第8章Multisim14在模擬電路中的應用CHINAMACHINEPRESS引言模擬電路主要包括晶體管放大電路、集成運算放大電路、正弦波振蕩電路、電壓比較器電路、有源濾波器和直流穩壓電源等。

本章將通過模擬電路的實例分析，介紹Multisim14的仿真實驗和仿真分析功能在模擬電路中的應用。8.1二極管電路的仿真實驗與分析二極管具有單向導電性、反向擊穿特性和結電容特性，其伏安特性及說明如圖所示。對二極管特性中不同區段的利用，可以構成不同的應用電路。利用二極管的單向導電性和正向導通電壓變化較小的特點，可以完成信號的整流、檢波、限幅、箝位、隔離和元件的保護等；利用二極管的反向擊穿特性，可以實現輸出電壓的穩定。8.1.1二極管特性實現二極管各種應用的關鍵是外加電源、電阻等必須提供合適的工作和安全條件。二極管半波整流實驗電路如圖所示，輸入為5V/1kHz的正弦波。由于二極管的單向導電性，只在輸入的正半周導通，所以，輸出只有輸入正弦波的正半周波形。8.1.2二極管整流電路的實驗與分析8.1二極管電路的仿真實驗與分析

二極管箝位實驗電路如圖，圖中除開關A和B的狀態不同外，其余相同。圖中兩鍺二極管正向電壓約為0.2V。實驗結果顯示，只要有開關接地,即只要有輸入為0V，輸出電壓就接近0V(約為0.2V)；只有當開關A、B均接3V時，輸出才為高電位(約為3.2V)。8.1.3二極管箝位電路的實驗與分析8.1二極管電路的仿真實驗與分析這種輸入全為高電平時才輸出高電平、輸入只要有低電平就輸出低電平電路也被稱為二極管與門電路。8.1.4穩壓管電路的實驗與分析8.1二極管電路的仿真實驗與分析本實驗通過在24V直流源支路中串聯100Ω電位器來模擬輸入電壓及其變化；穩壓管限流電阻的取值為400Ω；負載電阻由100Ω固定電阻和500Ω電位器串聯組成。實驗結果顯示，穩壓管電流為28mA，沒有超出5mA～40mA穩壓電流范圍，穩壓管處于穩壓狀態，輸出電壓為5.043V，接近穩壓管穩壓值。當按下A鍵，使輸入電壓在20V～24V之間變化時，穩壓管電流在24mA～33mA之間變化，仍在穩壓電流變化范圍內，穩壓管仍處于穩壓狀態，輸出電壓在5.011V～5.076V之間，變化很小。穩壓管實驗電路如圖。其中，穩壓管DZ的穩壓值為4.7V，穩定電流的最小值為5mA、最大值為40mA。8.1.4穩壓管電路的實驗與分析8.1二極管電路的仿真實驗與分析當按下B鍵，使負載電阻在125Ω～600Ω之間變化時，穩壓電流在5mA～34mA之間變化，雖沒超出電流變化范圍，但在電流較小時，穩壓特性已變差，輸出電壓在4.708V～5.081V之間。而當負載電阻為100Ω時，穩壓管電流為0.7mA，超出了穩定電流范圍，穩壓管處于反向截止，輸出電壓變為4.306V，電路已不能正常穩壓。可見，由穩壓管和限流電阻構成的穩壓電路能在輸入電壓和負載變化的情況下保持輸出電壓的基本穩定，條件是限流電阻應保證穩壓管的工作電流不超出其額定值。穩壓管實驗電路如圖。其中，穩壓管DZ的穩壓值為4.7V，穩定電流的最小值為5mA、最大值為40mA。8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析

單管放大電路是由單個晶體管構成的放大電路，分為共射、共集和共基三種結構。每種電路都有自己的特點和用途。共射放大電路的電壓放大倍數高，是常用的電壓放大器；共集放大電路(也稱為射極輸出器)輸入電阻高、輸出電阻低、帶負載能力強，常用于多級放大電路的輸入級和輸出級；共基放大電路頻帶寬、高頻性能好，在高頻放大器中十分常見。衡量放大電路的指標有：電壓或電流的放大倍數、輸入與輸出電阻、通頻帶、非線性失真系數、最大輸出功率和效率等。8.2.1單管放大電路共射放大電路共集放大電路共基放大電路

單管共射放大器實驗電路如圖所示，采用分壓式偏置、帶發射極電阻的靜態工作點穩定結構。輸入為10mV/1kHz正弦信號，負載是電阻R4，輸入與輸出通過電容C1、C2耦合。8.2.2仿真實驗與分析8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析（1）確定靜態工作點

對結點1、3、7(即三極管的b、c、e三極)作直流工作點分析，可得電路的靜態工作點數據，并得UBE=V[1]-V[7]≈0.65V、UCE=V[3]-V[7]≈6.11V,由此可判斷該電路工作在放大區。調整偏置電阻R1或R5可以改變靜態工作點，但靜態工作點過高會產生飽和失真、過低會產生截止失真。R5為總值50％和20％時4號結點的輸出波形分別如圖所示。顯然，R5為總值50％時輸出波形沒有失真，而R5為總值20％時輸出波形出現了飽和失真。8.2.2仿真實驗與分析8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析飽和失真（2）溫度變化對靜態工作點的影響本例利用溫度掃描分析研究溫度變化對靜態工作點的影響，其分析參數設置為：溫度變化范圍0oC~70oC，掃描溫度增量為10oC，并設3號結點的靜態電壓和R3支路的靜態電流為分析對象，分析結果如圖所示。可見，隨著溫度升高，3

號結點的電壓呈下降趨勢，對應的集電極電流呈上升趨勢，符合靜態工作點隨溫度升高而升高的理論分析結果。8.2.2仿真實驗與分析8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析（3）確定電壓放大倍數和通頻帶對輸出結點4做交流掃描分析可得電路的頻率特性如圖所示。其中，幅頻特性具有帶通性(低頻段和高頻段的放大倍數均低于中頻段)。當移動兩個游標并打開其說明窗口時，可得幅頻特性的測量值。其中，Y軸對應的最大值89.85為電壓放大倍數，兩個游標對應的y1和y2約等于最大值0.707倍(約63.5)時對應的x1(598.3Hz)和x2(24.8MHz)分別為電路的下限和上限截止頻率，二者之差dx(24.2MHz)為電路的通頻帶。8.2.2仿真實驗與分析8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析8.2.2仿真實驗與分析8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析利用參數掃描分析負載電阻R4和發射極電阻R6變化對放大倍數和通頻帶的影響。圖示分別為R4和R6從1kΩ掃描至5kΩ時在結點4得到的電路頻率響應特性。可見，負載電阻越大，放大倍數越大，空載時放大倍數最大。發射極電阻越大，放大倍數越小，通頻帶越寬，這與發射極電阻的負反饋作用結果相一致。（4）元件參數對放大倍數和通頻帶的影響8.2.2仿真實驗與分析8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析利用參數掃描分析耦合電容C1和旁路電容C3變化對放大倍數和通頻帶的影響。圖示分別為C1和C3從1μF掃描至10μF時在結點4得到的電路頻率響應特性。可見，C1對通頻帶影響不大，而C3變化時下限截止頻率隨C3的增加而減小，通頻帶隨之展寬。這是因為C3兩端電路的等效電阻比C1兩端的小，對應的時間常數變化大，相應的下限截止頻率變化也大。（4）元件參數對放大倍數和通頻帶的影響（5）確定輸入和輸出電阻可以在輸入、輸出端口直接用歐姆表測輸入輸出電阻，或在端口加測量電阻用交流電壓表和交流電流表測輸入輸出電阻，還可以用傳遞函數分析方便快速地確定輸入和輸出電阻。在本實驗電路中，可在將C1用短路線替代后，選擇輸入信號源為V1、輸出變量為3號結點電壓，得到圖示的傳遞函數分析結果。其中，第二行的4.28571k為電路的輸入電阻，第三行的5.0k為電路的輸出電阻。8.2.2仿真實驗與分析8.2單管共射放大電路的仿真實驗與分析8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析

