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摘 要： 利用NI Multisim 12.0仿真软件对串联型稳压电路的稳压系数和输出电阻等参数进行测试分析，在输入电压不变时，调节电位器测试输出电压的变化范围;在输入电压变化时，计算稳压系数来判断稳压电路的稳压性能。同时通过外接可调电阻的变化，测试输出电压和输出电流的变化值，进而计算输出电阻的大小，发现虚拟测试结果与理论计算结果相吻合。仿真結果表明，将电子电路NI Multisim 12.0仿真软件引入到电子教学中，能丰富学生分析和设计电子电路的手段，有利于学生创新意识的培养和竞争能力的提升。
关键词： 串联型稳压电路; 虚拟测试; 输出电压; 稳压系数; 输出电阻; 电子教学
中图分类号： TN710.9; TN721⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2019）10⁃0083⁃05
Virtual test research of series⁃type voltage stabilizing circuit
HOU Weizhou
（School of Physics and Electronics， Henan University， Kaifeng 475003， China）
Abstract： The parameters such as voltage regulation coefficient and output resistance of the series⁃type voltage stabilizing circuit are tested and analyzed by using the NI Multisim 12.0 simulation software. The variation range of the output voltage is tested by adjusting the potentiometer when the input voltage is constant. The voltage regulation performance of the voltage regulation circuit is judged by calculating the voltage regulation coefficient when the input voltage is not constant. The variation values of the output voltage and current are tested by means of the variation of the circumscribed adjustable resistance. The value of the output resistance is calculated， and it is found that the virtual test results are consistent with the theoretical calculation results. The simulation results show that the introduction of the electronic circuit simulation software NI Multisim 12.0 to the electronic teaching can eich students′ analysis and design means of electronic circuits， and is beneficial to the cultivation of students′ innovation consciousness and improvement of competitive ability.
Keywords： series⁃type voltage stabilizing circuit; virtual test; output voltage; voltage regulation coefficient; output resistance; electronic teaching
0 引 言
在直流电源中，当电网电压发生波动或负载变化时，会导致其输出电压发生变化。为获得稳定的输出电压，提出了直流稳压电源。直流稳压电路种类繁多，其中串联型稳压电路是直流稳压电路中的一种，它在实际电子设备中应用极其广泛，其主要利用串联于电路中的调整管（即晶体管）进行动态分压而使负载得到稳定电压的电路。本文采用NI Multisim 12.0仿真软件，当串联型稳压电路中的电源参数、负载参数发生变化时，测试稳压电路输出电压的变化，从而更好地分析串联型稳压电路的稳压性能。为进一步掌握直流稳压电路的研发与设计，先介绍串联型直流稳压电路的工作原理。
1 串联型稳压电路的工作原理
串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的放大作用，增大负载电流，在电路中引入深度负电压反馈使其输出电压稳定，并且通过改变反馈网络参数使输出电压达到可调的效果。
1.1 直流电源的稳压系数和输出电阻
由交流市电（或称电网电压）变压、整流后，进一步滤波、稳压而构成直流电源，稳压电路在电子设备中被广泛使用。然而实践表明，直流电源输出的电压Vo，会因市电电压Vi的变化或负载电阻阻值的变化而变化，反映它们在这两方面性能优劣的指标[1]，常用稳压系数Sr和输出电阻Ro来表征。
