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1、基于Multisim小型喊话器的设计与仿真摘 要 在科技高速发展的今天，方便和快捷的应用服务，越来越受到众人的追捧，本次设计主要简单介绍基于multism小型喊话器的设计与仿真。这次设计的主要理念，先通过制作小型喊话器的总方案图，通过方案图全面分析电阻，电容，电源指示器（发光二极管），一级放大器(三极管)的物理特性及原理，并深刻了解了音频放大器的工作原理及应用知识，而且更了解了电源的不同种类的各种情况，最终选择最合适，通过这些简单的设计理论设计了小型喊话器的电路。并利用所学Multisim原理与应用知识，通过Multism仿真，确证设计理论的正确性。关键词：喊话器，仿真，设计，Multisim
2、。基于Multisim小型喊话器的设计与仿真 0 引言当代社会中计算机技术发展迅猛，在全世界得到了广泛的普及，人类的许多都或多或少地依赖或借助于计算机的应用，与这个趋势相对应，电子设计自动化的EDA技术随之而产生。EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了电子技术，计算机技术，信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。EDA技术借助于计算机的强大功能，使电子电路的设计，性能参数的仿真以及印刷电路板等繁琐的任务变得轻而易举。EDA技术在进入21世纪后，在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断更新、增加，使电子EDA技术得到了更大的发展。电子技术全方位纳入EDA
3、领域，EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，可以说电子EDA技术是电子设计领域的一场革命。传统的“固定功能集成块加连线”的设计方法正逐步地退出历史舞台，而基于Multisim的设计方法正成为现代电子系统设计的主流。作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先进技术是势在必行，这不仅是提高设计效率的需要，更是时代发展的需求，所以发展EDA技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命。1 硬件设计1.1设计思想根据本次设计方案的要求小型喊话器的设计思想出发，首先考虑电路的电源电压，当给电路通入直流电源，此时有人对着麦克风说话时，就相当于信号发生器发出微弱的信
4、号，微弱的信号经过一级放大器（三极管）放大，使微弱的信号进而放大，然后又经过音频功率放大器，这时就会使原本已经经过放大的信号进而更加放大，最后再通过音频播放器，使原本听起来很小声音扩大，进而达到设计的要求。1.2 小型喊话器设计方案为保证设计合理，首先考虑总体方案，方案如图1.1所示。图11 小型喊话器的总方案图2 主要元器件介绍 通过查看各种关于小型喊话器电路和原理的介绍，总结一些有用的数据和资料从而设计出适合小型喊话器的电路。2.1 电阻器电阻设计是本次设计的一部分,如何选择合适的电阻?在本次设计中我们主要选择一般的电阻器和电位器。了解电阻器和电位器的原理也是本次设计的重要的一部分,下面是
5、介绍本次设计电阻器的常识。2.1.1 电阻器的定义 电流通过导体时，导体对电流有一定的阻碍作用，这种阻碍作用称为电阻。在电路中起电阻作用的元件称为电阻器。 单位：R 基本单位是（欧姆）2.1.2 电阻器的用途l 稳定和调节电路中的电流和电压，起到降压、分流、分压、隔离、匹配和调节信号幅度等作用。l 用作分流器和分压器，以及作为消耗电能的负载电阻。2.1.3 电阻器的电路符号不同电阻器的各种符号，如图2.1所示。图2.1 电阻器的电路符号2.1.4 电阻器的分类 一般由电阻体、骨架、引出线和保护层等4部分组成。电阻器的分类：u 按工作特性及电路功能可分为固定电阻器、可变电阻器和特殊电阻器。下面是
6、常用电阻的表示符号（如图2.2所示）图2.2 电阻符号u 由制作材料的不同，电阻器可以分为：碳膜电阻器、金属膜电阻器和线绕电阻器等（如图2.3所示）u 特殊电阻器按功能可分为：敏感电阻器、水泥电阻器和熔断电阻器。图2.3 不同种类的电阻2.1.5 电阻器的主要技术指标 电阻器的结构、材料不同，其性能就有一定的差异。在选择和使用电阻器时，必须掌握各种电阻器的特性。电阻器的主要技术参数有：1) 额定功率电阻器在电路中长时间连续工作不损坏，或不显著改变其性能所允许消耗的最大功率称为电阻器的额定功率。电阻器的额定功率并不是电阻器在电路中工作时一定要消耗的功率，而是电阻器在电路工作中所允许消耗的最大功率
7、。如表2.1所示。表2.1 电阻器的功率等级名称额定功率（W）实芯电阻器0.250.5125线绕电阻器0.5251352506751010015150薄膜电阻器0.02520.0550.125100.25250.55011002) 温度系数 通常电阻器的温度系数表示电阻器的温度稳定性，它表示温度变化时所引起的阻值的相对变化。温度系数越小，说明电阻器的稳定性越好。在选择特殊环境下使用的电阻器时必须要考虑这个参数。 （此外，还有其他的一些技术参数如绝缘电阻、非线性度等参数作为了解的内容。）2.2 电容任何的电路设计中，电容是必不可少的一部分，本次设计也是一样。了解电容的一些原理知识也是一项设计的必
8、不可少的部分。本次设计选择一般电容和电解电容。2.2.1 电容简介电容（或称电容量）是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容器从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应(电解电容比较明显，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。 电容的符号是C。一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法，即公式按(2.1