集成運算放大器是應用十分廣泛的模擬集成器件，具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、高共模抑制比等特點。

運放在加負反饋時工作于線性放大狀態，廣泛應用于信號的放大、疊加、微分、積分和濾波等(負反饋會降低放大倍數，但可提高放大倍數的穩定性、展寬通頻帶、減少非線性失真、改變輸入輸出電阻等)；運放在不加反饋或加正反饋時工作在非線性狀態，主要用于比較器和振蕩器。

本節將通過比例放大電路、加法運算電路、減法運算電路和有源濾波電路的實驗，介紹運放加負反饋的特點和應用。8.3.1集成運放負反饋放大電路集成運算放大器運放的電壓傳輸特性運放加負反饋的電路8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析比例放大電路能實現輸出與輸入的比例運算：uo=kui,按系數k的極性可分為同相比例放大器和反相比例放大器。8.3.2比例放大電路的仿真實驗與分析

(1)反相比例放大器反相比例放大器的實驗電路如圖所示。其中，輸入為1V/1kHz正弦信號，運放為常用的741系列器件，R2為負反饋電阻，R3為靜態平衡電阻。反相比例放大器的輸入輸出關系是：從輸入輸出波形可見，反相比例放大器將輸入信號放大了10倍，且輸入輸出波形反相，與理論分析結果一致。8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析比例放大電路能實現輸出與輸入的比例運算：uo=kui,按系數k的極性可分為同相比例放大器和反相比例放大器。8.3.2比例放大電路的仿真實驗與分析

(2)同相比例放大器同相比例放大器的實驗電路如圖所示。其中，輸入為1V/1kHz正弦信號，運放為常用的741系列器件，R2為負反饋電阻，R3為靜態平衡電阻。同相比例放大器的輸入輸出關系是：從輸入輸出波形可見，同相比例放大器將輸入信號放大了11倍，且輸入輸出波形同相，與理論分析結果一致。8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析

(3)反饋深度對放大器性能的影響本實驗以同相比例放大器為例，采用參數掃描分析，當反饋電阻R2從50kΩ掃描至200kΩ時，電路的交流頻率響應特性如圖所示。可見，隨著R2的增大，通帶內的電壓放大倍數由6倍上升至21倍，通帶寬度由166.8kHz下降至46.5kHz。即：R2大(反饋淺)時，放大倍數高、通頻帶窄；反之，R2小(反饋深)時，放大倍數低、通頻帶寬，且隨著反饋的加深，幅頻特性在截止頻率附近過渡帶的變化變緩，與理論分析結論一致。8.3.2比例放大電路的仿真實驗與分析8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析

(3)反饋深度對放大器性能的影響本實驗仍以同相比例放大器為例，采用參數掃描分析，當輸入為1V/1KHZ正弦、反饋電阻R2從50kΩ掃描至200kΩ時，輸出結點的瞬態分析結果如圖所示(顯示了電路時域響應隨R2變化的情況)。可見，隨著R2大，波形失真明顯；反之，R2小時，波形基本不失真，這也與負反饋能減小非線性失真的結論相一致。8.3.2比例放大電路的仿真實驗與分析8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析

(3)反饋深度對放大器性能的影響當將信號源用相同指標的交流電壓源V3替代后，可利用傳遞函數分析確定不同R2值時電路的輸入電阻和輸出電阻，結果如圖所示。比較結果可見，R2=50k(反饋深)時，輸入電阻變大、輸出電阻變小，而R2=200k(反饋淺)時，輸入電阻變小、輸出電阻變大。8.3.2比例放大電路的仿真實驗與分析8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析8.3.3加法運算電路的仿真實驗與分析

加法運算電路能實現多個輸入信號的疊加：uo=k1ui1+k2ui2+…+knuin。按k的極性也可分為同相或反相加法電路。反相加法實驗電路如圖所示，其輸入輸出關系為：uo=-(2V1+V2)。從圖示的輸出波形可見，該電路將輸入的正弦信號放大了2倍并疊加了一個與正弦信號幅值相同的直流分量，使雙極性的交流信號變成了單極性的脈動信號。8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析8.3.4減法運算電路的仿真實驗與分析

減法運算電路的輸入輸出關系是：uo=k1ui1-k2ui2。當k1=k2=k時，減法電路就是差分電路：uo=k(ui1-

ui2)

，即輸出與兩輸入的差成比例。減法電路可用一個運放通過在同相和反相端分別加輸入信號實現，也可用多個運放通過反相比例電路和加法電路的組合來實現。實驗電路如圖所示，其輸入輸出關系為uo=2(V1-V2)，即輸出是兩個輸入之差的2倍。當將輸入電壓V1從1V掃描至6V時，可得圖示的輸出結點直流掃描分析結果。可見，輸出電壓隨輸入電壓差(V1-V2)的增加而線性增加。8.3集成運放負反饋放大電路的仿真實驗與分析8.3.5有源濾波器電路的仿真實驗與分析

有源濾波器是在RC或RL濾波器基礎上加入放大器構成的電路，不僅能濾波而且能放大，具有體積小、效率高、頻率特性好、帶載能力強等優點。圖示為一階有源低通濾波器實驗電路，其頻率響應特性由波特圖儀測量，其幅頻特性為如圖所示的低通濾波特性。其中，上圖曲線下數據顯示，頻率為1Hz時，電路的低頻通帶增益約為8.98，與理論值

十分接近；下圖曲線下數據顯示，當移動游標使輸出幅值為通帶增益的70.7%(約為6.3)時，對應的截止頻率是16.173Hz，與理論值

也較接近。8.4RC正弦振蕩器及其應用電路的仿真實驗與分析8.4.1正弦波振蕩器

正弦波振蕩器是在只有直流供電、不外加輸入信號的條件下產生正弦波信號的電路，通常由放大器、帶選頻特性的正反饋回路和自動穩幅電路組成。正弦波振蕩器廣泛應用于通信、測量和控制領域。根據選頻回路的不同，正弦波振蕩器可分為RC正弦波振蕩器、LC正弦波振蕩器和石英晶體振蕩器。其中，RC正弦振蕩器主要用于產生中低頻率正弦波，如在電子琴中產生音頻信號等；LC正弦波振蕩器主要用于高頻率振蕩，如收音機的本機振蕩；而石英晶體振蕩器主要應用于對頻率穩定度要求較高的場合，如產生時鐘信號等。8.4RC正弦振蕩器及其應用電路的仿真實驗與分析

RC正弦波振蕩器的實驗電路如圖所示。其中，R1、C1、R2、C2組成的RC串并聯選頻網絡引入正反饋，其諧振頻率：此時，RC串并聯網絡的增益為1/3。因此，為滿足正弦振蕩的幅值條件，由運放和R3、R4、R5組成的同相比例放大器的增益：

