電路設計及仿真精選(九篇)

前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的電路設計及仿真主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：電路設計及仿真范文

關鍵詞：模8計數(shù)器 Multisim2001 交通燈控制器 BCD碼顯示器

中圖分類號:TN702 文獻標識碼：B 文章編號：1007-9416(2012)01-0001-03

1、交通燈控制器的功能及要求

設計目標及任務分析。

本設計的交通燈系統(tǒng)工作的十字路口由A、B兩條交叉的道路組成，要求實現(xiàn)的控制過程為：

A街道綠燈亮，同時B街道紅燈亮，保持3秒；3秒后A街道綠燈熄滅，黃燈亮，保持1秒；1秒后A街道黃燈與B街道紅燈同時熄滅，繼而A街道紅等亮，B街道綠燈亮，并保持3秒；3秒后B街道綠燈熄滅，黃燈亮，保持1秒；1秒后A街道紅燈與B街道黃燈同時熄滅，繼而A街道綠燈與B街道紅燈亮。依照上述過程如此循環(huán)。

路通燈控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)一樣，劃分為控制器和受控電路兩部分。根據(jù)交通燈控制器的設計要求，本課題需要實現(xiàn)一個8秒的周期循環(huán)控制。整個系統(tǒng)由一個模8計數(shù)器和6個交通燈組成，為了更直觀地觀察模8計數(shù)器工作過程及交通燈的受控狀態(tài)，電路中接入BCD碼顯示其顯示循環(huán)過程。

2、交通燈控制器數(shù)字電路設計

2.1 模8計數(shù)器設計

74LS160 是一個具有異步清零、同步置數(shù)、可以保持狀態(tài)不變的十進制上升沿計數(shù)器,功能管腳圖及功能說明分別如圖1和表1所示。

因為74LS160兼有異步置零和同步預置數(shù)功能，所以置零法和置數(shù)法均可采用。圖2所示電路是采用異步置零法接成的八進制計數(shù)器。由于要產生8s的控制信號，所以CLK端輸入1Hz的脈沖信號，而8s一循環(huán)相當于摸8計數(shù)器，即0000-0111，當計數(shù)器計成QDQCQBQA=1000狀態(tài)時，非門74LS04D將QD=1的信號轉化為低電平信號給CLR端，將計數(shù)器置零，QDQCQBQA回到0000狀態(tài)。

2.2 顯示電路

譯碼器的邏輯功能是將每個輸入的二進制代碼譯成對應的輸出高、低電平信號或另外一個代碼。在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中得到廣泛的采用，一方面供人們直接讀取測量和運算的結果；另一方面用于監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。

本邏輯系統(tǒng)電路采用CTCMOSIC，這是一種采用CMOS-TTL混合集成工藝的CMOS邏輯電路。因此，它既具有一般COMS集成電路的各種特點，還具有一般CMOSIC所欠缺的強驅動特性，即所謂的低能耗、強驅動的特性，是一種COMS-TTL兼容的集成電路，具有靜電功耗低（一般為微瓦數(shù)量級）；電源電壓范圍寬（4～15V），適宜與各種電平的電路相匹配；抗噪聲能力大。直流噪聲容限可達45%電源電壓；負載能力強，可直接匹配驅動LED數(shù)碼管等特點。完成的設計的電路圖如圖3所示。

2.3 交通燈邏輯表達式的設計

首先對A街道綠燈（GA）的設計進行分析。根據(jù)設計要求GA的時序波形如圖4a)所示；根據(jù)波形圖得到GA真值表，如表2所示；得到真值表后可以根據(jù)卡諾圖的步驟進行卡諾圖化簡如圖6b)所示。

化簡后的邏輯表達式為：

同理可以得到A街道黃燈（YA）、A街道紅燈（RA）、B街道綠燈（GB）、B街道黃燈（YB）、B街道紅燈（RB）的化簡后的邏輯表達式，分別為：

3、交通燈控制器電路實現(xiàn)及仿真

根據(jù)上述邏輯表達式，可以用門電路畫出相應的電路圖。在完成電路設計后就可以采用Multisim軟件進行仿真分析，其步驟為：創(chuàng)建仿真電路原理圖電路圖選項的設置使用仿真儀器設定仿真分析方法啟動Multisim仿真。

步驟一：按照常規(guī)方式從各元件庫中調用元器件放置到電路窗口中，并按照已經計算好的參數(shù)對元器件進行相應的設置。Multisim的界面上的In Use List欄內列出了電路所使用的所有元器件，使用它可以檢查所調用的元器件是否正確。放置完所有元器件后需要按照設計好的原理圖對其進行線路連接，連接后的交通燈控制器電路如圖5所示。

步驟二：正確連接電路及邏輯分析儀后啟動Simulate菜單中的Run命令或者按下F5

步驟三：交通燈交替閃爍過程及時間顯示功能的仿真結果。

如圖6a)所示，上排的是A街道燈，下排是B街道燈，圖6b)所示的是BCD碼顯示器，可以觀察到的現(xiàn)象：BCD碼顯示器自0開始計數(shù)當計數(shù)到7時回到0重新計數(shù)，如此循環(huán)。與此同時A街道綠燈（GA）和B街道紅燈（RB）同時亮，依照計數(shù)器的計數(shù)節(jié)奏3秒后，GA熄滅YA亮；1秒后YA與RB同時熄滅，RA與GB亮；隨后相對于上半周期，3秒后GB熄滅YB 亮，并且在1秒后同RA一起熄滅。如此完成一個周期，再回到計數(shù)器0狀態(tài)繼續(xù)循環(huán)。

步驟四：通過邏輯分析儀對電路的工作情況進行分析，得到時序邏輯圖，如圖7a)所示為的仿真時序波形圖，圖7b)所示為的仿真時序波形圖。邏輯分析儀窗口，自上到下的波形依次是，A街道綠燈（GA）、A 街道黃燈（YA）、A街道紅燈（RA）、B街道綠燈(GB)、B街道黃燈（YB）B街道紅燈（RB）。

注意事項：Simulate菜單中的Default Instrument Settings...命令，在打開的Default Instrument Settings對話框中選擇“Real”或“Ideal”可調整仿真速度。邏輯分析儀的時鐘設置為1Hz。

4、結語

本課題是為十字路通燈的控制而設計的，可以實現(xiàn)交通控制的自動化。結合課題設計的要求，確立了一個基于74LS160計數(shù)器的交通燈控制器的設計方案。交通燈控制器的設計采用的是時序邏輯電路的設計方法，按設計要求將同步十進制計數(shù)器構成為八進制計數(shù)器，通過對實際情況的分析，得出交通燈相應的時序波形圖，之后得到真值表，最后通過卡諾圖依次對各交通燈狀態(tài)進行化簡得出邏輯表達式，完成了整個設計。

為了進一步驗證設計的正確性，本課題通過Multisim軟件來創(chuàng)建電路原理圖，然后再通過基本操作對電路仿真情況進行觀察。通過仿真，可以看出仿真結果符合設計要求，結果正確，達到了預期的目的。

參考文獻

[1]劉建沁.從零開始學電路仿真Multisim與電路設計Protsl技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2]王冠華，王伊娜. Multisim 8電路設計應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[3]康華光.電子技術基礎模擬部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2000.

[4]鄭步生,吳渭.Multisim 2001電路設計及仿真入門與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[5]郭勇.EDA技術基礎（第二版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

作者簡介

第2篇：電路設計及仿真范文

關鍵詞 Multisim仿真；電子電路設計；搶答器

中圖分類號：TP319.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）10-0035-03

Abstract Introduces the function and characteristic of Multisim simu-

lation software， and describes the use of Multisim simulation software for electronic circuit design process with a digital responder

design as an example.

