Mul基础电路及其仿真 13

第12章实用电路实用电路是有实际使用价值的电路，或者说是实际应用电路，它是在所学的基础电路的基础上，考虑到实际情况而设计的。本章将从以下几个方面加以介绍：电源电路测量电路转换电路放大电路AGC电路Multisim仿真分析：瞬态分析、直流分析和参数分析本章知识结构图12.1数控跟踪直流稳压电源在实际电路中，经常需要使用双电源供电，特别是在精密运算电路中，对电源的稳定度、精度和对称性提出了更高的要求。跟踪电源：为保证正负电源电压绝对值相等，抑制零点漂移，当调整其正输出电压时，其负输出电压可以自动跟随正电压变化。12.1.1电路设计思路首先设计一个可调的单电源选用常用的三端稳压芯片LM117/317A/317典型应用输出电压公式

简化后输出电压

12.1.1电路（续）典型应用电路图图12-1典型应用电路电路组成LM117三端稳压芯片

12.1.1电路（续）数控跟踪直流稳压电源设计要点：数控电阻

反相放大电路在此基础上，添加一个电压放大倍数为-1的反相放大电路扩流设计注意使用集成运放和三极管扩流最终目标构成数控跟踪直流稳压电源12.1.2仿真三位二进制数控稳压电源仿真说明控制信号A、B、C为控制信号：取"1"时开关闭合，取"0"时开关断开状态数量3个控制信号，共有8种状态输出范围可实现输出电压从2～9V，步进1V图12-2数控稳压器12.1.2仿真（续）仿真调试步骤：令ABC="111"，调节R_2，使V_0=2VABC="110"，调节R_5，使V_0=3VABC="101"，调节R_4，使V_0=4VABC="011"，调节R_3，使V_0=6V表12-1仿真结果12.1.2仿真（续）图12-3数控跟踪稳压直流电源仿真图表12-2仿真结果12.1.3实验实验说明：图12-4和图12-5分别给出了面包板上的跟踪直流稳压电源和面包板上的数控稳压器二者结合，即可实现数控跟踪直流稳压电源

实验步骤类似仿真过程12.1.3实验（续）面包板上的跟踪直流稳压电源图12-4面包板上的跟踪直流稳压电源面包板上的数控稳压器图12-5面包板上的数控稳压器12.2温度测量仪基本原理：利用温度传感器，将温度（非电量）转换为电压或电流（电量），结合电子电路，以电压表指示温度值，实现温度的测量。12.2.1电路电路原理说明：传感器部分

取样电阻

信号流程

12.2.1电路（续）图12-6一种实用温度测量仪的电原理图电路结构说明该电路由以下几个核心部分组成：

12.2.1电路参数设计设计目标：温度在0~100°C之间变化时，输出电压在0~10V之间变化取样电阻

基准电压设计

12.2.1电路参数设计（续）A_2差分放大器设计设计为1倍差分放大器选R_4=R_5=R_6=R_7=10kΩ保证在0°C时，输出V_D为0V；在100°C时，输出V_D为1VA_3反相放大器设计设计为10倍放大器，保证最后输出电压在0~10V之间变化取R_13=15kΩ，R_11=R_12=1kΩ（R_13为可调电阻）12.2.2仿真图12-7温度测量仪仿真图仿真说明用电流源I_1代替电流型温度传感器进行仿真。电源电压VCC=15V，VEE=-15V运放型号LF353D稳压管1Z6.2（6.2V稳压管）12.2.2仿真（续）调试步骤：

测试结果：电流源值对应温度电压表显示0.293mA20°C2V0.313mA40°C4V0.333mA60°C6V实测结果与理论值吻合得很好。12.2.2仿真（续）图12-8温度测量仪传输特性DC扫描曲线说明温度测量仪传输特性（DC扫描曲线）显示了输出电压与电流源之间的关系。结论：当温度从0~100°C变化（即电流源I_1从0.273~0.373mA变化）时，输出电压与其具有很好的线性关系。12.3电容测量仪基本原理：激励信号

C/ACV转换

带通滤波再经带通滤波电路滤去干扰频率输出显示

12.3.1电路图12-9电容测量仪的电原理图电路概述电容测量仪电路由多个运放级联构成，实现从电容值到电压值的精确转换。RC桥式正弦波振荡电路反相比例运算电路（缓冲隔离）C/ACV转换电路带通滤波器12.3.1电路组成1.正弦波振荡电路采用RC桥式正弦波振荡电路产生400Hz的正弦波2.反相比例运算电路

