2021年度基于Matlab的电子线路的设计与仿真设计

基于Matlab电子线路设计和仿真

第一章绪 论

1．1研究背景

自

有

些

人

类

以

来

,

就

离

不

开

信

息

传

输

。

通信是人和人或人和自然这三者之间经过某种方法及媒介进行信息交流,

在古代,大家经过烽火传输军情预警、经过驿站间快马接力传输文件战报,

经过信鸽传输机密文件等等,其信息传输方法即使各有不一样,

但全部是古代大家实现通信手段。伴随近代工业、 商业等产业发展,

原始通信手段不能满足日益增加需求,通信手段亟待发展。
大家发觉了电能以光速沿导线传输。 1837年莫尔斯发明了莫尔斯电码,

1844年由莫尔斯设计修建从尔摩到华盛顿世界上第一电报线路修建成功并投

入运行;1854年,英军第一次在战争中采取了电报,

然后发展到首先用于伦敦和巴黎之间远距离电报通讯,其次则用于协约国

克里米亚战争瓦诺基地,由此,世界上第一个电报通信网建成;1864年,

1887年赫兹从试验上验证了电磁波存在,马可尼、 波波夫等人用电磁波实现了远距离通信试验,由此, 由有线电话,

电报和无线电台等通信方法模拟通信时代到来。再加上20世纪30年代尤其是50年代后,伴随香农信息论,纠错编码理论,调制理论,信号检测理论,信号和噪声理论,信源统计特征理论等通信专业理论研究和发展,通信专业有了长足发展,伴随而来就是通信产业如雨后春笋通常出现,有限电报网铺设,

全部需要从通信设备设计和制造企业到通信网线路铺设等工程施工企业,

一级监督工程企业施工一级通信设备运行情况监理企业,

模拟信号指幅度取值是连续（幅值可由无限个数值表示）。

时间上连续模拟信号连续改变图像（电视、传真）信号等,
时间上离散模拟信号是一个抽样信号。模拟通信优点是直观且轻易实现, 但存在两个关键缺点。模拟通信, 尤其是微波通信和有线明线通信,
多种噪声干扰,噪声和信号混合后难以分开,从而使得通信质量下降。

线路越长,噪声积累也就越多。第一代移动通信技术（1G）是指最初模拟、仅限语音蜂窝电话标准,制订于上世纪80年代。Nordic移动电话（NMT）就是这么一个标准,应用于Nordic国家、东欧和俄罗斯。

其它还包含美国高级移动电话系统（AMPS）,英国总访问通信系统（TACS）和日本JTAGS,西德C-Netz,法国Radiocom 和意大利RTMI。

模拟蜂窝服务在很多地方正被逐步淘汰。 第二代 :数字通信时代①伴随现代科技发展,晶体管,半导体集成电路相继问世。

1951年英国建立了100个中继站微波接力通信线路;20世纪60年代,基于脉冲编码调制（PCM）数字传输体系开始建立;

1965年美国AT＆T企业建立了一个程控当地交换系统;再加上脉码通信,

光缆通信等通信手段产生一级计算机问世并将微机应用在管理控制领域中,自此通信对象从人和人扩展到人和机器,机器和机器之间②。20世纪70~80

美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器,给光通信带来了期望,

主向性极好和频率和相位较一致良好特征,激光是一个相干光, 它特
性和无线电波相同,是一个理想光载波。 继红宝石激光器以后,
氦氖激光器、 二氧化碳激光器前后出现并投入实际应用;
1966年分组交换试验网-ARPA网开始建设,并于1971年投入试验运行;
1970年美国康宁企业研制成功涂有二氧化硅光导纤维材料,
并将 损 耗 降 低 到 20db/km;
1972年康宁企业高纯石英多模光纤损耗降低到4db/km;1973年美国贝尔试验室取得了更大成绩,光损耗降低到2.5db/km, 1976年,
靠近了光纤最低损耗理论极限②。伴随非语言内容增加,
大容量光纤传输和数字微波系统形成,通信自此进入了数字通信时代,
数字通信体制相比于模拟通信体制,其抗干扰能力强, 便于计算机处理,
高安性加密,很好满足了现代通信自动控制要求,它是经过自动交换、
数字传输体系和卫星通信等共同作用来实现综合通信网②。

