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MoHub/MoHub20260515011822
仓库范围 音频前端采集、滤波放大
简介：本案例包面向教学演示、课堂讲解和案例视频录制，使用 Sysplorer MCP 配合 Sysplorer 自带 `Modelica 4.0.0.TY.1` 标准库构建电子电路综合案例。
教学案例mcp servers电气工程
介绍 文件

MWORKS 在电子电路中的应用：音频前端采集、滤波放大与负载驱动仿真

项目说明

本案例包面向教学演示、课堂讲解和案例视频录制，使用 Sysplorer MCP 配合 Sysplorer 自带 Modelica 4.0.0.TY.1 标准库构建电子电路综合案例。

项目目录中的建模约束已先读取并遵循：

  • skills/ty-sysplorer-modeling-rules/SKILL.md
  • skills/ty-sysplorer-modeling-rules/references/hybrid_modeling_workflow.md
  • skills/ty-sysplorer-modeling-rules/references/modelica_diagram_connect_semantics.md
  • skills/modelica-library-workflow/SKILL.md

其中最关键的本地约束是：

  • 物理 Modelica 电路模型以 .mo 文件承载；
  • 模型库查询、模型检查、翻译、仿真、结果读取通过 Sysplorer MCP 完成；
  • 组件名称和路径必须以实际库查询结果为准，不能凭空假设。

案例包结构

  • 包名：AudioFrontEndCircuitCases
  • 主模型文件：AudioFrontEndCircuitCases.mo

核心模型：

  • AudioFrontEndCircuitCases.AudioFrontEndAmplifierSystem
  • AudioFrontEndCircuitCases.DifferentialAmplifierCMRRDemo
  • AudioFrontEndCircuitCases.PowerRippleDecouplingFilter

测试模型：

  • AudioFrontEndCircuitCases.TestBench_AudioFrontEnd
  • AudioFrontEndCircuitCases.TestBench_DifferentialAmplifier
  • AudioFrontEndCircuitCases.TestBench_PowerRippleFilter

主案例工况：

  • AudioScenario_50Hz
  • AudioScenario_100Hz
  • AudioScenario_300Hz
  • AudioScenario_1kHz
  • AudioScenario_3kHz
  • AudioScenario_10kHz
  • AudioScenario_20kHz
  • AudioScenario_LowFrequencyInterference
  • AudioScenario_HighFrequencyInterference
  • AudioLoad_100Ohm
  • AudioLoad_1kOhm
  • AudioLoad_10kOhm

差分放大工况：

  • DifferentialScenario_DiffOnly
  • DifferentialScenario_CommonOnly
  • DifferentialScenario_Combined

电源纹波工况：

  • PowerScenario_NoDecouple
  • PowerScenario_BulkOnly
  • PowerScenario_BulkAndHF
  • PowerScenario_LightLoad
  • PowerScenario_HeavyLoad

Sysplorer 模型库查询结果

本轮通过 Sysplorer MCP 实际查询并确认了以下自带库可用：

  • Modelica.Electrical.Analog.Basic
  • Modelica.Electrical.Analog.Sources
  • Modelica.Electrical.Analog.Sensors
  • Modelica.Electrical.Analog.Ideal
  • Modelica.Blocks.Sources
  • Modelica.Blocks.Math
  • Modelica.Blocks.Interfaces

同时确认了以下典型组件真实存在：

  • 基础元件：Resistor、Capacitor、Inductor、Ground
  • 电源/信号源：SignalVoltage、ConstantVoltage、SineVoltage
  • 传感器：VoltageSensor、CurrentSensor、PowerSensor
  • 放大/受控元件：Gain、VCV、OpAmp、IdealOpAmp
  • 开关备选：ControlledIdealClosingSwitch