12.3.1电路组成（续）3.C/ACV转换电路

4.带通滤波器

12.3.2仿真图12-10电容测量仪仿真图仿真说明信号源替代正弦波振荡器用一个5V、400Hz的交流源代替被测电容C_x为被测电容校准方法选C_x为5nF，调整电阻R1，使电压表显示5mV即5nF（以mV为单位显示以nF为单位的电容值）12.3.2仿真（续）测量结果：

1pF1.000μV10pF10.001μV20pF20.002μV100pF100.009μV1000pF1.000mV10nF10.001mV2μF2.004V结论：从测量结果看，电压表显示值与电容值基本吻合。12.4电阻-电压转换电路

12.4.1电路电路组成三个集成运放一个精密基准源若干电阻工作原理

12.4.1电路（续）图12-11电阻-电压变换电路电路特点该电路利用运放的负反馈特性，实现了电阻值到电压值的精确线性转换。精密基准源提供稳定参考电压2.5VA_1作为电压跟随器，提供高输入阻抗A_2差分比例电路完成核心转换A_3反相比例电路调整输出极性12.4.2仿真图12-12电阻-电压变换电路的仿真图仿真说明Rx为转换电阻，改变Rx的值，电路的输出电压用电压表显示。以V为单位的电压值与以kΩ为单位的电阻值相等例：Rx=2.2kΩ时万用表显示2.2V12.4.2仿真（续）参数扫描结果：12.4.2仿真（续）图12-13参数扫描和变换特性结论以V为单位的输出电压与以kΩ为单位的电阻值呈良好的线性关系。参数扫描结果验证了电路设计的正确性，转换精度满足实际应用需求。12.5数控衰减器数控衰减器由两部分组成：电子衰减器带数控端口并具有恒定输入电阻的电子衰减器由集成运放构成的多级衰减电路，每一级是否衰减由数控信号决定，从而对整个衰减器实现数控。数控电路负责产生控制信号，控制各级衰减电路的通断状态，实现对衰减量的数字化控制。12.5.1电路——衰减器部分图12-14对数衰减器原理图衰减器结构说明该对数衰减器由多级衰减单元级联构成，每级衰减量可独立控制。多个电压跟随器提供隔离缓冲各级衰减电路独立工作恒定输入电阻设计12.5.1电路——衰减器工作原理

各级衰减电路

控制逻辑控制端为"1"：衰减起作用控制端为"0"：衰减不起作用优点

12.5.1电路——参数选择参数(1)

参数(2)

以第一级为例，设衰减量为x：故：12.5.1电路——参数计算各级参数计算：级别衰减量已知参数计算结果第一级-8dB

第二级-4dB

第三级-2dB

第四色级-1dB

12.5.1电路——数控部分图12-15数字控制器原理图数控部分概述

核心芯片：CD40193四位二进制可逆计数器控制门：CD4023三输入与非门边界保护逻辑12.5.1电路——数控部分说明

上电复位R、C网络：上电时产生负脉冲，使IC2输出预置数"1111"（衰减器初始输出为最小）控制门

开关控制

上限保护IC4

下限保护IC3

12.5.2仿真图12-16数控衰减器仿真图仿真说明

12.5.2仿真（续）图12-17衰减器子电路子电路说明衰减器子电路封装了多级衰减单元，通过标准接口与数控部分连接，便于仿真调试。多级运放隔离缓冲各级衰减电阻网络电子开关4066控制12.5.2仿真（续）仿真过程：

注意：由于设计时没有考虑电子开关4066的导通电阻，故实测衰减器的衰减量比理论值要小些。图12-18输出波形波形说明输出波形图展示了不同衰减量下的正弦波幅度变化，验证了数控衰减器的正确工作。12.5.2仿真（续）图12-19自动加减的数控衰减器改进说明控制门改进40193的加/减计数控制门采用集成电路4023方波源图中增加了一个300Hz的方波源自动变化在开关按下后，便可以看到输出波形幅度的自动变化过程操作注意仿真时，应先点触复位开关，使输出最小12.6双声道降噪耳机主动降噪耳机原理：采用耳机内的麦克风对外面的噪音进行采样，通过内部电路，产生与噪音大小相等、相位相反的声波，从而抵消噪音，实现降噪的效果。12.6.1电路图12-20双声道降噪耳机电原理图电路概述双声道降噪耳机电路包含两个完全对称的声道，每个声道均包含麦克风拾音、信号放大、相位切换和耳机驱动等功能模块。12.6.1电路工作原理信号流程：步骤1：MIC拾音与同相放大

