性还是分贝值显示哪一种更方便, 实验三 门电路 一、实验目的和要求 1. 掌握门电路组成的应用电路的仿真设计与分析方法，重点掌握编码器电路和译码器 电路的电路结构与计算机仿真设计方法。 2(掌握电路中竞争冒险现象的分析与消除。 二、实践内容或原理 1(编码器电路 YY用两片74LSl48接成16线—4线优先编码器电路如图3.1.1所示，将,16个低电015平输入信号编为0000,1111 16个4位二进制代码。其中的优先权最高，的优先权最YY150低。 由于每片74LSl48只有8个编码输入，所以需将16个输入信号分别接到两片上。现将 ,8个优先权高的输入信号接到第1片(U)的输入端0,7，而将,8个优先权低的YYYY15870输入信号接到第2片(U1)的输入端0,7。 按照优先顺序的要求，只有Y,Y均无输入信号时，才允许对Y,Y的输入信号编15870 码。因此，只要把第1片的“无编码信号输入”信号E0作为第2片的选通输入信号。 S1 此外，当第1片有编码信号输入时它的=0G，无编码信号输入时G=1，正好可以用它SS 作为输出编码的第四位，以区分8个高优先权输入信号和8个低优先权输入信号的编码。 由图3.1可见，当,中任一输入端为低电平时，例如,0，则片(U)G=0，Z=1, YYYS315811 =011。同时片(U)的E0=1，将片(U1)封锁，使它的输出=111。,于AAYYAAAA001582211 是在最后的输出端得到Z=1011。如果,中同时有几个输入端为低电平，则只对YY3Z2Z1Z0158 其中优先权最高的一个信号编码。其他编码结果读者可通过仿真观察。 在进行仿真时要注意调节二极管的参数，本例调节二极管的端电压为3V时，发光二极管亮。 图3.1.1用两片74LSl48接成16线—4线优先编码器 2(译码器驱动指示电路 74145是BCD码到十进制数译码器，其逻辑功能见表3.2.1。74145为集电极开路输出型的电路(其吸收大电流的能力较强且输出管具有高的击穿电压。74145的逻辑符号如图3.2.1所示，用74145选择驱动指示灯和继电器的电路如图3.2.2所示。 表3.2.1 74145逻辑功能表 图3.2.1 74145的逻辑图 74145:4输入 P3,,P0 10输出 Q9,,Q0 输入高电平有效 输出低电平有效 完全译码: 输入二进制数为0—9时，对应一个输出为低; 输入为10—15时，输出全部为高; 字信号发生器对话框如图3.2.3所示。 本例设置起始地址是0000，终止地址是0009。字信号的输出方式分为Step(单步) 用鼠标单击一次Step按钮，字信号输出一条。这种方式可用于对电路进行单步调试，便于 观察电路变化状态。 图3.2.2 译码器驱动指示灯电路 图3.2.3 字信号发生器对话框 3(竞争冒险现象的仿真 ? 竞争冒险现象的仿真电路例1 竞争冒险现象的仿真电路例1如图3.3.1(a)所示，该电路的逻辑功能为，从逻辑表达式来看，无论输入信号如何变化，输出应保存不变，恒为1(高电平)。但实际情况并非如此，从仿真的结果可以看到，由于74LS05D非门电路的延时，在输入信号的下降沿，电路输出端有一个负的窄脉冲输出，这种现象称为0(低电平)型冒险。 (a) 竞争冒险现象的仿真电路例1 (b) 0(低电平)型冒险输出 图3.3.1 竞争冒险现象的仿真电路与输出波形 ? 竞争冒险现象的仿真电路例2 竞争冒险现象的仿真电路例2如图3.3.2(a)所示，该电路的逻辑功能为，从逻辑表达式来看，无论输入信号如何变化，输出应保存不变，恒为0(低电平)。但实际情况并非如此，从仿真的结果可以看到，由于74LS05D非门电路的延时，在输入信号的上 升沿，电路输出端有一个正的窄脉冲输出，这种现象称为1(高电平)型冒险。 (a) 竞争冒险现象的仿真电路例2 (b) 1(高电平)型冒险输出 图3.3.2 竞争冒险现象的仿真电路与输出波形 ?竞争冒险现象的仿真电路例3 AB，AC竞争冒险现象的仿真电路实例3如图3.3.3所示，该电路的逻辑功能为，已 F,A，A,1知B=C=1，所以。从逻辑表达式来看，无论输入信号如何变化，输出应保持 不变，恒为1(高电平)。但实际情况并非如此，从仿真的结果可以看到，由于74LS09D与门电路的延时，在输入信号的下降沿，电路输出端有一个负的窄脉冲输出，这种现象称为0(低电平)型冒险。 (a) 竞争冒险现象的仿真电路实例3 (b)0(低电平)型冒险输出 图3.3.3 竞争冒险现象的仿真电路与输出波形 ?竞争冒险现象的消除 竞争冒险现象的判断:在某种特定情况下，有可能出现和式;或F,A，AF,AA是看诺图有相切但不相交的圈。 消除竞争冒险有以下几种常用方法:加取样脉冲;增加冗余项;在输出端接滤波电容;加封锁脉冲等。加取样脉冲和封锁脉冲要求有精确的时序，输出端接滤波电容会使输出波形变坏，为了使波形变好有时候还要加整形电路;加冗余项会增加门电路。 为了消除图3.3.3(a)所示电路的竞争冒险现象，修改逻辑设计，增加冗余项BC，该电路的逻辑功能为，修改后的电路和仿真结果如图3.4.2所示，输出保持不AB，AC，BC 变，恒为1(高电平)，电路的竞争冒险现象被消除。 实例3冗余项的添加方法:先画出卡诺图，然后添加相切但不相交的项。图3.8为实例3的卡诺图。虚线框为相切但不相交的项即冗余项BC。 A BC 00 01 11 10 1 1 0 1 1 1 图3.4.1 竞争冒险现象仿真实例3的卡诺图 (a) 增加冗余项BC (b)输出保持不变(高电平) 图3.4.2 消除竞争冒险现象的电路与输出波形 三、需用的仪器、试剂或材料等 1.计算机 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. 按照图3.1.1和图3.2.2所示电路，构造用两片74LSl48接成16线—4线优先编码器和译码器驱动指示灯电路。 YY2(改变图3.1.1中, 16个4位二进制代码的编码，观察LED1~LED4的显示状015 态。 3(改变图3.2.2中字信号发生器的内容，观察电路变化状态。 4(按照图3.3.1、图3.3.2构造竞争冒险现象的仿真电路，观察竞争冒险现象仿真电路的输出波形(可不记录波形);按照图3.3.3构造竞争冒险现象的仿真电路，观察竞争冒险现象 仿真电路的输出波形(记录波形)。 5(按照图3.4.2构造消除竞争冒险现象的电路，观察消除竞争冒险现象电路的输出波形。 五、思考 1(如何判断电路中存在竞争冒险, 2(如何消除电路中存在的竞争冒险,各种方法有何特点, 3(如何用添加冗余项法消除竞争冒险, 实验四 时序逻辑电路实验 一、实验目的和要求 1(掌握双J-K触发器组成的时钟变换电路的电路结构与计算机仿真设计方法。 2(掌握四锁存D型触发器组成的智力竞赛抢答器电路的电路结构与计算机仿真设计方法。 二、实践内容或原理 1(双J-K触发器组成的时钟变换电路 该电路主要用于单一双时钟脉冲的转换，可作为双时钟可逆计数器的脉冲源。图4.1.1所示电路是由双J-K触发器CC4027和四2输入端与非门CC4011构成的时钟变换电路。将 CC4027的J1端(引脚6)接至端(引脚2)，K1端(引脚5)接至Q1端(引脚1)，CP1 Q1 端(引脚3)接与非门U2A和门U2C的输入端。假设Q1端初始状态为低电平“0”状态，当 图4.1.1 时钟变换电路 CP1脉冲上升沿到达后，Q1端变为高电平“1”状态，端为低电平“0”状态。CP1脉冲Q1 和Q1端输出经门U2A与非后送入反相器门U2B，输出一个与CP脉冲同步的脉冲。 当第二个CP上升沿到达后，Q1变为低电平“0”状态，变为高电平“1”状态。CPQ1 和端输出经门U2C与非后送入反相器门U2D，输出一个与CP脉冲同步的脉冲。 Q1 应当指出:经转换的双时钟脉冲，其频率为CP的二分之一，QA与QB相差180?波形如图4.2所示。 为了避免输出端出现竞争冒险，将时钟经两级与非门延迟后再加到与非门U2A和U2C的输入端。 图4.1.2 QA、QB输出波形图 2(四锁存D型触发器组成的智力竞赛抢答器 智力竞赛抢答电路如图4.2.1所示，该电路能鉴别出4个数据中的第1个到来者，而对随之而后到来的其它数据信号不再传输和作出响应。至于哪一位数据最先到来，则可从LED指示看出。该电路主要用于智力竞赛抢答器中。 图4.2.1所示电路是由四锁存D型触发器4042BD，双4输入端与非门4012BD、四2 输入端或非门4001BD和六同相缓冲/变换器4010BC1构成的智力竞赛抢答器。电路工作时，BD4042的极性端EO(POL)处于高电平“1”，E1(CP)端电平由,和复位开关产生Q0Q3 的信号决定。