MATLAB原理与应用课程设计串、并联谐振回路和耦合回路设计.wps

武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 题目：题目：学科基础课群综合训练与设计学科基础课群综合训练与设计 初始条件初始条件： 设备：设备：微型计算机 软件：软件：multisim仿真软件 要求完成的任务要求完成的任务： 1. 学习串、并联谐振回路及耦合回路基本知识，查阅相关书籍进一步了解谐振回路及 耦合回路的原理及应用。 2. 设计串、并联谐振回路并利用 multisim仿真软件进行仿真调试 时间安排：时间安排： 序序 号号 阶段内容阶段内容所需时间所需时间 1方案设计1天 2程序设计2天 3格式调试1天 4答辩1天 合 计5天 2 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 指导教师签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 系主任（或责任教师）签字： 系主任（或责任教师）签字： 年 月 日年 月 日 3 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 目录目录 1 引言.4 1.1multisim仿真软件的介绍4 1.2谐振回路及耦合回路介绍5 1.2.1谐振回路.5 1.2.2耦合回路.5 2 谐振回路.5 2.1并联谐振回路5 2.2串联谐振回路8 2.3耦合回路9 2.3.1耦合回路的特点.9 2.3.2参数定义.10 2.3.3耦合回路频率特性.10 3 电路设计与仿真.13 3.1并联谐振回路13 3.2串联谐振回路15 3.3耦合回路17 4 心得体会.19 5 参考文献.20 4 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 摘要 摘要 信息传输是现代社会生活的重要内容。 没有通信，人类社会的生活是不可想 象的。在各种通信方式中，无线通信从 19 世纪开始发展至今已成为通信的一种 重要方式，广泛应用于计算机科学、 宇航技术、 自动控制等各学科领域。 无线通信 是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 大到宇宙空间，小至基本粒子的科学研究，从工业生产到社会家庭生活，均离 不开无线通信技术。 在无线通信系统中，由于传送的是高频信号，所以要使用高频电路。 谐振回 路的主要特点是具有选频作用，是高频电路中最基本、应用最广泛的电路。耦合 回路是一般由两个以上的单振荡回路通过各种不同的耦合方式组成，它具有较 好的选频特性和灵活的阻抗变换。本次课程设计中利用 multisim12.0仿真软件 对基本的串、并联谐振回路及耦合回路进行设计仿真，验证电路的特性。 关键词：无线通信 高频电路 谐振回路 耦合回路 multisim 5 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 1 引言引言 1.1multisim 仿真软件的介绍仿真软件的介绍 multisim 是由美国国家仪器（ni）有限公司推出的一种专门用于电子电路 仿真和设计的软件，目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛。该软件以 图形界面为主，采用菜单栏、 工具栏和热键相结合的方式，具有一般windows应 用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。 尤其是多种 可放置到设计电路中的虚拟仪表，使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员 的工作习惯。 eda（就是“electronic design automation”的缩写）技术已经在电子设 计领域得到广泛应用。 一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原 理、 pcb版图、 单片机程序、 机内结构、 fpga的构建及仿真、 外观界面、 热稳定分析、 电磁兼容分析在内的物理级设计，再到pcb钻孔图、 自动贴片、 焊膏漏印、 元器件 清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。eda技术借助计算机 存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设 计检验、 设计优化和数据处理等工作。 eda已经成为集成电路、 印制电路板、 电子 整机系统设计的主要技术手段。 1.2 谐振回路及耦合回路介绍谐振回路及耦合回路介绍 1.2.1 谐振回路谐振回路 在具有电阻 r、电感 l和电容 c元件的交流电路中，电路两端的电压与其中 电流位相一般是不同的。如果调节电路元件（l 或c）的参数或电源频率，可以 使它们位相相同，整个电路呈现为纯电阻性。电路达到这种状态称之为谐振。在 谐振状态下，电路的总阻抗达到极值或近似达到极值。 研究谐振的目的就是要认 6 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 识这种客观现象，并在科学和应用技术上充分利用谐振的特征，同时又要预防 它所产生的危害。