步骤2：反相放大

步骤3：相位切换与音量调节

步骤4：耳机驱动放大

步骤5：外部音源放大

12.6.2仿真图12-21双声道降噪耳机电路仿真图仿真说明由于两个声道是一样的，所以只仿真其中一个声道即可。仿真图展示了完整的双声道降噪耳机电路，包括两个对称声道的全部功能模块。12.6.2仿真（续）图12-22单声道降噪耳机电路仿真图仿真说明用信号源V1代替驻极体的输出信号可变电阻R20调至最大

12.6.2仿真（续）图12-23输入和输出波形仿真验证输入波形幅度10mV输出波形幅度2.649V实测放大倍数

特别注意：此时的输出波形与输入波形同相。驻极体本身的输出波形与其输入信号波形是反相的，这样就保证了电路输出波形与驻极体输入信号波形反相，实现降噪效果。12.6.3实验图12-24噪声源电路图噪声源电路实验时，需要制作一个噪声源，其电路结构如图12-24所示。噪声源电路用于模拟实际环境中的噪声信号，为降噪耳机电路提供测试激励。12.6.3实验（续）图12-25面包板上的单声道降噪耳机电路和噪声源电路面包板电路说明左半部分单声道降噪耳机电路右半部分噪声源电路隔离措施面包板上左右两部分电路间加有LC滤波电路，以防相互干扰供电电压

12.6.3实验（续）图12-26噪声源的输出波形噪声源输出波形说明示波器显示的噪声源输出波形，呈现出典型的随机噪声特征，用于验证降噪耳机电路的降噪效果。12.6.3实验（续）降噪效果验证：取下扬声器用示波器观察噪声源的输出波形，单声道降噪耳机电路无输出波形插上扬声器可同时看到单声道降噪耳机电路的输出波形和噪声源电路的输出波形，且二者相位相反调节效果适当调节微调电阻，可使两个波形大小相等图12-27降噪耳机电路的输出波形和噪声源电路的输出波形波形分析图中清晰显示了降噪耳机电路输出波形与噪声源输出波形相位相反的特性，验证了主动降噪原理的正确性。12.7键控增益放大器功能：放大倍数由开关控制的放大器多级控制利用三个开关，可以控制放大器8个不同的放大倍数固定输入电阻同时，还要保证放大器有固定的输入电阻12.7.1电路图12-28键控增益放大器电原理图电路概述键控增益放大器由两个运放级联构成，通过三个开关的不同组合实现8种增益状态。

12.7.1电路原理电路组成

控制逻辑开关闭合为"0"，开关断开为"1"共有"000"~"111"共8个状态参数选择即可实现3~10倍，步进为1的8个放大倍数12.7.2仿真图12-29键控增益放大器仿真电路图仿真说明供电电压

信号源电压幅度：0.1~0.3V观察方式可动态观察波形，点按A、B和C键，观察"000"~"111"时波形由小到大的动态变化12.7.2仿真（续）图12-30"011"时的输出波形仿真结果控制状态"011"电压放大倍数6倍显示波形幅度1.197V与理论值吻合很好12.7.3实验图12-31面包板上的键控增益放大器电路实验说明键控方式键控由三个插线代替（插好插线为开关闭合，取下插线为开关断开）供电电源

信号源正弦波，幅度0.2V、频率1kHz12.7.3实验（续）电路输出波形（"000"和"111"）：图12-32(a)"000"时的输出波形图12-32(b)"111"时的输出波形实验结果：输出电压幅值分别为0.6V（"000"）和2V（"111"）12.8单电源音频分配放大器功能：可将一路音频输入分配成n路独立的音频输出，且n路输出均具有较强的带负载能力。12.8.1电路电路原理说明：偏置电路

直接耦合

同相放大

电压跟随器

12.8.1电路（续）图12-33单电源音频分配放大器电原理图电路结构说明单电源音频分配放大器采用单电源供电，通过电阻分压网络建立合适的直流工作点，实现音频信号的放大与分配。