稳压系数Sr定义为：在负载电阻RL不变的情况下，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比称为稳压系数。Sr表达式为：
[Sr=ΔVoVoΔViViRL=常数] （1）
Sr值越小[2]，则输出电压受市电电压变化的影响越小。
输出电阻Ro的定义为：在输入电压Vi不变的情况下，输出电压的变化量与输出电流的变化量之比稱为稳压电源的输出电阻。输出电阻Ro的表达式为：
[Ro=-ΔVoΔIoVi=常数] （2）
Ro值越小[3]，则输出电压Vo受负载变化的影响就越小，输出电压Vo越稳定。
1.2 串联型稳压电路工作原理
仅由整流滤波电路构成的直流电源，其稳压系数Sr和输出电阻Ro均较大[1，3]，不能满足在这两方面要求较高的电子设备场合中，而当采用稳压电路后，则这两个质量指标Sr和Ro会明显改善。常用的稳压电路（又称稳压器）为串联型稳压电路，其原理如图1所示。它主要由基准稳压产生电路（由电阻R3和稳压二极管DZ组成）、调整环节（由电阻R4和三极管T1组成）、取样电路（由电阻R1和R2组成）和比较放大环节（由三极管T2组成）等部分构成。串联型稳压电路的工作原理如下：
图1 串联型稳压电路原理图
由于输入电压Vi或负载电阻RL的变化，会使输出电压Vo变化。当输出电压Vo减小时，电阻R1，R2取样后T2基极电压将下降，这个电压与稳压二极管DZ的基准电压VZ比较后，使VBE2减小，从而使T2的基极电流iB2减小，使T2的集电极电流iC2也减小，这样一来，T2的集电极电压（T1的基极电位）抬高，T1基极电流iB1增大，T1的管压降VCE1减小，使得电路的输出电压Vo=Vi-VCE1下降受到抑制，Vo趋于稳定;反之，当Vo升高时，T1的管压降VCE1上升，抑制了Vo的上升，Vo趋于稳定。总之，由于反馈控制的作用，使输出电压Vo基本保持稳定。该电路的输出电压Vo表达式为：
[Vo=1n·VZ] （3）
式中，n为取样比，n的表达式为：
[n=R2R1+R2] （4）
稳压管选定后，VZ也就确定了，所以此时要改变输出电压Vo的大小，可以改变取样比的大小。
2 串联型稳压电路的虚拟测试目的及要求
为分析串联型直流稳压电路的稳压性能，在改变电网电压Vi的大小或负载电阻RL的大小时，分析和研究串联型稳压电路的输出电压Vo是否具有稳定性，从而对仿真电路提出一些测试要求。
2.1 NI Multisim 12.0虚拟仿真软件
NI Multisim 12.0电子电路虚拟仿真软件是由美国国家仪器有限公司开发的较新版本，该仿真软件不局限于电子电路的虚拟仿真[4⁃6]，其在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard设计电路板等技术方面有更多的创新和提高，属于EDA更高层次的范畴。
由于NI Multisim 12.0仿真软件对电路原理、模/数电子技术、通信电子线路等课程的实验教学具有积极的辅助作用[7⁃8]，学生和教师反应良好。故本文利用NI Multisim 12.0仿真软件，对串联型直流稳压电路的输出电压Vo受电网电压的波动和负载电阻变化的影响进行一些虚拟测试分析和研究。
2.2 搭建串联型稳压电路的测试目的
依据电路参数和必需的元器件创建了仿真测试电路。
1） 熟悉串联型稳压电路的组成及一些元器件的参数大小和作用，从0～100%调整电位器的百分比，观察并记录电压表U1（即输出电压Vo）读数的变化范围。
2） 正确理解当输入电压的大小改变（即电网电压的波动），记录输出电压Vo及ΔVo的大小，计算稳压系数Sr;恢复至输入电压的原来值，改变负载，测试输出电阻Ro的值，依据Ro的大小来判别输出电压是否稳定，最终分析虚拟测试结果与理论计算结果的吻合程度。
2.3 串联型稳压电路测试的仿真内容
1） 依据仿真目的来确定电路的元件参数;
2） 调整电位器百分比，记录输出电压的变化范围;
3） 模拟电网电压的变化，记录输出电压的值和计算稳压系数的大小;
4） 在原来仿真电路的基础上，添加一些电阻、电位器和电流源组建新的虚拟测试电路，改变电位器大小，利用式（2）计算输出电阻的大小。
3 NI Multisim 12.0仿真软件对串联型稳压电路的测试与分析
3.1 输入电压变化时，输出电压变化范围和稳压系数的数据测试
1） 组建串联型直流稳压电路测试电路
组建如图2所示的串联型直流稳压测试电路。在图2中，稳压电路主要由放大管Q1、Q2（这两个管子的特性完全相同，作为调整环节）、Q3（作为比较放大器）、稳压二极管D1和电阻R2（作为基准电压电路）、电阻R4、R5及RP（作为采样环节）等部分组成，这些元器件（包括电位器RP1，RP2，型号为RD2.7S的稳压二极管D1等）均从NI Multisim 12.0软件的元器件库中调出，Q1，Q2 和Q3型号均为2N2222;模拟的输入电源电压Vi=9 V;在NI Multisim 12.0仿真软件基本界面的平台上，将调出的电位器的“Incretance”栏改为1%。
图2 串联型稳压电路（一）
仅改变输入电压Vi的大小，测试输出电压Vo及稳压系数Sr的值。
2） 输出电压变化范围的数据测试
打开仿真开关，调整电位器RP使其百分比在0～100%变化，记录对应的电压表U1的值（即串联型稳压电源电路输出电压Vo的变化范围），在3.733～7.665 V之间;然后调整电位器RP的百分比，使电压表U1的读数约为6 V，具体为6.004 V，详见表1。
