在进行电子线路设计时

1、前言在进行电子线路设计时，通常需要制作一块试验板来进行仿真，以测试是否达到设计要求。但是，设计的电路往往不能一次性通过，要反复经过许多次仿真调试，才能够符合设计要求。这样既费时费力，又提高了产品的设计成本。再者，因受工作场所、仪器设备等因素的限制，许多试验不能进行。为了解决上述问题，多家公司推出了专门用于电子线路仿真和设计的电子设计软件。这些软件依赖功能强大的计算机来实现。电子产品设计人员可以利用电子设计软件对所设计的电路进行仿真和调试。一方面可以验证所设计的电路是否能达到设计要求的技术指标，另一方面，又可以通过改变电路中元器件的参数，使整个电路性能达到最佳。因此EDA技术得到了广泛运用，国外

2、早在80年代就开始了EDA软件的研究和运用，我国这几年也逐渐加强了对EDA在教学中的运用。1 Multisim2001简介Multisim2001作为大学课程中常见的电子设计应用软件，是每个电子类的学生必然接触到的。Multisim2001（前身EWB）最突出的特点是用户界面友好，尤其是其直观的虚拟仪表是Multisim2001的一大特色。Multisim所包含的虚拟仪表有：示波器，万用表，函数发生器，波特图图示仪，失真度分析仪，频谱分析仪，逻辑分析仪，网络分析仪等。而通常一个普通实验室是无法完全提供这些设备的。这些仪器的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。1.1 Multisim200

3、1软件的介绍Multisim2001是IIT公司于2001年推出的最新版EDA软件，该软件以前的版本就是著名的EWB软件。Multisim2001分为多个版本，有Student（学生版）、Personal（个人版）、Education（教育版）、Professional（专业版）和Power Professional（增强专业版），本书介绍的Multisim2001是其功能最强大的增强专业版。 Multisim2001是一个功能强大的EDA系统，提供了一个非常大的元件数据库，并且可以在线更新，同时拥有VHDL和Verilog设计接口与仿真功能、FPGA和CPLD综合、RF设计能力和后处理功能，

4、还可以导出制作PCB版的设计数据，实现与PCB制作软件的无缝数据传输。 1.2 Multisim2001软件的功能特点 (1) 集成环境，简洁易用 在Multisim2001中，只有一个程序界面，但在该界面中，集成了从电路创建、修改到仿真及数据后处理的EDA设计的主要流程，不仅有利于对该软件的学习，也大大方便了设计人员的操作，极大地提高了工作效率。 （2）虚拟实验仪器丰富 作为一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子实验平台，Multisim2001为设计人员不仅提供了常用的仪器，如万用表、示波器等，还提供了许多单位无条件具备的网络分析仪、频谱分析仪等仪器。这些虚拟仪器，功能与现实仪器相同，而且其操作

5、面板也与现实仪器神似，这些虚拟仪器的使用，方便了设计人员的设计工作，也大大提升了该软件的功能。 （3）分析功能多样 Multisim2001为设计人员提供了多种仿真分析方法，有直流工作点分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声和失真分析等 19 种之多。这些分析功能基本满足了电子电路的分析设计要求，尤其是其极具特色的RF电路分析功能，是一般EDA软件所不具备的。 （4）输入输出接口具有广泛的兼容性 （5）可自定义设计环境 Multisim2001提供了极具人性化的设计工具，允许设计人员自定义设计环境，利用Options|Preferences菜单项，可以根据设计需要，灵活设定元器件采用的符号标准、电路

6、图的显示属性、工作区的显示属性及其大小、说明文字的格式、导线线型等设计要素。除了上述的特点外，Multisim2001还支持 VHDL 和 Verilog 语言的电路仿真与设计。1.3 以下以电压并联负反馈放大电路的分析为例，简介Multisim2001在模拟电子线路教学中的应用。创建电压并联负反馈放大电路Multisim2001电路创建、元器件替换及参数的修改简便快捷，大大方便了教学显示和学生进行电子电路的仿真实验。其效果如下:直流工作点分析创建电压并联负反馈放大电路（1）仿真分析法（DC Operating Analysis）    Multisim2001自

7、动将电路分析条件设为电感短路、电容开路、交流电源开路。仿真分析结果: （2）利用Multisim2001的仿真仪器万用表进行电路直流工作点的测量 允许在同一个仿真电路中调用多台相同的仪器，使测量工作只需运行一次仿真便可完成。测量连接图如下（使用VOLTMETER：电压表头和AMMETER：电流表头）：（3）直流扫描分析（DC Sweep）根据直流电源的变动范围分析、确定电路的直流工作点。设电源Vcc从816V变化，Vc、Vb、Ve变化曲线如下：波形分析利用Multisim2001的仿真仪器示波器进行波形测量、分析。波形如下：从示波器波形中，可以清楚观察输入电压与输出电压数值及相位关系，且很方便