在負反饋回路中，與二極管D1、D2的作用是，利用二極管電阻隨電流增加而減小的特點,實現輸出信號正半周和負半周的自動穩幅。8.4.2RC正弦波振蕩器的仿真實驗與分析8.4RC正弦振蕩器及其應用電路的仿真實驗與分析

實驗中，按下R4之A鍵可改變負反饋深度，使電路產生穩定振蕩、停振和波形失真幾種不同的輸出信號。圖中分別顯示了R4為總值37％時起振和穩幅振蕩的波形(其振蕩頻率約為154.3Hz，與理論結果基本相符)、R4小于總值34％時的停振波形和R4為總值50％時的失真波形。8.4.2RC正弦波振蕩器的仿真實驗與分析8.4RC正弦振蕩器及其應用電路的仿真實驗與分析

利用RC振蕩器構成的電子琴實驗電路如圖所示。其中，RC串并聯選頻網絡中的R2由一組電阻和開關構成，閉合不同的開關(琴鍵)，對應的R2不同，產生的振蕩頻率不同，即可輸出不同音階的音頻信號。再經功率放大，即可在喇叭中產生相應的聲音。設計時需根據不同的音調選擇R2值。調試電路時，可先按下高音i鍵，用示波器監視輸出波形，調解Rf1使電路輸出滿意的振蕩。然后，再按下1鍵，如波形失真，則再微調Rf1使波形改善。8.4.3電子琴原理電路的實驗與分析8.5電壓比較器及其應用電路的仿真實驗與分析

電壓比較器是一種能用不同的輸出電平表示兩個輸入電壓大小的電路。利用不加反饋或加正反饋時工作于非線性狀態的運放即可構成電壓比較器。作為開關元件，電壓比較器是矩形波、三角波等非正弦波形發生電路的基本單元，在模數轉換，監測報警等系統中也有廣泛的應用。常見的電壓比較器有單限比較器、滯回比較器和窗口比較器等。其中，單限比較器靈敏度較高，但抗干擾能力較差，而滯回比較器則正相反。本實驗將介紹單限比較器和滯回比較器的特性，并介紹電壓比較器在矩形波發生器和監測報警系統中的應用。8.5.1電壓比較器8.5電壓比較器及其應用電路的仿真實驗與分析(1)單限電壓比較器

實驗電路如圖所示。其中，運放處于開環無反饋狀態，參考電壓和閾值電壓均為3V，被比較的輸入信號是10V/1kHz的正弦波，輸出通過兩個穩壓管雙向限幅。由于參考電壓加在運放的反相端，輸入信號加在同相端，所以，當輸入信號大于閾值電壓時，輸出為正的穩壓值(約為+5.1V)；反之，輸出為負的穩壓值(約為-5.1V)。本實驗輸入輸出波形如圖所示，其中，輸出信號是占空比約為0.43的矩形波。8.5.2電壓比較器的仿真實驗與分析8.5電壓比較器及其應用電路的仿真實驗與分析(2)滯回電壓比較器

實驗電路如圖所示。其中，運放引入了正反饋，參考電壓為零，輸入信號是5V/1kHz正弦波。與單限比較器不同，正反饋使滯回比較器的閾值不再是一個固定值，而是一個隨輸出狀態變化的量：UTH1和UTH2。圖示為用示波器B/A檔測量的反映輸出隨輸入變化的關系的電壓傳輸特性。當輸入信號大于UTH1時，輸出為負穩壓值；而當輸入信號小于UTH2時，輸出才變為正穩壓值。按下A鍵可調整回差電壓UTH1-UTH2。回差電壓大時，比較器的抗干擾能力強，反之則靈敏度高。8.5.2電壓比較器的仿真實驗與分析8.5電壓比較器及其應用電路的仿真實驗與分析在滯回比較器的基礎上，增加一條由C1、R6、R7和D3、D4組成的負反饋延遲支路，即可構成矩形波發生器，其輸出波形如圖所示。電路中滯回比較器起開關作用，輸出為高、低兩種電平，通過R6、R7和D3、D4組成的負反饋支路給電容C1充電。當電容的充電電壓達到比較器的閾值UTH1時，輸出電平發生翻轉，電容放電并被反向充電，達到UTH2時輸出電平再次翻轉,如此反復形成了矩形波輸出。調整R7可使C1充電和放電的時間常數不同，實現占空比可調的矩形波輸出。8.5.3矩形波發生器的仿真實驗與分析8.5電壓比較器及其應用電路的仿真實驗與分析

圖中R11、R12、R13和R14組成的電橋用于仿真傳感器。正常情況下調整R14使電橋平衡，輸出為零。而當環境參數突變(如火災時溫度突然升高)時，傳感器輸出電壓發生變化(可用按下A鍵改變R14阻值的方式模擬)，電橋平衡被打破，輸出不為零，經第一級差分電路放大后送入第二級單限比較器，其參考電壓為R6和R7對12V電源的分壓。最后，比較器的輸出經聲光報警電路驅動，產生聲光報警信號。8.5.4監測報警系統的仿真實驗與分析

實際的監測報警系統可以由傳感器、信號預處理電路和計算機等組成，也可如圖所示全部用硬件電路實現，其中的核心是電壓比較器。8.6直流穩壓電源的仿真實驗與分析8.6.1直流穩壓電源

其中，電源變壓器將工頻交流電變換成符合要求的交流電壓；整流電路則將交流電壓變換為單向脈動電壓，通常由二極管或晶閘管(可控硅)構成，目前常用的是橋式整流電路；濾波電路可以減小整流電壓的脈動程度，通常由電容或電感構成具有低通特性的濾波電路；穩壓電路則進一步減小直流電壓的脈動程度，并確保在交流電源電壓波動或負載變化時，輸出的直流電壓穩定。

直流穩壓電源可以由干電池、蓄電池或直流發電機構成，但大部分情況下是將工頻交流電轉換成直流電壓，其電路組成如圖所示。8.6直流穩壓電源的仿真實驗與分析8.6.2仿真實驗與分析其中，交流電源是220V/50Hz工頻交流電，變壓器變壓比為20:1，所以，圖中交流電壓表U1所示為11.001V，與理論值11V十分接近。但直流電壓表U2顯示的整流輸出電壓平均值為8.719V，與計算值9.9V有一定差距。其原因除理論計算本身的近似性外，還因整流橋二極管是非理想的，當將負載斷開減小輸出電流對二極管的影響時，可測得整流輸出電壓的平均值為9.772V，與理論計算結果比較接近。(1)整流電路實驗

實驗電路如圖所示。其中，開關S1連接了負載電阻R1，電路為只有變壓和橋式整流的實驗電路。8.6直流穩壓電源的仿真實驗與分析8.6.2仿真實驗與分析(1)整流電路實驗

實驗電路如圖所示。其中，開關S1連接了負載電阻R1，電路為只有變壓和橋式整流的實驗電路。

變壓和橋式整流電路的實驗結果還可由示波器顯示，圖示為橋式整流電路的輸出波形，可見,橋式整流的輸出為單向脈動電壓波形。8.6直流穩壓電源的仿真實驗與分析8.6.2仿真實驗與分析

圖中直流電壓表U2顯示的濾波電路輸出電壓平均值為13.643V，與理論計算值13.2V比較接近，其存在誤差的主要其原因是理論計算本身就是近似值，濾波輸出電壓的波形與時間常數C1和R1的乘積有關。時間常數越大輸出電壓越大，反之則越小。本實驗中，若將電阻R1調至最大值的15%時，輸出電壓將為13.179V。(2)濾波電路實驗圖中開關S1連接了電容C1、S2連接了R1，電路為在變壓和整流的基礎上加上了電容濾波的實驗電路。8.6直流穩壓電源的仿真實驗與分析8.6.2仿真實驗與分析