复位开关K5断开时，400lBD的引脚2经上拉电阻接VCC，由于,K4均为K1关断状态，DO,D3均为低电平“0”状态，所以,高电平“1”状态，CP端为低电平“0”Q0Q3 状态，锁存了前一次工作阶段的数据。新的工作阶段开始，复位开关K5闭合，4001BD的引脚2接地，4012BD的输出端引脚1也为低电平“0”状态，所以E1端为高电平“1”状态。以后，E1的状态完全由4042 BD的输出端电平决定。一旦数据开关‎‎(K,K)有一个闭合，Q14 则Q0,Q3中必有一端最先处于高电平“1”状态，相应的LED被点亮，指示出第一信号的位数。同时4012BD的引脚1为高电平”1”状态，迫使E1为低电平“0”状态，在CP脉冲下降沿的作用下，第一信号被锁存。电路对以后的信号便不再响应。 该电路还可用于数字系统中，可检测群脉冲的时序。图中的,K3K开关如果是机械触1 点，则需对输入信号进行整形，以是高系统抗干扰能力。4010BC1为电平接口电路，将CMOS集成电路高电平电压转换成适合LED工作的电压。 图4.2.1 智力竞赛抢答电路 三、需用的仪器、试剂或材料等 1.计算机 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. 按照图4.1.1和图4.2.1所示电路，构造时钟变换电路和智力竞赛抢答电路。 2(观察图4.1.1中，CP上升沿到达后，Q1和的状态变化，以及QA与QB输出频率Q1 的变化。 3(改变图4.2.1电路中的K,K3开关状态，观察LED1~LED4的显示状态。 1 五、思考 1(时钟电路经两级与非门后再接入与非门U2A和U2B的作用是什么, 2(如果图4.2.1的几个开关同时闭合，信号将如何被响应, 实验五 集成运算放大器电路实验 一、实验目的和要求 掌握比例求和运算电路、积分与微分电路、一阶有源滤波器、二阶有源低通滤波器、二阶有源高通滤波器的电路结构与计算机仿真设计方法。 二、实践内容或原理 1(反相比例运算电路 注意“虚短”、“虚断”概念的应用和电路的最大饱和输出。 图5.1.1 反相比例运算电路 UUio反相比例运算电路如图5.1.1所示。由,,，可知该电路的输出电压与输入电RR1F 压之间的关系为: R FU,,UOiR1(5.1.1) 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R,R?/R。 21F 2(反相加法电路 UUUi1i2O，,,反相加法电路如图5.2.1所示。由，输出电压与输入电压之间的关RRR12F 系为: RRFFU,,(U，U) (5.2.1) Oi1i2RR12 式中，R=R?R?R。 312F 图5.2 .1反相加法运算电路 3(同相比例运算电路 UU,Uioi图5.3.1是同相比例运算电路。由,，输出电压与输入电压之间的关系为 RR1F RF R,R // R (5.3.1) U,(1，)U21FOiR1 当R??时，U,U，即得到如图5.4所示的电压跟随器。图中,RR，用以减小漂1Oi2F移和起保护作用。一般RF取10KΩ，RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。 图5.3 .1同相比例运算电路 图 5.3.2电压跟随器电路 图5.4.1减法运算电路图 4(减法运算电路 UU,U2i1oiU,,U,,R,U,U减法运算电路图5.4.1所示。又有，可，,F,oR，RR，R231F UU,U21ioiU,R知 = +，当R,R，R,R时，有如下关系式 123FFoR，RR，R231F RFU,(U,U) (5.4.1) Oi2i1R1 5(积分电路 反相积分电路如图5.5.1所示。 5.5.1 反相积分运算电路 在理想化条件下，输出电压uO(t)等于 t1 (5.5.1) u(t),,udt，u(0)0ic,0RC1 式中，U(0)是t,0时刻电容C两端的电压值，即初始值。 C 如果u(t)是幅值为E的阶跃电压，并设(o)U,0，则 ic tE1 (5.5.2) ut,,Edt,,t()0,0RCRC11 即输出电压u(t)随时间增长而线性下降。显然时间常数R1C的数值越大，达到给定的u值所oo ,10VU间就越长。