模型库使用情况

模型 组件名称 模型库路径 用途 是否自带组件
AudioFrontEndAmplifierSystem Resistor Modelica.Electrical.Analog.Basic.Resistor 源内阻、偏置电阻、滤波电阻、输出电阻、负载 是
AudioFrontEndAmplifierSystem Capacitor Modelica.Electrical.Analog.Basic.Capacitor 交流耦合、高通、低通 是
AudioFrontEndAmplifierSystem Ground Modelica.Electrical.Analog.Basic.Ground 电路参考地 是
AudioFrontEndAmplifierSystem SignalVoltage Modelica.Electrical.Analog.Sources.SignalVoltage 输入等效源、等效前级源、等效后级源 是
AudioFrontEndAmplifierSystem ConstantVoltage Modelica.Electrical.Analog.Sources.ConstantVoltage 单电源供电偏置 是
AudioFrontEndAmplifierSystem VoltageSensor Modelica.Electrical.Analog.Sensors.VoltageSensor 采集 Vin、V_bias、V_filter、V_out 等节点电压 是
AudioFrontEndAmplifierSystem CurrentSensor Modelica.Electrical.Analog.Sensors.CurrentSensor 测量负载电流 是
AudioFrontEndAmplifierSystem Sine Modelica.Blocks.Sources.Sine 有效信号、低频干扰、高频干扰 是
AudioFrontEndAmplifierSystem Gain Modelica.Blocks.Math.Gain 等效前级/后级放大 是
DifferentialAmplifierCMRRDemo SignalVoltage Modelica.Electrical.Analog.Sources.SignalVoltage 差分两端输入与输出等效源 是
DifferentialAmplifierCMRRDemo VoltageSensor Modelica.Electrical.Analog.Sensors.VoltageSensor 采样 Vin_plus、Vin_minus、V_out 是
DifferentialAmplifierCMRRDemo CurrentSensor Modelica.Electrical.Analog.Sensors.CurrentSensor 测量负载电流 是
DifferentialAmplifierCMRRDemo Sine Modelica.Blocks.Sources.Sine 差分与共模干扰激励 是
DifferentialAmplifierCMRRDemo Gain Modelica.Blocks.Math.Gain 差分通道增益与残余共模通道增益 是
PowerRippleDecouplingFilter SignalVoltage Modelica.Electrical.Analog.Sources.SignalVoltage 叠加直流、纹波、高频噪声的供电源 是
PowerRippleDecouplingFilter Resistor Modelica.Electrical.Analog.Basic.Resistor 线路阻抗与负载 是
PowerRippleDecouplingFilter Inductor Modelica.Electrical.Analog.Basic.Inductor 线路寄生电感 是
PowerRippleDecouplingFilter Capacitor Modelica.Electrical.Analog.Basic.Capacitor 大小去耦电容 是
PowerRippleDecouplingFilter VoltageSensor Modelica.Electrical.Analog.Sensors.VoltageSensor 采集源端与负载端电压 是
PowerRippleDecouplingFilter CurrentSensor Modelica.Electrical.Analog.Sensors.CurrentSensor 测量负载电流 是

主案例说明

1. 音频 / 传感器等效输入

输入端由以下部分组成：

  • 有效正弦信号：20 mV，1 kHz
  • 源内阻：600 Ohm
  • 可选低频干扰：50 Hz，10 mV
  • 可选高频干扰：20 kHz，5 mV

这体现了“实际传感器可等效为理想电压源加输出内阻”的教学建模思想。

2. 交流耦合与偏置

  • C_couple = 1 uF
  • R_bias_top = 100 kOhm
  • R_bias_bottom = 100 kOhm
  • Vcc = 5 V
  • V_bias ~= 2.5 V

说明：

  • 耦合电容隔离源侧直流分量；
  • 偏置网络为单电源小信号链路建立工作点；
  • 耦合电容与输入等效电阻共同形成高通特性。

3. 前置放大

教学目标原本是“理想运放同相放大”，理论可参考：

  • Av = 1 + R2 / R1
  • 示例比例：R1 = 10 kOhm，R2 = 90 kOhm

本案例实际采用的教学近似实现为：

  • VoltageSensor + Gain + SignalVoltage
  • 前级等效增益：10

这样可以保留高输入阻抗和幅值放大现象，同时降低运放内部细节对演示稳定性的影响。

4. 带通滤波

高通：

  • R_hp = 5.3 kOhm
  • C_hp = 100 nF
  • fc_hp = 1 / (2πRC) ~= 300 Hz

低通：

  • R_lp = 5.3 kOhm
  • C_lp = 10 nF
  • fc_lp = 1 / (2πRC) ~= 3 kHz

说明：

  • 高通用于抑制低频漂移和 50 Hz 干扰；
  • 低通用于抑制高频噪声；
  • 两级串联构成适合语音/音频前端讲解的简化带通。

5. 后级放大与负载驱动

  • 后级等效增益：2
  • 等效输出电阻：50 Ohm
  • 默认负载：1 kOhm

典型目标是将 20 mV 小信号放大到约 0.34 V ~ 0.40 V 量级，并观察 100 Ohm / 1 kOhm / 10 kOhm 负载变化对输出的影响。

子案例 A：差分放大与共模抑制

  • 差分信号：10 mV，1 kHz
  • 共模干扰：100 mV，50 Hz
  • 差分增益：10
  • 残余共模增益：0.05

差分放大采用等效公式思想：

  • Vout = Ad × (Vin_plus - Vin_minus)

