电路分析专题研究 部分题目辅导材料.doc

2011电路分析专题研究部分题目辅导材料北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组2011-9目 录一. 专题研讨的目的二. 专题研讨报告的写作要求三. 专题研讨部分参考题目1数字-模拟转换器(dac)原理研究2模拟-数字转换电路（adc）原理研究3运用动态电路分析原理研究rc消除噪声电路4 dc-dc电压转换电路原理研究 5 rc一阶有源滤波电路研究6 rlc电路的动态和频率特性综合研究7互感和谐振电路应用rfid原理研究一专题研讨的目的电路分析课程作为专业基础课程，不仅有完整的理论体系，也有很强的工程应用背景。在许多实际工程问题中，电路分析的理论和方法都起着重要作用。事实上，电路分析课程中的许多知识点设定、例题和习题均来自于工程实践。了解电路分析方法如何应用在实际问题的解决过程中，有助于理解电路课程的知识体系，加深对于所学理论和方法的理解。电路课程是一门实践性很强的课程。电路分析的最终目的是为了解决实际电路问题，这需要将电路问题的建模、理论分析、实验和计算机仿真方法综合应用。专题研讨是对课后普通计算习题类型的补充，训练知识的综合运用，尝试将理论分析、软件仿真和实验方法结合起来，模拟工程问题解决的过程。电子信息领域是一个发展迅速、不断创新的领域。电路分析的基础理论和基本分析方法是经典的，而电路理论的应用领域是不断变化更新的，为经典的分析方法增加了新的应用案例。通过专题研讨题目可促进知识面的扩展，了解更多有趣的新知识和新应用。将课程的学习过程当作培养能力的过程，专题研讨就是一个好的载体。专题研讨问题主要靠自主完成。一些实际问题需要用不同于课本上的方法解决，或者可能有多种解决方法，需要根据自己的理解去确定自己的方法；超出课上知识的内容，需要通过查阅参考书、搜集互联网上的资源来了解；而综合运用理论计算、仿真验证、程序设计等多种方法，更是发挥、展现自己能力的好机会。二专题研讨报告的写作要求项目问题的完成按小组进行，每组选择一个题目，完成一份报告。报告的内容和格式要求如下。（1）报告标题（2）作者姓名，班级，学号（3）对于题目的简要描述（4）方案和电路原理的描述；理论分析和计算，包括步骤、结果、讨论 （5）仿真实验方案设计，仿真电路，仿真结果。需要包括关键步骤的图形，数据和波形。（6）发挥和扩展（7）结论：对分析和仿真结果的归纳；结果的意义；设计的方案是否达到要求，进一步改进的方向等。（8）参考文献：将那些在报告中直接引用的材料，以参考文献的方式列在报告的最后（编号、作者，文章或书籍标题，出版社或期刊号，时间），引用网络上的资源要给出作者和网址。（9）心得和总结：题目完成过程中：u 那些知识来自于教材？那些知识来自于教材之外的？u 有哪些没有预料到或没有解决的问题？u 有什么收获和体会？u 关于此项内容，你有什么意见和建议？三专题研讨部分参考题目1. 数字-模拟转换器（dac）原理研究dac的作用是将计算机或控制器产生的二进制数字转换成与之成比例的模拟电压。利用等效方法和叠加原理可以分析dac电路的工作原理。图1-1可作为研究da转换电路的模型，其中开关20，21，22分别与三位二进制数相对应。当二进制数为“1”时开关接入相应电压vs，为“0”时开关接地。设vs=12v，完成下列2项分析和设计。（1） 列出从000到111所有数字信号对应的模拟电压。（2） 若每隔1us可以给出一个数字信号，试给出一种产生周期为16us，幅度为7v的锯齿波和三角波和方波的数字信号方案（仅给出一个波形周期的数字信号即可）。用ewb软件仿真你的设计方案。图1-1（3）查阅dac0832芯片手册，分析其倒置r-2r电阻网络（图1-2）进行dac转换原理。当其输出接电流电压转换运放如图1-3时，推导其输出电压。