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EDA技術(shù)發(fā)展迅猛，已在科研、產(chǎn)品設計與制造及教學(xué)等各方面都發(fā)揮著(zhù)巨火的作用。EDA代表了當今電子產(chǎn)品設計的最新發(fā)展方向，利用EDA工具，電子工程師不僅可以在計算機上設計電子產(chǎn)品，還可以將電子產(chǎn)品從電路設計、模擬實(shí)驗、性能分忻、到設計出PCB印制板的整個(gè)過(guò)程在計算機上處理完成。在教學(xué)方面，幾乎所有理工科的高校都開(kāi)設了EDA課程，學(xué)生通過(guò)EDA的學(xué)習演練，掌握用EDA技術(shù)進(jìn)行電子電路的設計、《電子技術(shù)基礎》課程的模擬仿真實(shí)驗，從而為今后從事電子技術(shù)設計工作打下基礎。 Multisim2001是電子電路設計與仿真方面的EDA軟件。由于Multisim2001的最強大功能是用于電路的設計與仿真，因此稱(chēng)這種軟件叫做虛擬電子實(shí)驗室或電子工作平臺。在任一臺計算機上，利用Multisim2001均可以創(chuàng )建《電子技術(shù)基礎》虛擬實(shí)驗室，從而改變傳統的教學(xué)模式，學(xué)生可把學(xué)到的《電子技術(shù)基礎》知識，應用Multisim2001電路仿真軟件進(jìn)行驗證。例如串聯(lián)型直流穩壓電源的設計，該系統是由整流、濾波和穩壓三部分組成，橋式整流電路加上電容濾波后，使輸出的波形更平滑，穩壓部分，一般有四個(gè)環(huán)節：調整環(huán)節、基準電壓、比較放大器和取樣電路。當電網(wǎng)電壓或負載變動(dòng)引起輸出電壓Uo變化時(shí)，取樣電路將輸出電壓Uo的一部分饋送給比較放大器與基準電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差電壓經(jīng)放大后去控制調整管的基極電流，自動(dòng)地改變調整管的集一射極間電壓，補償Uo的變化，從而維持輸出電壓慕本不變。 1. 直流穩壓電源設計 設計并制作串聯(lián)型直流穩壓電源，其輸出電壓UO=10V，輸出調整范圍為8～12V，額定輸出電流IL=100 mA，電網(wǎng)電源波動(dòng)±10％，穩壓系數Sr<0.05，輸出電阻RO=0.05。工作溫度為25～40℃。 1.1 初選電路 根據設計題目要求，輸出電流為100mA較大，所以選用由兩個(gè)三極管組成的復合管，從穩壓調節范圍考慮，選擇帶有可變電阻器的取樣電路，由此初選一個(gè)電路原理圖如圖1，通過(guò)參數計算和仿真測試，再重新考慮所選電路，使之滿(mǎn)足要求。最后在調試過(guò)程中進(jìn)一步確定電路及元件參數。 1.2 元件參數選擇 1.2.1 整流濾波電路 采用橋式整流，電容濾波電路。為了保證調整管始終工作在放大區，需要有一定的管壓降，根據計算得出U1=15V�？紤]到IL=100mA，加上通過(guò)R6、穩壓管VZ的電流(取10mA)，取樣電路的電流(取20mA)。經(jīng)過(guò)整流二極管的電流ID=130mA。在實(shí)際電路中根據計算出的U1和ID來(lái)選取整流二極管，本例中選取3N259，濾波電容選取470μF／30V。 1.2.2 調整部分 調整管V1的選取原則是工作可靠。根據BUCEO≥UOMAX，ICM≥1.5IOM，選取V1為2N6703。 1.2.3 基準電壓 選擇原則是使取樣電壓盡可能高一些，以更好地反映Uo的變化，一般取分壓比為(0.5～0.8)，穩壓值在6V左右較好。所以選取穩壓值為6.2V，型號為IN4735A的穩壓管。 1.2.4 放大電路和取樣電路 選擇放大電路參數的原則是保證在電網(wǎng)電壓或負載電流變化時(shí)放大電路都應工作在放大區并且盡量提高放大倍數，以滿(mǎn)足穩壓精度的要求。這里選取2N2222。 取樣電路，為了提高穩定性，要使通過(guò)取樣電阻R7、RP、R8的電流比V4基極電流大得多，這樣才能保證分壓比的要求。