假设运放的最大输出电压为，在时间t内积分达到最大值，则需的时omax RCTE1t,,t,U,t,,U, 若刚好在半个周期积分达到最大值，则, 由omaxomax2RCE1 输入信号的频率可得出t的值。输入信号的幅度为E，时间常数的值,,RC可知。通常取1R110K，C,1,F。通常在C的两端并联一个R(R)，为积分漂移泄漏电阻，防止积分漂2F, R,10R,移所造成的饱和和截止现象，取故此例中，若输入信号的幅度为2V，频率为F1 500Hz，则取R=10K=R，R=100K。输入信号的则132 RCRCT11取，则取t,,1ms,t,,U,，10,1ms,RC,0.2ms,RC,0.5msomax112E2 nF标称值47，若是计算峰峰值，要乘以2，本例中的值为7.9V(实UUC,50nF,omaxomax测)。。 R,R//R,9.1KP1F 图5.5.1中输入为方波信号，点击示波器图标可以观察到输入、输出波形，如图5.5.2。 5.5.2 反相积分运算电路输入输出波形 6(微分电路 微分是积分的逆运算。将积分电路中和RC的位置互换，可组成基本微分电路。在理想化条件下，输出电压uO等于 dui,,uRC (5.6.1) 0dt 一个实用的微分电路如图5.6.1所示，在输入回路中接入一个电阻R与微分电容C1串 1，，R联，在反馈回路中接入一个电容C与微分电阻R1并联，要求=36k(C起相位补偿作1,C 1用，提高电路稳定性)，(R起限制输入电流作用)，此时R1、C1对微分电路的影，，R,c1 响很小。 图5.6.1 实用的微分电路 但当频率高到一定程度时，R1、C1的作用使闭环放大倍数降低，从而抑制了高频噪声。同时置R、C1形成一个超前环节，对相位进行补偿，提高了电路的稳定性。图5.6.1中输入为方波信号，点击示波器图标可以观察到输入、输出波形。 7(二阶有源低通滤波器 一个二阶有源低通滤波器电路如图5.7.1所示。启动仿真，点击波特图仪，可以看见二阶有源低通滤波器的幅频特性。 1截止频率可得f。 f,340Hz,, ,RCRC21122 利用AC Analysis(交流分析)可以分析二阶有源低通滤波器电路的频率特性。 图5.7.1 二阶有源低通滤波器电路 图5.7.2二阶有源低通滤波器电路的幅频特性 8(二阶有源高通滤波器 一个二阶压控电压源高通滤波器电路如图5.8.1所示。启动仿真，点击波特图仪，可以 看见二阶压控电压源高通滤波器的幅频特性如图5.8.2所示。 利用AC Analysis…(交流分析)可以分析二阶压控电压源高通滤波器电路的频率特性。 1f截止频率可得。 f,3.4KHz,, ,RCRC21122 图5.8.1 二阶压控电压源高通滤波器电路 图5.8.2 二阶压控电压源高通滤波器的幅频特性 三、需用的仪器、试剂或材料等 1.计算机 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业 出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. 按照“二、实践内容或原理”中各电路图构造运算放大器运算电路和滤波器电路; 2. 分析反相比例运算电路、反相加法电路、同相比例运算电路、减法运算电路的电路 结构和特性; 3. 分析积分与微分电路的电路结构和特性; 4. 分析二阶有源低通滤波器的电路结构和特性; 5. 分析二阶有源高通滤波器的电路结构和特性。 五、思考 1(积分电路的电阻电容值一般如何取得, 2(微分电路的电阻电容取一般如何取得, 实验六 波形发生器电路 一、实验目的和要求 要求掌握RC正弦波振荡器电路、方波和三角波发生电路的电路结构与计算机仿真设计 方法。 二、实践内容或原理 图6.1.1 运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡器 1(运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡器 图6.1.1为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RP及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RP，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管VD1、VD2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。