基于Proteus仿真 模拟电路实验与设计

第4章模拟电路实验与综合设计4.1模拟电路实验4.1.1模拟电路常用器件与仪器4.1.2单管共射放大器及负反馈4.1.3射极跟随器4.1.4差动放大器4.1.5低频功率放大器4.1.6RC正弦波振荡器4.2直流可调稳压电源的设计在电子线路中，研究含有线性电阻、电容和电感元件的电路(有直流和交流稳态及动态电路)，属于基础理论电路，相对比较容易理解；而研究以非线性元件二极管和三极管为核心的电路，因为交直流并存，元件的多种作用与工作电压的变化密切相关，不便于初学者理解和掌握。模拟电路就是以三极管为核心，处理模拟信号的电路。初学者往往对模拟电子技术的学习感到困惑，概念多而抽象，学生在实验室里做实验的时间又有限，尤其是前几章的内容，稀里糊涂就过去了，给后面的学习带来不少困难。在这一章里，我们主要对模拟电路中的几个典型实验进行仿真和分析，然后给出两个模拟电路设计的综合实例，目的在于使读者对这一部分的仿真元件及仪器有个基本的掌握，帮助大家更好地理解和学习模拟电子技术，借助软件，反复学习和验证，最终克服学习中的难关。4.1模拟电路实验这一节，我们把模拟电子技术中的经典实验详细介绍给大家，使大家对Proteus中的模拟电子技术部分仿真元器件和虚拟仪器有较为详细的了解，并能够熟练掌握和使用。同时，可以使广大电子技术初学者和爱好者能够在不进实验室的情况下顺利完成实验，测得实验数据和获得实验波形，设计出自己想要的理想电路，实现预定的电路功能，从而减少元件的浪费，缩短设计周期，提高设计成功率。首先，来看一看Proteus中有哪些模拟电路中常用的仿真器件和虚拟仪器能够供我们使用吧。4.1.1模拟电路常用器件与仪器1.模拟电路常用器件模拟电路中常用的器件主要有三极管、二极管、电阻、电容、电感、变压器、直流电源、信号源、集成运放等。下面我们来看这些元件如何拾取。(1)三极管如何在Proteus的浩瀚元件库中找到自己想要的三极管元件呢？打开Proteus的元件拾取对话框，在类别“Category”中的“Transistors”子类就是三极管，单击“Transistors”，出现如图4-1中所示的元件。这些元件和我们平时常用的国产三极管的型号不太一致，比如常用的国产高频小功率管3DG6对应于2N5551，替换的原则是双方的管型一致，另外参数也要一样(当然根据设计需求允许有误差)，元件替换对应也可以在网上查找。如果只是一般的原理仿真，可以直接输入“NPN”或“PNP”来拾取通用元件即可。如果用到场效应管，则可以在对应的子类中查找。如图4-1中右侧所示。图4-1三极管元件拾取对话框(2)二极管二极管的种类很多，包括整流桥、整流二极管、肖特基二极管、开关二极管、隧道二极管、变容二极管和稳压二极管。打开Proteus的元件拾取对话框，选中“Category”中的“Diodes”，出现如图4-2所示的对话框，一般来说，选取子类“Sub-category”中的“Generic”通用器件即可，图4-2右边给出通用器件的查寻结果，可以单击来看看需要使用哪种元件。图4-2二极管元件拾取对话框(3)电阻电阻的分类为“Resistors”，子类有0.6W和2W金属膜电阻、3W、7W和10W绕线电阻、通用电阻、热电阻(NTC)、排阻(ResistorPacks)、可变电阻(Variables)及家用高压系列加热电阻丝。常用电阻可直接输入通用电阻“RES”拾取即可，然后再修改参数。这里我们主要说一下比较常用的可变电阻。直接输入“POT”或“POT-”可找到四个或三个相关元件。“POT”为一般滑动变阻器，触头不能拉动，需选中后打开元件属性对话框，修改“STATE”来改变触头的位置，“STATE”的初始值为5，触头位于中间，改为10后，触头位于最上，如图4-3所示。由于调整不方便，一般不使用此元件，而使用下面的几个滑动变阻器。