Key words Multisim simulation； electronic circuit design； responder

1 前言

隨著電子電路復雜程度越來越高、更新速度越來越快、設計規(guī)模越來越大、推向市場時間越來越短，這就迫切需要實現(xiàn)設計工作的自動化。電子設計自動化（EDA）技術的出現(xiàn)，改革了傳統(tǒng)的電子電路設計方法。

2 Multisim仿真軟件的功能及特點

Multisim是一個原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件，可實現(xiàn)原理圖捕獲、電路分析、電路仿真、仿真儀器測試等功能；具有如下特點：界面設計人性化、操作簡潔明了、元件庫規(guī)模龐大、儀器儀表庫種類齊全（包括函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、邏輯分析儀等）、分析功能強大（包括直流工作點分析、交流分析、噪聲分析等）。

3 應用實例

以數(shù)字搶答器的設計為例，闡述采用Multisim仿真軟件進行電子電路設計的過程。

設計任務和要求 用中、小規(guī)模集成電路設計一個數(shù)字搶答器，設計要求：

1）搶答器可同時供8名選手參加比賽，每個選手擁有一個搶答按鍵，分別用按鍵J0～J7表示，按鍵編號和選手編號相同；

2）主持人扳動控制開關J8，可控制系統(tǒng)的復位和搶答的開始；

3）搶答器具有第一搶答信息的鑒別、鎖存和顯示功能，搶答開始后，第一搶答者按動搶答按鍵時，該選手的編號立即被鎖存，并顯示在LED數(shù)碼管上，控制電路使揚聲器發(fā)出報警聲音，并對輸入電路進行封鎖，使其他選手的搶答不起作用；

4）搶答器具有定時搶答功能，主持人通過設定一次搶答時間，控制比賽的開始和結束[1]。

電路組成 搶答器由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路由主持人控制開關、搶答按鍵、控制電路、優(yōu)先編碼器、鎖存器、譯碼器、編號顯示器和報警電路構成，完成基本搶答的功能；擴展電路由秒脈沖產生電路、定時電路、譯碼器和定時顯示器構成，完成定時搶答的功能。

搶答器工作過程：首先，接通搶答器電源，主持人將開關J8置于復位位置，禁止搶答器工作，編號顯示器被熄滅，定時顯示器顯示定時時間；然后，主持人將開關J8置于開始位置，允許搶答器工作，計數(shù)器進行減計時；當選手在定時時間內搶答時，計數(shù)器停止工作，編號顯示器顯示搶答選手的編號，定時顯示器顯示剩余搶答時間，并禁止其他選手隨后的搶答；當定時時間到，但無人搶答時，系統(tǒng)報警，并禁止選手超時搶答。

電路設計及仿真

1）搶答器電路。搶答器電路如圖1所示。優(yōu)先編碼器74LS148能鑒別第一搶答者的按鍵操作，并使其他選手的操作無效；RS鎖存器74LS279能鎖存第一搶答者的編號，并經譯碼器74LS48譯碼后顯示在LED數(shù)碼管上。

搶答器電路仿真波形如圖2所示。借助于Multisim仿真軟件中的邏輯分析儀，可對搶答器電路的多路邏輯信號同步進行高速采集和時序分析。將邏輯分析儀的輸入端口相應地連接到電路的如下測試點上：開關J8，74LS279的輸出端Q4、Q3、Q2、Q1（EI、BI），按鍵J7、J6、J5、J4、

J3、J2、J1、J0。被采集的輸入信號將顯示在屏幕上。

由圖2可知，在第一個Clock脈沖的上升沿，主持人將開關J8置于復位位置時，74LS279被復位，禁止鎖存器工作，其輸出Q4Q3Q2Q1=0000。于是，74LSl48的選通輸入端EI=0，允許優(yōu)先編碼器工作；74LS48的消隱輸入端BI=0，編號顯示器被熄滅。在第一個Clock脈沖的下降沿，當主持人將開關J8置于開始位置時，允許優(yōu)先編碼器和鎖存器工作。在第二個Clock脈沖的下降沿，將J6按鍵按下時，74LSl48的輸出A2A1A0=001，GS=0，經RS鎖存后，Q4Q3Q2Q1=1101。于是，Q1=1，使BI=1，允許74LS48工作；Q4Q3Q2=110，經譯碼顯示為“6”。此外，Q1=1，使EI=1，禁止74LSl48工作，封鎖了其他按鍵的輸入（即在第三個Clock脈沖的上升沿J3按鍵的輸入）。在第四個Clock脈沖的上升沿，當按下的J6鍵松開后，GS=1，此時由于仍為Q1=1，使EI=1，所以仍禁止74LSl48工作，封鎖了其他按鍵的輸入（即第五個Clock脈沖的下降沿J0按鍵的輸入），從而實現(xiàn)了搶答的優(yōu)先性，保證了電路的準確性。在第六個Clock脈沖的下降沿，主持人將開關J8重新置于復位位置，以便進行下一輪的搶答。

2）定時電路。將兩片同步十進制可逆計數(shù)器74LSl92級聯(lián)，以串行進位方式構成百進制計數(shù)器；計數(shù)器的計數(shù)脈沖由555定時器構成的秒脈沖電路提供；通過預置時間電路，主持人對計數(shù)器進行一次搶答時間的預置；74LS48譯碼器和定時顯示器構成譯碼顯示電路。當主持人將開關J8置于復位位置時，計數(shù)器預置定時時間，并顯示在定時顯示器上。當主持人將開關J8置于開始位置時，74LS279的輸出Q1=0，經非門反相后，使555定時器的時鐘輸出端CP與74LSl92的時鐘輸入端CPD相連，計數(shù)器進行減計時；在定時時間未到時，74LS192的借位輸出端BO2=1，使74LSl48的EI=0，允許74LSl48工作。當選手在定時時間內搶答時，Q1=1，經非門反相后，封鎖CP信號，計數(shù)器停止工作，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)復位為止；同時，EI=1，禁止74LSl48工作。當定時時間到無人搶答時，BO2=0，EI=1，禁止74LSl48工作，禁止選手超時搶答；同時，BO2=0，封鎖CP信號，計數(shù)器停止工作，定時顯示器上顯示00[2]。

3）報警電路。報警電路由555定時器、三極管推動級和揚聲器構成。由若干電阻、電容和555定時器接成多諧振蕩器，將時序電路控制信號PR接至555定時器的清零端，以控制多諧振蕩器振蕩的起停，多諧振蕩器輸出信號控制三極管的導通、截止，從而推動揚聲器發(fā)出報警聲音。

根據(jù)上述設計思路，畫出各單元電路的仿真電路圖，先對各單元電路逐個進行仿真調試，再將各單元電路連接起來進行系統(tǒng)聯(lián)調；通過Multisim仿真，觀察各部分電路之間的時序配合關系，測量電路各項性能指標，調整部分元器件參數(shù)，檢查電路各部分功能，使其滿足設計要求；最后進行電路焊接與裝配，并對實際電路進行測試。

4 結語

Multisim是電子電路計算機仿真設計與分析的基礎，在電子電路設計中應用Multisim仿真軟件，把虛擬仿真和硬件實現(xiàn)相結合，可以節(jié)約設計成本、縮短開發(fā)周期和提高設計效率，有利于培養(yǎng)學生工程實踐、綜合分析和開發(fā)創(chuàng)新能力，提高學生運用現(xiàn)代化設計工具的能力。

參考文獻

第3篇：電路設計及仿真范文

關鍵詞：Multisim；單管放大電路；仿真分析；放大電路

中圖分類號：TN7；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模擬電子技術是電子、通信類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。通過這門課的學習，使學生掌握電子電路的基本理論與基本實驗技能，并初步具有電子電路的設計和創(chuàng)新能力。隨著科技的發(fā)展，電子電路分析和設計方法實現(xiàn)了現(xiàn)代化和自動化，在教學中適當引用計算機輔助工具實現(xiàn)硬件設計軟件化，讓實驗變得簡單、方便，同時可幫助學生快速理解理論知識。使用Multisim軟件不僅可以快速設計電路，還可與理論設計進行比較，為電路的進一步調試提供便利，極大地縮短了產品的研發(fā)周期。

本文以典型的單管放大電路為例，具體介紹了利用Multisim設計單管放大電路，并對其進行靜態(tài)和動態(tài)分析，得到放大電路的靜態(tài)工作點，分析靜態(tài)工作點的影響因素；在動態(tài)分析的基礎上得到了電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及帶寬。

1 Multisim仿真軟件功能及特點

學習電子技術，不僅要熟練掌握電子器件以及電路的基本原理、參數(shù)計算方法，更重要的是對電路的分析、應用以及開發(fā)。Multisim是一款在業(yè)內廣泛采用的電子電路仿真與設計軟件，其功能強大，能最大化滿足使用者的需求，其擁有的專業(yè)功能可以輕松處理較為復雜的電路設計。它包含電路原理圖的輸入、電路硬件描述語言輸入，具有豐富的仿真分析能力，元件庫中提供了大量仿真模型，確保了仿真結果的準確性、真實性和實用性，并集成了多種虛擬儀表，包含大量設計實例、課程設計和研究項目，使得實驗更加簡便快捷。