但是電流太大時(shí)，取樣電阻上的損耗也大，這里取電流為20mA。根據計算選取R7=100Ω，R8=200Ω，RP=220Ω。 2. 編輯電路原理圖 2.1 放置元器件 在Windows桌面上，雙擊Multisim2001圖標進(jìn)入程序主窗口，主窗口中最大的區域是電路工作區，在此可對電路原理圖進(jìn)行編輯和測試。首先，將初選電路原理圖中的所有元器件，分類(lèi)從元器件庫中調出來(lái)。方法是在元器件庫工具欄中，單擊包含該元器件的圖標，打開(kāi)該元器件庫，從元器件庫中將該元器件拖拽至電路工作區。例如：放置V1，單擊三極管元器件庫圖標，打開(kāi)Transistors三極管元器件庫，三極管圖標下的底紋有灰色和綠色，灰色是表示現實(shí)中存在的元器件，綠色表示在現實(shí)中不存在，是虛擬元器件。單擊灰色底紋的NPN型三極管，打開(kāi)ComponentBrowser對話(huà)框，選擇2N6703，單擊OK，移動(dòng)鼠標到合適位置，單擊鼠標放下三極管。元器件方向不合適，在其上右鍵單擊，出現快捷菜單，在菜單上根據需要選擇鏡像、旋轉……。元器件V1需要執行90CounterCW命令，逆時(shí)針旋轉90°。到此為止，元器件V1放置完畢。利用此方法依次放置所有元器件。元器件放置完后，要精心布局元器件的放置位置，以確保元器件分布合理、美觀(guān)。 2.2 導線(xiàn)的連接 元器件放置完畢后，進(jìn)行連線(xiàn)，按照原理圖，將鼠標指向元器件的管腳使其出現實(shí)心小十字，按下鼠標左鍵，拖拽出一根導線(xiàn)并連接至相關(guān)元器件的管腳，同樣方法，正確完成所有導線(xiàn)的連接。至此原理圖編輯完成，如圖1所示。 2.3 儀器的調入 選用儀器可從儀器庫中將相應的儀器圖標拖拽至電路工作區，儀器圖標上有連接端，用于將儀器連入電路，如圖1所示。本例中使用了萬(wàn)用表、示波器。萬(wàn)用表有兩個(gè)輸入端，示波器共有4個(gè)接線(xiàn)端(A通道端、B通道端、T觸發(fā)端、G接地端)。需要觀(guān)察測試波形時(shí)，可以雙擊儀器圖標打開(kāi)儀器面板，如圖2(a)，示波器顯示的是橋式整流后沒(méi)有濾波的波形，圖2(b)萬(wàn)用表顯示的是輸出UO的數值。儀器的使用方法和實(shí)際儀器基本相同，萬(wàn)用表的使用方法，首先要根據被測兩點(diǎn)的實(shí)際情況，用鼠標選擇測量直流-還是交流～，然屙選抒測量電壓V、電流I或電阻R。示波器的使用方法，首先選擇工作模式Y／T，然后選擇A、B通道的輸入耦合開(kāi)關(guān)，是直流DC、交流AC還是接地零。 3. 電路的仿真分析 3.1 仿真步驟 仿真分析開(kāi)始前可雙擊儀器圖標打開(kāi)儀器面板。準備觀(guān)察被測試波形。按下程序窗口右上角的啟動(dòng)／停止開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1，仿真分析開(kāi)始。若再次按下，啟動(dòng)／停止升關(guān)狀態(tài)為0，仿真分析停止。電路啟動(dòng)后，需要調整示波器的時(shí)基和通道控制，使波形顯示正常。仿真后的的儀器工作狀態(tài)如圖3所示。 3.2 仿真輸出結果 3.2.1 整流濾波 在輸入端加人幅度U1=15V，頻率為50Hz的交流電壓，RL=100Ω，可用Multisim2001電子工作臺上提供的萬(wàn)用表、示波器觀(guān)察濾波電路輸出結果。這時(shí)調節RP，使輸出UO在10V左右，從圖3中可以看到用萬(wàn)用表測量出關(guān)鍵點(diǎn)的電壓U1=14.998V，UI=18.381V，UO=10.156V，用示波器A通道和B通道分別顯示整流濾波后電壓UI的波形和穩壓輸出電壓Uo的波形，從示波器顯示窗口可以看山：上面一條鋸齒波曲線(xiàn)為UI波形，下面一條線(xiàn)為Uo波形。 3.2.2 穩壓電路 模擬交流電網(wǎng)波動(dòng)±10％分別為13.5V和16.5V，頻率為50Hz交流電壓時(shí)的情況。