1.2研究意义

科技是第一生产力,而通电技术又是当今世界科技中最优异生产力。

电子技术是现代文明技术基础,是科学研究和技术开发不可缺乏关键手段,是高技术中关键技术,同时也是发展最快、对经济和社会生活渗透力量最强、

应用潜力最大一门科学技术。

通电工程是信息社会关键支柱,是现代高新技术关键组成部分,是国家国民经济神经系统和命脉,它集计算机技术、通信技术、
信号信息处理、多媒体技术之大成,
是高技术群前导领域和现代新技术革命关键推进力。它所包含范围很广,包含电信、广播、电视、雷达、声纳、导航、遥控和遥测、遥感、电子对抗、测量、控制等领域,和军事和国民经济各部门多种信息系统。

通信工程和电子科学和技术、计算机科学和技术、
控制理论和技术、生物医生工程等学科有着相互交叉、 相互渗透关系,并派生出很多新边缘学科和研究方向。

通电工程专业及其产业也一样迅猛发展,从
原始古代通信到第一代模拟通信经历了几千年漫长历程, 期间发展更是缓慢无比,直到近代科学技术革命才为通信发展提供了理论土壤,

从第一代模拟通信形成倒被第二代数字通信所替换期间仅用了百年时间,
自此通信工程专业及其产业进入了一个飞速发展阶段,

还没有完全进入商业化普及阶段,下一代通信技术
研究已经取得了重大结果。能够预见, 在很快未来我们还在期盼3g 服务
将会逐步过渡到另一个全新阶段。

全部通信手段全部是为了愈加好实现信息传输,在很快未来,物联网、宽 带移动互联网、 宽带智能网、 无线传感器网络、
智能代理和移动代理技术、全光 和智能光网络、 主动网络、
下一代网络等一大批新通信产业手段必将为我们生活带来更大方面便。

然而, 大家要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期,降低成本, 提升水平。这么尖锐对立两个方面要求,
只有经过使用强大计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。现代计算机科学技术快速发展,已经研发出了新一代可视化仿真软件。

这些功效强大仿真软件,
使得通信系统仿真设计和分析过程变得相对直观和便捷,由此也使得通信系统仿真技术得到了愈加快发展。

通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计全过程,对通信系统发展起着举足轻重作用。

通信系统仿真含有广泛适应性和极好灵活性,
有利于我们愈加好地研究通信系统性能。

1.3研究关键内容

论文第一章叙述了课题研究背景和意义;
论文第三章关键叙述了触发器、分频器、 移位寄存器、 整流电路、
超外差式接收机等常见电子线路基础原理;
论文进行了总结和展望。论文第三章利用MATLAB对上述电子线路进行了仿真和分析;最终,

第二章电子线路基础原理

2.1触发器

概述:触发器（FlipFlop, 简写为FF）是含有记忆功效单元电路,由门电路组成,专门用来接收存放输出0、1代码。 它有双稳态、 单稳态和无稳态触发器（多谐振荡器）等多个。

触发器是数字电路极其关键基础单元。触发器有两个稳定状态,在外界信号作用下,能够从一个稳态转变为另一个稳态;

触发器能够作为二进制存放单元使用。

触发器逻辑功效能够用真值表、卡诺图、 特征方程、 状触发器特征方程是表示其逻辑功效关键逻辑函数, 态 图和 波 形来 描 述 。

在输入信号作用下,两个稳态可相互转换。 按功效分:RS、 JK、D、
T和T′型触发器。 按结构分: 基础、 同时、 主从、
维持阻塞和边缘型触发器。按触发方法分: 上升沿、

状态表			励励励励励
励励	励励励	励励	励

图 2-1 触发器功效描述

触发器功效分析:触发器有两个稳定状态。Qn为触发器原状态（现态）,即触发信号输入前状态;Qn+1为触发器新状态（次态）,即触发信号输入后状态。其功效可采取状态表、 特征方程式、 逻辑符号图和状态转换图、波形图或称时序图来描述。

多种不一样逻辑功效触发器特征方程为:
RS触发器:Qn+1=S+RQn（其约束条件为:RS＝0） JK触发器: Qn+1=JQn+KQn
D触发器: Qn+1=D

T触发器: Qn+1=TQn+TQn

T＇触发器: Qn+1=Qn

2.2 分频器
需要进行电子分频处理。

从电路结构来看,分频器本质上是由电容器和电感线圈组成LC滤波网络,高音通道是高通滤波器,它只让高频信号经过而阻此低频信号;低音通道恰好想反,它只让低音经过而阻此高频信号;中音通道则是一个带通滤波器,除了一低一高两个分频点之间频率能够经过,高频成份和低频成份分频器原理全部将被阻止。在实际分频器中,有时为了平衡高、低音单元之间灵敏度差异,还要加入衰减电阻;另外,有些分频器中还加入了由电阻、电容组成阻抗赔偿网络,其目标是使音箱阻抗曲线心理平坦部分,方便于功放驱动。