有關電容濾波電路輸出電壓的波形可由示波器顯示。從圖示的輸出電壓波形可見，加入電容濾波后電路的輸出電壓平滑了很多。(2)濾波電路實驗圖中開關S1連接了電容C1、S2連接了R1，電路為在變壓和整流的基礎上加上了電容濾波的實驗電路。8.6直流穩壓電源的仿真實驗與分析8.6.2仿真實驗與分析

圖中直流電壓表U3顯示穩壓電路的輸出電壓為5.004V，與LM7805CT的+5V直流輸出電壓十分接近。當輸入交流電源電壓在220V上下±10%范圍內變化時，集成穩壓器的輸入電壓U2為12.263V~15.278V、輸出電壓U3為5.003V~5.004V；而當負載電阻R1的阻值范圍在其最大值的5%~100%之間變化時，集成穩壓器的輸出電壓U3為5.003V~5.004V。可見，直流穩壓電源的穩壓性能較好。(3)穩壓電路實驗

開關S2連接集成穩壓器LM7805CT,開關S3連接R1，電路為包含了變壓、整流、濾波和穩壓的直流穩壓電源電路。8.6直流穩壓電源的仿真實驗與分析8.6.2仿真實驗與分析

圖示波形為穩壓電路的輸入、輸出波形，可見，穩壓器的輸出特性較好。圖中，上面的曲線是輸入波形，下面的是輸出波形。(3)穩壓電路實驗

開關S2連接集成穩壓器LM7805CT,開關S3連接R1，電路為包含了變壓、整流、濾波和穩壓的直流穩壓電源電路。第9章Multisim14在數字電路中的應用CHINAMACHINEPRESS機械工業出版社9.1組合邏輯電路的仿真與分析例：將下列邏輯表達式化成最簡形式：1）改寫成最小項之和的形式：9.1.1邏輯函數的化簡2）打開邏輯轉換儀

點擊從A到H八個變量上方與之相對應的小圓圈選中該變量，列出變量不同取值的組合所對應的函數值，根據上述邏輯表達式的最小項之和的形式，列寫出真值表。9.1.1邏輯函數的化簡3）點擊按鈕，對話框的最下欄出現的即為最簡表達式。例：分析下列組合邏輯電路的功能：9.1.2組合邏輯電路的分析1）將邏輯分析儀的“a”“b”“c”三端分別接電路的A、B、C，最右端的接線端子接電路的輸出。例：分析下列組合邏輯電路的功能：9.1.2組合邏輯電路的分析2）點擊

按鈕

，可直接得到真值表。通過真值表可以分析得出該電路的功能為輸入偶數個“1”時輸出為1，輸入奇數個1時輸出為0，即奇偶校驗電路。例：仿真分析優先編碼器74LS148N的功能。9.1.3編碼器74LS148N的邏輯符號、邏輯功能表及引腳對應關系。例：仿真分析優先編碼器74LS148N的功能。9.1.3編碼器

構建仿真實驗電路，數據輸入端D0～D7，用“地”和“Vcc”分別表示狀態“0”和狀態“1”。輸出端接3個發光二極管LED1、LED2、LED3，分別指示輸出狀態，輸出為“1”時發光二極管點亮，輸出為“0”時，發光二極管熄滅。仿真結果與上圖所示功能邏輯一致。例：仿真分析二-十進制譯碼器74LS42N的功能。9.1.4譯碼器74LS42N的邏輯符號、邏輯功能表及引腳對應關系。例：仿真分析二-十進制譯碼器74LS42N的功能。9.1.4譯碼器

用字信號發生器輸出作為譯碼器電路輸入，用8個發光二極管來顯示輸出的狀態。打開字信號發生器面板，按照74LS42功能表輸入信號邏輯，設置完畢后，進行仿真。例：仿真分析數據選擇集成電路74151N的功能。9.1.5數據選擇器74151N的邏輯功能例：仿真分析數據選擇集成電路74151N的功能。9.1.5數據選擇器

輸入信號采用兩路不同頻率和脈寬的方波信號，分別接D0和D1，輸入選擇信號“CBA”即為“001”，選擇器輸出端為D1信號，用虛擬示波器的A端接V1信號源信號，用示波器B端接數據選擇器輸出端。例：仿真分析數據選擇集成電路74151N的功能。9.1.5數據選擇器

仿真后，打開虛擬示波器，兩個通道的輸出波形如圖所示，示波器上方波形為數據選擇器輸出端波形，下方為V1信號源波形，從波形上可以看到，V2信號源輸出信號被數據選擇器選擇輸出。例：仿真分析數值比較器集成電路74LS85的功能。9.1.6數值比較器

兩個待比較的數字量分別為A3A2A1A0=0111，B3B2B1B0=1000，3個輸出端分別接3個發光二極管，用發光二極管的亮滅檢測三個輸出分別是什么信號，以此判斷兩個數字量的大小。例：仿真分析競爭冒險現象。9.1.8競爭冒險

或門的兩個輸入信號同時向相反的方向跳變，從理論上來說，或門的輸出信號始終為高電平，但用示波器觀察到的結果并非如此，而是在輸入信號發生變化的瞬間，輸出端會產生極窄的負脈沖，該現象即為競爭冒險現象。例：仿真分析競爭冒險現象。9.1.8競爭冒險

或門的兩個輸入信號同時向相反的方向跳變，從理論上來說，或門的輸出信號始終為高電平，但用示波器觀察到的結果并非如此，而是在輸入信號發生變化的瞬間，輸出端會產生極窄的負脈沖，該現象即為競爭冒險現象。9.2時序邏輯電路的仿真與分析例：仿真分析D觸發器74LS175的邏輯功能。9.2.1基本觸發器74LS175的邏輯功能例：仿真分析D觸發器74LS175的邏輯功能。9.2.1基本觸發器

將“CLEAR”端置為“1”，觸發器在時鐘“CLK”的作用下，將輸入“D”的狀態由“Q”端輸出，輸出信號始終在時鐘“CLK”的上升沿進行翻轉。例：仿真分析D觸發器74LS175的邏輯功能。9.2.1基本觸發器

將“CLEAR”端置為“0”，根據74LS175的邏輯功能圖可知，其輸出始終為“0”，示波器測試波形如圖所示。例：仿真分析雙向移位寄存器74LS194的邏輯功能。9.2.2移位寄存器74LS194的邏輯功能例：仿真分析雙向移位寄存器74LS194的邏輯功能。9.2.2移位寄存器

將“CLEAR”接電源，令S1S0=10，寄存器處于“左移”工作狀態，數據由“SL”端輸入，在手動移位脈沖“CLOCK”的作用下，將“1011”依次輸入，并用燈的亮滅顯示輸出結果，輸出為“1”時燈亮，反之燈滅。例：仿真分析同步計數器74LS161的邏輯功能。9.2.3基本計數器74LS161的邏輯功能例：仿真分析同步計數器74LS161的邏輯功能。9.2.3基本計數器該電路處于計數工作模式，計數器反復由“0000”至“1111”計數，構成十六進制計數器。例：仿真分析同步計數器74LS161的邏輯功能。9.2.3基本計數器

