模电电路设计题及multisim仿真

电路设计

一、设计V I /变换电路，实现mA 2的电流信号转换为V 5的电压信号。

1、电路图与仿真结果：如图一，

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，mA i f 2i i ==，由虚短特性0u ==P N u ，所以V R i f o 5u 2-=⨯-=，从而实现了将mA 2的电流信号转换为V 5的电压信号。

3、参数确定方法：

根据2R i u i o ⨯-=,要求输入A m 2的电流输出V 5的电压，可以确定Ω=k 5.22R 。

4、分析总结：

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

3.98997.955.982==

u A 并不精密，而两级放大，放大倍数为99.99994

.93.999==u A ，精密程度大大提高，因此选用两级放大电路。

电路图：

图二

仿真结果：

图三 图四

3、参数确定方法：

各放大电路的放大倍数分别为101121u =+

=R R A ，101562u =+=R R A ，所以只要选取

95612==R R R R 。 三、设计信号处理电路，完成如下运算i o u +=5.2u ：

1、电路图与仿真结果：

电路图：如图五，

图五

仿真结果：如图六，

图六

其中通过信号源输入一个峰值为V1,频率为Hz

k1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o u 的最大值与最小值分别为V 499.3和V 502.1，满足设计要求：i o u +=5.2u 。

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i u ，U 为在待处理信号上叠加的V 5.2的直流电压信号，由叠加原理：

)(3

1u U u i P += 由理想运放的虚短特性：

P N u =u

又由理想运放的虚断特性：

U u u u R R i N N o +==+=3)1(u 5

4 所以i o u +=5.2u 。

3、参数确定方法：

取331R R R ==，则)(3

1u U u i P +=，P o u R R )1(u 54+=，所以要取254=R R 。 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

图七

使用说明：i 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

T U 1000=（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。

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V 2，频率为Hz k 1。有效值计算公式：⎰=T

dt t u T 0

2)(1u ，分四部分分别实现对)(u t 的乘方、积分、除以周期和开方。

（1）、乘方电路及仿真结果

图八 图九

电路图如图八，乘法器取1=k 输入输出关系为：

21u i o u =， 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：

图十 图十一

积分电路如图是，根据积分电路的输入输出关系，

⎰-=t

i o dt t u C R u 01142)(1，211u i o i u u == 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：

图十二 图十三

电路中，乘法器1k =，设输入信号i u 的周期为T ，则

U u u i o 23-=， 由有效值计算的公式，⎰=T dt t u T 0

2)(1u ，在积分电路中，1000114=C R ， 所以，取T U 1000=。

至此，⎰=t

i o dt t u T 023)(1u 。 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：

图十四

图十五

电路如图十四，乘法器取1k -=，则输入输出关系为：

3u i o u =， 从而实现了，⎰=t

i o dt t u T 0

2)(1u 的运算。 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14C R 在数值上与信号周期T 相等，（各参数单位单位分别为 Ω、F 、s ）。同时电路也存在不足，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Hz k 1。

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kHz f 06.101=，第二个二阶滤波电路的截止频率为kHz kHz 1997.0f 02≈=。