首先改變輸入電壓信號，模擬電網(wǎng)波動(dòng)，用Multi-sim2001工作平臺操作比較簡(jiǎn)單，只需用鼠標對準電壓源雙擊，根據屏幕顯示將其由15 V，分別改變?yōu)?3.5V、16.5V，這時(shí)測量的對應的UI分別為16.280V和20.406V，輸出電壓UO為10.133V和10.181V。 3.2.3 過(guò)流保護電路 當U1=15V，頻率為50Hz，分別改變RL。 當RL=∞，Uo=10.160V； 當RL=100Ω，IL=101.816mA，Uo=10.156V； 當RL=10Ω，IL=160.075mA，Uo=1.601V； 當RL=5.1Ω，IL=158.433mA，Uo=808.005mV， 當當負載短路時(shí)，IL=156.741mA，Uo=156.74lpV。 從測量的數據看，本電路是一個(gè)限流型保護電路。 4. 與設計指標比較校核 4.1 輸出電壓 理論計算Uo=(R7′+R8′)(Vz+Ube4)／R8=10.196V。式中R7′=R7+RP′=265Ω，R8′=R8+RP″=255Ω，VZ=4.3V，Ube4=0.7V。式中RP′是RP的上半部分阻值，RP″是RP的下半部分阻值。用Multisim2001模擬仿真。使用萬(wàn)用表實(shí)測輸出電壓為Uo=10.160V，測量穩壓電源輸出電壓Uo調節范圍當U1=15V，頻率為50Hz，調節RP，即當鍵盤(pán)字母為小寫(xiě)狀態(tài)，連續按下A鍵，電位器滑動(dòng)頭向下移動(dòng)，直至最下端，這時(shí)測量Uo=13.29V：反之，當鍵盤(pán)字母為大寫(xiě)狀態(tài)，連續按下A鍵，電位器滑動(dòng)頭向上移動(dòng)，直至最上端，這時(shí)測量Uo=6.064V。 4.2 穩壓系數Sr理論值的計算 式中β4取值30，[rbe4+(1+β4)rz]取值1K， 4.3 輸出電阻 用Multisim2001模擬仿真測量的數據：當RL=∞， UO=10.160V； 當 RL=100Ω，IL=101.816mA，Uo=10.156V；計算得出： 通過(guò)以上分析，串聯(lián)型直流穩壓電源的測量值和理論計算相符。實(shí)際線(xiàn)路滿(mǎn)足設計指標要求。如果以上設計的電路通過(guò)模擬仿真分析，不符合設計要求，可通過(guò)逐漸改變元器件參數，或更改元器件型號，使設計符合要求，最終確定出元器件參數。并可對更改的電路立即進(jìn)行仿真分析，觀(guān)察虛擬結果是否滿(mǎn)足設計要求，這在實(shí)際的電路板中是難以做到的。 5. 結束語(yǔ) 從上述例子可見(jiàn)，是一個(gè)開(kāi)放的虛擬電子實(shí)驗平臺。既有它的優(yōu)越性，又有它的局限件。設計人員可以做各種類(lèi)型的電子線(xiàn)路實(shí)驗和實(shí)際電子產(chǎn)品設計，但不能完全取代最終電路和實(shí)物測試，因為實(shí)際電子線(xiàn)路，干擾現象是一個(gè)不好解決的難題，特別是高頻電路。之所以用Multi-sim2001模擬仿真，就是在制成實(shí)際電路之前能夠保證電路有大致正確的參數屬性，從而減少設計中不必要的彎路。在《電子技術(shù)基礎》教學(xué)中，運用Multisim2001電路仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，一方面可以驗證理論知識，另一方面還可以設置一些故障，例如串聯(lián)型直流穩壓電源中，調整管V1的c-e極斷路。先提問(wèn)學(xué)生從理論上分析會(huì )出現什么問(wèn)題，然后讓學(xué)生應用仿真軟件進(jìn)行仿真，來(lái)驗證結果，從而拓展學(xué)生思維，進(jìn)一步促進(jìn)《電子技術(shù)基礎》的教學(xué)。因而我們可以看到，對于工程技術(shù)人員，合理運用Multisim2001電路仿真軟件，可以節省大量人力、物力，縮短設計周期；對于教師教學(xué)，能夠理論聯(lián)系實(shí)際，強化學(xué)生實(shí)踐能力，培養出實(shí)用型人才。 |