2 單管共射放大電路設計

根據(jù)NPN型晶體管的特性，設計一個輸入電阻為Ri、輸出電阻為Ro、電壓放大倍數(shù)為Au的共射放大電路，電路設計具體過程如下：

（1）晶體管是放大的核心元件，輸入信號為正弦波電壓Ui。在輸入回路中，加入基極電源VBB使晶體管基極與集電極之間的電壓UBE大于開啟電壓UON，并與基極電阻Rb同時決定基極電流IB；在輸出回路中，應該讓集電結反向偏置，使晶體管處在放大狀態(tài)，所以集電極電源VCC應該足夠高，這里取12 V，基本共射放大電路如圖1所示。

（2）在實際電路中，通常用一個直流電源代替基極電源和集電極電源，為了設置合適的靜態(tài)工作點，在輸入回路中增加一個電阻Rb1，得到如圖2所示的直接耦合共射放大電路。

（3）加入輸入信號時，圖1的Rb和圖2的Rb1上均有電壓損失，減小了基極與發(fā)射極之間的電壓差值，影響了電路的放大能力。由于電容有“隔直通交”的作用，在輸入端加入大電容C1，使輸入信號可以無損失地加在基極與發(fā)射極之間，在輸出端加入電容C2，連接放大電路與負載。為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點，并增大放大電路的交流電壓增益，在發(fā)射極端增加一個電阻Re和一個電容Ce并聯(lián)電路，具體電路如圖3所示。

3 靜態(tài)工作點分析

為保證放大電路不失真地對已知小信號進行放大，設置合m的靜態(tài)工作點非常必要。將輸入信號置零，使直流電源單獨作用時，將基極電流、集電極電流、晶體管b-e間電壓和管壓降稱為靜態(tài)工作點Q，通常記為IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在圖3所示的阻容耦合共射放大電路中，已知Vcc=12 V，Rb1=5kΩ，Rb2=15 kΩ，Re=2.3 kΩ，Rc=5.1 kΩ，RL=5.1 kΩ；晶體管的β=50，rbe=1.5 kΩ，UBEQ=0.7 V，分別取C1、C3、Ce為30 μF、10 μF、50 μF。根據(jù)晶體管特性以及回路方程，估算靜態(tài)工作點。因為（1+β）Re>>Rb1∥Rb2，所以 ：

（1）

（2）

（3）

（4）

然后通過Multisim的仿真功能與菜單欄Simulate選項中Analysis and Simulation中的DC Operating Point Analysis直接測出b、c、e的節(jié)點電壓和Rc的支路電流。靜態(tài)工作點分析如圖4所示，其中V（b）=2.98 V， UCEQ=V（c）-V（b）= 6.80V-2.35 V=4.45 V， I（Rc1）=1.01 mA，由此可以看出仿真結果與理論估計值接近。

通過公式（1）～（4）可知，靜態(tài)工作點與Rb2的取值有關，Rb2越小，靜態(tài)工作點越高。將Rb2換成最大阻值為100 kΩ的滑動變阻器。改變Rb2，采用直流仿真方法測出四組不同阻值下的靜態(tài)工作點，數(shù)據(jù)結果見表1所列，可以看出隨著Q點的增高，IEQ越大。

4 動態(tài)參數(shù)分析

在電路的交流通路中，用h參數(shù)等效模型代替晶體管得到交流等效電路，這樣的分析方式稱為h參數(shù)等效模型分析。電容對交流信號短路，晶體管用h參數(shù)模型代替，畫出圖3的交流等效電路圖如圖5所示。電路的放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro稱之為動態(tài)參數(shù)，根據(jù)電路的回路方程，可以得到動態(tài)參數(shù)的表達式：

（5）

（6）

（7）

在輸入輸出端接入萬用表，設置為交流電壓檔，測得輸入端電壓為14 .142 mV記作Ui，輸出端電壓為1.173 V記作Uo，根據(jù)公式（5）計算得到放大增益Au為83.57，輸入輸出電壓如圖6所示。也可以放入雙蹤示波器，A通道連接輸入端，B通道連接輸出端，打開仿真開關，得到圖7所示的輸入、輸出波形，可以看出輸入輸出波形有180°的相位差，并且輸入波形被放大了81.5倍，與理論值相差甚微。

在輸入端并聯(lián)一個電壓表，串聯(lián)一個電流表，測得輸入端電壓和電流，通過計算得出輸入端電阻Ri為1 kΩ；在輸出端采用同樣的方式得到輸出電阻Ro為5 kΩ，電表均設置為交流檔（即AC檔）。由以上分析可知理論計算數(shù)值與仿真結果基本一致。

用波特圖示儀測試電路的幅頻特性曲線，共射放大電路幅頻如圖8所示。由圖可知中頻電壓增益為39.834 dB，根據(jù)頻帶寬度的測量原理，移動測試指針，使幅度值下降3dB，找到半功率點，低端頻率fL約為134.4 Hz，高端l率fH約為1.425 MHz，同時計算出放大器的頻帶寬度fW=fH-fL≈1.4MHz。

5 結 語

利用Multisim仿真軟件對單管共射放大電路進行設計和仿真，對電路的靜態(tài)工作點和動態(tài)參數(shù)進行詳細分析，理論與仿真結果基本相同。在仿真過程中充分利用Multisim的多種仿真方式，快速得到仿真結果，先仿真后制作增加了設計成功率，提高了實驗效率。作為教學輔助工具，該設計方法對其他電子電路的設計有一定的參考價值與不可估量的作用。

參考文獻

[1]肖淵.基于Multisim的放大電路設計及仿真研究[J].陜西科技大學學報，2009，27（4）：126-128.

[2]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]呂曙東.Multisim10在差動放大電路分析中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2010，33（22）：24-27.

[4]劉俊清，趙海，張玉梅.基于multisim10的單管放大電路的仿真[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2012，8（4）：55-56，66.

[5]代素梅，劉照紅，鐘寧.單管放大電路靜態(tài)工作點仿真分析[J].測控技術，2014，33（12）：143-146.

[6]付揚.Multisim在仿真在電工電子實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2011，30（4）：120-122.

第4篇：電路設計及仿真范文

關鍵詞：Liu混沌系統(tǒng)；虛擬儀器；LabVIEW；自治混沌系統(tǒng)

中圖分類號：O415.5；TM132 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-098-02オ

LabVIEW Simulation Research and Circuit Design of Liu Chaotic System

LIU Xingyun1，2

(1.Hubei Normal University,Huangshi,435002,China；2.Faculty of Material Science and Engineering,Hubei University,Wuhan,430062,China)

オ

Abstract：The chaotic dynamic characteristic of Liu chaotic system is further investigated.The software system of Liu chaotic system based on virtual instrument is designed.Topology construction of experimental system based on virtual instrument technique is given.The hardware circuit design is designed and the interrelated circuit implementation is realized.A feasible program is provided for the research of nonlinear system.As the approach has been used,the result of experimental system is satisfactory.To compare the traditional autonomous chaotic system,it has many advantages,such as a convenient parameter changing,easy gaining,high accuracy,good real-time capability and so on.

Keywords：Liu chaotic system;virtual instrument;LabVIEW;autonomous chaotic system

1 引 言

自從1963年，Lorenz在三維自治系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了第一個混沌吸引子以來[1]，其混沌理論研究和實際應用得到了極大的關注，但供研究的混沌系統(tǒng)并不多。1999年Chen等采用線性反饋控制方法控制Lorenz混沌系統(tǒng)而發(fā)現(xiàn)了一種與Lorenz混沌系統(tǒng)類似但不拓撲等價的Chen混沌系統(tǒng)[2] ;2001年和2002年，呂金虎等人相繼發(fā)現(xiàn)了Lü混沌系統(tǒng)和連接上述三個混沌系統(tǒng)的統(tǒng)一混沌系統(tǒng)[3,4]；2003年，Liu等發(fā)現(xiàn)了在三維連續(xù)自治混沌系統(tǒng)中能產生四螺旋混沌吸引子的混沌系統(tǒng)，并用實際的硬件電路證實了該混沌系統(tǒng)的存在[5]。2005年，Qi等在Lorenz混沌系統(tǒng)的第一個式子上，加上一個非線性項，發(fā)現(xiàn)了一類變形Lorenz混沌系統(tǒng)，并對該混沌系統(tǒng)進行了詳細的分析[6]。 2004年，Liu等提出了一類含有平方非線性項的三階連續(xù)自治混沌系統(tǒng)[7]，由于Liu混沌系統(tǒng)是一個新的混沌系統(tǒng)，開展其動力學特性及電路實現(xiàn)的研究具有重要的理論意義和實際價值,便于作為混沌保密通信系統(tǒng)的信息載體，提高通信系統(tǒng)的安全性。