VD1、VD2采用硅管(温度稳定性好)，且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 11f电路的振荡频率，其中R=R=R，C=C=C。在振荡频率f，。要起,F,45120O2πRC3 Uo振，必须即也就是要其中R,R，R，(R//r)，rDR,2R,A,3,,R,3,U,fP23DF11oR，RF1 正向导通电阻。调整反馈电阻(调RPR)，使电路起振，且波形失真最小。因为而为二极管f 故所以 如R,R，15，(R//r),20k,R//r,2.21k//r,2.21k,R,10k,R,2.8k,3DDFP3D1P 不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大R即加大。如波形失真严重，则应适当RfP 减小R即减小。 RfP 改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。 点击示波器，可以看见RC桥式正弦波振荡器的输出波形，从开始仿真到起振可以通过示波器观察到起振全过程。即首先把示波器面板中的V/Div调到较小位置，然后随着输出电压的增大逐渐将V/Div调到合适位置。 2(方波和三角波发生电路 由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器如图6.2.1所示，比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波反馈到比较器，触发比较器自动翻转形成方波。单击示波器图标可以观察到振荡波形。 U,URRo1o212V,,R，U,,U，,Up11o2o1o2R，RR，RR，R121212 RR12,,(,U)，,UZo2R，RR，R1212 R1当=0时，方波翻转，对应 U,,UV2p1oZR2 电路振荡频率 R2f, (6.2.1) O4R(R，R，R)C1fP3f 方波幅值 U′,?U (6.2.2) omZ 图6.2.1 三角波和方波发生器电路 图6.2.2方波和三角波发生电路 三角波幅值 R1 (6.2.3) U,UomZR2 调节RP可以改变振荡频率，改变比值R1/R2可调节三角波的幅值。 三、需用的仪器、试剂或材料等 1.计算机 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业 出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. 按照图6.1.1和图6.2.1所示电路，构造运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡器 三角波和方波发生器电路; 2(调节图6.1.1中的R，R，C，C，观察电路的振荡频率的变化; 4512 3(调节图6.1.1中的R(R,R，R，(R//r))，观察起振的幅值条件对电路振荡的ffRP23D影响; 4(调节图6.2.1中的R，R，R，C，观察电路的振荡频率的变化; 12ff 5(改变图6.2.1中的比值R/R，观察电路三角波的幅值的变化。 12 五、思考 1(图6.1.1的起振条件是什么, 2(如何改变图6.2.1中输出三角波的幅值, 实验七 模拟乘法器电路 一、实验目的和要求 1(掌握模拟乘法器的基本概念与特性，NI multisim 10模拟乘法器。 2(掌握模拟乘法器组成的乘法与平方运算电路、除法与开平方运算电路、函数发生电路电路与计算机仿真设计与分析方法。 二、实践内容或原理 1(NI multisim 10模拟乘法器 在NI multisim 10模拟乘法器模型中，输出电压 U,K[X (U+X)?Y(U+X)]+O (7.1.1) outKXoffKXoffff 式中，Uout为在Z(K*XY)端的输出电压; 为在UX端的输入电压;UY为在Y端的输入X 电压;K为输出增益，默认值1V/V;Off为输出补偿，默认值0V;Yoff为Y补偿，默认值0V;X为X补偿，默认值0V;Y 为Y增益，默认值1V/V;X 为X增益，默认值1V/V。 