图1-2图1-3（4）扩展：设计一个数字控制增益的电压放大器，v0=nkvi，其中n=0-15，k=2, vi的变化范围是+/-5v。用ewb仿真设计结果。2. 模拟-数字转换电路（adc）原理研究adc：将连续变化的电压转换成与电压值成比例的二进制数字。利用等效方法和叠加原理可以分析adc电路的原理。图2-1可作为研究adc转换电路的简化模型，电路采用逐次比较的方法找到与输入电压vi对应的3位二进制数字d2d1d0 。图中开关22，21，20分别与三位二进制数d2d1d0相对应。当二进制数di为“1”时开关接入相应电压vs，为“0”时，开关接地。设vs=12v。其中vin为输入模拟信号，并将其接到比较器的负输入端，比较器的正输入端接ad转换电路的输出端。比较器的作用是：当正输入端电压大于负输入端电压时（vd0）输出电压v0为高电压（例如+5v），反之（vd0）, v0为低电压（例如-5v或0）。设定使比较器输出为负的最大ad输出电压所对应的数字信号作为ad转换的结果。（1） 设计一种找到模拟信号vin对应的数字信号的方案。（2） 给出找到模拟信号vin分别为0.5v、3.5v、6.5v所对应的数字信号的过程。（3） 若三个开关可同时动作，且允许每隔1us动作一次。给出找到vin=0.5v、3.5v、6.5v对应的数字信号所需要的时间。图2-13. 运用动态电路分析原理，研究rc消除噪声电路设图3-1（a）中的vin为信号源，图3-1（b）为该信号源正常情况下的波形。若输入信号受到干扰，假设干扰噪声的幅度与信号幅度大小相同，只是持续时间不同，干扰噪声叠加到正常信号上的波形如图3-1（c）所示。噪声持续时间很短，被称为“毛刺”。毛刺会影响后级电路的工作。比如第1个毛刺，可能导致将本来是低电平的正常信号误认为高电平，而第2个毛刺可能导致将本来是高电平的信号误认为低电平。图3-1（a）所示的rc电路可以在一定程度上降低毛刺的影响，但是也会影响正常信号的波形。假设信号周期为t=200ns，噪声持续时间为1ns。为了简化分析，假设噪声出现在半周期的正中间的ns位置。为了保证后续电路正确识别信号电压，要求当正常信号从0v上升到5v后，输出电压必须在50ns内上升到，而当正常信号从5v下降到0v后，输出电压必须在50ns内下降到，同时，还要求当出现如图3-1（c）所示的毛刺时，输出电压必须将其幅度限制在0.3v以下。要求做如下研究：（1）若已选定电阻r为100，试分析电容c的取值范围；（2）若选定c为0.18nf，试分析当受干扰信号为如图（c）所示波形时的输出波形；（3）用仿真软件记录各相关波形。图3-14. dc-dc电压转换电路原理研究在各种电子设备中，经常需要将输入的直流电压转换到电路所需要的直流电压，同时，将不稳定的直流电压变成稳定的电压，这种电路称为dc-dc电源电路。电路通常用电子开关器件和起储能和平滑作用的电感和电容构成。用动态电路分析方法可以解释这种电路的工作原理。图4-1是降压转换器的原理电路，图4-2是升压转换器的原理电路。电路中两个开关周期交替闭合，由电压vsw控制（图4-3）。在一个周期开始的0- t1期间，s1闭合，s2断开如图4-1(a)和图4-2(a)；在t1-t期间，s1断开s2闭合, 如图4-1(b)和图4-2(b)。图4-1 降压转换器图4-2 升压转换器图4-3 开关动作的控制电压（1）当开关周期动作重复多次后，电路中电压电流变成周期性波形。用动态分析方法求出电感电流一个周期的波形。计算时可假定输出电压v0近似为常数。 （2）求出两个电路中输出电压与输入电压的关系。图4-3电压波形中，脉冲宽度t1与周期t的比值d =t1/ t称为脉冲波形的占空比。证明改变占空比d可以调整输出电压的高低。（3）在ewb中，用电压控制开关构建dc-dc电路的仿真电路。用20khz的脉冲波形控制开关的切换，验证理论分析结果。（4）扩展：将电路中的开关s2用二极管代替，在图4-1中，正极在下方；在图4-2中，正极在左侧。