2 Liu混沌系統(tǒng)動力學分析及數(shù)值仿真

Liu混沌系統(tǒng)是一類含有平方非線性項的混沌系統(tǒng)，其數(shù)學模型描述如下[7]：

И

=a(y－x)=bx－kxz=－cz+hx2

(1)

И

圖1 隨b變化的李雅普諾夫指數(shù)譜

當a=10,k =1,c=25,h=4時，b在-10~100之間變化時，Ю用Jacobia方法計算的李雅普諾夫指數(shù)譜如┩1所示，用最大值法計算的分岔圖如圖2所示[3]，從圖可以看出b=40時，此系統(tǒng)的李雅普諾夫指數(shù)有一個大于零，分岔圖中x有很多個最大值，可知該系統(tǒng)為混沌系統(tǒng)。

下面將設計一個基于LabVIEW 8.2仿真實驗系統(tǒng)[8]，此系統(tǒng)參數(shù)調節(jié)方便，易實現(xiàn)，可靠性高，實時性好。圖3是前面板圖，圖4是程序框圖。圖中給出了各狀態(tài)變量的時序圖，相互之間的相圖。

圖2 隨b變化的分岔圖

圖3 基于虛擬儀器Liu混沌系統(tǒng)前面板圖

圖4 基于虛擬儀器Liu混沌系統(tǒng)流程框圖

Liu混沌系統(tǒng)混沌信號的輸出，安裝NI公司的PC 6014數(shù)據(jù)采集卡并設置參數(shù)，這樣就可由數(shù)據(jù)采集卡輸出狀態(tài)變量X(或Y，Z)的混沌信號[9]。

3 Liu混沌系統(tǒng)的電路設計及硬件實驗

3.1 電路設計

采用線性電阻、線性電容、運算放大器(LM741)、模擬乘法器(AD633) 來設計Liu混沌系統(tǒng)的電路[7]，如圖5所示。其中運算放大器是用來進行電路的加減運算，模擬乘法器則用來實現(xiàn)系統(tǒng)中的非線性項。由于運算放大器(LM741)的容許電壓僅為±18 V，對于乘法器(AD633)來說，其容許電壓僅為±10 V。為了有效地進行電路實驗，我們把混沌信號的輸出電平調小為原來的1/10，設:

И

u=10x,v=10y,w=10z

(2)

И

又由于系統(tǒng)變量的變換，不影響系統(tǒng)的狀態(tài)及性能，從而再令:

И

x=u,y=v,z=w

(3)

И

則式(1)可變?yōu)?

И

=a(y－x)=bx－10kxz=－cz+10hx2

(4)

И

其中參數(shù)a=10,k=1,c=2.5,h=4,b=40。根據(jù)電路理論以及各個元件的特性，其電路如圖5所示。其中R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10為10 kΩ，R11，R12，R14為1 kΩ，R13，R16為250 Ω，R15為4 kΩ，У縟菸10 nF，運算放大器為LM741，模擬乘法器為AD633。

圖5 電路原理圖

3.2 電路仿真結果及硬件實驗

根據(jù)圖5的電路在EWB的仿真結果如圖6所示。硬件實驗結果也是一致的，說明基于虛擬儀器技術的方案是可行的。

圖6 EWB實驗的混沌吸引子

4 結 語

本文首先對Liu混沌系統(tǒng)的數(shù)學模型進行了分析，當參數(shù)b∈［-10,100］變化時，給出了李雅普諾夫指數(shù)譜圖和分岔圖，然后應用美國NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術結合混沌理論設計了基于虛擬儀器Liu混沌系統(tǒng)信號發(fā)生器，該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是：用戶在操作時感覺同操作真實的儀器設備一樣，參數(shù)調節(jié)方便，易實現(xiàn)，可靠性高，實時性好，更適合于作為加密混沌通信系統(tǒng)的信息載體，提高通信系統(tǒng)的安全性,也提供了一種研究非線性混沌系統(tǒng)的新途徑。最后進行Liu混沌系統(tǒng)的電路設計，仿真及其硬件設計，結果與理論分析是一致的。

參 考 文 獻

［1］Lorenz E N.Deterministic Nonperiodic Flow［J］.Atoms.Sci.,1963,20:130-141.

［2］Chen G R,Ueta T.Yet Another Chaotic Attractor ［J］.Int. of Bifurcation and Chaos,1999,9(7):1 465-1 466.

［3］Lü J H,Chen G R,Zhang S C.Dynamical Analysis of a New Chaotic Attractor Coined［J］.Int. of Bifurcation and Chaos,2002,12(5):1 001-1 015.

［4］Lü J H,Chen G R.A New Chaotic Attractor Coined［J］.Int. of Bifurcation and Chaos,2002,12(3):659-661.

［5］Liu W B,Chen G R.A New Chaotic System and Its Generation［J］.Int.of Bifurcation and Chaos,2003,13(01):261-267.

［6］Qi G Y,Du S Z,Chen G R,et al.Analysis of a New Chaotic System［J］.Physica A:Statistical Mechanics and Its Applications,2005,352:295-308.

［7］Liu C X,Liu T,Liu L,et al.A New Chaotic Attractor［J］.Chaos,Solitons & Fractals,2004,22:1 031-1 038.

［8］陳小平,李云飛,顏友鈞,等.基于虛擬儀器技術的變頻器測試系統(tǒng)的研制［J］.儀器儀表學報,2004,25(5)：684-687.

［9］劉興云,魯池梅,程永山.基于虛擬儀器技術新型混沌信號產生器的設計［J］.現(xiàn)代電子技術,2007,30(20):1-3.

第5篇：電路設計及仿真范文

3.1 基本理論

常用的開關電壓電源未補償?shù)拈_環(huán)傳遞函數(shù)Tu可分為單極點和雙極點兩種，對于單極點一般采用PI（比例積分）補償，雙極點一般采用PID（比例積分微分）補償。也可以大致理解為電流型控制的采用PI補償，電壓型控制的采用PID補償。

PI補償可以用如下電路實現(xiàn)：

WL=1/(R2C2) Wp=1/(R2C1) Gc=R2/R1 (C2>>C1)

Gc是比例因子；零點WL引入積分，當頻率小于WL，增益增加，直流增益提高，意味著穩(wěn)壓精度提高；極點Wp使高頻的干擾信號迅速衰減。需要注意的是上面的等式是在C2>>C1的假設下得到的，實際選擇反饋參數(shù)時要注意滿足這個條件。

PID補償可以采用如下方式：

若R1>>R3，C2>>C1，有：

為在fc點獲得θ的超前補償，有：

fL使低頻增益加大，提高穩(wěn)壓精度；fz引入相位超前補償，增加相位裕度；fp1、fp2使高頻干擾衰減。注意滿足：R1>>R3，C2>>C1。

3.2補償網絡設計實例

畫出Tu的Bode圖之后，就可以設計補償網絡了。下面對幾個實際電路進行分析。

3.2.1 非隔離的電壓型BUCK（TPS40007）

輸入5.5V，輸出3.3V/5A，開關頻率fs=300kHz。按照TPS40007的內部結構，鋸齒波的幅值是Vm=0.9V，所以控制電壓Vc到占空比D的傳遞函數(shù)Gain=1/Vm。補償網絡的設計步驟如下：

/psimu/ZXTJ/TJ6700/small signal 3V

第一步：去掉補償網絡，對控制電壓Vc（即補償網絡的輸出）進行直流掃描，找到使Vo=3.3V時的Vc值，將Vc的直流分量設為次值，即設置了電路的靜態(tài)工作點。

第二步：對Vc進行交流掃描，得到未補償?shù)腣c到Vo的傳遞函數(shù)Tu。Tu的直流增益為15.7dB，交越頻率為10.5kHz。

第三步：設計補償網絡參數(shù)。由于是電壓型控制，所以采用PID補償。設補償后的交越頻率fc=20kHz，在fc處得到60°的相位補償；而Tu在fc處的增益是dbGc=-12.38；設置極點fp2=180kHz以抑制高頻干擾；R1=36K。按上述參數(shù)得到補償網絡的反饋參數(shù)：R2=40K（取39k）， C2=7.4nF（取4.7nF），C1=53pF（取47pF），R3=1k， C3=820pF（取1nF）。