8、计算出电压放大倍数Av=输出电压/输入电压。当R6开路时（无反馈）的输出电压波形:输出电压较大，但波形出现非线性失真。电路参数扫描分析（Parameter Sweep Analysis）Multisim2001参数扫描分析法是通过对电路中某些元器件的参数在一定取值范围变化时，对电路直流工作点、瞬态特性、交流频率特性的影响进行分析，以便对电路指标进行优化调整。例如分析图一电路中有或无反馈对电路交流频率特性的影响，分析结果：从放大器幅频特性可以清楚看出:有反馈时放大倍数降低了，但频带得到了扩展。2 锁相技术发展概况早在1932年，锁相技术首先别用在同步接收中，为同步检波提供一个与输入信号载波同频同

9、相得本地参考信号。同步检波具有能在低信噪比条件下工作及没有大信号检波得一系列失真等有点，而受到人们关注。但由于电路构成复杂以及成本高等原因，当时没有得到广泛应用。锁相环（PLL）的普遍应用是1943年从黑白电视机水平同步电路中开始的，它可以减少噪声对同步的影响，使电视图像的同步性能得到很大的改善。1954年锁相环有进一步用于彩色电视机的色同步信号提取。锁相环在空间技术中的应用是从1956年国外发射第一批人造卫星开始的。这些飞行器载有低功率（约10mW）连续波发射机，接收的距离载数百乃至数千公里以上，因而接收的信号是异常微弱的，加之有多普勒频移及发射机振荡的频率漂移，接收机的带宽必须很宽才行，而

10、噪声强度是与带宽成正比的，这样信噪比就相当低，约在-10dB-30dB的数量级上。此时只有采用锁相环路做成的窄带锁相跟踪接收机才能把深埋在噪声中的信号提取出来，普通的接收技术是无能为力的。所以空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的进一步探讨，极大地推动着锁相技术的发展。六十年代后，锁相技术就是在通信、雷达、航天、航海、测量、仪表、计算机、红外、激光、原子能、电视、立体声、马达控制以及工业、地质等技术部门获得了广泛的应用。由于锁相跟踪环路在电子技术各个领域的广泛应用，使它逐渐成为电子设备中常用的一种基本部件，为便于调整、降低成本和提高可靠性，使它在各种电子设备中更好地发挥作用，迫切希望它能

11、集成化、数字化、小型化和通用化。国外自六十年代末第一个锁相环集成产品问世以来，十几年间发展极为迅速，产品种类繁多，工艺日新月异。目前，除某些特殊用途的锁相环路以外，几乎全部集成化了，已生产去数百个品牌。国内虽然起步较晚，但在锁相环集成电路生产上，也取得了可喜的进展。锁相环集成电路由于性能优良、价格便宜、使用方便，正在被许多电子设备所采用。当前集成锁相环路已成为锁相技术发展的一项重要进展。2.1 集成锁相环路的特点锁相环是一个相位反馈控制系统，其最大特点是可以不用电感线圈，实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。在结构上的特点和有源滤波器相同，但有滤波器由于受到使用带宽及要求采用精密RC元件的限制，

12、难以实现集成化。而在功能上的特点与有源滤波器不用，它具有对信号频率和相位的自动跟踪能力。由于锁相环路易于集成化，且性能优越，所以集成锁相环路是继集成运算放大器之后，又一类用途广泛的集成电路。此外，数字集成电路技术对扩大锁相环的功能和提高锁相的性能有很大的帮助，因此，在集成锁相环路中，尤其在数字式集成频率合成器中被大量采用，使集成锁相环路成为模拟技术和数字技术相结合的优秀典型。正因为如此，集成锁相环路已成为引人注目的功能器件。2.2 集成锁相环路的分类集成锁相环路种类很多。安电路形式可以分为模拟式与数字式两种。按用途，无论模拟式还是数字式的又都可以分为通用型和专用型两种。通用型的有“多功能”与“

13、部分多功能”两种设计，例如鉴相器、模拟相乘器、压控振荡器、波形发生器、在内部集成部件之间不直接连线的单片集成锁相环等，因为有很多的功能，就属于多功能设计的产品；而各集成部件之间在内部有部分连线的单片集成锁相环，它只能完成几种功能，就属于部分多功能设计产品。专用型的均为单功能设计，像调频立体声解调环（MPX）、四声解调（CD-4）、正交色差信号的同步检波环、单片集成频率合成器，以及频率合成器中的参考振荡器、前置分频器等，就属于这种类型的产品。2.3 集成锁相环路的工艺特点与频率范围集成锁相环路的工艺比较复杂，涉及的工艺种类较多。一般说来，模拟型以线性集成电路为主，几乎都是双极性的。数字型是用逻辑

14、电路构成的，它又以TTL（包括HTTL、LS-TTL、STTL等）电路为主，在要求高速的逻辑电路中采用ECL电路。已广泛使用的单片集成频率合成器，大部采用CMOS电路，这是考虑到，虽然其频率响应不一定好。但它具有噪声容限大、集成度高、功耗小、成本低等优点，引人注目。目前，国外正引入LOCMOS工艺，并把它用来制造大规模多功能单片集成频率合成器获得成功。模拟、数字集成电路混合在一个单片内和多种电路工艺的结合使用是集成锁相环路工艺上的重要特点。3 锁相环工作原理在电子线路中，锁相环技术应用非常广泛，例如使用同步信号直接触发振荡器以求同步，这种同步的方法抗干扰性能差，已经很少采用，比较多的是采用锁相