12.8.2仿真图12-34单电源音频分配放大器仿真电路图仿真说明供电电压5V电压放大倍数10倍信号源电压幅度0.1V~0.2V观察工具用4通道示波器观察电路输出波形12.8.2仿真（续）图12-35仿真输出波形图仿真结果说明4通道示波器同时显示输入信号和三路独立输出信号，验证了单电源音频分配放大器的正确工作。三路输出波形幅度一致，相位相同，具有良好的一致性，满足音频分配放大器的设计要求。12.8.3实验实验说明电源接入雨珠S的5V电源接入面包板电源端信号源幅度200mV，1kHz的正弦波观察方式用雨珠S的双踪示波器，同时观察其中两路输出信号波形预期结果均应为被放大10倍的输入信号，即幅度为2V的正弦波实验结论三路波形是一样的，即该电路将一路信号分为三路信号。12.8.3实验（续）面包板上的单电源音频分配放大器图12-36面包板上的单电源音频分配放大器两路输出信号波形图12-37两路输出信号波形12.9DC-DC变换器DC-DC变换器：通常是指可将一种直流电压转换为各种不同直流电压的电子设备，其电路拓扑结构多种多样.12.9.1电路—实用稳压DC-DC变换器电路原理单电源方波发生器

占空比控制

PWM功能该方波发生器具有脉宽调制（PWM）功能设计举例

运放A的同相端产生平均值约2.5V的方波反相端产生以平均值约2.5V的三角波

12.9.1电路（续）实用DC-DC变换器电路图图12-38实用DC-DC变换器补充说明还将介绍以555时基电路为核心的DC-DC变换器。12.9.2仿真DC-DC变换器仿真图图12-39DC-DC变换器仿真图仿真电路说明运放U1（741）

功率管Q1（2N2904）

输出滤波

12.9.2仿真（续）图12-40电感上的电压和电流波形仿真结果说明上图运放输出端产生的开关波形中图电感上的电压下图电感上的电流电路稳定后，输出电压为-11.971V，与设计值-12V基本吻合，其纹波约为30mV12.9.2仿真（续）利用555时基电路构成的DC-DC变换器仿真图图12-41利用555时基电路的DC-DC变换器工作原理利用555时基电路，将电源电压（5V）变为交流信号（矩形波），再通过整流滤波，变为直流，实现DC-DC转换。注意事项图中增加了电容C6（0.1μF），以保证电路仿真收敛。12.9.2仿真（续）555时基电路输出波形（矩形波）图12-42（a）555时基电路输出波形电路输出直流电压图12-42（b）输出电压输出电压为7.096V12.9.3实验面包板上的DC-DC变换器图12-43面包板上的DC-DC变换器实验参数电阻参数

稳压管

电源雨珠S的5V电压接至面包板电源端用电压表测量电路输出端，测得输出电压为-8.334V12.9.3实验（续）面包板上的555时基电路DC-DC变换器图12-44面包板上的555时基电路DC-DC变换器说明本实验展示了基于555时基电路的DC-DC变换器在面包板上的实际搭建情况。12.9.3实验（续）555时基电路输出波形（实验）图12-45555时基电路输出波形电路输出直流电压（实验）图12-46电路输出直流电压实验清楚展示了555时基电路DC-DC变换器直流变交流再变直流的全过程，电压表示数7.848V。12.10AGC放大器AGC（自动增益控制，AutomaticGainControl）电路：具有自动调整放大电路增益的功能，从而使输入幅度在一定范围内波动时，放大电路仍能保证稳定不变幅度的输出。12.10.1电路—AGC放大器电路结构部分组成功能两级放大

放大输入信号全波精密整流

对输出信号取样低通滤波

滤波差分放大

差分放大可变电阻

起"隔直"作用

为参考电压12.10.1电路（续）AGC放大器电路图图12-47AGC放大器电路核心特点

12.10.2仿真AGC放大器仿真电路图图12-48AGC放大器仿真图仿真说明通过输入不同幅度的正弦信号，来观察电路的输出波形。12.10.2仿真（续）图12-49（a）输入100mV图12-49（b）输入300mVAGC调整是经过一段时间的反馈过程后才能表现出来的。对于输入较大信号的情况，开始时由于电源电压的限制，输出波形可能出现饱和失真，但当AGC开始起作用后，输出波形形状趋于正常。12.10.2仿真（续）AGC电路传输特性测量数据

753.82771753.8271803.82552003.8313903.82312503.84111003.82143003.85181103.82094003.87551203.82094303.88131303.82154503.88011403.8224500