仿真結果：fc=24.7kHz， 相位裕度φm=43°。下面是實測的環(huán)路BODE 圖。

實測的交越頻率及相位裕度都比仿真的大些，這是由于頻率高了以后，電路的分布參數(shù)影響的結果。

3.2.2 隔離的電流型BUCK（TDA16888）

輸入400Vdc，輸出54V/5A，開關頻率fs=100kHz。

/psimu/zx500W/main/small signal1

為便于補償網絡的設計，將光藕部分也歸入未補償?shù)膫鬟f函數(shù)Tu，即：只將補償網絡分開。那么Tu是光藕的輸入Vc（補償網絡運放的輸出）到輸出Vo的傳遞函數(shù)。

補償斜率mva的計算：芯片15腳的外接電容100pF，通過內部的10K電阻充電，時間常數(shù)只有1us，電源的開關頻率是100kHz，在電流信號與Vc比較的瞬間，外接電容已經基本充滿了電，對斜率補償沒有多大影響，實際上此處電容的作用只是消除電流檢測波形前端的尖峰。對環(huán)路特性有影響的斜率是指鋸齒波與Vc比較時的斜率。TDA16888芯片內部是將電流檢測信號放大了5倍，即加在電流鋸齒波信號上的補償斜率是電流信號本身斜率的4倍。根據(jù)實際電路結構，可以算出在變壓器原邊檢流電阻上的電流信號（實際是電壓信號）的斜率：

輸入電壓Vi=400V，變壓器變比n=2.875，輸出電感Lo=200uH，輸出電壓Vo=54V，輸出電感電流的上升斜率mi=(Vi/n-Vo)/Lo=0.425A/us，折合到原邊，電流上升斜率mip=mi/n=0.148A/us，在檢流電阻上的電壓上升率mv=mip*Rs(0.22)=0.0325V/us=32.5K V/s，也可以通過仿真直接得到電流斜率。由此得到補償斜率mva=4*mv=130K V/s。

V9是芯片內部的壓降。

第一步：先得到Vc到Vo的傳遞函數(shù)Tu。方法是對Vc進行DC掃描，得到使輸出電壓為Vo時的Vc值，從而確定了電路的工作點（Bias point）。設定Vc的直流分量為工作點的值，然后進行AC掃描，得到Tu：DC增益32.84dB、轉折頻率fo=23.6Hz。

第二步：確定補償網絡的形式。因為是電流型控制，可以采用PI補償。補償前Tu的直流增益dbTuo=32.84dB，Tu的轉折頻率fo=23.57Hz，Tu的交越頻率fc’=1kHz。為提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，將補償后的fc提高到2kHz（由于光藕的帶寬只有10kHz左右，所以在有光藕隔離的場合，很難將交越頻率提得很高）；為提高穩(wěn)壓精度，加入零點fL=fc/10；為抑制高頻干擾，加入極點fp=10*fc；在確定R1=33k后，可以算出反饋網絡的參數(shù)：R2=64k C2=12nF C1=120pF

第三步：將補償網絡加入環(huán)路中，此時得到的電路就和實際的一樣了。進行偏置點掃描（biaos point swip），得到電路各點的電壓，與實際的測試結果比較，保證電路的參數(shù)設計合適，比如可以看看光藕的If是否合適。將環(huán)路中各器件設計到合適的工作點是保證電路在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作及長的工作壽命的前提。注意：補償網絡的參數(shù)不會影響電路的靜態(tài)工作點。確定環(huán)路的靜態(tài)工作點后，加入Lf、Cf及Vsti進行AC掃描，得到整個系統(tǒng)補償后的開環(huán)傳遞函數(shù)T。

在上述仿真電路中，電感Lf很大，對直流信號相當于短路，所以不會影響整個環(huán)路的靜態(tài)工作點，Lf對交流信號來說相當于開路，所以仿真出的T是開環(huán)傳遞函數(shù)；Cf也很大，對激勵源Vsti來說相當于短路，從而引入激勵信號，Cf對直流信號相當于開路，Vsti的任何直流分量不會影響環(huán)路的靜態(tài)工作點。

從仿真結果可以看出，交越頻率fc處的相位裕度φm=66°，且頻率低于fc的最低相位裕度也有36°，所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。下面是實測的開環(huán)Bode圖。

3.2.3 帶前饋的電壓型隔離BUCK（LM5025）

輸入48V，輸出3.3V/40A，LM5025控制器，開關頻率fs=280kHz，下圖是實際電路參數(shù)，可以看出測試結果與仿真結果很相似，表示所建的仿真模型準確度是可以信賴的！

LM5025-2

下面對此電路按上面的方法重新設計補償網絡。

首先，將補償網絡移出，畫出從光藕輸入到Vo的未補償傳遞函數(shù)Tu。C8、C9、C6、R12不要，R6及Vr1是芯片內部參數(shù)，需保留。

從仿真結果可以看出，Tu的直流增益很小，只有-0.44dB。原因是光藕的電阻R5接到了輸出Vo，從而降低了Vo對Vc的增益。若將R5接到一個固定電平VCC上，則整個增益增加了，Tu的直流增益增加到25.6dB！以此為基礎進行補償網絡設計。由于是電壓型控制，所以采用PID補償。由于本電源的開關頻率很高，達fs=280kHz，若沒有光藕隔離限制，補償后的交越頻率可取fc=0.2*fs=56kHz，但由于光藕的帶寬只有10kHz左右，且光藕引入的相位滯后在5kHz 以后急劇增加，所以為了得到盡可能大的帶寬，首先應對光藕進行適當補償以拓展其帶寬。此處在光藕的輸出加入RC零點。設補償后的交越頻率為fc=20kHz，Tu在fc處的增益dbGc=-8.67dB，希望在fc處得到60°的相位補償，設置極點fp2=180kHz以抑制高頻干擾，R1=100k//56k=35.9k，計算得到補償網絡如下：

補償后帶寬20kHz，相位裕度30°。仿真得到的相位裕度往往小于預期的值，這是由于補償網絡的運放及未完全補償?shù)墓馀涸斐傻摹?/p>

3.2.4 準諧振Flyback（UCC28600）

220Vac輸入、28V/2.3A輸出，光藕+TL431反饋。

UCC28600

先把補償網絡去掉，計算未補償?shù)腣c到Vo的傳遞函數(shù)Tu，由于光藕直接接到輸出，所以Tu的直流增益很低。

下面是實測的環(huán)路BODE圖，可見仿真結果與實測符合得很好。

第6篇：電路設計及仿真范文

【關鍵詞】Multism10；電路設計與仿真；三相電動機；模擬操作

1.引言

電機的控制電路是生活中廣泛的應用電路，也是我們本科（包括電氣類、機電類等專業(yè)）在校生學習的一個重要的做成部分。自（互）鎖控制電路占有很大的比重。然而，在進行相關的實驗或實習中，三相交流電往往是很高的電壓，具有一定的危險性；并且，三相電機某些參數(shù)測定實驗（如短路實驗）在實際操作中很難進行。針對這些問題，Multism10為實際操作前的準備提供更加貼近實際的環(huán)境。這些可以增加我們學生電機控制電路實際操作中的信心和積極性，使我們在實際操作中敢于大膽動手，勇于創(chuàng)新，最終達到對理論知識更加深刻的理解和增強我們的操作的熟練性。

2.Multism10的概述

A、Multism10是美國國家儀器公司（National Instruments，簡稱NI）推出的一款仿真軟件。

B、Multisim 10是一個功能強大的EDA系統(tǒng)，它提供了一個非常大的元器件數(shù)據(jù)庫，同時擁有VHDL和Verilog設計接口與仿真等功能。

C、Multism10操作界面友好，能夠利用鼠標完成對元件的選擇、連線，元件屬性的查看以及修改以及對仿真結果的查看。

D、Multism10提供了電路的多種分析方法，例如：參數(shù)掃描分析、噪聲分析等；同時也提供了許多的測試元件，如：虛擬電流表、探針、虛擬伏特表等。

3.兩個電動機自（互）鎖控制電路的設計

3.1 確定電路的控制方式和元件

3.5 兩個三相電動機自（互）鎖控制電路的功能一覽表

3.6 兩個三相電機控制電路的仿真過程

A、按開關QF，主電路和控制電路此時得電。

B、若按開關SA，交流接觸器KM1線圈得電閉合，此時，原理圖中的KM1-1閉合，使電機1的自鎖和電機1的連續(xù)運轉；同時原理圖中的KM2-1斷開，實現(xiàn)電機1運轉時，電機2停止，實現(xiàn)電機1、2互鎖。

C、若按開關SB，同理，可實現(xiàn)電機2的自鎖和電機1、電機2的互鎖。

3.7 結果

通過以上的仿真，仿真的結果符合控制的要求，對于在實踐中電機控制電路的操作具有一定的知道意義。

4.結束語

通過Multism10的仿真，不僅可以能夠更好地為電工電子實踐和實際操作前做準備，減少在實踐中的儀器和設備的損壞，更重要的是能夠較少電工電子實踐中較高電壓等因素引起的對操作者的威脅。除此之外，Multism10的仿真電路的運行，使我們在不必導致?lián)p壞設備或有危險的情況下能夠更好地掌握電路的性能。

參考文獻

[1]《職業(yè)技能鑒定教材》編委會.電工[M].中國勞動社會保障出版社,2011,12.