按下按鈕后，置數控制端輸入為低電平，置數有效，計數器輸出被置為置數輸入端設定的值，在圖中，置數輸入端為“1000”，置數后，計數器從置數處繼續計數。

在Multisim14中有專門針對555定時器設計的向導，通過向導可以很方便地構建555定時器應用電路。9.2.4555定時器仿真與分析

單擊菜單“Tools”→“CircuitWizards”→“555TimerWizard”命令，可啟動定時器使用向導。“Type”下拉列表框中的選項列表可以設定555定時電路的兩種工作方式：無穩態工作方式和單穩態工作方式。1.555定時電路的無穩態工作方式的仿真分析9.2.4555定時器仿真與分析參數說明：

Vs：工作電壓。

Frequency：工作頻率。

Duty：占空比。

C：電容大小。

Cf：反饋電容大小。

R1、R2、RL：電阻，其中R1、R2不可更改。1.555定時電路的無穩態工作方式的仿真分析9.2.4555定時器仿真與分析

將輸出信號頻率設為500Hz，占空比設為50%，工作電壓設為12V，單擊“BuildCircuit”按鈕，即可生成無穩態定時電路。1.555定時電路的無穩態工作方式的仿真分析9.2.4555定時器仿真與分析輸出信號波形2.555定時電路的單穩態工作方式的仿真分析9.2.4555定時器仿真與分析

Vs：電壓源。

Vini：輸入信號高電平電壓。

Vpulse：輸入信號低電平電壓。

Frequency：工作頻率。

InputPulseWidth：輸入脈沖寬度。

OutputPulseWidth：輸出脈沖寬度。

C：電容大小。

Cf：反饋電容大小。

R1，R：電阻器值，其中電阻值R不可更改。2.555定時電路的單穩態工作方式的仿真分析9.2.4555定時器仿真與分析

將輸出信號頻率設為500Hz，工作電壓設為12V，其他設定如圖所示，單擊“BuildCircuit”按鈕，即可生成單穩態定時電路。2.555定時電路的單穩態工作方式的仿真分析9.2.4555定時器仿真與分析

觸發信號由脈沖信號源提供，每當信號源向555芯片提供一個負脈沖都會觸發電路，使其輸出一定寬度的脈沖信號，且輸出脈沖持續一定的時間后自行消失。9.3A/D與D/A轉換電路的分析與設計ADC的主要功能是將輸入的模擬信號轉換成數字信號輸出，其輸入/輸出說明如下：

Vin：模擬電壓信號的輸入端子。

Vref+，Vref-：參考電壓“+”、“-”端子，接直流參考電源的正極和負極，ADC輸入模擬信號的范圍不能超過該參考電壓，正負電壓差也是ADC轉換精度的決定因素之一。

SOC：轉換啟動信號端，該端口電平從低電平變成高電平時，轉換開始。

EOC：轉換結束標志位輸出端，高電平表示轉換結束。9.3.1A/D轉換電路的仿真分析9.3A/D與D/A轉換電路的分析與設計

滑動變阻器R1構成分壓電路，通過改變滑動變阻器的大小，即可改變輸入模擬信號的大小，ADC輸出的高4位和低4位分別接1個數碼管，顯示輸入模擬信號的轉換結果。9.3.1A/D轉換電路的仿真分析9.3A/D與D/A轉換電路的分析與設計

信號源輸出方波信號，接ADC的“SOC”端，當信號源輸出高電平時，ADC啟動轉換，轉換結束后，“EOC”輸出低電平，通過示波器觀測二者的波形可知數據轉換需要約1μs。9.3.1A/D轉換電路的仿真分析9.3A/D與D/A轉換電路的分析與設計

在上述A/D仿真電路基礎上添加一個VDAC芯片，將ADC的輸出信號接到VDAC的輸入端，實際上是將ADC的輸入模擬信號先進行模擬—數字變換，然后再進行數字—模擬變換。9.3.2D/A轉換電路的仿真分析9.3A/D與D/A轉換電路的分析與設計

利用雙蹤波器對原信號和DAC輸出信號進行比較觀察，將示波器A通道接在ADC的模擬信號輸入端，B通道接在VDAC的模擬信號輸出端。9.3.2D/A轉換電路的仿真分析9.4多功能數字鐘設計

先完成顯示電路、六十進制計數器、十二進制計數器、校時電路和振蕩電路等單元電路設計，最后再由單元電路搭接成完整的數字鐘。9.4.1數字鐘功能分析Multisim14中提供了兩種數碼管。9.4.2數字鐘各單元電路設計1.數碼顯示器不需譯碼管的數碼管需要譯碼器的數碼顯示7段數碼管由74LS48進行了譯碼，從74LS48的A、B、C、D端輸入二進制數即可顯示數據。為簡化電路，本數字鐘電路采用不需譯碼器的數碼管。9.4.2數字鐘各單元電路設計1.數碼顯示器

在數字鐘電路中，六十進制計數和十二進制計數電路的設計是最基礎的電路部分，關系著時鐘計數的正確與否。9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計1）分、秒六十進制電路設計

六十進制計數器可通過十進制和六進制計數器串聯而成，因為同步加法計數器74LS161可構成十六進制以下的任意計數器，六十進制計數器可以采用74LS161來進行設計。將74LS161輸出端的0101（十進制為5）狀態譯碼后接到Load端，即可在計數器計數到5后將輸出置0，實現六進制計數。9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計1）分、秒六十進制電路設計

同樣，把輸出端的1001（十進制為9）狀態譯碼后引到Load端，即可在計數器計數到9后將輸出置0，實現十進制計數。9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計1）分、秒六十進制電路設計

經六進制計數器和十進制計數器串聯在一起就構成了六十進制計數器。9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計1）分、秒六十進制電路設計為簡化整個數字鐘電路，把60進制計數器做成子電路。選擇菜單中的Place-NewSubcirciut命令，出現子電路名稱編輯窗口如圖，輸入“60”，點“OK”后，在電路編輯窗口中出現一個方框如圖。9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計子電路名稱編輯窗口子電路符號1）分、秒六十進制電路設計9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計

雙擊工具欄窗口中的子電路名稱或點擊子電路符號左上角的圖標“

”，打開子電路編輯窗口，在子電路編輯窗口中繪制電路的方法與繪制主電路的方法完全一致。也可以直接把設計好的電路拷到子電路編輯窗口中，把需要與外界連接的引腳印引出來，以便與主電路的其它部分相連接。具體做法是：選擇菜單中的Place-Connectors命令，如果引出的是輸入引腳則選擇“InputConnector”，如果引出的是輸出引腳則選擇“OutputConnector。1）分、秒六十進制電路設計應用60進制子電路仿真六十進制計數器，其工作狀態與直接設計的六十進制計數器工作狀態完全一樣。9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計1）分、秒六十進制電路設計

用兩個74LS161來實現。當滿足十位為1、個位為2時，兩個計數器同時清0，設計方法與六十進制計數器一樣。9.4.2數字鐘各單元電路設計2.六十進制計數和十二進制計數電路設計2）小時十二進制電路設計用單刀雙擲開關切換計數功能與校時功能，切換到計數功能時，時鐘進行正常的計數；切換到校時功能時，校時電路輸出校時脈沖，數字鐘的時、分電路在校時脈沖的作用下進行校時。9.4.2數字鐘各單元電路設計3.校時電路設計2）小時十二進制電路設計由555定時器構成的1kHz的自激振蕩器9.4.2數字鐘各單元電路設計4.振蕩器用3個74LS90串聯構成了千分頻的電路，則上述振蕩電路輸出的便是1Hz的信號。9.4.2數字鐘各單元電路設計4.振蕩器9.4.3數字鐘各單元電路集成設計與仿真數字鐘總電路圖第10章Multisim14在電力電子電路仿真中的應用CHINAMACHINEPRESS機械工業出版社問題電力電子技術是應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術，主要應用于電力變換。