off KK 单击Sources?CONTROL-FUNCTION?MULTIPLLER，即可取出一个乘法器放置在电路工作区中，双击乘法器图标，即可弹出乘法器属性对话框，可以在对应的窗口中对乘法器的参数值、标识符等进行修改。 2(乘法与平方运算电路 当两个输入电压U(图7.2.1中的V1)和U(图7.2.1中的V2)加到乘法器X和YXY 端时，乘法器输出端的输出电压U可表示为 O U,KUU(7.2.1) OXY 图7.2.1 乘法电路 从图7.2.1仿真分析结果可见，K,1，U(V1),2V，V(V2),4.3V，输出电压XY UO,8.6V，满足U,KU U关系。 OXY 从图7.2.2仿真分析结果可见，当K,1，U(V1),U(V2),2V时，输出电压UOXY 2,4V，满足U,KU ,KU2Y关系，即平方运算关系。 OX 图7.2.2 平方运算电路 3(反相输入除法运算电路 一个二象限反相输入除法运算电路如图7.3.1所示，它由运放3554AM和接于负反馈支路的乘法器A1构成。根据运放线性应用时的特点及乘法器的特性，不难推理出输出电压Uo 与输入信号Ui(V2)、U(V1)的关系。因为又因为所r UVRRiA111,,,V,,U,以KVV,U,故 V,KVV,A1iroiA1roRRRR1222 UR1i2,,U (7.3.1) oKRU1r 当取R=R时，U为 12o UU1iiU,,,,K (7.3.2) odKUUrr 式中相除增益Kd为乘法器相乘增益K的倒数。仿真运行图7.3.1电路(K,1)，可得输出电压U,,5.999V，满足式(7.3.2)关系。 o 注意:(1)因为输出为有限值(7.9V左右)，R2太大会引起输出饱和。 (2)Ur(即电路中的U)为正极性电压。因运放增益打，运放必须接成负反馈才1 能保证电路的稳定工作。接成正反馈输出将很快饱和。 因而，电路只能实现二象限相除功能。 图7.3.1 反相输入除法运算电路 4(同相输入除法运算电路 图7.3.1所示电路中，U(V2)从运放的反相输入端加入，除法器的输入阻抗较低。如i 要求提高除法器的输入阻抗，可采用图7.4.1所示的同相端输入除法电路。同样地，要求Ur (V1)为正极性电压(接成负反馈)。 VR，RA112V,R,V,V, i2A1iR，RR122 VRR，1A112VKVVVV又因为 ,,,,A1rooiKVRKVr2r URi1U(1),，由此可推导出电路输出电压为 (7.4.1) oRKU2r式中K为乘法器相乘增益。仿真运行图7.4.1电路，可得输出电压,7.905VU(K,1)，满o足式(7.4.1)关系。 图7.4.1 同相输入除法运算电路 5(开平方运算电路 开平方运算电路如图7.5.1所示，电路适用于(UV2),0情况，把乘法器组成的平方i 运算电路接在运放的负反馈支路便构成了开平方运算电路。由图可知，UVRR12i122A , 故必须小于0。 ,,,V,,U,KV,V,,UUAiooi1iRRRRK1211 电路输出电压U为 o R2 (7.5.1) U,UoiKR1 当取R=R时，U为: 12o 1 (7.5.2) U,UoiK 图7.5.1 开平方运算电路 仿真运行图7.5.1电路，可得输出电压,U4V(K,1)，满足式(7.5.2)关系。 o 6(函数发生电路 利用模拟集成乘法器与集成运算放大器配合，可以构成各种各样能以幕级数形式表示的 2函数发生电路，例:函数f (x)=2.6x,1.69x。 由函数表达式f(x)=2.6x,1.69x2可知，该函数可由乘法器构成的平方电路和由运放构成的比例相减电路的组合电路来实现，其电路如图7.6.1所示，图中=R=R，RR=1.69R，123R=1.86R，R=2.6R，输入电压Ui(V2)。图中乘法器A1接成单位增益平方电路，运放3554AM45 接成双端输入比例相减电路。由图可得 VVVVVV,,21iANoNNV,V,V,R,V,，, 又因为 A1iP5NRRRR，R13425 将和的值代入，可得 VVNA1 2 (7.6.1) Vo,2.6V,1.69Vii 可见，电路的输出特性方程与函数f(x)的表达式完全相同，只要乘法器、运放及外接电阻 的精度足够高，便能产生逼真的函数关系。 