[2]鄧澤霞,陳新崗主編.電路電子基礎實驗[M].中國電力出版社,2009.

第7篇：電路設計及仿真范文

關鍵詞：集散控制；可編程控制器；工業(yè)網絡；通信技術；真空自耗電弧爐

前言

隨著鈦及鈦合金在國防、航空、核設施、能源、化工等高精尖領域的廣泛應用，國內外用戶對鈦產品生產的質量跟蹤、實時監(jiān)控、生產工藝現(xiàn)場控制、設備安全聯(lián)鎖等提出了更高的要求，這也是電弧爐電氣自動控制的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、可靠性降低，系統(tǒng)控制方式落后，控制精度低等問題，落后的控制方式使鑄錠生產處于熔化不均勻，表面質量較差等低性能高成本運行狀態(tài)，對生產管理、工藝質量和設備安全運行產生不利的影響。

隨著計算機可靠性不斷提高以及電氣自動控制水平的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)了控制室與集散控制站或PLC之間的網絡通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控的實時性，并且大量的減少了控制室與現(xiàn)場之間的電纜數(shù)目、設備故障率低。因此，通過運用集散式控制方案、采用自動控制的先進技術解決了真空自耗電弧爐目前存在的工藝和設備方面的問題，提高了鈦鑄錠產品的質量和生產的水平。

1 電控系統(tǒng)控制要點

真空自耗電弧爐的主要組成包括：由爐體、坩堝、電極桿及傳動裝置組成的機械系統(tǒng)；還包括真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電源部分及其以上系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)。

2 電控系統(tǒng)構成

真空自耗電弧爐電氣控制系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)、電氣設備、儀器傳感器等三個部分組成。系統(tǒng)采用集散控制方案設計，包括西門子S7300可編程控制系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水控制系統(tǒng)，皮拉尼電阻真空傳感器，電子稱重系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，直流調速系統(tǒng)，攝像監(jiān)控系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)。

下位控制器采用西門子S7-300控制系統(tǒng)。采用主從現(xiàn)場總線的工作方式，包括CPU中央處理器，24V直流開關電源、輸入輸出模塊，ET200總線模塊。

3 電控系統(tǒng)設計

根據(jù)集散控制模式（DCS），采用上位計算機、可編程控制器（PLC）、伺服電機、直流調速器等組成。電控系統(tǒng)用于控制整個工作過程，熔煉過程可采用計算機自動控制，具有自動引弧，自動補縮、弧壓自動跟蹤、自動開停真空泵組、自動檢測、記錄、工藝參數(shù)等功能。設有水、氣、壓力、電壓、電流、真空度的異常報警及必要的聯(lián)鎖保護功能。一旦熔煉開始，所有的相關熔化及設定數(shù)據(jù)都在屏幕上顯示出來，激活的圖形顯示熔煉進展情況，并顯示相關參數(shù)數(shù)據(jù)。與此同時，每10秒將所得到的工藝數(shù)據(jù)在硬盤上記錄一次。每次熔煉打印的報告包括鑄錠編號，工藝號，表頭，以及開始對話信息，熔煉工藝有關開始階段，熔化階段，熱補縮階段的細節(jié)。眉頁寫有熔煉循環(huán)有關數(shù)據(jù)參數(shù)和大小的信息。每一頁打印出的熔煉報告頂部都重復寫有這樣的眉頁。在打印出的熔煉報告上將出現(xiàn)的所要求的參數(shù)。

4 電氣系統(tǒng)

分為三個部分：（1）電極桿自動與手動控制系統(tǒng)。（2）冷卻水系統(tǒng)。（3） Profibus-DP網絡通信。

5 下位控制器控制程序

控制系統(tǒng)采用西門子S7 V5.4編程軟件編寫所有的控制程序，實現(xiàn)了系統(tǒng)的邏輯連鎖、冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的連鎖、整個自動運行過程的自動完成。

6 安全報警系統(tǒng)

由于真空電弧熔煉有潛在的爆炸危險，因此爐子主體必須置于防爆墻包圍之中，并設有泄爆通道。設備在熔煉過程中一旦出現(xiàn)水壓、流量降低到一定值、水溫過高以及真空突降、壓縮空氣壓力達不到要求等任一情況，先報警提示；如果水壓、流量、水溫、真空達到跳閘設定值時，電源跳閘，停止熔煉。

7 觀察攝像系統(tǒng)

采用彩色攝像機從爐蓋上對稱的兩個觀察孔分別對坩堝中的電弧進行觀察，并把兩個半弧圖像合成一個完整的畫面，以方便操作人員掌握爐內的熔煉情況及電弧的穩(wěn)定情況。采用工業(yè)專用攝像機并設有信號屏蔽處理系統(tǒng)，以獲得穩(wěn)定的圖像。

8 電子稱重系統(tǒng)

稱重系統(tǒng)是精確計算熔化速率所不可缺少的工具。為了達到所需要的精度，必須使稱重系統(tǒng)以最大可能的靈敏度反映機械和電器指令。因此采取了下述措施：具有導向系統(tǒng)的精確的水平向稱重平臺，即浮動架，這個平臺只處理水平力，而剩下的垂直力由稱載部件測量；設計系統(tǒng)時使摩擦力成為系統(tǒng)的內力，減少電極輸送系統(tǒng)中的摩擦力的影響；使用了高精度，溫度補償，電屏蔽稱載部件；使用高精度電測量系統(tǒng)，具有1，000，000分辨率的信號處理元件快速計算熔化速率；使用載波頻率向稱載部件輸送信號，接收調制信號，以避免噪聲和零點漂移問題。

9 控制關鍵技術

電極桿在熔煉控制中的兩套控制參數(shù)。電極桿運動由調速器提供直流手動與直流自動兩套控制參數(shù)。當采用直流手動時依據(jù)下位機來控制調速器的給定值，直流手動時由于電極桿需要快速啟停，所以調速器的啟動與制動時間需要設置比較小；當采用直流自動時依據(jù)弧壓實際值通過下位機的PID調節(jié)器來輸出調速器的給定值，來達到控制電機轉速的目的。在調速器中直流手動與直流自動的參數(shù)切換由下位機控制。

10 結束語

通過集散控制模式在真空自耗電弧爐上的應用，運用先進的西門子工業(yè)網絡通信技術和西門子可編程控制器、直流調速器結合現(xiàn)場高性能變送器實現(xiàn)了真空自耗電弧爐整個生產過程中的自動化控制，使用西門子上位軟件完成自動化工藝管理、現(xiàn)場監(jiān)控、報警顯示功能。

參考文獻

第8篇：電路設計及仿真范文

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0189-05

Stability Design of Linear Power Amplifying Circuit for Capacitive Loads

YAO Peng, LIU Yan, ZHANG Sheng-xiu

(Department of Base, The Second Artillery Engineering College of PLA, Xi’an 710025, China)

Abstract: Proceeding from stability design of a linear power amplifying circuit and taking a piezoelectric actuator as a research object, the appropriate power operational amplifier was selected for capacitive Loads on the basis of analysis of the relevant design specifications. Two methods for phase compensation of noise gain and feedback zero are adopted to improve the stability of the circuit to avoid overshoot and oscillation. The validity and feasibility of the stability design are verified gradually by theoretical calculation, model simulation and physical test.Keywords: capacitive load; piezoelectric actuator; drive power; amplifying circuit; phase compensation; SPICE

0 引 言

線性功率放大電路在壓電材料的驅動、光電管、光譜儀、微機電、納米工程等方面都有著廣泛的應用空間,由于該類應用通常為高精度場合,因此,要求放大電路具有良好的穩(wěn)定性。其中,壓電執(zhí)行器是利用逆壓電效應,通過功率放大電路,以驅動容性壓電負載,因此,在設計時必須考慮到容性負載的技術特點和壓電執(zhí)行器的應用要求[1-3]。

