可调直流稳压源的设计与仿真设计.docx
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可调直流稳压源的设计与仿真设计
1绪论
1.1课题背景
电源是位于市电与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。
直流电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务。
转换后的直流电源要具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。
直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。
能为负载提供稳定直流电源的电子装置。
直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。
直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。
1、直流稳定电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：
（1）化学电源，我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。
随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。
（2）线性稳定电源，线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。
由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。
而且由于变压器工作在工频（50Hz）上,所以重量较大。
该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。
缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。
（3）开关型直流稳压电源，与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。
它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。
功能管不是工作在饱和就是截止区即开关状态；开关电源因此而得名。
开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大。
它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。
几乎所有的电子设备都要用到直流稳压电源。
不同的电子设备，要求的电压值、电流值也有所不同。
所以将常用的符合规格的直流供电模块集成到一个供电电源上是具有广泛的应用价值的。
常见的电源模块有+5V，±12V，+24v等。
直流稳压电源的类型繁多。
但几乎都是将市电网交流电作为输入电源。
再经转换电路转换成所需参数的直流电。
2、目前生产的可调直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类：
（1）按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。
参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压。
（2）按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。
调整元件与负载并联的称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。
（3）按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。
（4）按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。
调整器件工作在线性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。
（5）按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分立元器件组成的稳压器。
1.2可调直流稳压电源技术发展趋势
随着科技的发展，电气、电子设备已经广泛的应用于日常、科研、学习等各个方面。
电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。
对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。
可调直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。
可调直流稳压电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使可调直流稳压电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率由原来的几十千赫发展到现在的几百千，但是和西方的发达国家还是有一定的差距；以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析等等方面技术领先；因此，直流稳压电源的研制与应用在此方面与之也存在很大的差距。
可调直流稳压电源已经广泛应用于各行各业，农业领域也有应用，例如农业环境静电除尘，静电喷雾杀虫，农业物料静电喷漆包裹，农产品加工中的静电植绒、农业生物静电效应研究、静电杀菌、农业种子静电处理等等。
随着农业科学技术的不断发展进步，农业科学研究和农业工程应用实践队高压静电电源的需求逐年增多，对其精度、性能、价格、品种、类型、体积、智能化操作等方面都提出了许多新的要求，现有的高压直流稳压电源已经不能满足农业领域中的许多需要，研究和开发适合农业领域要求的多种新型高压直流稳压电源已经成为一种客观需求，而且起社会效益和经济效益都比较显著，市场前景比较光明。
1.3Multisim仿真软件介绍与其特点
Multisim是InteractiveImageTechnologies（ElectronicsWorkbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。
Multisim软件有以下几个特点：
1、直观的图形界面：
