模电电路设计题及multisim仿真

电路设计
一、设计I/V变换电路，实现2mA的电流信号转换为5V的电压信号。

1、电路图与仿真结果：如图一，
2、电路说明：
电路中使用了最简单常见的运放LM324系列，电路结构简单，可以广泛应用，如果对精度要求更高，可以选用精密运放，如OPA系列的运放。

电路原理简单，由理想运放的虚断特性，】广广2mA
，由虚短特性u二u
二0，所以u=-i X R=-5V，从而实现了将2mA的电流信号转换为5V NPof2
的电压信号。

3、参数确定方法：
根据u=-i X R，要求输入2m A的电流输出5V的电压，可以确定
oi2
R=2.5k0。

2
4、分析总结：
由于输出电压仅与i和R有关，改变R电路就可以实现不同电流型号转化
i22
为要求的电压信号。

同时由于不同场合条件不同，对电路稳定性的要求不同，可以根据实际条件改变运放型号，使电路可以在更广泛的范围里应用。

二、设计精密放大电路，其放大倍数为100倍。

1、电路图与仿真结果：如图二、图三，
2、电路说明：
电路用OPA系列精密运放实现精密放大，仿真结果如图三，电路为两级放大电路，每级的放大倍数为10。

则经两级放大后放大100倍。

而如果仅用一个运放完成100倍放大，仿真结果如图四，从示波器读数上可以看出放大结果
为：
A =
982.55
=98.3并不精密，而两级放大，放大倍数为A =
999.3
=99.99，
精密u 9.997u 9.994
程度大大提高，因此选用两级放大电路。

电路图：
图二
3、参数确定方法:
1、电路图与仿真结果:电路图：如图五，
各放大电路的放大倍数分别为A 二1+R
=10,
R
1
u1
R
A 二1+負二10，所以只要 R
5
u2
三、设计信号处理电路，完成如下运算U
o
=2.5+u : i
仿真结
图
图四
仿真结果：如图六,
图六
其中通过信号源输入一个峰值为I V，频率为1k Hz正弦波，示波器的通道A 接信号源，通道B接信号处理电路输出端。

示波器上的输出波形如图，根据从
读数上可以看出，输出电压U 的最大值与最小值分别为3.499V 和1.502V ，满足
o
设计要求：u =2.5+u 。

oi
2、电路说明：
电路利用同相求和电路的原理，从同相输入端输入待处理信号u ,U 为在
i
待处理信号上叠加的2.5V 的直流电压信号，由叠加原理：
u =i(u +U )
P 3i
由理想运放的虚短特性：
u =u
NP
又由理想运放的虚断特性：
所以u =2.5+u 。

o i
3、参数确定方法：
四、试用模拟乘法器和运算放大器设计有效值计算电路: 1、电路图
使用说明：u 为要求有效值的信号，用示波器可以测出信号的周期T ,取
i
U =1000T (T 的单位为：秒)，从示波器上读输出电压在输入电压第一个周期终点
处的值即为输入电压的有效值。

R 、
二(1+-^)u
R N
=3u =u +U
Ni
取R 二R 二R ，则u =^(u +U ),
133P 3i
RR
u =(1+—)u ，所以要取一=2。

o R P R
55
2、电路图各部分确定、说明及输出结果仿真：
电路输入端接一个正弦信号发生器，输出波形峰值为2V ，频率为1k Hz 。

有 (1) 、乘方电路及仿真结果
图八图九
电路图如图八，乘法器取k =1输入输出关系为：
u =u 2，
o 1i
仿真结果如图九，示波器通道A 接信号源，通道B 接乘方电路输出端。

(2) 、积分电路及仿真结果：
效值计算公式:
u=，—.
T
1
分四部分分别实现对u(t )的乘方、积分、除以
1V/V0V--
A 1
*1 -Wv :
WOnF
U2A1
：0
LLH24AP
R5
WkG
13
_L_V4:
^-12V
图十
—-12V
T
11
图
积分电路如图是，根据积分电路的输入输出关系,
1t
u =-f u （t ）dt ，u =u =u 2
o2RC i1i1o1i
410
仿真结果如图十一，示波器A 通道接信号源，B 通道接乘方输出电路输出,C 通道接积分电路输出。

（3）、除法电路及仿真结果：
U =*f u 2（t ）dt ，在积分电路中, 0
所以，取U =1000T 。

1至此，U =f u 2（t ）dt 。

o3
T i
仿真结果如图十三，示波器通道A 接信号源，通道B 接乘方电路输出，通道C 积分电路输出，通道D 接除法电路输出。

（4）、开方电路及仿真结果：
：R1 -Wv A ODkQ
R2W ka
R3 5kO
1VA/OV
U1A
V2 12V
图十二
电路中，乘法器k =1, 设输入信号u.的周期为T ，则
i
1
二1000，RC
41
由有效值计算的公式, D V1：：
匚叫
图十三
LM324AP
I]
图十四
图十五
电路如图十四，乘法器取k=-1，则输入输出关系为:
U—■U,
oi3
从而实现了，u—fu2（t）dt的运算。

o V T i
10
仿真结果如图十五，示波器通道D接开方后的输出端，通道A接信号源，当信号源输出的波形刚好为一个周期时，积分电路的输出恰好为一个周期上的积分，最后的运算结果即为输入电压的有效值，从仿真结果可以看出，通道D 在所测点的读数为1.414V，所以有效值为1.414V。

3、分析说明：
本电路的优点为可以计算周期不同的电压信号的有效值，特别是正弦波，可以计算的信号的周期和峰值的变化范围很大。

同时若是用于计算周期已知且不变的信号的有效值，可以省略除法电路这一部分，而在积分电路处选择适当参数，
使得RC在数值上与信号周期T相等，（各参数单位单位分别为Q、F、s）。

同41时电路也存在不足，无法计算方波的有效值，因为方波经平方后相当于一个直流信号，无法再通过积分器进行积分运算。

对于一些峰值和周期的三角波，积分电路也容易出现积分饱和而无法计算其有效值，需要改变一些元件的参数。

五、设计一个四阶低通滤波器，其截止频率为1k Hz。

1、电路图与仿真结果：
电路图：如图十六，
图十六
仿真结果：如图十七。

2、电路说明：
采用两个二阶压控电压源型有源滤波器级联得到四阶低通滤波电路，其中第一个二阶滤波电路的截止频率为f—1.06kHz，第二个二阶滤波电路的截止频率
01
为f—0.997kHz沁1kHz。

02
-
11
首先根据二阶低通滤波器的截止频率的计算公式f 0=--R-，确定电阻R
3、
R 、R 、R ，以及电容C 、C 、C 、C 的值。

使得各二阶低通滤波电路的截 4561234
止频率约为1k Hz 。

在确定R 、R 、R 、R 时，可以根据仿真情况，适当改变
1278
通带电压增益，使得仿真结果中截止频率为1k Hz ，从而找到合适的电阻R 、R 、
12
R 、R 的值。

78
从图十七中可以看出当增益衰减-3.069B 时，对应的截止频率为
1.008k Hz 。

4、分析总结：
电路采用了二阶压控电压源型滤波器，可以克服基本二阶低通滤波器的一些缺点，达到改善频率特性的目的。

通过仿真加深了对滤波器截止频率的决定因素,以及可以影响到截止频率的因素，如通带电压增益等的理解，对二阶滤波器稳定性的改善方法也有了一定的认识，如采用压控电压源型或无限增益多路反馈型二阶滤波电路，改善通带电压增益。

图十七
参数确定方
3。