常見的電力變換包括：交流-直流變換（AC/DC）、直流-直流變換（DC/DC）、交流-交流變換（AC/AC）、直流-交流變換（DC/AC）。

本章在介紹其工作原理基礎上，主要應用Multisim14對電力電子電路進行仿真，以便更好地掌握電力電子技術基本電路原理和功能。10.1交流-直流變換交流-直流（AC-DC）變換時指將工業電網中那的單相或三相對稱正弦220V/380V、50Hz交流電壓變換成直流電壓，由交流變換成直流的電路稱為整流電路。電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種，按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種方式。本節主要對可控的整流電路進行仿真分析。10.1.1單相可控整流電路從Multisim14元件工具欄中分別調用元件，調用單向交流電壓源AC-POWER、晶閘管SCR、脈沖電壓源PULSE-VOLTAGE、電阻元件，調用雙通道示波器XSC1，按照單向半波可控整流電路拓撲結構圖的要求建立仿真電路，如圖9-1所示。電源器件參數設置為：V1=220V，f=50Hz，，R1=1。圖9-1單相半波可控整流電路10.1交流-直流變換1.單相半波可控整流電路（1）t=0ms時，觸發角為0°雙擊PULSE_VOLTAGE，打開設置窗口，設置脈沖電壓源周期T=0.02s，設置延時t從而改變晶閘管的觸發角（1）當t=0ms時，觸發角為0°；（2）當t=3.3ms時，觸發角為60°。（2）t=3.3ms時，觸發角為60°圖9-3單相半波可控整流電路仿真電路10.1.1單相可控整流電路10.1交流-直流變換1.單相半波可控整流電路根據單相半波帶濾波可控整流電路的拓撲結構，在輸出端并聯濾波電容器C1（22mF），電路如圖9-4所示。仿真運行后，電路如圖所示。從圖9-5中可見，由于濾波電容的存在，使得負載電壓的脈動減小，負載電壓趨于平緩。圖9-5單相半波帶濾波可控整流電路仿真波形10.1.1單相可控整流電路10.1交流-直流變換1.單相半波可控整流電路圖9-4單相半波帶濾波可控整流電路在全波整流電路中，選擇兩個整流器件和代中心抽頭的電源變壓器組成全波整流電路。通過整流器件在正負半周內的通斷，使交流電的兩半周期都得到了利用，提高了整流器的效率。圖9-6單相全波可控整流電路10.1.1單相可控整流電路10.1交流-直流變換2.單相全波可控整流電路設置脈沖電壓源V2和V3的觸發脈沖，周期脈寬為20ms（電壓頻率f=50Hz），設置脈沖電壓源的延時時間，以改變晶閘管的觸發角，從而改變輸出電壓的波形。啟動仿真，單相全波可控整流電路的輸出電壓曲線如圖9-8所示。對于單相全波可控整流電路，負載電流連續變化。圖9-6單相全波可控整流電路10.1.1單相可控整流電路10.1交流-直流變換2.單相全波可控整流電路單相橋式半控整流電路中，交流電壓源V1為220V，脈沖電壓源V2和V4構成晶閘管S1和S2的觸發電路，晶閘管S1、S2和D1、D2構成整流橋，電阻R1為電路負載。根據橋式電路的特點，只要控制晶閘管導通，則負載上總有正向電壓，負載電流單方向流動，單相橋式半控整流電路如圖9-9所示。圖9-9單相橋式半控整流電路10.1.2單相橋式整流電路10.1交流-直流變換1.單相橋式半控整流電路（a）10.1.2單相橋式整流電路10.1交流-直流變換1.單相橋式半控整流電路設置V1、V2延時時間，以改變觸發角度，仿真波形如圖9-11所示。（1）設置V1延時時間為0ms，觸發角0°；V2延時時間10ms，觸發角180°，仿真波形如圖（a）所示。（2）設置V1延時時間為3.3ms，觸發角60°；V2延時時間13.3ms，觸發角240°，仿真波形如圖（b）所示。（b）圖9-11單相橋式半控整流電路10.1.2單相橋式整流電路10.1交流-直流變換2.單相橋式全控整流電路創建單相橋式全控整流電路如圖9-12所示。其中，V1為220V交流電壓源，V2~V4脈沖電壓源是晶閘管的控制電路，S1~S4組成橋式整流，R3為電路負載。圖9-12單相橋式全控整流電路10.1.2單相橋式整流電路10.1交流-直流變換2.單相橋式全控整流電路設置V2、V3延時時間為2ms、觸發角36°；V4、V5延時時間12ms，觸發角216°，仿真波形如圖9-13所示。從圖9-13中可以看出，單相橋式全控整流電路的輸出電壓為一串脈動電流波，可通過修改脈沖電壓源的延時時間來改變觸發角，輸出電壓的波形隨之改變。圖9-13單相橋式全控整流電路仿真波形10.1.3三相橋式整流電路10.1交流-直流變換當整流電路的電源為三相交流電時，構成三相整流電路，目前，在各種整流電路中，應用最廣泛的就是三相橋式全控整流電路。三相橋式整流電路習慣上將其中陰極連接在一起的晶閘管（S1、S3、S5）稱為共陰極組，陽極連接在一起的三個晶閘管（S2、S4、S6）稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管從1至6的順序導通，為此，將晶閘管按圖9-14中的順序進行編號。圖9-14三相橋式整流電路10.1.3三相橋式整流電路10.1交流-直流變換將交流電壓源設置為220V，f=50Hz，晶閘管相位角控制器U1頻率設為50Hz，可調電壓源輸出電壓的大小就是觸發角度的大小，將此時V4的電壓幅值調為30V，即晶閘管的觸發角α=30°。啟動仿真，三相橋式全控整流電路的輸出電壓曲線如圖9-15所示。圖9-15三相橋式整流電路仿真波形10.2直流-直流變換直流-直流（DC-DC）變換是將固定的直流電壓變換成固定或可調的直流電壓，也稱為直流斬波或DC/DC變換器。用斬波器實現直流變換的基本思想是通過對電力電子開關器件的快速通、斷控制把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流，在一定濾波的條件下，負載上可以獲得平均值可小于或大于電源的電壓或電流。如果改變開關器件通、斷的動作頻率，或改變開關器件通、斷的時間比例，就可以改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實現輸出電壓、電流平均值的調節。斬波器廣泛用于電力牽引。例如地鐵、電力機車、無軌電車和電瓶搬運車等直流電動機的無級調速。與傳統的在電路中串電阻調壓的方法相比，不僅有較好的起動、制動特性，而且省去體積大的直流接觸器和耗電大的變阻器，電能損耗也大大減少。10.2.1直流降壓斬波電路10.2直流-直流變換降壓式（BUCK）斬波電路是直流斬波電路中最基本的電路，是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。若斬波電路的開關導通時間為ton，關斷時間為toff，則開關工作周期T=ton+toff。定義占空比為，則輸出電壓（Us為輸入電源電壓）。由此，當Us一定時，改變D就可以調節輸出電壓Uo。圖9-16直流降壓斬波BUCK電路10.2.1直流降壓斬波電路10.2直流-直流變換按照直流降壓斬波電路，晶閘管Q2為電路的主開關，其控制信號由函數發生器XFG2提供，將其設置為方波，頻率為500Hz，振幅10V，偏置為0V，占空比50%，運行仿真，輸出波形如圖9-17所示。該電路為帶電容濾波的降壓斬波電路，電容可以過濾掉諧波分量，一般采用LC濾波器，輸出電壓波動小，是一個恒定的直流電壓，可以用做開關型穩壓電路。圖9-17直流降壓斬波BUCK仿真電路10.2.2直流升壓斬波電路10.2直流-直流變換直流升壓（Boost）斬波電路的輸出電壓高于輸入電壓，控制開關與負載并聯連接，電容C必須足夠大，以保證輸出電壓的穩定，電感L能夠儲存電能，使電壓有泵的作用。若斬波電路的開關工作周期T=ton+toff。定義占空比為，則輸出電壓（Us為輸入電源電壓）。由此可見，當Us一定時，改變D就可以調節輸出電壓Uo。圖9-18直流升壓（Boost）斬波電路10.2.2直流升壓斬波電路10.2直流-直流變換直流升壓斬波仿真電路如圖9-17所示。V1是9V直流電源，電力場效應管Q1（2SK3070L）為開關管，柵極受脈沖發生器XFG1控制，二極管D1起續流作用，電容C1和電阻R1并聯構成電路負載。圖9-18直流升壓（Boost）斬波電路10.2.2直流升壓斬波電路10.2直流-直流變換設置XFG1的頻率，占空比，振幅和偏置電壓等參數。當頻率設置為50Hz時，運行仿真，對于由電力場效應管組成的直流升壓斬波電路的輸出電壓為一連串有擾動的直流電壓，在短暫的上升之后，趨于穩定后約為20V，如圖9-20所示。輸出電壓值可以通過XFG1頻率設置調整，隨著XFG1頻率設置降低，輸出電壓值升高。圖9-20直流升壓斬波Boost電路仿真波形10.2.3直流降壓-升壓斬波電路10.2直流-直流變換直流降壓-升壓斬波變換電路（Buck-Boost）的輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，是一種輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，但其輸出電壓的極性與輸入電壓相反。輸出電壓滿足公式，控制脈沖源的占空比，如果占空比大于1/2，則升壓；反之降壓。圖9-21Buck-Boost電路10.2.3直流降壓-升壓斬波電路10.2直流-直流變換直流降壓-升壓斬波仿真電路如圖9-21所示。V1為12V直流電源，V2為受控源,V3為脈沖源，V2和V3一起組成開關管的驅動電路，Q1為開關管，柵極受電壓控制電壓源V2控制，V2受脈沖源V3控制，可以通過設置脈沖源V3的參數來改變占空比和輸出電壓的值。圖9-21Buck-Boost電路10.2.3直流降壓-升壓斬波電路10.2直流-直流變換（1）升壓（D>0.5）設置脈沖源V3的初始值，脈沖值，脈沖寬度，周期等，設置脈沖寬度為0.6ms，脈沖周期1ms，占空比D=0.6，運行仿真結果如圖9-22所示，可以看到輸出電壓在一段時間后趨于穩定約30V（其輸出電壓的極性與輸入電壓相反）。圖9-22D>0.5升壓時電路波形10.2.3直流降壓-升壓斬波電路10.2直流-直流變換（2）降壓（D<0.5）當設置脈沖源V3的脈沖寬度為0.2ms，脈沖周期1ms，占空比D=0.2，運行仿真，仿真結果如圖9-23所示，可以看到，輸出電壓在短暫的上升之后趨于穩定，約為2.2V。圖9-23