3） 稳压系数Sr的测试及计算
关闭图2电路的仿真开关，双击电压源图标，电压表U1的读数仍为6.004 V，将输入电压Vi的大小从9 V变为10 V，即模拟电网电压上升约10%;然后重新打开仿真开关，记录此时U1的读数等于输出电压Vo的大小，并计算ΔVo值，依据式（2）计算串联稳压电路的稳压系数Sr的大小。
当Vi从9 V变到10 V后，Vo从6.004 V变到6.08 V，此时可知：[ΔViVi=19，ΔVoVo=0.0766.004，]穩压系数Sr=11.25%，Sr值很小，说明Vo变化很小，输出电压Vo很稳定。
3.2 输入电压不变时，串联型稳压电路输出电阻的数据测试
1） 在上述图2的基础上，恢复Vi=9 V，电压表U1读数仍为6 V左右，断开仿真开关，从NI Multisim 12.0仿真软件基本界面工具条中再调出12 Ω电阻一只、电位器一只和电流表U2一只，并双击电位器，把弹出对话框“Value”页中的“Key”栏改为“B”，“Incretance”栏改为1%;再切换到“Lable”页，将“Reference ID”栏改为“RP2”。然后单击对话框下方的“OK”按钮退出，再从NI Multisim 12.0仿真软件基本界面工具条调出一只电流表，与输出端的负载电阻串接在一起，组成新的仿真电路，如图3所示。
图3 串联型稳压电路（二）
2） 电流表U2数据测试。开启仿真开关，按键盘上的B键（控制电位器RP2），电流表数据上升，当电流表U2数据等于0.097 A时，记录电压表U1的读数;然后先按住键盘上的shift键，再按住B键，使电位器RP2的百分比减小，电流表数据也减小，当电流表U2数据等于0.111 A时，记录电压表U1的读数。由于负载的变化，导致输出电压有变化，为了保证输出电压Vo在6 V 左右，调节RP2使百分比在50%～60%变化时，Vo变化范围如表2所示。
通过表2发现，RP2的百分比从52%逐次递增时，电压表U1读数增量约为-0.002 V，电流表U2增量约0.002 mA。
3.3 测试结果分析
1） 在图2中，当Vi=9 V时，从0～100%调整电位器RP百分比，电压表U1读数（即输出电压Vo）的变化范围在3.733～7.665 V之间。
理论计算：假设稳压二极管D1的基准电压VZ=2.7 V（电压极性上“+”下“-”），VBE3 = 0.7 V，利用式（3）和式（4），可计算出Vo电压变化范围。当电位器RP在最上端时，输出电压的值（单位：V）为：
[Vo=（VZ+VBE3）·[1+（R4+RP）R5]=8.87]
当电位器[RP]在最下端时，输出电压的值（单位：V）为：
[Vo=（VZ+VBE3）·[1+R4R5]=3.77]
调节电位器[RP]，可使串联型稳压电路的输出电压在3.77～8.87 V范围内变化。考虑到基准电压VZ约为2.7 V和VBE3约为0.7 V，电压表U1测试结果有一定误差，但与理论计算结果基本吻合。
2） 在图2中，当电位器[RP]变化时，采样比[n=R5R4+RP]值越大（越接近100%）时，通过表1发现，Vo变化越小，ΔVo很小，说明稳压系数Sr小，而Sr越小，Vo越稳定;同样当采样比n越小（越接近0）时，通过表1结果发现，Vo变化较大，ΔVo大，Sr越大，Vo越不稳定。
综上，稳压系数Sr的值大小是反映串联型稳压电路的稳压性能的一个重要指标，一般要求Sr的值越小越好，即采样比n越大越好。
3） 对串联型稳压电路的输出电阻Ro测试分析。图3中的电阻R6和电位器RP2共同作为串联型稳压电路的负载电阻，计算稳压电路的输出电阻Ro（输出电阻的计算不应包括负载在内）。从电容C3向左看，将晶体管Q3等效为h参数，理论计算输出电阻Ro是利用[VoIo]的比值求得，输出电阻Ro ≈1.42 Ω （串联型稳压电路输出电阻Ro的理论计算过程可查阅相关参考文献），Ro的值非常小。
从表2可看出，电位器RP2百分比取54%和56%，利用式（2）计算输出电阻Ro（单位：Ω）的大小：
[Ro=-（6.003-5.998）（0.103-0.107）=1.25]
当取电位器RP2百分比为52%和58%，利用式（2）计算输出电阻Ro（单位：Ω）的大小：
[Ro=-（6.007-5.992）（0.100-0.111）=1.36]
鉴于电子电路中电阻常为kΩ级单位，测试的输出电阻[Ro]与理论计算的输出电阻[Ro]结果基本吻合，其值均很小且是Ω级单位。一般[Ro]越小，[ΔVo]将越小，输出电压[Vo]就越稳定，表2恰恰验证了这一结论;为使输出电压可调，调整电位器RP2的大小就可以做到。
4 结 论
串联型稳压电路是获得稳定直流电压必不可少的一部分。由于电源电压的波动、负载的变化均会影响输出电压的稳定性，因此在模拟电源电压（即输入电压Vi）变化时，通过调整采样电阻的大小，测试输出电压Vo的变化范围及稳压系数Sr。当输入电压不变时，外接一定的电阻和电位器，模拟负载变化，通过测试[ΔVo]和[ΔIo]，计算稳压电路的输出电阻[Ro]大小，[Ro]越小，输出电压[Vo]越稳定。通过将电子电路仿真测试运用到文中的实例中，发现测试结果与理论计算的结果相吻合，这说明将电路仿真软件引入到实际的课堂教学中，有助于学生对模拟电路理论知识的掌握和电路设计。把电子电路的虚拟测试和实验教学相结合[9⁃10]，不但能弥补传统电子电路综合设计实践的不足[11]，更能让学生丰富电子电路的分析及设计手段，进一步提升学生课外实践活动的创新和竞争能力。
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