图4-3滑动变阻器元件属性对话框“POT-HG”滑动变阻器的好处是可以直接用鼠标来改变触头位置，精确度和调整的最小单位为阻值的1%，比如一个1kΩ的电阻，精确到10Ω，而一个100kΩ的电阻只能精确到1kΩ，所以，当电阻较大时，考虑把它分成两部分串联，一部分为较大阻值的固定电阻，另一部分为较小阻值的滑动电阻，这样比较科学。“POT-LIN”和“POT-LOG”滑动变阻器和“POT-HG”一样可以通过鼠标来改变触头位置，但精确度和调整的最小单位均为阻值的10%。读者可以根据需要和调整精度来选择所需要的滑动变阻器。(4)电容模拟电路中常用的电容为极性电容，即电解电容。其实无极性电容和电解电容在使用时没什么区别，只不过当电容值较大时，一般在1μF以上时，要做成电解电容。放大电路中的耦合电容一般为10~100μF，为电解电容，特别注意的是，电解电容的正极性端的直流电位一定要高于负极性端才能正常工作，否则会出现意外现象。常用的无极性电容的名称为“CAP”，极性电容为“CAP-ELEC”，还有一个可动画演示充放电电荷的电容为“CAPACITOR”。极性电容“CAP-ELEC”的原理图符号正端不带填充，负端方框中填充有斜纹。使用时可直接输入名字拾取即可。(5)电感和变压器电感和变压器同属电感“Inductors”这一分类，只不过在子类中，又分为通用电感、表面安装技术(SMT)电感和变压器。一般来说，使用电感时直接拾取“INDUCTOR”元件，使用变压器时，要看原、副边的抽头数而定。打开元件拾取对话框，选取“Inductors”大类下的子类“Transformers”，如图4-4所示，在右侧显示出变压器可选元件。常用的是前四种，名称前缀为“TRAN-”，也可以直接输入这个前缀来搜寻变压器。为了帮助大家记忆变压器的名称，以第一个变压器“TRAN-1P2S”为例来说明它的含义。“TRAN”是变压器的英文“TRANSFORMER”的缩写，“P”是原边“PRIMARY”的意思，“S”是副边“SECONDORY”的意思。而后面三个变压器都是饱和变压器，如“TRSAT2P2S2B”即SaturatedTransformerwithsecondaryandbiaswindings，意思是具有副边和偏置线圈的饱和变压器。图4-4变压器拾取对话框变压器在调用时，由于对称按钮可能处于选中状态，原、副边绕组的位置就颠倒了，使用时要注意，尤其是原边和副边绕组数目相同的变压器，这涉及到原、副边的匝比是升压或降压变压器的问题。变压器的匝比是通过改变原、副边的电感值来实现的。打开“TRAN-2P2S”变压器的元件属性对话框，如图4-5所示，原边和副边的电感值都是1H，即变比n为1:1。如果我们想使它成为n=10:1的降压变压器，可以改变原边电感，也可改变副边电感，还可以两者同时改变，但要保证，即原、副边电压比值等于原边电感与副边电感的平方比。改变原、副边的电感值分别为100H和1H(也可以为1H和0.01H)，即原副边电压比为10:1，此变压器为降压变压器，如图4-6所示。图4-5变压器属性对话框图4-6修改变压器变比变压器变比设定后，在原边加一个交流源“ALTERNATOR”，使它为幅值100V，频率为50Hz，同时在原边加一个交流电压表，在副边也加一交流电压表，运行仿真，显示原边电压有效值为70.7V，副边电压有效值为7.07V，变压为10:1。如图4-7所示。ACVolts+70.7ACVolts+7.07TR1TRAN-2P2S图4-7变压器变比仿真(6)交、直流电源直流电源通常有单电池“CELL”和电池组“BATTERY”两种，可任意改变其值。单相交流电源为“ALTERNATOR”，可改变其幅值(半波峰值)和频率。如图4-8所示。BAT11.5VB112V图4-8交、直流电源(7)集成运放打开元件拾取对话框，选取“OperationalAmplifiers”分类，显示子类有“Dual”、“Deal”、“Octal”、“Quad”、“Single”、“Triple”，分别为双运放(即一个集成芯片内所包含的两个相同运放)、理想运放、八运放、四运放、单运放和三运放。