仿真运行图7.6.1电路，可得输出电压,U910.492mV(K,1)，满足式(7.6.1)关系。 o 图7.6.1 函数f (x)=2.6x,1.69x2电路 三、需用的仪器、试剂或材料等 1.计算机 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业 出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. 按照“二、实践内容或原理”中各电路图构造模拟乘法器运算电路和函数发生电路; 2(熟悉NI Multisim10 模拟乘法器特性; 3(分析乘法与平方运算电路的电路结构和特性; 4(分析除法与开平方运算电路的电路结构和特性; 5(分析模拟乘法器构成的函数发生电路的电路结构和特性。 五、思考 1(试测试一下，各电路的最大输出电压为多少, 2(为了不使输出饱和，在参数设置上要注意什么, 实验八 集成定时电路 一、实验目的和要求 掌握集成定时器555构成的多谐振荡器、大范围可变占空比方波发生器、数字逻辑笔测试电路的计算机仿真设计与分析方法。 二、实践内容或原理 1(555定时电路原理 集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 使用了三个5K电阻，故取名555电路。 其电路类型有双极型和CMOS型两大类， 二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。 555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压VCC,+5V,+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3,+18V。一般用5V。 555电路的内部电路结构图如图8.1.1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管VT，比较器的参考电压由三只 5KΩ的电阻器构成的分压器提供。 它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电 21VV平为 和，A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。 CCCC33 2V当输入信号自6脚输入，即高电平触发输入并超过参考电平时 ，触发器复位，555CC3 1V的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通;当输入信号自2脚输入并低 于CC3 同时放电开关管截止。 时，触发器置位，555的3脚输出高电平， RST是复位端(4脚)，当RST,0，555输出低电平。平时RST端开路或接VCC 。CON 2V是控制电压端(5脚)，平时输出作为比较器A1 的参考电平，当5脚外接一个输入电CC3 压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。VT为放电管，当VT导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。 555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的 电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延 时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。 (a)内部结构图 图(b)引脚排列 图8.1.1 555电路的内部电路结构图 2(555构成多谐振荡器 多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。 由555定时器构成的多谐振荡器如图8.2.1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端(6脚) 和低电平触发端(2脚)并接后接到R2和C的连接处，将放电端(7脚)接到R1，R2的连接处。 