因为现在音箱几乎全部采取多单元分频段重放设计方法,所以必需有一个装置,能够将功放送来全频带音乐信号按需要划分为高音、

低音输出或高音、中音、 低音输出,才能跟对应喇叭单元连接,分频器就是这么装置。假如把全频带信号不加分配地直接送入高、 中、低音单元中去,在单元频响范围之外那部分“多出信号”会对正常频带内信号还原产生不利影响,甚至可能使高音、中音单元损坏。

2.3移位寄存器

移位寄存器不仅能够寄存数码,而且含有移位功效。

移位是数字系统和计算机技术中很关键一个功效。

如二进制数0101乘以2运算,能够经过将0101左移一位实现;而除以2运算则可经过右移一位实现。

移位寄存器种类很多,有左移寄存器、 右移寄存器、
双向移位寄存器和循环移位寄存器等。

图2-2由触发器组成四位左移寄存器

CP	Q0	Q1	Q2	Q3
1	0	0	0 下 无	载高清水印

2	0	0	D3	D2
3	0	D3	D2	D1
4	D3	D2	D1	D0

表2-1四位左移寄存器状态表

第一个CP过后=d3=1,其它触发器输出状态仍为0,即=000,

d3=0001。第二个CP过后,=d2=1, =d3=1, 而==0。

经过四个CP脉冲后,=d3d2d1d0=1101,存数结束。各输出端状态如表2-

1所表示 。假 如继续送 四 个 移 位 脉 冲 ,

就能够 使 寄存 这 四 位 数码 1101逐位 从 端输 出 ,

这种取数方法为串行输出方法。直接从 取数为并行输出方法。

就是把交流电变为直流电过程。利用含有单向导电特征器件,

能够把方向和大小交变电流变换为直流电。

下面介绍利用晶体二极管组成多种整流电路。

一、半波整流电路

图2-3、是一个最简单整流电路。 它由电源变压器B、整流二极管D

和负载电阻Rfz, 组成。

变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要交变电压e2, D

再把交流电变换为脉动直流电。

图2-3半波整流电路下面从图2-4波形图上看着二极管是怎样整流。

变压器砍级电压e2, 是一个方向和大小全部随时间改变正弦波电压,
它波形图2-4（a）所表示。在0～K时间内,e2
为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通, e2
经过它加在负载电阻Rfz上,在π～2π时间内, e2 为负半周,
变压器次级下端为正,上端为负。 这时D 承受反向电压,不导通, Rfz,
上无电压。在π～2π 时间内,反复0～π时间过程,
而在3π～4π时间内,又反复π～2π时间过程…这么反复下去,
交流电负半周就被"削"掉了,只有正半周经过Rfz,
在Rfz上取得了一个单一右向（上正下负）电压,图2-4（b）所表示,

达成了整流目标,不过,负载电压Usc。和负载电流大小还随时间而改变,所以,通常称它为脉动直流。

这种除去半周、图下半周整流方法,叫半波整流。不难看出,半波整说是以"牺牲"二分之一交流为代价而换取整流效果,
电流利用率很低（计算表明,整流得出半波电压在整个周期内平均值,即负载上直流电压Usc=0.45e2 ）所以常见在高电压、小电流场所,而在通常无线电装置中极少采取。

二、全波整流电路
假如把整流电路结构作部分调整,
能够得到一个能充足利用电能全波整流电路。图2-5是全波整流电路电原理图。

图2-5全波整流电路
全波整流电路,能够看作是由两个半波整流电路组合成。

变压器次级线圈中间需要引出一个抽头,把次组线圈分成两个对称绕组,从而引出大小相等但极性相反两个电压e2a、e2b, 组成e2a、D1、Rfz和e2b、D2、Rfz, 两个通电回路。

全波整流电路工作原理,可用图2-6所表示波形图说明。在0～π 间内,e2a 对Dl为正向电压,D1 导通, 在Rfz上得到上正下负电压; e2b对D2 为反向电压, D2 不导通（见图2-6（b）。在π-2π时间内, e2b 对D2为正向电压, D2 导通,在Rfz 上得到仍然是上正下负电压;e2a 对D1

图2-6全波整流波形
如此反复,因为两个整流元件D1 、D2 轮番导电, 结果负载电阻Rfz上在正、 负两个半周作用期间,全部有同一方向电流经过,图2-
比半波整流时大一倍）。