9、)计算， （2.1 ） 但电容的大小不是由Q（带电量）或U（电压）决定的，即公式(2.2)计算， （2.2 ）其中，是一个常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离， k则是静电力常量。常见的平行板电容器,电容公式按(2.3)计算， （2.3 ）为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。电容的基本特性: 通交流，隔直流：通高频，阻低频。 2.2.2 电容符号下面是各种电容的原理图符号（如图2.4所示）： a基本电容符号，如陶瓷电容 电解电容 云母电容 薄膜电容；c-f有极性电容，电解电容符号,弯片为负极，空心为正极；g可调电容符号； h微调电容符号；图2.4 各种电容的原理
10、图符号2.2.3 电容的作用电容器的基本作用就是充电与放电，但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容器有着种种不同的用途，例如在电动马达中，我们用它来产生相移; 在照相闪光灯中，用它来产生高能量的瞬间放电等等; 而在电子电路中，电容器不同性质的用途尤多，这许多不同的用途，虽然也有截然不同之处，但因其作用均来自充电与放电。一般用来做滤波和耦合作用。滤波作用：在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。在实际中，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的
11、输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量为0.001-0.lF的电容，以滤除高频及脉冲干扰。 耦合作用：在低频信号的传递与放大过程中，为防止前后两级电路的静态工作点相互影响，常采用电容藕合为了防止信号中韵低频分量损失过大，一般总采用容量较大的电解电容。2.2.4 电容器的主要技术指标电容器的耐压：常用固定式电容的直流工作电压系列为：6.3V，10V，16V，25V，40V，63V，100V，160V，250V，400V。耐压级别常见的有0.2、I、II、III、IV、V、VI等七
12、个等级，对应不同的容许误差2.3 电源指示灯2.3.1 发光二极管简介它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED，如图2.5。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R
13、可用下式(2.4)计算： （2.4 ）式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。图2.5 图形符号2.3.2 物理特性发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。 与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条
14、状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09十个数目字2.3.3 发光二极管的选择发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等等。常用的是发红光绿光或黄光的二极管，如图2.6所示。在本次设计中对于一个喊话器的指示等我们选择发红光的。图2.6 发光二极管3 一级放大器3.1 三极管概念3.1.1 半导体三极管简介半导体三极管又称晶体三极管（简称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为
15、一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。三极管从结构上来讲分为两类：NPN型三极管和PNP型三极管。下图为三极管的结构示意图和符号, 如图3.1所示。图3.1 三极管的结构示意图和符号3.1.2电流分配原则及放大作用1、放大条件在本次设计中我选用的是NPN型号的三极管，所以我们主要以 NPN 型三极管为例讨论，如图3.2所示。三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。图3.2 三极管中的两个 PN 结 内部条件：发射区高掺杂；基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少；集电结面积大。 外部条件：发射结必须加正向电压（正偏
16、）；集电结必须加反向电压（反偏）。2、 三极管的电流分配关系电流分配关系可按（2.5）计算。 （2.5 ）一般要求 ICN 在 IE 中占的比例尽量大。一般可达 0.95 0.99。三极管的电流放大关系式按（2.6）计算。 （2.6 ）b为电流放大倍数，其范围约为：20200其电流方向如图3.3所示BCEIBICIE图3.3 NPN型三极管电流方向3.2 特性曲线3.2.1 输入特性曲线它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如下图3.4所示。图3.4 极管的输入特性曲线(一) 当uCE=0V时，相当于发射结的正向