按电路联接的不同，有串联谐振和并联谐振两种。 1.2.2 耦合回路耦合回路 单振荡回路的选频特性不理想，且阻抗变换也不够灵活，因此，在无线技 术领域里广泛地采用耦合振荡系统。 它一般由两个以上的单振荡回路通过各种不 同的耦合方式组成，通常称为耦合回路。 在耦合回路中接有激励信号源的回路称为初级回路，与负载相接的回路称 为次级回路。 初、 次级回路都有谐振回路的称为双调谐回路。 对于耦合回路来说， 其特性和功能与回路的耦合程度有着密切的关系。 按耦合参量的大小可分为强耦 合、弱耦合和临界耦合。 2 谐振回路谐振回路 2.1 并联谐振回路并联谐振回路 并联谐振回路是指由电感线圈 l、电容c与外加信号源相互并联的振荡电路， 如图 2-1所示。 由于电容器的损耗小，其损耗电阻可忽略，可认为回路损耗电阻 r 集中与电感支路中。并联振荡回路的激励源应采用恒流源（外加信号源内阻很 大）进行分析。可暂不考虑信号源内阻的影响。 （1）谐振条件 对于图2-1（）的并联谐振回路， 当信号角频率为时，其并联阻抗为 (2-1) ) 1 ( 1 )( 1 1 )( c ljr lj ljr lj ljr lj ljr z lr 7 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 考虑到通常有，所以 (2-2) 对于图2-1（b)的并联谐振回路，其并联导纳 （2-3） 当 时，回路表现纯电阻性, 电纳表现为零，回路电压与电流同相，此时发 生并联谐振。 发生谐振时角频率和频率分别为和 。 当 时, 回路表现为电感性； 而当 时, 回路表现为电容性。 （2）谐振特性 1 回路导纳最小，电路呈电阻性；回路电压相应达到最大值且与电流同 相。 并联谐振时，回路感抗值（或容抗值）与电阻的比值称为并联振荡回路的品 质因数，即 （2-4） 式中，为谐振电路的特性阻抗。 2 回路谐振时电感及电容中的电流幅值为外加电流源的q倍。 并联谐振时， 电容支路、电感支路的电流和分别为 ) 1 ( c ljr cl z ) 1 ( 111 l cj rlj cj r y l c 1 lc 1 0 lc f 2 1 0 l c 1 l c 1 p gy ps giu 0s ipq rc l rcrr l q p p p 11 c l s icpilpi 8 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 （2-5） （2-6） 3 单位谐振曲线。 谐振时，回路呈纯电导且值最小，回路端电压u与外加信 号源频率之间的幅频特性曲线称为谐振曲线。如图2-2。 4 通频带、选择性、矩形系数。选择性是指从各种不同频率信号中选出有用 信号，抑制干扰信号的能力。 由图2-2可知，q越大选择性越好。 为衡量回路对不 同频率信号的选择能力，当回路的外加信号电压的幅值保持不变，频率改变为 或时，回路电压等于谐振值的倍。称为通频带，用表示。矩形系数定义为单位谐 振曲线 n（f）值下降到 0.1 时的频带范围与通频带之比，用来衡量幅频特性， 越小幅频特性越理想。 （a） （b） 图2-1 并联谐振回路 sp p pspp p cp ijq c qcijcuj cj u i 1 ) 1 ( 0 0 sp p spp pp lp ijq lj liq lj u ljr u i 00 )( 1 ff 2 ff2 1 12 ff 7 . 0 bwrk 1 . 0 bw 7 . 0 bwrk 9 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 图 2-2 谐振曲线 2.2 串联谐振回路串联谐振回路 图 2-3 是串联 lc 谐振回路的基本形式。串联和并联回路之间有许多共同点 和不同点，两者之间存在对偶关系。 图 2-3 串联谐振回路 根据对偶关系，直接给出串联谐振回路的主要基本特性参数如下 10 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 回路总阻抗为 （2-7） 谐振频率 （2-8） 谐振时阻抗 (2-9) 品质因数q值 (2-10) 通频带 (2-11) 谐振时，电流与电源电压同相，回路阻抗最小。 电感两端电压与电容两端电 压大小相等方向相反，分别为 （2-12） （2-13） 由对偶关系可知，串联谐振为电压谐振，单位谐振曲线为相对电流的比值， 而通频带和选频特性与并联谐振一样。 2.3 耦合回路耦合回路 rlc 串联谐振电路中，由于通频带较窄，选择性无法改善，为了获得较 理想的频率响应特性和选择，工程上常采用耦合谐振电路。 当电路中存在耦合电 感时，称其为含耦合电感电路。 含耦合电感电路的正弦稳态分析仍可以采用相量 ) 1 ( c ljrz lc f 2 1 0 rz rcrr l q 0 0 1 q f bw 0 7 . 0 sl jquu sc jquu 11 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 法，但要考虑互感的作用。 在kvl的表达式中，应计入由于互感的作用而引起的 互感电压。 当某些支路具有耦合电感时，这些支路的电压将不仅与本支路电流有 关，同时还将与那些与之有互感关系的支路电流有关，必要时可引用 ccvs表示 互感电压的作用。 