D<0.5升壓時電路波形10.3逆變電路與整流相對應，直流-交流（DC-AC）變換是把直流電變成交流電，稱為逆變。在逆變電路中，把直流電經過直交變換，向交流電源反饋能量的變換電路稱為有源逆變；將直流電轉變為負載所需要的不同頻率和電壓值的交流電稱為無源逆變，也是以電子開關器件控制構成的PWM運行方式。一般情況下，逆變電路多指無源逆變電路。逆變電路可以在控制電路的控制下，將直流電轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源輸出，其應用廣泛，通常是變頻器的核心部件。10.3.1DC-AC單相橋式逆變電路10.3逆變電路單相橋式逆變器屬于無源逆變電路，在由電力電子器件組成的橋式電路中，改變兩組開關的頻率，可改變輸出交流電的頻率，輸出交流電的頻率與兩組開關的切換頻率成正比，由此實現了直流電到交流電的逆變，下面是負載為電阻時的DC-AC單相橋式逆變電路，如圖9-24所示。圖9-24

DC-AC單相橋式逆變電路1.DC-AC單相橋式逆變電路10.3.1DC-AC單相橋式逆變電路10.3逆變電路在圖9-24中，V1是輸入直流電壓，晶體管S1-S4構成逆變電路，交流電壓源和單相PWM控制器U1組成晶體管驅動電路，電阻R為負載。圖9-24

DC-AC單相橋式逆變電路1.DC-AC單相橋式逆變電路10.3.1DC-AC單相橋式逆變電路10.3逆變電路設置V2的參數作為PWM控制器的調制波（圖（a）），設置U1的參數作為載波（圖（b）），參數設置如圖所示9-25所示，運行仿真。圖9-25V2和U1的參數設置1.DC-AC單相橋式逆變電路（a）（b）10.3.1DC-AC單相橋式逆變電路10.3逆變電路在圖9-24中，V1是輸入直流電壓，晶體管S1-S4構成逆變電路，交流電壓源和單相PWM控制器U1組成晶體管驅動電路，電阻R為負載。圖9-24