17、伏安特性曲线。(二) 当uCE1V时， uCB= uCE - uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。3.2.2 输出特性曲线它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如下图3.5所示。图3.5三极管的输出特性曲线输出特性三个区域的特点:a) 放大区发射结正偏，集电结反偏， 对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE；有发射结电压UBE0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE0.2V。b) 饱和区发射结正偏，集电结正偏 ，即UCEIC，UCE的值很小；称此时的电压UCE
18、为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。c) 截止区UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ，三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。3.2.3 三极管的主要参数三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册来得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。（1）共发射极电流放大系数 它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极
19、）下的电流放大系数。 （2）极间反向电流 集电极基极间的反向饱和电流ICBO集电极发射极间的穿透电流ICEO（3）极限参数 集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功率损耗PCM 反向击穿电压4 二级放大4.1 KD-28双功放集成电路4.1.1 器件简介KD-28是国内开发的小功率双通道功放集成电路，它内部集成了两只互相独立的小功率音频放大器，芯片采用COB黑膏软封装，芯片上带有铝质散热片，小功率使用时一般可不外加散热器，KD-28各引脚功能见表4.1。表4.1 KD-28集成电路各引脚功能引脚序号功能引脚序号功能1A1同相输入端5A2输出端2A1反相输入端6负电源输入端3A1输出端7A2反相
20、输入端4正电源输入端8A2同相输入端KD-28使用电源电压范围较宽，可在3到15工作,静态时每路功效的输出端保持在电源电压二分之一的电平上。当电源电压为9V时，在4负载上每路输出功率可达1.8W，其详细电参数见表4.2 。表4.2KD-28集成电路主要参数（TA=25）参数名称符号单位测试条件典型规范值2OTLBTL工作电压VV315315静态电流ImA66输出功率PWV=9V21.8(4)3.4(8)V=6V20.7(4)1.4(8)V=4.5V20.35(4)1.1(8)闭环电压增益GdBf=1kHz4046输入阻抗Zkf=1kHz100100输出噪音NVR=10k22KD-28可以很方便
21、的组成各种音频放大器，如2OTL放大器或BTL放大器等，它除了用作音频放大器外，还可以变通为多种用途，用于各种小电器等。4.1.2 OTL功率放大器OTL电路的主要性能指标1最大不失真输出功率理想情况下，在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，来求得实际的2效率 直流电源供给的平均功率理想情况下，。在实验中，可测量电源供给的平均电流，从而求得，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。4.1.3 BTL功率放大器BTL功放电路具有频响好、电源利用率高、输出功率大等特点，与OTL、OCL 电路相比，在相同的电源电压和负载时，BTL功率放大器输出功率为OTL或OCL的四倍。BT
22、L功率放大器它将两个单端推挽电路并，并联组成，而负载跨接在两个推挽电路的输出端之间，它们按电桥形式连接，所以又称桥式功放电路，如图4.1所示。图4.1 桥式功放电路5 Multisim2010喊话器电路仿真由于电子技术的快速发展，尤其是计算机仿真软件的开发、运算处理的快速进步，使得电子、数字逻辑的研究与设计，跳出传统的模式，即计算机仿真软件能在电路设计完成后，不必经实际的电路制作，就可以进行仿真实验与测试，并能收集到实验的相关资料，既省时又方便。因此，利用多媒体技术，在数字电子课程教学中纳入EDA技术，可使数字电路的变化过程动态显示，有利于对电路的理解。5.1 软件介绍Multisim是一个完
23、整的设计工具系统，提供了一个非常大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能、VHDL/Verilog设计接口与仿真功能、FPGA/CPLD综合、RF设计能力和后处理功能，还可以进行从原理图到PCB布线工具包（如：Electronics Worbench的Ultiboard）的无缝隙数据传输。它提供的单一易用的图形输入接口可以满足您的设计需求。Multisim提供全部先进的设计功能，满足从参数到产品的设计要求。因为程序将原理图输入、仿真和可编程逻辑紧密集成，您可以放心地进行设计工作，不必顾及不同供应商的应用程序之间传序数据时常出现的问题。Multisim的特点：直观的图形
24、界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实的仪器上看到的一样。丰富的元器件库：multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TM和COMS数字IC,DAC,ADC及其他各种部件，且用户可以通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可以通过IIT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充或更新服务。丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、数字信号发生器、逻