并保留小的共模通道，以便讲解：

  • CMRR = 20log10(Ad / Ac)

子案例 B：电源纹波与去耦滤波

  • Vdc = 5 V
  • 低频纹波：100 mV，100 Hz
  • 高频噪声：20 mV，100 kHz
  • R_line = 0.5 Ohm
  • L_line = 10 uH
  • C_decouple = 10 uF
  • C_high_freq = 100 nF
  • R_load = 100 Ohm

说明：

  • 大电容主要抑制低频纹波；
  • 小电容主要旁路高频噪声；
  • 组合去耦适合教学展示电源完整性的基本概念。

参数设计公式

高通截止频率：

  • fc = 1 / (2πRC)

低通截止频率：

  • fc = 1 / (2πRC)

同相放大器增益：

  • Av = 1 + R2 / R1

反相放大器增益：

  • Av = -Rf / Rin

差分放大：

  • Vout = Ad × (Vin_plus - Vin_minus)

CMRR：

  • CMRR = 20log10(Ad / Ac)

负载功率：

  • P = Vrms^2 / R
  • P = Vrms × Irms

电源纹波衰减：

  • Ripple_attenuation = Ripple_after / Ripple_before

MCP 操作过程摘要

本轮实际完成的 MCP 操作包括：

  • 读取项目 skills 和本地建模约束；
  • 启动并检查 Sysplorer 会话；
  • 查询 Sysplorer 当前工作目录；
  • 加载并确认 Modelica 4.0.0.TY.1 标准库；
  • 查询电气、电路、受控源、运放、传感器、信号模块文档；
  • 重新加载 AudioFrontEndCircuitCases.mo；
  • 对 3 个核心模型、3 个测试模型、20 个场景模型执行 check_model；
  • 对 3 个测试模型执行 translate_model；
  • 对主案例频点工况、干扰工况、负载工况、差分工况和电源去耦工况执行 simulate_model。

仿真运行方法

  1. 在 Sysplorer 中加载 AudioFrontEndCircuitCases.mo
  2. 优先检查：
    • AudioFrontEndCircuitCases.TestBench_AudioFrontEnd
    • AudioFrontEndCircuitCases.TestBench_DifferentialAmplifier
    • AudioFrontEndCircuitCases.TestBench_PowerRippleFilter
  3. 运行所需工况模型
  4. 查看 results/ 目录中的结果说明和 CSV 表

主要结果现象

主案例：

  • 300 Hz ~ 3 kHz 附近输出明显高于 50 Hz 和 20 kHz
  • 负载从 10 kOhm 降到 100 Ohm 时，输出电压下降、输出电流增大
  • 低频与高频干扰都能被耦合/滤波链路部分抑制

差分案例：

  • 仅差分输入时输出随差分量放大
  • 仅共模输入时输出显著更小
  • 适合讲解共模抑制和 CMRR 概念

电源案例：

  • 无去耦时负载端纹波更明显
  • 10 uF 对低频纹波有效
  • 10 uF + 100 nF 适合讲解宽频段去耦思想

替代与简化说明

原计划组件 实际使用组件 替代理由 对教学演示影响 后续替换方向
理想运算放大器 VoltageSensor + Gain + SignalVoltage 保证模型更稳定、更容易讲解，不引入运放内部限制与供电细节 不影响“前后级增益、输入阻抗、滤波前后幅值变化”的教学目标 可改为 Modelica.Electrical.Analog.Basic.OpAmp 或 Modelica.Electrical.Analog.Ideal.IdealOpAmp
专用差分放大器 差分通道 Gain + 残余共模通道 Gain 库中虽然有运放和受控源，但当前等效方案更利于直观展示 CMRR 不影响差分/共模概念讲解 可扩展为电阻网络差分放大器或受控源差分模型
功率测量模块 VoltageSensor、CurrentSensor 后计算 P = V × I 当前案例以教学演示为主，保留了更直观的功率定义 不影响负载功率计算教学 可替换为 Modelica.Electrical.Analog.Sensors.PowerSensor

交付文件

可扩展方向

  • 将主案例的等效前后级放大替换为真实运放闭环电路
  • 为主案例增加自动频率扫描和更密集的频响导出
  • 为差分案例加入电阻桥式差分前端
  • 为电源案例加入开关负载和更明显的瞬态电流阶跃
  • 为 .mo 增加完整图解注释层，便于在 Sysplorer 中直接导出原理图图像

版本说明

V0.0.1，2026-05-15 01:18

  • 初始版本

使用许可

本模型库版权由MoHub版权所有，未经许可，不得用于商业用途。