假设二极管加正向电压时导通，电阻为0；加反向电压时断开，电阻无穷大。重复上面的理论分析，并进行ewb仿真。5. rc一阶滤波电路研究图5-1中的，。（1） 运用仿真软件画出的波形。（2） 求输出电压表达式。 （3） 运用仿真软件画出，并说明该电路的功能。（4） 若做实验时，错将r1与c1的位置对调，求输出电压表达式，并用仿真软件画出。（5） 若设计时，将r1的错算为，求输出电压表达式，并用仿真软件画出。（6） 若设计时，将c1的错算为，求输出电压表达式，并用仿真软件画出。（7） 令r1电阻左端节点电压为vi，运用正弦稳态分析方法，找出输出电压与输入信号之间的关系，分析这种关系如何受信号频率的影响，解释上面各种情形下电路中的现象，得出结论。图5-16. 二阶rlc电路的动态特性和频率特性综合研究图6-1所示二阶rlc串联电路，当外加正弦电压源的为某一个频率时，端口阻抗呈现为纯电阻性，称电路对外加信号频率谐振。谐振角频率为。图6-1（1）以输入电压为参考相量，写出谐振时各电压的幅度和相位。用仿真软件测量谐振时各电压有效值。改变电阻值分别为时，仿真测量各电压有效值有什么变化？（2）谐振时，电感或电容上的电压有效值与电阻有效值的比值等于q称为电路的品质因数，又称为q值。q值有明显的物理意义，它反映了电路在谐振时存储能量与消耗能量的比值。试证明谐振电路q值的一般定义（3）分析电路q值对电路动态响应中固有响应形式的影响，并用ewb软件仿真验证。（4）正弦稳态电路的频率特性用输出相量与输入相量的比值来表示，称为网络函数。例如，对图中电阻电压输出，可以写出电压比当信号频率变化时，网络函数的幅度和相位随之变化，分别称为电路的幅度频率特性和相位频率特性。用ewb软件仿真得到频率特性曲线，说明该特性的类型和信号处理作用。对于电阻值分别为时，曲线有什么变化？物理意义是什么？ （5）在幅度频率特性曲线中，幅度下降为最大值的倍对应的两个频率之间的频率差称为通带宽度。对于上述不同的电阻取值，在仿真结果中寻找q值、和的关系，解释q值如何影响曲线。（6）设输入电压中有两个频率成分 f1=10khz和f2=20khz，有效值均为1v，在上述给定电路中：(a) 要求输出电压中f2 频率成分有效值小于0.1v ，则r的最大值是多少？（提示：将用，和q表示出来）。(b) 若要求输出电压中f1成分被抑制掉，应该如何获取输出电压？(c) 用ewb仿真方法观测输出波形，验证分析结果。（7）对上述分析和仿真结果给出简要归纳和结论。7. 互感和谐振电路应用rfid原理研究用非接触方法进行身份识别的技术称为射频识别技术（rfid-radio frequency identification），广泛用于电子门禁、身份识别、货物识别、动物识别、电子车票等场合。rfid系统由计算机、读写器和应答器以及耦合器组成。应答器存放被识别物体的有关信息，放置在要识别的移动物体上。耦合器可以是天线或线圈。近距离的射频识别系统采用耦合线圈。图7-1所示为为互感耦合rfid系统电路接口的等效电路。互感的初级部分连接信息读写器，它发出高频信号，在初级电感l1（发送线圈）上产生感应电压。次级电路是应答器的接收等效电路，l2是应答器的接收线圈。当应答器靠近读写器时，线圈之间发生互感，应答器从接收线圈上获得微弱能量（这部分电路没有画出）控制电子开关s动作发出特定的id信息。图7-1电路初级和次级均谐振于vs的频率=125khz。当开关s闭合时，次级回路失谐，影响到初级回路也失谐。初级回路谐振时，电容c1上有高电压；失谐时，电容电压vc显著下降。当开关s受到控制信号电压的变化而闭合或断开时，vc幅度跟着变化。因此，次级负载变化引起初级电容电压幅度被调制，称为负载调制，由此实现信号从次级到初级的传递。读写器检测电容c1上电压幅度变化得到应答器的id信息。读写器检测电容c1上电压幅度变化得到应答器的id信息。(1) 给定电路参