图2-5所表示全波整滤电路,
需要变压器有一个使两端对称次级中心抽头,这给制作上带来很多麻烦。

另外,这种电路中,每只整流二极管承受最大反向电压,
是变压器次级电压最大值两倍,所以需用能承受较高电压二极管。

（a）为桥式整流电路图

（b）图为其简化画法

三、 桥式整流电路
而同时在一定程度上克服了它缺点。

桥式整流电路工作原理以下:e2 为正半周时,对D1、D3和方向电压,Dl, D3 导通;对D2、D4加反向电压,D2 、D4截止。电路中组成e2、Dl、Rfz、D3通电回路,在Rfz, 上形成上正下负半波整洗电压,e2 为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2 、D4导通;对D1、D3
加反向电压,D1 、D3截止。电路中组成e2、D2Rfz 、D4通电回路,一样在Rfz上形成上正下负另外半波整流电压。

上述工作状态分别图2-8（a）（b）所表示。

如此反复下去, 结果在Rfz, 上便得到全波整流电压。
比全波整洗电路小二分之一!

四、整流元件选择和利用
需要尤其指出是,二极管作为整流元件,
要依据不一样整流方法和负载大小加以选择。。 如选择不妥,则或不能安全工作,甚至烧了管子;或大材小用,造成浪费。

"另外,在高电压或大电流情况下,
假如手头没有承受高电压或整定大电滤整流元件,能够把二极管串联或并联起来使用。

图2-9二极管并联利用
图2-9示出了二极管并联情况:两只二极管并联、
每只分担电路总电流二分之一口三只二极管并联,
每只分担电路总电流三分之一。总而言之,有几只二极管并联,
"流经每只二极管电流就等于总电流几分之一。不过,在实际并联利用时",因为各二极管特征不完全一致,不能均分所经过电流,
会使有管子困负担过重而烧毁。

所以需在每只二极管上串联一只阻值相同小电阻器,

这种均流电阻R通常选择零点几欧至几十欧电阻器。电流越大, 使各并联二极管流过电流靠近一致。

图2-10二极管串联利用
图2-10示出了二极管串联情况。显然在理想条件下,有几只管子串联,每只管子承受反向电压就应等于总电压几分之一。但因为每只二极管反向电阻不尽相同,会造成电压分配不均:内阻大二极管,有可能因为电压过高而被击穿,并由此引发连锁反应,逐一把二极管击穿。在二极管上并联电阻R,能够使电压分配均匀。

均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小电阻器,各个电阻器阻值要相等

超外差式接收机发展历程:
超外差原理最早是由E.H.阿姆斯特朗于19提出。

这种方法是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收需要。

这种接收方法性能优于高频（直接）放大式接收,

所

以

至

今

仍

广

泛

应

用

于

远

程

信

号

接

收

,

而且已推广应用到测量技术等方面。
超外差式接收机原理:

变频
电路
输 入 调 谐 混 频 中 频 放 检 波 电 前 置 放 低 频 放
电 路 路 大 电 大 电
超外差接收优缺点:
优点:
（1）对一个固定频率进行放大,轻易取得较大且稳定放大倍数,
所以能提升接收电路灵敏度;
（2）中频频率是固定,采取陶瓷滤波器、
声表面波滤波器等性能优良器件,能显著提升接收电路选择性;

（

3）

增

加

自

动

增

益

控

制

（

AGC）

电

路

,

使电路能用于接收多种不一样强度信号。

缺点: 电路复杂,且存在一个特有干扰——镜像干扰,

在讨论变频原理和电路时,我们将具体介绍什么是镜像干扰。

2.6其它电子线路

电

子

线

路

很

多

,

因

为

论

文

完

成

时

间

紧

迫

,

本论文来不及对其它电子线路分析只对了多个基础电子线路(触发器、分频器、 移位寄存器、 整流电路、 超外差式接收机)分析。敬请谅解。

第三章基于MATLAB电子线路仿真和分析

3.1 基于MATLAB对触发器仿真和分析
在图中触发模块是实现触发关键工具,图中常见矢量为0。图3—
2所表示是触发电路仿真结果。图3—3所表示是触发电路结构图,
激活图中trigger,能够在弹出对话框中进行参数设置。

触发电路Triggertype（触发类型）设定为Functioncall（函数调用）时和模块使能时,有三种设置:Held（有效）、Reset（复位）和Inherit（继承）。