25、辑分析仪与逻辑转换仪外，multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是，所有仪器均可多台同时调用。完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传递函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户自定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。强大的仿真能力：Multisim既可以对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可以进行数模混合仿真，尤其是新增加RF(射频)电路的仿真功
26、能，仿真失败时会显示出错信息提示可能出错的原因仿真结果可以随时储存和打印。5.2 Multisim基本使用5.2.1 操作界面如图5.1所示为Multisim2010基本界面，在图中可以看到，在窗口界面中主要包括了以下几个部分：菜单栏（Menus），系统工具栏（System）,元器件库（Component Bars）,仪器工具栏（Instrumrnts Toolbar）,设计工具栏（Multisim Design Bars）,主要操作窗口（Circuit Window）等。图5.1 Multisim2010基本界面5.2.2 元件库Multisim2010中含有17个元（器）件分类库如图5.2
27、所示，通常以按钮形式在工作窗上边，也可以任意移动。每个元（器）分类库中又含有330个元件箱，各种仿真元件分门别类地放在这些元件箱中随意调用，并能通过自身的属性对话框对其相关参数进行设置。如果用户在进行一个仿真时少一个或几个仿真元件，可以直接利用Multisim所提供的元件编辑工具，对现有的元件模型进行编辑修改，或创建一个新元件。 图5.2 元器件分类库图 图5.3 虚拟仪器图5.2.3 仿真仪器介绍Multisim 2010的仪器库中共有18种虚拟仪器：Multimeter（数字万用表）,Function Geneator（函数发生器）,Wattmeter（万用表）,Osilloscope（示
28、波器）,Bode Plotter（波特图仪）,Word Generator(字信号发声器),Logic Analyzer（逻辑分析仪）,Logic converter（逻辑转换仪）,Distortion analyzer（失真分析仪）,Spectrum Analyzer（频谱分析仪）和Networ Analyzer（网络分析仪）,如图5.3所示。5.3 基于Multisim小型喊话器的设计与仿真Multisim软件进行仿真分析的基本步骤为：创建仿真电路原理图电路图选项的设置使用仿真分析方法设定仿真分析方法启动Multisim仿真，如图5.4通过这些步骤便可以实现对设计好的电路进行和测试，根据测
29、试的数据对设计方案进行调整以满足实际需要。 图5.4 仿真分析基本步骤5.4 编辑原理图根据已经设计的小型喊话器电路进行原理图的编辑，这是进行电路仿真运行的第一步，编辑原理图包括：建立电路元件、放置元件、连接线路、编辑处理等步骤。若从启动Multisim系统开始，则在Multisim基本界面上总会自动打开一个空白的电路文件。在Multisim正常运行时也只需点击系统工具栏中New按钮，同样将出现一个空白的电路文件，系统自动命名为Circuitl,可以在保存其电路文件时再重新命名。按照常规方式从各元件库中调用元器件放置到电路窗口中，并按照已经计算好的参数对元器件进行相应的设置。Multisim的
30、界面上的In Use List栏内列出了电路所使用的所用元器件，使用它可以检查所调用的元器件是否正确。放置完所有元器件后需要按照设计好的原理图对其进行线路连接，连接后的小型喊话器电路如图5.5所示。图5.5 绘制电路图5.6 静态工作点的分析选择命令菜单Simulate/Anlaysisi/DC Operting Point,会弹出对话框如图5.6所示。如图5.6 DC Operating Point Analysis对话框在对话框中的Output选项卡中的Variables in Circuit的下拉列表框中选All Variables,即列出电路的所有结点号，选择$4结点，单击Add按钮，
31、即在右边Selected Variables for analysis列表框中列出结点$4作为仿真分析结点。再分别选择$5、$17结点作为仿真分析结点，单击Simulate按钮，即可得到图5.5所示参数下的静态工作点分析结果，如图5.7所示。如图5.7 小型喊话器的静态工作点从分析结果来看，小型喊话器的,而电源电压VCC=1.66V,可见该电路的静态工作点合适。输入输出波形：单击运行按钮，双击示波器XSC1，调整扫描时间和示波器A、B通道显示比例，可得如图5.8所示的输入输出波形。仿真波形显示，输入输出反相位，波形无失真。调整电阻大小，或增大信号源电压幅值，可分别研究这些参数对电路静态工作点及波形失真的影响。如图5.8 小型喊话器一级电路的输入输出波形6 总结本课题是为了小型喊话器而设计的，可以实现小型喊话器小功率放大的作用。结合课题设计的要求，确立了一个基于Multisim软件的小型喊话器的设计方案。小型喊话器采用了集成功放电路的设计方法，按设计要求将小的输入信号放大，通过对实际情况的分析，得出小型喊话器的放大原理，通过一次放大，进而二次放大，最后通过喇叭的波形图和声音来显示，完成整个设计。