如表1所示,某壓電執(zhí)行器要求在±200 V的直流電源作用下,在±10 V的輸入電壓范圍內,能夠輸出360 V的電壓峰峰值,其工作頻率從直流至10 kHz。容性壓電負載可以等效為10.6 nF的電容,電路工作環(huán)境為25 ℃,且只采用空氣對流冷卻。

表1 放大電路的設計指標

參數(shù)指標參數(shù)指標

電源電壓+VS=+200 Vdc-VS=-200 Vdc頻率范圍直流至10 kHz正弦波

輸入電壓峰峰值VIN=±10 V壓電負載CL=10.6 nF

輸出電壓峰峰值VOUTP-P=360 V散熱方式T=25 ℃空氣對流冷卻

1 功率放大器的選擇

功率放大器的選擇步驟:

第一步:利用最高頻率和最大電壓擺幅,計算大信號響應下的轉換速率。為了能夠跟蹤上給定的頻率和輸出振幅下的正弦波,所需轉換速率S.R:

S.R=2πfVOP×(1×10-6)

=2π×104×180×10-6=11.3 V/μs

第二步:在最高頻率下,容性負載會產生最大電流,可以采用兩種方法得到輸出電流峰值[4]IOP:

方法一:

XC=12πfCL=12π×104×10.6×10-9=1.5 kΩ

IOP=VOPXC=1801.5×103=120 mA

方法二:

IOP=CLdVdt=10.6×10-9×11.310-6=120 mA

第三步:計算最壞情況下的功耗[5]PDOUTMAX:

PDOUTMAX=V2S2ZL4π-cos θ

=4V2S2πXC=4×20022π×1.5×103=17.0 W

上式主要顯無功負載,θ>40°

第四步:如表2所示,針對放大器的設計指標,選擇適用的功率運算放大器。

表2 放大器的設計指標

指標參數(shù)指標參數(shù)

電源電壓+VS=+200 Vdc-VS=-200 Vdc輸出電流峰值IOP =120 mA

轉換速率S.R=11.3 V/μs輸出電壓峰值VOP=180 V

最大輸出功耗PDOUT MAX =17 W

如圖1所示,由PA85的參數(shù)可知,當輸出電流為±200 mA時,在最壞情況下的飽和壓降為10 V。因此,可以滿足輸出電流峰值為120 mA時,輸出電壓峰值為180 V的設計指標[6]。

圖1 PA85的參數(shù)(部分)

如圖2所示,由PA85的功率響應可知,無論補償電容Cc選擇為圖中任何三種數(shù)值,在10 kHz的頻率以下,輸出電壓都處在360 V的峰峰值范圍內,因此,滿足設計指標[6]。

圖2 PA85的功率響應

如圖3所示,由PA85的外部連接和相位補償可知,當選擇補償電容Cc為10 pF、補償電阻Rc為330 Ω時,增益則為20,可以滿足輸入電壓峰值為10 V,輸出電壓峰值為180 V,增益為18的設計指標[6]。

圖3 PA85的外部連接和相位補償

如圖4所示,由PA85的轉換速率可知,當選擇Cc為10 pF時,轉換速率S.R最大值為400 V/μs,因此,可以滿足轉換速率為11.3 V/μs的設計指標[6]。

圖4 PA85的轉換速率

如圖5所示,由PA85的小信號響應可知,當閉環(huán)增益為18,相當于25.1 dB時,選擇Cc為10 pF,該電路的閉環(huán)帶寬fcl大約為2 MHz。首次檢驗表明:PA85不僅能夠在大信號域內,跟蹤上10 kHz的正弦波信號,而且也有足夠大的帶寬,以滿足在小信號域內,10 kHz下的平坦響應[6]。

圖5 PA85的小信號響應

如圖6所示,根據(jù)功率去額的通常經驗:當環(huán)境溫度為25 ℃時,可以通過散熱器利用空氣對流冷卻,以保持放大器的管殼溫度在85 ℃。因此,由PA85的功率降額可知,由于最大輸出功耗PDOUTMAX為17 W,幾乎與Tc為85 ℃的垂線相交,這就意味著初步滿足該電路針對散熱方式的設計指標[6-7]。

圖6 PA85的功率去額

2 電路的穩(wěn)定性設計

2.1 容性負載的開環(huán)增益

如圖7所示,開環(huán)增益Aol和小信號交流增益1/β的交匯點為閉合頻率fcl,此處的環(huán)路增益Aolβ為0 dB。當線性功率放大電路驅動容性壓電負載時,放大器的輸出阻抗Ro和容性負載CL會在開環(huán)增益Aol的高頻部分增加一個極點,使其改變?yōu)楹腥菪詨弘娯撦dCL的開環(huán)增益Aol w/CL。通過閉合率穩(wěn)定性檢查發(fā)現(xiàn):在fcl處的閉合率為40 dB/dec,大于20 dB/dec,這意味著在fcl以前存在著兩個極點,相當于180°的相位移,這就有可能產生破壞性振蕩[4]。

圖7 PA85的小信號響應曲線

2.2 一階穩(wěn)定性分析

2.2.1 幅頻曲線的穩(wěn)定性分析

第一步:如圖8所示,由于50 Ω的輸出阻抗Ro,4.64 Ω的電流限制電阻[8]RCL和容性負載CL的共同作用下,在開環(huán)增益Aol w/CL增加的極點頻率fp2:

fp2=12π(Ro+RCL)CL

=16.28×(50+4.64)×10.6×10-9=274.9 kHz

第二步:如圖8所示,在低頻部分,由于阻性反饋Rf和Ri決定的小信號交流增益1/βlow是一個25.1 dB的水平線,其與含有容性壓電負載的開環(huán)增益Aol w/CL曲線的閉合率為40 dB/dec,因此,必須提高電路的穩(wěn)定性。

圖8 幅頻曲線的一階穩(wěn)定性分析

第三步:如圖9所示,噪聲增益相位補償法是以維持閉環(huán)增益不變的基礎上,在高頻部分增加了放大電路的整體噪聲增益,其缺點是減小了閉環(huán)帶寬;反饋零點相位補償法是以單位增益穩(wěn)定性為代價,其優(yōu)點是提高了閉環(huán)帶寬。因此,可以根據(jù)性能折中的原則,將上述兩種相位補償法相融合[9-11]。

圖9 噪聲增益相位補償法與反饋零點相位補償法

由Rn和Cn組成的噪聲增益相位補償網絡,提高了在高頻部分的小信號交流增益1/βhi:

1βhi=RfRn=90×103900=100=40 dB

高頻噪聲增益的極點頻率fp5為:

fp5=12πRnCn=16.28×900×0.18×10-6=9.8 kHz

如圖8所示,噪聲增益的零點頻率fz1可以按照20 dB/dec的閉合率,由噪聲增益的極點頻率fp5,向小信號交流增益1/βlow變化。然而,僅靠噪聲增益相位補償法,閉合率仍舊為40 dB/dec。

第四步:如圖8所示,反饋零點相位補償法是在小信號交流增益1/βhi上增加一個極點,極點頻率設置在閉合頻率fcl十分頻處,目的是防止Aol曲線隨時間和溫度發(fā)生向左漂移[12],這就可能會導致出現(xiàn)40 dB/dec的閉合率。Cf和Rf的極點頻率fp6為:

fp6=12πRfCf

=16.28×90×103×18×10-12=98 kHz

如圖8所示,由于小信號增益不能小于[4]0 dB,因此,1/β曲線與0 dB相交形成了零點頻率fz2。

第五步:由于在閉合頻率fcl處的閉合率為20 dB/dec,因此,初步完成了該電路的穩(wěn)定性設計。

2.2.2 相頻曲線的穩(wěn)定性分析

如圖10所示,從直流到fcl處,相位裕度Φ≥45°,因此該電路應具有較好的穩(wěn)定性。

2.3 功率設計軟件的穩(wěn)定性分析

采用APEX公司的功率設計軟件可以在一階穩(wěn)定性分析基礎之上進一步提高分析精度[13-14]。

功率設計軟件分析的性能指標(部分)如下:估計的閉合頻率為1 333521 kHz;建議的最大帶寬為42169 65 kHz;估計的閉合率為20 dB/dec;估計的相位裕度為54144 3°;總的輸出電阻Zout為5464 Ω;Zout/Cload的極點頻率fp2為274789 085 4 kHz;直流的小信號交流增益1/β為256 dB;噪聲增益為159 dB;Noise Gain的極點頻率fp5為9824 379 039 kHz;噪聲增益的零點頻率fz1為1.568 598 037 kHz;Cf/Rf的極點頻率fp6為98.243 786 57 kHz;Rf/Cf的零點頻率fz2為11 691.010 6 kHz。