此时,Sample time type（取样时间类型）可设为触发或周期。Sampletime（取样时间）均被激活。

现在以图3—2中显示结果来分析触发过程:
(1)示波器通道1显示了作为触发信号信号发生器方波, 同时还显示了等于零基线和被用作触发取样观察正弦信号。

(2)示波器通道2显示了仅在方波信号过零上升沿触发时, 采集并保持正弦信号样值。

(3)示波器通道3显示了仅在方波信号过零下降沿触发时, 采集并保持正弦信号样值。

(4) 示波器通道3显示了在方波信号过零上升或下降沿触发时, 采集并保持正弦信号样值。
表3—1～表3—4分别给出了触发电路仿真系统中各个模块关键参数。

3.2基于MATLAB对分频器仿真和分析

分频器应用广泛,下面用一示例说明使用方法。图3-4所表示是分频器仿真框图,其组成仅有三台设备:脉冲发生器、分频器（计数器）和示波器。 脉冲发生器产生周期为1s,占空比为50%,幅度为1方波,馈入计数器,计数器设置为分频器工作方法,本例中分频比设为11,即每输入11个脉冲,送出一个Hitdata（抵达脉冲）,Maximumcount（最大计数）是10,即分频比减一。

Initialcount（初始计数）表示计数器中开始计数时刻,即计数器中原有数,

本例是0。

Hitvalue（抵达值）表示在计数到第几（本例是7）个脉冲时,开始输出抵达脉冲。自然在以后计数分频过程中,全部是在分频周期这一位置输出抵达脉冲。Output(输出）设置决定了计数器有两路输出:第1路是cnt（计数）,它数值表示在本分频周期内统计到多少个脉冲;第2路是hit（抵达）,就是分频后脉冲输出。图3-5所表示是分频器仿真结果。示波器从上到下分别显示是脉冲发生器输出、 计数输出、分频脉冲输出。 能够看出,分频比是11,即抵达脉冲数量是原始脉冲数1/11。

分频脉冲在第8（即7+1）个脉冲时输出。

图3-4分频器仿真框图

6所表示是PulseGenerator(脉冲信号发生器）关键参数。

Countdirection（计数方向）中Up（增加）表示加法计数,

当Countsize（计数长度）设定为8bit、16bit、32bit时,

分频比分别为28、216、232。

3.3基于MATLAB对移位寄存器仿真和分析

图3-6所表示是移位寄存器仿真系统框图。

图中正弦波产生器产生幅度为1,频率为2πrad/s正弦波,

馈 入MultiSelector（ 多 点 选 择器 ） ,

经过把参数“指针到输出”设置为{1,1,1}将输入信号分解为三路相同信号。

三路信号一路是直通,另一路延迟7个节拍（7个采样时间）,第三路延迟23个节拍。

输出路数、延迟时间皆可任意设定。

VariableSelector（可变选择器）能够任意交换输出三路信号秩序,在连接示波器上面三路信号就是经过交换排序后波形,图3-7所表示。以它第4路信号波形极大值为参考,从左向右数1、2、3个波形,它们代表3路波形就是未经过交换秩序输出信号。表3-7给出了参数设置。用户能够设定任意数分频比,确实十分方便。表3-7所表示是示波器关键参数。其它模块参数设置见表3-8~表3-10。

图3-6移位寄存器仿真系统框

图3-7移位寄存器仿真结果

3.4基于MATLAB对整流电路仿真和分析

图3-8所表示是整流系统仿真框图,在框图中用幅度为1.1、频率为1000Hz正弦信号作为信号输入,使用Saturation（限幅）模块,将限幅下限设定为0,组成半波整流电路,在框图中上面频谱仪显示它频谱,图3-9中右图所表示。在整流电路中使用了Abs（取绝对值）模块,将信号负半周也变成正值,组成全波整流电路,在框图中下面频谱仪显示它频谱,图3-9中左图所表示。示波器将三路信号经过和常数矢量相加后,在垂直方向分开显示, 图3-

10所表示

图3-9 整流系统仿真结果(频谱图)

图3-10整流系统仿真结果（时域波形）

下面uh(t)和uf(t)分别表示半波整流和全波整流以后频率谱,

由公式（3-1）、公式 (3-2）可见,半波整流后有直流分量、

一次波（基波）、二次波、 四次波、 六次波等。

全波整流和半波整流相比较,除基波没有外其它全部有,但幅度不一样,

这能够从图3-11中看出。

（3-1）

（3-2）

表3-11~表3-15分别给出了整流仿真系统中各个模块关键参数。

3.5基于MATLAB对超外差式接收机仿真和分析

超外差式接收机工作方法在通信系统中得到了很广泛应用。

将它放大到正常接收程度需要100dB量级增益。应用频率搬移即变频方法,

能够将增益分配到工作在不一样频段若干个放大器上,

在取得很高总增益同时又确保了系统稳定。

变频基础原理能够用下面公式来描述: