《模擬電子》課設(shè)

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1、模擬電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 1．設(shè)計(jì)課題 設(shè)計(jì)正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電路 2．課程設(shè)計(jì)目的 《模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》是學(xué)習(xí)理論課程之后的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目的是通 過解決實(shí)際問題來鞏固和加深在《模擬電子技術(shù)》課程中所學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn) 技能。設(shè)計(jì)訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)過的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識，并去完成查找資料，選 擇、論證方案，設(shè)計(jì)電路，安裝調(diào)試，分析結(jié)果，撰寫報(bào)告等工作。使學(xué)生初步 掌握模擬電子電路設(shè)計(jì)的一般方法步驟，通過理論聯(lián)系實(shí)際提高和培養(yǎng)學(xué)生分 析、解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)后的 工作打下一定的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)用 Multisim 軟件完

2、成正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電 路的設(shè)計(jì)。 3．系統(tǒng)知識介紹 函數(shù)信號發(fā)生器根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，其電 路中使用的器件可以是分離器件，也可以是集成器件，產(chǎn)生方波、正弦波、三角 波的方案有多種。如先運(yùn)用RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，根據(jù)周期性的 非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關(guān)系，再通過滯回比較器將正弦波轉(zhuǎn)化 為方波，最后經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣ā? 4．電路方案與系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)計(jì) （1）電路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，此電路的振蕩頻率較低， 一般在1MHz以下，基本符合本設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，它是以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻 網(wǎng)絡(luò)和正

3、反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，以二極管結(jié)合電阻構(gòu) 成穩(wěn)幅電路，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓失真小等優(yōu)點(diǎn)。 通過滯回比較器將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，采用雙穩(wěn)壓二極管用于輸出電壓的限 幅，后通過電壓跟隨器提高帶負(fù)載能力。 最后通過一個積分電路將正弦波轉(zhuǎn)化為三角波，采用兩個電容分別滿足低頻 與高頻的要求，在最大程度上減小三角波的失真度。 （2）電路功能框圖 本次設(shè)計(jì)采用 RC 橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后通過滯回比較器將 正波轉(zhuǎn)化為方波，最后通過一個積分電路將正弦波轉(zhuǎn)化為三角波，其具體功能框 圖如圖（1）所示： 圖（1）電路功能框圖 （3）元器件與參數(shù)

4、設(shè)計(jì) 整體電路采用型號為 THS4501CD 的高速全差分運(yùn)算放大器，工作電壓為 +/-15V，正弦波的穩(wěn)壓采用型號為1N4148的二極管，方波的穩(wěn)幅采用型號為 ZPD5.1 的穩(wěn)壓二極管。其他可變與定值電阻、電容詳見元器件清單表。 ① 正弦波一RC橋式正弦波振蕩電路（如圖（2）所示） 圖（2） RC橋式正弦波振蕩電路 參數(shù)設(shè)定 1. RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)， 由圖（2）中RC的值，來確定此選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率 0 _ 2兀RC — 2 x 3.14 x 104 x 10-8 — 59KHz 在正弦波調(diào)頻的過程中，只需要改變電阻R與電容C的大小，就可以改變正 弦

5、波的頻率，實(shí)現(xiàn)頻率從100HZ~20KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，在整體電路設(shè)計(jì)中均采 取可變器件實(shí)現(xiàn)了這一要求。 2. 確定R和R （在圖（2）中只=只+只+只匸/用 的值） 3 f f 2 4 d 1 由振蕩的振幅條件可知，要使電路起振，R應(yīng)略大于2R，通常取R=2.1R。 f 3 f 3 以保證電路能起振和減小波形失真。 取標(biāo)稱值：R=1.1k 0，所以：R=2.1R=2.31kQ. 3 f 3 為了達(dá)到最好效果，R與R的值還需通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整后確定。 f3 3. 確定穩(wěn)幅電路及其元件值 穩(wěn)幅電路由R和兩個接法相反的二極管D、D并聯(lián)而成，如圖（2）所示。穩(wěn) 1 1 2 幅二極

6、管D、D應(yīng)選用溫度穩(wěn)定性較高的硅管。當(dāng)通過電流不同時(shí)，二極管的動 12 態(tài)電阻不同，引入非線性環(huán)節(jié)，從而穩(wěn)定輸出電壓。而且二極管D、D的特性必 12 須一致，以保證輸出波形的正負(fù)半周對稱。 通過微調(diào)R的阻值，實(shí)現(xiàn)電壓的微調(diào)，使幅值穩(wěn)定在6V。 4 4. R的確定 1 由于二極管的非線性會引起波形失真，因此，為了減小非線性失真，可在二 極管的兩端并上一個阻值與r （r為二極管導(dǎo)通時(shí)的動態(tài)電阻）相近的電阻R， d d 1 （R 一般取幾千歐，在本例中取R=1kQo）然后再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)整，以達(dá)到最好效 11 果。 ② 正弦波轉(zhuǎn)化為方波一滯回比較器（如圖（3）所示） VCC