15、环电路。锁相环最基本的结构如图6.1所示。它由三个基本的部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号Si(t)和压控振荡器的输出信号So(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Se(t)。    环路滤波器的作用是滤除误差电压Se(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受控制电压Sd(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压

16、来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。    以上的分析是对频率和相位不变的输入信号而言的。如果输入信号

17、的频率和相位在不断地变化，则有可能通过环路的作用，使压控的频率和相位不断地跟踪输入频率的变化。    锁相环具有良好的跟踪性能。若输入FM信号时，让环路通带足够宽，使信号的调制频谱落在带宽之内，这时压控振荡器的频率跟踪输入调制的变化。    对于锁相环的详细分析可参阅有关锁相技术的书籍。在此仅说明锁相环鉴频原理。可以简单地认为压控振荡器频率与输入信号频率之间的跟踪误差可以忽略。因此任何瞬时，压控振荡器的频率v(t)与FM波的瞬时频率FM(t)相等。FM波的瞬时角频率可表示为假设VCO具有线性控制特性，其斜率Kv（压控灵敏度）为（弧度秒

18、·伏），而VCO在Sd(t)0时的振荡频率为o，则当有控制电压时，VCO的瞬时角频率为 令上两式相等，即v(t)FM(t)，可得其中o为FM波的载频，o为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为直流项，可用隔直元件消除，或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为o=o。因此上式还可进一步写成可见，锁相环输出，除了常系数KfKv之外，近似等于原调制波形f(t)，因而达到频率解调的目的。     同理，锁相环也可用于解调PM信号，此时只需在输出端接入一个积分器就可以了。通过合理选择环路参数（主要是环路滤波器的参数）可以在满足解调要求的条

19、件下使闭环带宽尽可能窄，以便抑制噪声。因此锁相环具有良好的噪声性能。当接收信号电平微弱，噪声成为主要考虑因素时，采用PLL解调器可以改善解调性能，它可用于各种移动FM电台、微波接力系统、卫星通信系统以及电视、遥测等系统中，它与普通鉴频器相比，门限改善可达6dB，所以PLL解调器又称为门限扩张解调器或低门限解调器。4 行扫描AFC锁相环电路的设计与仿真本次设计采用AFC鉴相器来产生误差电压，在通过低通滤波变为误差直流电压，反向控制压控振荡器的振荡频率变化方向，拉回倒同步信号的频率范围。4.1 电路图设计电路见图7.61,电路说明如下:图7.6 1)V1为脉冲信号源,即行同步信号,周期64us、脉

20、宽4.7us、幅度选3V2) C1、R1为输入耦合电路。3)Q1、R2、R3、C2、C3、D1、D2、R4、R5组成分相型平衡式AFC鉴相器。4)R6、C5做成环路滤波器即低通。该时间常数的大小决定了锁相环的压控性和频率稳定性。5)R7为隔离电阻。6)U、R9、C4、D3、D4做成脉冲可变的压控振荡器。7)C7隔直，保证COM点平均电压为0；R8、C6做成积分电路，形成比较锯齿。8)调节R9可以改变振荡脉宽，方便调出符合比较相位要求的振荡器反馈比较信号。9)C4可调，调节它可以方便地改变振荡频率，观察锁相结果。10)AFC节点有直流电压指示器，可以方便地观察AFC输出（误差）电压。11)R10

21、为12V分压电路，提供振荡器正常偏置。4.2 仿真步骤(1) 按图7.61连接AFC仿真电路 先将AFC到振荡器的连线断开，用示波器观察OUT波形。 分别调节R9(键盘A)和C4(键盘B)，观察脉宽和频率变化的规律。 将AFC到振荡器的连线重新连接好，分别用示波器观察OUT、COM、AFC、B、C、E各点的波形，并且调节R9(合适脉宽)和 C4锁相（频）范围，做好记录。波形见图7.62锁相同步时各测试点的波形。波形分析： OUT输出“1”电平长，“0”电平短的振荡波形，是振荡器通过调整R9（85）获得，原因是为了满足锁相环比较相位的需要。 COM将OUT输出波形积分获得比较锯齿，锯齿波的逆程放大见图7.63。锁相过程为：设同步信号出现时，对应右边锯齿波逆程处于某一电压值：当振荡频率因某些原因升高，周期变短，即锯齿波左移，当同步信号再出现时，对应左边锯齿波逆程处于较低电压值，即COM点电位下降，引起APC电压也下降，使振荡器输入端电位降低，使振荡翻转推迟，即振荡频率也下降，通过不断地牵引，电路自动平衡在一个稳定频率点上，即频率被锁住了。可以从Ub与COM波形对照看出锁频状况。 Uc与Ue分相器Q1的输出波形，互为倒相。 AFC电压波形是比较误差电压( 电流)与振荡器输入端的波形叠加。（2）改变参数观察实验结