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仪器上看到的。
2、丰富的元器件：
提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以与代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
3、强大的仿真能力：
以SPICE3F5和Xspice的核作为仿真的引擎，通过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。
包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
4、丰富的测试仪器：
提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量，这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。
除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量与控制应用程序的仪器。
5、完备的分析手段：
Multisimt提供了许多分析功能，集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。
6、独特的射频（RF）模块：
提供基本射频电路的设计、分析和仿真。
射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RFSPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（SpectrumAnalyzer频谱分析仪和NetworkAnalyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成。
7、强大的MCU模块：
支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以与16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。
8、完善的后处理：
对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等。
9、详细的报告：
能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告。
10、兼容性好的信息转换：
提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供InternetDesignSharing（互联网共享文件）。
2可调直流稳压电路的设计
2.1设计步骤与思路
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图2-1:
图2-1直流稳压电源方框图
欲设计一可调直流稳压电源。
该电源的技术参数：
直流稳压输出围DC0～15V。
电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，脉动大的直流电压须经过滤波从而得到平滑的支流电压。
脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。
但这样的电压还随电网电压波动（一般有正负10%左右的波动），负载和温度的变化而变化。
因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
当负载要求功率较大，效率较高时，常采用开关稳压电源。
滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
2.2总体电路设计图
图2-2总电路图
2.3单元电路设计与元器件选择说明
2.3.1电源变压器
电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
因为变压器由铜线绕成，所以会有一定的阻R，致使电流流过变压器时，就会造成一定的损耗。
设整流滤波电路的输出电流为
，输出电压为
流过变压器的工作电流为
，则
为输出电压降的比率，
为输出电压的比率，
为变压器的工作电流与输出电流的比率。
由于
，
，则
，所以
，其中，约0.1V的偏差为变压器上的损耗。
又因为正向导通的每个二极管上大约有1V的损耗，所以事实上输出电压约为14V。
对于中心抽头式全波整流电路，由于每次只有一个二极管正向导通，所以输出电压值稍大些。
所以应选择额定电流大于0.64V的变压器。
实际的变压器中当变压器输出电流小于额定电流时，变压器输出电压的峰值将大于15V，也可以得到整流电路的输出电压可能大于14V。
若选择中心抽头式变压器，在输出电压降比率
一样的情况下，变压器所需的额定电流要小一些。
2.3.2整流电路
整流电路：
是利用整流二极管的导通特性将交流电压转换为单一方向的半波电压。
根据整流二极管连接形式的不同，又可半波整流电路和桥式整流电路。
（1）半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压V只有半个周期可以到达负载，造成负载电压V是单方向的脉动直流电压，见图2-3。
图2-3半波整流电路
（2）全波整流电路是利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图2-4所示的全波整流电路。
从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。
其特点为输出电压V高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高。
图2-4全波整流电路
（3）桥式整流滤波电路，见图2-5。
与半波整流电路相比，在V2，RL一样的条件下，输出的直流电压提高了一倍；电流脉动程度减小；变压器正负半周都有对称电流流过，既得到充分利用，又不存在单向磁化的问题。
所以他的应用较为广泛。
但需要4个整流二极管，线路稍复杂。
图2-5桥式整流电路
以上举例均以单相电路为例，这样能更好的说明其原理和区别。
设计采用的则为三相电路。
三相半波整流电路由于整流元件的单向导电性，只允许每相一个周期的正半周（或者负半周）经过整流元件，形成单向的脉动电流；三相全波：
每相的正半周和负半周分别经两组整流元件输出，再同极性叠加，形成单向电流提供给负载。