耦合谐振电路：将两个单谐振回路（串联谐振电路或并联谐振电路）通过 一定的方式耦合起来构成的双回路谐振电路。如图2-4，为常见耦合回路极其等 效电路。 图2-4 常见耦合回路极其等效电路 2.3.1 耦合回路的特点耦合回路的特点 频率特性接近于理想要求：幅频特性（谐振曲线）在通频带内曲线“平坦 度”好，在带外衰减大；其相频特性在通频带内“线性度”好。 常用的耦合谐振 电路的耦合方式有：互感耦合和电容耦合。图2-4所示为互感耦合。 初级回路：与信号源相接的回路； 次级回路：与负载相接的回路。 由图可见，次级回路的电抗将通过耦合影响初级回路的状态。 12 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 2.3.2 参数定义参数定义 互感耦合谐振电路的初、次级等效电路如图2-5所示 图2-5 互感耦合谐振电路的初、次级等效电路 为初级回路自阻抗中的电抗部分； 为次级回路自阻抗中的电抗部分； 为互感耦合电抗； 为次级回路向初级回路的反射阻抗中的电阻部分； 为次级回路向初级回路的反射阻抗中的电抗部分。 可得：， 1 111 1 c lx 2 222 1 c lx mxm 22 2 22 2 22 2 1 )( r xr m rf 22 2 22 2 22 2 1 )( x xr m x f )()( 111111 1 ff s xxjrr u i 2222 1 2 jxr mij i 13 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 2.3.3 耦合回路频率特性耦合回路频率特性 （1）=1（临界耦合）时，有 可见，当，即 时，出现极大值，有。 此时谐振电路的通频带为： 临界耦合时的谐振曲线如图 2-6： 图2-6 临界耦合谐振曲线 （2） 1（过耦合）时，可用高等数学中求极值的方法求解极大值，可得有多个 极大值点。可以求得在（）时出现谷值，谷值为 过耦合时的谐振曲线如图2-8： 图2-8 过耦合时谐振曲线 可以证明值越大，双峰相距越远，谷值越小。 在谐振曲线为双峰情况的电路求解通频带时必须注意要限定谷值0.707。否则 定义的通频带没有意义。 过耦合状态下，有意义的最宽通频带为 结论： kq0 0 22 2 2 1 2 qk kq i i m kq q f bw 0 max 1 . 3 kq 15 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 （1）耦合谐振电路的谐振曲线的的形状与耦合度的数值有密切关系。 （2）1，曲线呈双峰，谷值点出现在耦合频率外，越大，峰距越远，谷越深。 当谷值等于0.707时通频带最宽，等于单回路谐振电路通频带的3.1 倍。 3 电路设计与仿真电路设计与仿真 3.1 并联谐振回路并联谐振回路 图 3-1 并联谐振回路 kqkqkq kq 2 kqkq 23 cr l 2 16 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 电路如图 3-1 所示，参数设计如下：r1= 50k（串入该电阻是为了构成恒 流源），c = 0.25f，l = 100mh，r2= 50（模拟线圈内阻），r3=10（串入 该电阻是为了观察端口电压、 电流是否同相位）；函数信号发生器的输出幅值为 4.243（）v 的正弦波。由公式可得谐振频率为1khz，q=12.65。 谐振时相位关系和频率特性分别见图3-2、3-3。 图3-2 谐振时的相位关系 17 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 图 3-3 谐振时的幅频特性 3.2 串联谐振回路串联谐振回路 图3-4 串联谐振回路 电路如图 3-4 所示。电路参数：r = 1k，电容为可调电容= 350pf，l = 1mh；函数信号发生器的输出幅值设定为 14.1（）v 正弦波。数字万用表设置 为交流电压表。 设定频率为400khz，调解电容是回路谐振。 串联谐振时，电阻两 端电压等于电压两端电压，此时电流最小。 在电路接入示波器，可观测电阻与电 m c2 10 18 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 源两端的电压特点，以判断是否谐振。 相关仿真结果如下： 图3-5 谐振时电阻两端等于电源电压 19 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 图 3-6 谐振时相位关系 图 3-7 谐振时幅频特性 3.3 耦合回路耦合回路 20 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 图 3-8 耦合回路 电路参数：r1=r2=20;c1=c2=160pf,耦合电感 l1=l2=160h；函数信号 发生器的输出幅值为 10v 的正弦波。由公式可得谐振频率为 1mhz，互感系数 m=3.18uf,全谐振时为纯阻性，=25k，回路无载品质因数 q=50，初级回路 等效品质因数q1=25,通频带=56.6khz。 相关仿真结果如下： 21 武汉理工大学matlab 原理与应用课程设计 图3-9 谐振时相位关系 图 3-10 谐振时幅频特性 22 武