我们常用的集成运放是通用的理想运算放大器，可直接选子类“Deal”中的“OP1P”。如果知道集成运放的名称，也可直接查寻，比如对常用的四运放LM324直接输入“LM324”即可。2.模拟电路仿真中的常用仪器模拟电路中常用的仿真仪器主要有交流电压表、交流电流表、直流电压表、直流电流表、信号发生器、示波器和扬声器。单击工具栏中的虚拟仪器图标，如图4-9所示，在对象选择区出现所有的虚拟仪器名称列表，其中“OSCILLOSCOPE”、“SIGNALGENERATOR”、“DCVOLTMETER”、“DCAMMETER”、“ACVOLTMETER”、“ACAMMETER”分别为示波器、信号发生器、直流电压表、直流电流表、交流电压表和交流电流表。交、直流电压表和交、直流电流表的量程都可以设定，比如可以设定一个交流电压表为毫伏表，如图4-9所示，只需改变元件属性中的“DisplayRange”为“Millivolts”即可。图4-9交流毫伏表的量程设定信号发生器的用法在3.2.7节已经介绍，下面主要说明示波器和扬声器的用法。(1)示波器Proteus的虚拟示波器能完成四个通道(A、B、C、D)的波形显示与测量。待测的四个输入信号分别与示波器的四个通道相接，信号的另一端应接地。在前面的例子中我们已经熟悉了示波器的原理图符号，下面介绍仿真运行后示波器界面各部分旋钮的功能。图4-10是示波器仿真运行后的界面。图4-10示波器运行仿真后的界面以通道A为例，“Position”旋钮用来调整波形的垂直位移，下面的旋钮用来调整波形的幅度显示比例，外面的黄色箭头是粗调，里面的黄色小箭头是细调，当读刻度时，应把里层的箭头顺时针调到最右端。四个通道的对应旋钮使用方法一样。在“Horizontal”下方的两个旋钮分别用来调整波形的水平位移和扫描频率。当用鼠标单击黑色的波形显示区域后，也可以通过滚动鼠标滑轮来调整扫描频率。其他旋钮可保持原位不动。在运行过程中如果关闭掉示波器，需要从主菜单【Debug】中选取最下面【VSMOscilloscope】来重现。(2)扬声器扬声器在模拟电路的仿真中也经常用到。可直接输入“Speaker”来调用，两个接线端不分正负，因为它接收的是交流模拟信号。要注意驱动信号的幅值和频率应在扬声器的工作电压和频率范围之内，否则不会响。当扬声器不会鸣响时，可能是因为信号种类不匹配(比如数字信号)或扬声器的电压设的太大而需要修改。扬声器的属性参数对话框如图4-11所示。图4-11扬声器属性参数对话框在模拟电路中，单管共射放大器及负反馈是非常重要的内容，这两个实验通常合并在一块电路板中来做。接下来我们讨论单管共射放大器的静态工作点及动态参数的调试与测量，最后来观察两级放大电路中负反馈带来的影响。1.单管共射放大电路静态工作点的调试单管共射放大器及负反馈实验的电路如图4-12所示。我们先考虑单管共射放大器部分，即前一级电路，如图4-13所示。4.1.2单管共射放大器及负反馈图4-12单管共射放大器及负反馈实验电路图图4-13单管共射放大器实验电路图照图4-12把整个电路图连接好，两级参数可取一样。接上直流电源、信号发生器和示波器。下面调试第一级的静态工作点，即找到一个合适的静态工作点，然后再用直流表测量出来。把开关按图示位置设定好，按仿真运行按钮，把信号发生器的频率调为1kHz，幅值尽可能大，直到观察到示波器显示的输出波形出现双顶失真为止，如图4-14中的波形(a)所示。看看这个失真的波形是否上下对称失真，如果不对称，调整图4-13中的滑动变阻器RV1来改变静态工作点使波形看似对称，如图4-14中的波形(b)所示。因为眼睛看到的对称失真并不一定是真的对称，所以还需减小信号发生器的幅值，使波形一端的失真刚好消失，如图4-14中的波形(c)所示，这验证了静态工作点仍然不合