建議的最大帶寬指的是環(huán)路增益Aolβ減小到20 dB處的頻率,相當于Aol與1/β的差值為20 dB。如圖11,圖12所示,在1.5 kHz處的相位裕度為54.1°。

圖10 相頻曲線的一階穩(wěn)定性分析

圖11 功率設計軟件分析的幅頻曲線

圖12 功率設計軟件分析的相頻曲線

2.4 Spice仿真的穩(wěn)定性分析

如圖13所示,利用APEX提供的PA85的宏模型,在NI公司的Multisim 10仿真器下,構建線性功率放大電路的Spice模型。

如圖14所示,根據(jù)Spice環(huán)路增益測試法,將原有的輸入信號端置零,在反饋接入點串聯(lián)上1 GH的電感L、并聯(lián)上1 GF的電容C,加入測試信號源Vin,其中環(huán)路增益Aolβ為Bode_OUT與Bode_IN之比[15],采樣點設置為MultisimTM允許的最大值1 000。

圖13 線性功率放大電路的Spice模型

圖14 Spice環(huán)路增益測試法

如圖15所示,考慮到放大器開環(huán)增益普遍具有的離散性,該誤差是可以接受的,但是相位裕度通常必須大于[4]45°。

圖15 Spice環(huán)路增益波特圖

2.5 實際電路的穩(wěn)定性分析

如圖16所示,由于實際電路很難將反饋網絡斷開,因此可以采用“方波測試法”檢測相位裕度。該方法是在1 kHz的頻率下,調節(jié)輸入的幅度,使其輸出方波達到2Vpp,并在不同的輸出直流偏置下,檢測輸出方波頂部的超調和振蕩,并對照開環(huán)相位裕度與阻尼系數(shù)的關系曲線,從而得到較完整的相位裕度,以確保在不同應用下無異常[10]。最壞情況是當輸出直流偏置為零時,導致Ro為最大值[12,16],此時,阻尼系數(shù)大約為0.7,相位裕度大約為50°。

圖16 方波測試法(直流偏置為零的情況)

3 結 語

線性功率放大電路的設計是一個復雜的工作,尤其是在針對容性負載時,極點和零點的設置變得更加復雜,這些都可以借助功率設計軟件、模型仿真和實物檢測的方法來解決這些問題。本次穩(wěn)定性設計是在提高帶寬的同時,處理好了極點和零點的問題,從而避免了超調和振蕩,實驗結果表明所做的穩(wěn)定性設計是有效的、可行的。

參考文獻

[1]Physik Instrument. Piezoelectrics in positioning nanopositioning piezoelectrics [M]. [S. l.]: Physik Instrument, 2009.

[2]丁文明,王代華.一種壓電陶瓷執(zhí)行器動態(tài)驅動電源[J]. 壓電與聲光,2008(3):297-300.

[3]李福良.基于PA85的新型壓電陶瓷驅動電源[J].壓電與聲光,2005(4):392-394.

[4]Cirrus Logic Corporation. Driving capacitive loads [EB/OL]. [2009-11-25]. Http:///p-70421833.

[5]Cirrus Logic Corporation. General operating considerations [EB/OL]. [2009-11-11]. Http://.

[6]Cirrus Logic Corporation. PA85/85A product data sheet [EB/OL]. [2009-11-16]. Http:∥.

[7]Cirrus Logic Corporation. Thermal techniques [EB/OL]. [2009-10-20]. Http://.

[8]Cirrus Logic Corporation. Foldover current limiting [EB/OL]. [2009-11-13]. Http://.

[9]Cirrus Logic Corporation. Wideband low distortion techniques [EB/OL]. [2009-11-13-23]. Http://.

[10]Cirrus Logic Corporation. Stability for power amplifiers [EB/OL]. [2009-11-13]. Http://.

[11]Texas Instruments. Capacitance-load stability: RISO, high gain & CF, noise gain [EB/OL]. [2010-07-12]. .

[12]GREEN Tim. Loop-stability key tricks and rules of thumb [EB/OL]. [2010-08-24]. http:∥en.genius. net.

[13]姚鵬,張勝修,王道平,等.某伺服PWM驅動系統(tǒng)中低通功率濾波電路優(yōu)化設計[J].現(xiàn)代電子技術,2009,32(10):178-181.

[14]姚鵬,張勝修,王道平,等.彈用伺服PWM驅動系統(tǒng)中反饋電路的優(yōu)化設計[J].彈箭與制導學報,2009(3):227-230.

[15]GREEN Tim. Op amp networks, Spice analysis [EB/OL]. [2010-07-10]. .

[16]Cirrus Logic Corporation. SOA Advantages of MOSFETS [EB/OL]. [2009-11-02]. .

第9篇：電路設計及仿真范文

關鍵詞：Proteus；電路設計；四路彩燈；仿真實驗

1Proteus軟件的概述

Proteus軟件是由英國LabcenterElectronics公司開發(fā)的一款EDA工具軟件，是目前世界上最先進最完善的電路設計與仿真平臺。Proteus軟件的功能強大，它集電路設計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠對電工、電子技術學科設計的電路進行設計與仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設計愛好者青睞的一款新型電子電路設計與仿真軟。在Proteus編輯界面繪制電路原理圖，通過仿真計算，修正錯誤，直到符合設計指標要求，確定設計方案，輸出設計圖，自動生成PCB圖、修訂。

2Proteus在電子電路設計中的應用實例

以四路彩燈數(shù)字電路設計為例，結合Proteus軟件輔助電子電路設計。其技術指標要求如下：（1）共四個彩燈，分別實現(xiàn)三個過程，構成一個循環(huán)共12秒:；（2）第一個過程要求四個燈依次點亮，共4秒；（3）第二個過程要求四個燈以此熄滅，共4秒，先亮者后滅（4）最后4秒要求四個燈同時亮一下滅一下，共閃4下。

2.1核心器件74LS194簡介

主要是考察設計四位雙向通用移位寄存器74LS194的靈活應用，四個燈可用四個發(fā)光二極管表示。如圖1，圖中MR為復位信號，正常工作時應接高電平；CLK為時鐘信號，上升沿到來時有效。

2.2題目分析與設計

把四路彩燈接在74LS194的Q0~Q3上，SR穩(wěn)定接在一高電平，SL穩(wěn)定接地地位，而D0~D3接周期為1秒的方波信號。三個過程每個4秒，加起來正好是12秒。圖2是正確的CLK信號與1HZ方波信號的比較。前面我們已經確定D0~D3接1Hz的方波信號，那么Q0~Q3在讀D0~D3的信號時是在CLK上升沿到來的一瞬間，看圖3的前半部分。當74LS194的工作方式為11時，一定要改變CLK的信號頻率為D0~D3信號頻率的2倍，才可以在D0~D3的一個周期內出現(xiàn)CLK的兩個上升沿，Q0~Q3分別讀到1和0各一次，如圖3的后半部分。即正確的時鐘信號在整個12秒時間應該是前8秒為1Hz的頻率，后4秒變?yōu)?Hz的方波信號，再用D觸發(fā)器分頻產生1HZ的方波信號。

2.3電路實現(xiàn)

連接電路如圖3所示。因為設計出的是一個同步時序邏輯電路，注意途中兩個D觸發(fā)器的時鐘連接在一起接周期為4秒的時鐘信號。

3仿真

根據(jù)以上分析，連接電路如圖7所示，其中省去了555及二分頻電路，直接用數(shù)字脈沖源進行仿真。另外，圖中所有D觸發(fā)器的異步輸入端在實際電路連接時最好接高電平。產生時鐘的電路用與非邏輯替代了與或邏輯。因為與非門的應用最普遍。平時我們在設計電路時，通過卡諾圖化簡得到的與或式，要想全部用與非門實現(xiàn)，可在草紙上直接畫成與或邏輯，然后只需要在與門的輸出端與此線的另一頭即或門的輸入端各加一個小圓圈，兩個邏輯非抵消，不影響邏輯關系，直到把或門的輸入處理完畢為止。這樣或門前面的與門都變成了與非門，或門變成了非或門，而根據(jù)摩根定理，非或門恒等于與非門。

參考文獻

[1]王爾申，龐濤，，等．Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學中的應［J］．實驗技術與管理，2013，78~81．

[2]尉喬南，曹原.基于Proteus的四路彩燈設計[J].科技信息(學術版)，2008，19:179~182．