半波整流用元件少、电路简单，效率较低，输出的平均电压较低；全波整流电路较复杂、用整流元件较多，对整流元件耐压要求较高，但效率高，电源利用率高，输出电流脉动较小、直流品质较好，与半波相比能提供给负载较大更稳定的电流。
桥式整流是因为其电路连接为电桥的形式。
综合各电路优缺点，本次设计将使用三相桥式整流电路。
整流电路中的二极管的选择。
因为变压器的副边电压为15V，所以桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压15V，桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流0.3A。
查手册选整流二极管IN4001，其参数为：
反向击穿电压
最大整流电流
。
2.3.3滤波电路
滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
交流电经整流电路后可变为脉动直流电流，其中含有较大的交流分量，为了使设备能用上纯净的直流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成分。
滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻的两端并联上电容器C，或在负载中串联上电感器L，或由电容，电感组合而成的各种复式滤波电路。
（1）电容滤波就是在整流电路后面，用大量的电解电容与负载并联。
电容滤波电路简单，制作方便。
但是它的输出电流不宜太大，而且要求输出电压的脉动成分较小时，必须增加电容器的容量，因此电路的体积大也不经济。
为此，RC-π型滤波电路在实际电路中也经常使用。
图2-6电容滤波电路
图2-7RC-π型滤波电路
（2）电感滤波是利用电感具有阻止电流变化的特点，在整流电路的负载回路中串联电感L，如图2-8所示。
图2-8电感滤波电路
当整流后的脉动电流增大时，电感L将产生反电势，阻止电流增大；相反，当电流减小是，电感L将阻止电流减小，从而使负载电流脉动成分大大降低，达到滤波的目的。
由于电感交流电阻很大，而直流电阻很小，输出直流分量在电感上损失很小，所以它适用于负载电流比较大的场合，而且外特性较好，即负载电流变化时，输出直流电压变化较小，另外，电感滤波的二极管导通角不会减小，避免了浪涌电流的产生。
为了进一步改善滤波效果，可以采用LC滤波电路，它是在电感滤波电路的基础上，再在负载电阻RL上并联电容器C，如图2-9所示
图2-9LC型滤波电路
在大功率输出的电源稳压电路中，由于输出电流较大，为了减少功率损耗，一般不用电阻做滤波器件，经常使用的是LC元件构成的π型滤波电路。
为了增大电感量，一般来说，L选铁芯电感，C选用电解电容如图2-10所示
图2-10π型LC滤波电路
本设计选用一个2200μF的大容量电解电容C1和一个0.1μF的小电容量涤纶CL11型电容C2并联滤波。
理论上，在同一频率下容量大的电容其容抗小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C2不起作用。
但是，由于大容量的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。
在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感性，几乎不存在电感。
在大电容C1上并联一个小电容C2可以补偿其在高频下的不足。
当电路的工作频率比较低时，小电容不工作（容抗大相当于开路）。
大电容的容量越大滤波效果越好。
当电路的工作频率比较高时（输入信号的高频干扰成分），大电容由于感抗大而处于开路状态。
这时高频干扰成分通过小电容流到底线，滤除各种高频干扰成分。
2.3.4稳压电路
稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
经过整流和滤波后的直流电压，会由于交流电网电压的波动以与负载电阻的变动而发生变化。
在绝大多数情况下，这种输出电压的变化波动显得太大，仍需要进一步对其稳定，这就需要采用稳压电路。
稳压管基本应用电路
（1）硅稳压管也称为齐纳二极管，其伏安特性如图所示。
从伏安特性可以看到，当流过稳压管的电流在一个较大文变化时，稳压管两端的电压几乎不变。
稳压管的这一特性将稳压管和负载并联，若能保证稳压管中的电流在一定围，则负载电压就能再一定程度上得到稳定，因此，稳压电路的关键就是限定稳压管中的电流。
因为如果工作电流太小，则电压随电流的变化很大，达不到稳压的目的;但工作电流也不能太大，以免超过管子的额定功率，造成损坏。
小功率稳压管的工作电流大致几毫安至几十毫安，大功率的稳压管可达到几安培到十几安培。
稳压管稳压电路具有线路简单，调试方便等有优点，但输出电流受稳压管稳定电流的限制，而且输出电压又不能任意调节，稳压性能不高，只适用于输出电流小，负载变动不大和稳定性能要求不高的场合，或作为辅助稳压源。
若负载经常变动，要求输出电压连续可调，稳定性能好，就要采用晶体管稳压源。
图2-11稳压管稳压电路
（2）串联反馈型稳压电路比稳压管稳压电路要复杂的多，它是一个闭环反馈系统。
所以必须具有执行元件和反馈支路。
一般情况下，它包括调整管、取样电路、基准电压源与误差比较放大器等主要部分。
调整管是闭环调节系统的执行机构，其余部分都是反馈控制支路所必需的，原理框图如图所示。
从框图上可以看出输入电压
经过调整元件调节之后，变成稳定的输出电压
。
图2-12串联反馈型稳压电路原理框图
（3）简单的串联反馈型晶体管稳压电路，图2-13是一个最简单的串联反馈型晶体管稳压电路。
晶体管VT做调整元件，VD做基准电压源，它给晶体管发射结提供一个固定的偏压使其能正常工作。
当负载变小或输入电压变大，使得负载两端的输出电压增大时，由于基准电压
不变，所以晶体管的基极电位
也不变，那么集-射极电压
将减小，从而
减小，管压降
增大，使输出电压
减小，抵消了由于电网电压增加或负载减小引起的
的增加，使输出电压保持
不变。
如果当输入电压减小或负载增大，使得输出电压下降时，调节过程与上述正好相反。
图2-13串联反馈型晶体管电路图
从上边的稳压过程可以看出，当输入电压增大或负载变小时，这种稳压电路是通过输出电压的变化反过来控制调整管VT的管压降，从而使输出电压保持不变，以达到自动稳压的作用，这实际是一种负反馈，所以这种电路叫做串联反馈型稳压电路。
该电路存在两个问题：
其一，该电路是用输出电压的变化部分直接去控制调整管的基极，故控制作用小，稳压性能较差；其二，输出电压固定不可调。
（4）带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路。