由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于(1/3)Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到(2/3)Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从(1/3)Vcc 上升到(2/3)Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=(R1，R2)C。 由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态。其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放,C。随着RC的放电，uc2 下降，当uc下降到(1/3)Vcc时，输出uo。 为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在(1/3,2/3)Vcc 之间变化。图8.2.1(b)所示为工作波形。 (a)555定时器构成的多谐振荡器电路 (b)工作波形 图8.2.1 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形 根据三要素法计算输出信号的时间参数为 T,0.7(R，R)C，T,0.7RC T,T，T PH12PL2PHPL LM555CN电路要求R与R均应大于或等于1KΩ，但，RR2应小于或等于3.3MΩ。 12 13(大范围可变占空比方波发生器电路 、R2、RP、VD1、VD2、C1组成无稳态多谐振荡器。电路如图8.3.1所示，555与R1 VD1、VD2分别为充电和放电回路的导引管。 该电路充、放时间分别为 t=0.693(R+R)C充左1RP1 u0 t=0.693(R+R)C放右2RP1 T= t+t=0.693(R+ R+R)C充放12RP1 uc 占空比D则为 tR充1D==?0.01%(R=0) 左RPminTRRRRP++12 tRRRP+充1D==?99.9%(R=0) 右RPmaxTRRRRP++12 从以上公式可见，不管RP如何调节，不影响振荡周期T的值。图示参数的振荡频率约 为14Hz左右，图7.3.2、7.3.3用示波器分别测出了RP调节在5,和95,位置时A点的波形 和输出波形。 图8.3 .1 大范围可变占空比方波产生器 图8.3 .2 RP电位器调节在5,位置时的波形 图8.3 .3 RP电位器调节在95,位置时的波形 4(数字逻辑笔测试电路 利用555电路的触发端(引脚2)和阀值端的置位和复位特性，可组成对数字逻辑的状态是否正常进行检测的测试笔，电路如图8.3.1所示。 本例中的探头是用开关K来代替，通过空格键控制(引脚2、6)高、低电平的输入。当探头输入为低电平“0”时，LED2(绿)亮，当输入高电平“1”时，LED1(红)亮。由R1C1、R2C2组成的网络为加速网络。该逻辑笔适用于TTL、CMOS等数字电路的测试，VCC在5,15V内任选。 图8.4.1 数字逻辑笔测试电路 三、需用的仪器、试剂或材料等 计算机 1. 2.NI Multisim电子电路计算机仿真软件 3.教材《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编，电子工业出版社，2011 四、实践步骤或环节 1. 按照图8.2.1、图8.3.1和图8.4.1所示电路，构造多谐振荡器电路、大范围可变占空比方波产生器和数字逻辑笔测试电路。 2(改变图8.2.1中R1、R2、C1的 数 值 ，观察多谐振荡器频率的变化。 3(改变图8.3.1中R1、R2、C1的数值，观察无稳态多谐振荡器频率的变化。调节RP观察无稳态多谐振荡器占空比的变化。 4(利用555电路的触发端(引脚2)和阀值端的置位和复位特性，可组成对数字逻辑的状态是否正常进行检测的测试笔，图8.4.1电路中的探头是用开关K来代替，通过空格键控制(引脚2、6)高、低电平的输入。当探头输入为低电平“0”时，LED2(绿)亮，当输入高电平“1”时，LED1(红)亮。 五、思考 1(如何调节图8.3.1所示电路的占空比,