DC-AC單相橋式逆變電路1.DC-AC單相橋式逆變電路10.3.1DC-AC單相橋式逆變電路10.3逆變電路運行仿真后，示波器XSC2中PWM的驅動波形如圖9-26所示，示波器XSC1中為輸出波形如圖9-27所示。1.DC-AC單相橋式逆變電路圖9-26PWM的驅動波形圖9-27DC-AC單相橋式逆變電路仿真波形10.3.1DC-AC單相橋式逆變電路10.3逆變電路在圖9-24的DC-AC單相橋式逆變電路增加一個濾波電感（1H）和電容（10uF），帶LC濾波的DC-AC全橋逆變電路如圖9-28所示，重新啟動仿真后，可以看到一段時間穩定后，輸出一個穩定的正弦波，如圖9-29所示。2.帶LC濾波的DC-AC全橋逆變電路圖9-28帶LC濾波的DC-AC全橋逆變電路圖9-29帶LC濾波的DC-AC全橋逆變電路仿真波形10.3.2三相橋式逆變電路10.3逆變電路通常，中、大功率的三相負載均采用三相橋式逆變器，創建如圖所示的三相橋式逆變電路。其中V1為50V直流電源，功率MOSFET管Q1-Q6構成逆變電路，電壓控制電壓源和三相PWM控制器U1組成晶體管驅動電路，電感L、電容C和電阻R構成負載。10.3.2三相橋式逆變電路10.3逆變電路由于電路復雜，連線較多，為方便觀察，常采用連接器連接，能夠減少電路連接中繁雜的線條。從元件庫調用所需元件，將PWM控制電路與晶體管的柵極驅動電路采用在頁連接器，通過相同的連接器名稱進行相連，隱去中間的連接線，整個圖直觀又清晰。10.3.3正弦脈寬調制逆變電路10.3逆變電路PWM（PulseWidthModulation）控制是對脈沖的寬度進行調制的技術。PWM控制技術再逆變電路中的應用最廣泛。SPWM（SinusoidalPWM）是脈沖的寬度按照正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，具有輸出諧波小、結構簡單的特點，是現代變頻調速系統中應用最廣泛的脈寬調制方式之一。SPWM是采用一個正弦波與三角波相交的方案確定各分段矩形脈沖的寬度，以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波，當調制波和載波相交時，由他們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得再正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。10.3.3正弦脈寬調制逆變電路10.3逆變電路SPWM產生電路如圖9-32所示，函數發生器產生頻率為1kHz的三角波信號作為載波信號，函數發生器XFG2產生的50Hz正弦信號作為調制信號，比較器作為調制器。三角波信號和正弦波信號分別加在比較器的正相和反相輸入端，通過比較器輸出的SPWM波。1.SPWM產生電路圖9-32SPWM產生電路10.3.3正弦脈寬調制逆變電路10.3逆變電路XFG1和XFG2的設置如圖9-33所示。1.SPWM產生電路圖9-33SPWM產生電路10.3.3正弦脈寬調制逆變電路10.3逆變電路從圖9-34中可以看出，經過比較器產生的波形是一系列等幅不等寬的矩形，在半個周期內呈呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。1.SPWM產生電路圖9-34SPWM產生電路波形10.4交流-交流變換交流-交流（AC-AC）變換器是將一種形式的交流電變換成另一種形式的交流電。通常，將僅改變交流電壓有效值的變換器稱為交流調壓器，而將改變交流電壓有效值和頻率的變換器稱為交-交變頻電路。10.4交流-交流變換由晶閘管及控制電路組成的交流調壓電路，可方便調節輸出的交流電壓。創建如9-34所示的單相交流調壓仿真電路，其中，V1為交流輸入電壓，晶閘管S1、S2反并聯后接在交流電源和負載之間，S1控制交流電源正半周的通斷，S2控制交流電源負半周的通斷。其門極控制信號分別由脈沖源V2和V3提供，V2和V3的觸發時間相差10ms，V3先觸發。10.4.1單相交流調壓電路圖9-35單相交流調壓電路10.4交流-交流變換啟動仿真，單相交流調壓電路的輸出電壓如圖9-36所示。調整脈沖源V2、V3的觸發時間，可調整輸出電壓的有效值，輸出電壓波形隨之改變。10.4.1單相交流調壓電路圖9-35單相交流調壓電路仿真波形10.4交流-交流變換交-交變頻器是把工頻交流電直接變換成不同頻率的交流電路，也叫周波變換器。電路由兩組反并聯的三項晶閘管可逆變換器構成，運行正、反兩組變流器的觸發角α隨時間線性變化，使輸出電壓平均值為正弦波。當改變觸發角α的變化率，則輸出電壓平均值變化的速率也變化，也就改變了輸出電壓的頻率；同時，當改變觸發角α的變化范圍時，也改變了輸出電壓的最大值極交流電壓的有效值。10.4.2單相交-交變頻電路10.4交流-交流變換創建如圖9-3所示的單相交-交變頻仿真電路。其中，V1為50Hz的三相交流電源，晶閘管S1-S6組成三相晶閘管正組變流器，晶閘管S7-S12組成三相晶閘管反組變流器，可調電壓源V2和橋式電路的相位角控制器U1組成晶閘管的控制電路，R1和L1構成負載。10.4.2單相交-交變頻電路圖9-37單相交交變頻電路10.4交流-交流變換啟動仿真，交-交變頻電路的輸出電壓如圖9-38所示。調整脈沖源的觸發時間，改變觸發信號的時間，可調整輸出電壓的頻率和有效值，輸出電壓波形隨之改變。10.4.2單相交-交變頻電路圖9-38交交變頻電路仿真波形10.5本章小結本章主要應用Multisim14軟件對電力電子技術中整流電路、逆變電路、AC/AC電路、DC/DC電路進行仿真，將其結構原理形象化、波形圖可視化，提高學習效率，學生能夠在仿真過程中加深對基本變換電路的理解，培養邏輯思維和科學思維，不斷探索理論知識點的含義，培養拓展能力和創新精神。電力電子技術是支撐我國電力能源、航空航天、國防軍工等國家重大需求的關鍵基礎性技術之一，是兼具知識基礎和工程應用性的專業課程。學生能夠通過基本變換電路的理解和仿真應用，感受國家科技發展速度，激發中華民族自豪感和使命感，形成以愛國為核心的創造精神和奮斗精神，引導學生在時代洪流中的情感共鳴，持續創新思維，不斷拓展視野。第11章Multisim14在高頻電子電路仿真中的應用CHINAMACHINEPRESS機械工業出版社問題高頻電子電路是在高頻段范圍內實現特定電子功能的電路，它被廣泛地應用于通信系統和各種電子設備中，對高頻電子電路的分析主要包括電路中高頻信號的產生、放大和變換等。本章在總結高頻電子電路的幾種主要功能的電路原理的基礎上，主要介紹如何利用Multisim14仿真軟件對上述功能進行仿真分析，以便于更好地掌握高頻電子電路的原理和功能。11.1高頻小信號諧振放大電路高頻小信號諧振放大電路是集放大和選頻功能于一體，由有源放大元件和無源選頻網絡所組成的高頻電子電路，在通信設備中主要用于接收機的高頻和中頻放大器，目的是對系統中有用的高頻小信號進行線性電壓放大和頻率選擇。11.1高頻小信號諧振放大電路11.1.1高頻小信號諧振放大電路的組成高頻小信號諧振放大電路的基本組成包括晶體管、負載、輸入信號和直流饋電等。圖10-1所示為一典型高頻小信號諧振放大電路，其晶體管基極為正偏，工作在甲類，負載為LC并聯諧振回路，調諧在輸入信號的頻率465kHz上。圖10-1典型高頻小信號諧振放大電路11.1高頻小信號諧振放大電路11.1.1高頻小信號諧振放大電路的組成在Multisim14仿真軟件的電路窗口中，創建如圖10-1所示的高頻小信號諧振放大電路模型，其中晶體管Q1選用虛擬晶體三極管。單擊仿真按鈕，即可從示波器中觀察到輸入信號和輸出信號波形，如圖10-2所示。圖10-2輸入和輸出波形11.1高頻小信號諧振放大電路11.1.1高頻小信號諧振放大電路的組成如圖10-2所示，創建的高頻小信號諧振放大電路的輸出信號與輸入信號方向相反，且輸出信號幅值（105.497V）是輸入信號幅值（-9.707V）的-11.87倍，即圖10-1所示的高頻小信號諧振放大電路能夠對輸入信號進行反相放大。圖10-2輸入和輸出波形11.1高頻小信號諧振放大電路11.1.2高頻小信號諧振放大電路LC選頻回路LC選頻回路是高頻電子電路中最基本，應用最廣泛的選頻網絡，是構成高頻諧振放大器、正弦波振蕩電路及各種選頻電路的重要基礎部件。LC選頻回路可以從不同頻率的多種輸入信號中篩選出有用信號，抑制無用信號和噪聲，這對于提高整個電路的輸出信號質量和抗干擾能力是極其重要的。此外，通過靈活運用L、C元器件，還可以實現各種形式的阻抗變換電路。11.1高頻小信號諧振放大電路11.1.2高頻小信號諧振放大電路LC選頻回路圖10-3中，R是電感線圈中的損耗電阻，is和Rs1是并聯諧振回路的外加信號源，us和Rs2是串聯諧振回路的外加信號源；Zp和Zs分別是并聯諧振回路和串聯諧振回路的回路等效阻抗。圖10-3典型LC單諧振回路電路結構1.LC單諧振回路選頻特性(a)并聯諧振回路