简单的反馈型晶体管稳压电路，是直接利用输出电压得变化量来控制调整管电压变化的，所以其灵敏度和电压稳定性都不够理想。
采用带放大器的稳压电路，可以弥补这些不足。
一个带有放大器的典型电路，VT1是调整管，接成射极输出器的形式，负载电阻RL是它的射极电阻。
R1、R2与RL并联组成分压器，起到取出输出电压的作用，叫做
取样电路。
VD是硅稳压二极管，它与限流电阻R3一起组成基准电压源。
VT2是比较放大器，R4是它的集电极电阻，同时也是VT1管的偏流电阻。
晶体管VT2把从取样电路送来的输出电压上升或下降的变化信号与基准电压相比较，并把比较结果产生的差值电压（或者叫做误差电压）加以放大，以此来控制调整管VT1的管压降，从而使输出电压基本保持稳定。
因为放大器的作用，很小的输出电压变化，反应到调整管上就有比较大的变化，大大提高了调整管的灵敏度，提高的输出电压的稳定性。
因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。
可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。
317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调围为1.2V～37V，最大输出电流
为1.5A。
稳压部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。
输出电压表达式为:
（1）
式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器RP1，电阻R1常取值120Ω～140Ω，在这里，用到10K的电位器。
我们RP1一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。
图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10µF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。
LM317其特性参数：
输出电压可调围：
1.2V～37V
输出负载电流：
1.5A
输入与输出工作压差
：
3～40V
能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。
2.3.5软启动电路设计
软启动电路由晶体管T、电阻R和电容器C组成。
其作用是使电路输出电压有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载（如直流电机）的启动特性。
当输入电压
时，因C上的电压不能突变，故T因基极电位较高而饱和导通，故U0很小，随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位升高，U0也升高。
当C充满电时，T被截止，启动电路失去作用，U0也达到设定值。
启动的时间可以通过改变C和R的值来进行调整。
2.4直流稳压电源的技术指标
衡量一台稳压电源的好坏，一方面要从功能角度来看，即容量大小（输出
电压和输出电流）、调节围大小、效率高低等，人们称其为使用指标或性能指标：
另一方面要从外观、形状、体积、重量等直观形象来看，这些称为电气指标；更重要的是要看它的质量高低，即输出电压的稳定度等，一般称为质量指标。
下面重点介绍质量指标。
1、描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标
（l）稳压系数
稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。
绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量
与输入交流电压变化量
之比，即
（2）
它表示输入交流电压变化
。
引起输出电压变化
越小输出电压就越稳定。
相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压Uo的相对变化量
与输入交流电压
的相对变化量
之比，即
（3）
（2）电压调整率
电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化±10％时，稳压电源输出电压的相对变化量（百分数），即
（4）
一般直流稳压电源的电压调整率为1%，0.1%，0.01%等。
有的也可以用绝对值表示。
2、描述负载变化对输出电压影响的技术指标
（1）负载调整率（也称电流调整率）
在交流电源额定电压的条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，用百分数表示
（5）
（2）输出电阻（也称阻）
在额定输出电压的条件下，负载电流变化
引起输出电压变化
，则输出电阻为
（6）
3、纹波电压（现称周期和随机漂移，用PARD表示）
（1）最大纹波电压
在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波（包括噪声）电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。
（2）纹波系数γ
在额定输出电压和额定电流条件下，输出纹波电压的有效值
与输出直流电压
之比，即
（7）
4、温度漂移和温度系数
环境温度的变化会影响元器件参数的变化，从而引起稳压电源输出电压的
变化，称为温度漂移。
常用温度系数表示温度漂移的大小，温度每变化l℃所
引起输出电压值的变化
称为绝对温度系数，单位是V/℃或mV/℃。
温度
每变化1℃所引起的输出电压相对变化
称为相对温度系数，单位是％/℃
5、漂移
稳压电源在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，经过一定
的工作时间后元器件参数的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫做漂移，
快变化叫噪声。
在一般使用中只考虑漂移就可以了。
表示漂移的方法有两种，一种是用指定时间输出电压值的变化
来表
示：
另⋯种是用指定时间输出电压的相对变化
，来表示。
考察漂移时间可以定为1分钟、10分钟、l小时、8小时或更长。
3电路仿真
3.1软件使用与元器件摆放
1、元件清单
软件仿真所用到的元器件如下表3-1所示：
表3-1元件清单
元件序列
型
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