7、 D5 ZPD5.1 監(jiān) DpD5.1 圖（3）滯回比較器 圖（3）為滯回比較器電路，雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，輸出電壓要求為 6V,通過改變穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓。R7起限流作用，本設(shè)計(jì)采取10KQ, R9 和 R10 構(gòu)成正反饋，運(yùn)算放大器當(dāng) up>un 時(shí)工作在正飽和區(qū)，而當(dāng) un>up 時(shí)工作在 負(fù)飽和區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入電壓ui小于某一負(fù)值電壓時(shí)，輸出電壓uo= -UZ；當(dāng)輸入電壓u大于某一電壓時(shí)，u=+UZ。又由于“虛斷”、“虛短” u=u=O, Z i o Z p n 11 u + u R i R o ―1 2 1 1 + - R

8、R 由此可確定出翻轉(zhuǎn)時(shí)的輸入電壓。up用氣和uo表示，有 R u +Ru =—2―i 1―= U = 0 R +R n 得此時(shí)的輸入電壓 RR i u = m-^U = mU R o R Z th 22 Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖（4）所示。設(shè)輸入 電壓初始值小于-Uth，此時(shí)uo= -UZ ；增大ui，當(dāng)ui=Uth時(shí)，運(yùn)放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)， 進(jìn)入正飽和區(qū)。如果初始時(shí)刻運(yùn)放工作在正飽和區(qū)，減小氣，當(dāng)ui= -Uth時(shí)，運(yùn) 放則開始進(jìn)入負(fù)飽和區(qū)。 ③ 方波轉(zhuǎn)化為三角波——積分電路（如圖（ 5）所示） R12 AWq 10kQ V

9、CC 15V J1 Key = spaced U5 i 10kQ R14 50kQ 50% Key=A 2.5kQ 50% Key=A R11 VEE -15V UI 5 T HS4501CD VDD -15V R13 15V THS4501CD vcc 5）積分電路 圖中，先接入一個電壓跟隨器，提高其帶負(fù)載能力，后連接積分電路，同相 輸入端接地，連入一 10kQ的電阻，平衡電路。電阻R11和R14為改變?nèi)遣ǖ?幅值，其阻值根據(jù)仿真結(jié)果具體調(diào)整。 R12 為限流電阻由于輸入端不取電流，同 相端電位為零，反相端虛地，流過電容的電流與流過

10、電阻的電流相等經(jīng)計(jì)算可知 當(dāng)輸入方波時(shí)輸出為三角波。 三角波的幅值： vi ic = iR =— R vo = - J icdt = - J vidt C RC Uom = - + Vc R1C1 考慮到要求輸出波形的頻率要求，因此通過開關(guān)選擇不同的電容值， C5 為 低頻， C6 為高頻。 4）電路圖與器材清單表 整體設(shè)計(jì)電路圖（如圖（6）所示） 圖（6）信號發(fā)生器電路圖 器材清單表 器件名稱 型號（參數(shù)） 數(shù)量（個） 運(yùn)算放大器 THS4501CD 4 二極管 IN4148 2 穩(wěn)壓二極管 ZPD5.6 2 開關(guān) Key=Space

11、 1 可變電容 100nF 2 電容 1nF、13nF、1.1 uF 2/1/1 電位器 12k Q、2.5k Q、50k Q 2/1/1/1 電位器 100 Q 1 電阻 10k Q 4 電阻 1kQ、1.1kQ、1.8k Q 1/1/1 電阻 6kQ、5kQ、100kQ 2/1/1 （5）電路仿真 輸出波形頻率： 妙頻窒計(jì)/XFCM. 正弦波: 正弦波的頻率在100HZ~20KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；正弦波的輸出信號幅值為 6V。 礪失真分析-XMl 正弦波失真度三5% 方波: 瞬示波器-XSC1 方波的頻率

12、在100HZ~20KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；方波的輸出信號幅值為6V。 三角波： 嫁示K器 3 A-FB 三角波的頻率在100HZ~20KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào);三角波輸出信號幅值為0~2V 連續(xù)可調(diào)。 整體仿真波形: 爾示波器-XSC1 5.設(shè)計(jì)總結(jié) （1）在本次設(shè)計(jì)中，整體的分工情況如下： 孫強(qiáng)、張晨：整體方案的設(shè)計(jì) 張晨：負(fù)責(zé)資料

13、的收集與整理以及報(bào)告分析、總結(jié)等撰寫 孫強(qiáng)：負(fù)責(zé)仿真及報(bào)告中電路設(shè)計(jì)部分的撰寫 在整個設(shè)計(jì)過程中，遇到問題共同分析解決，理論結(jié)合實(shí)際，最后完成的本 次設(shè)計(jì)任務(wù)。 在分析，查閱相關(guān)資料后，形成了一下幾種設(shè)計(jì)方案：方案一：首先產(chǎn)生方 波和三角波，然后運(yùn)用差分放大電路將三角波產(chǎn)生正弦波；方案二：運(yùn)用集成芯 片ICL8038結(jié)合外部電路產(chǎn)生正弦波、方波和三角波；方案三：運(yùn)用RC橋式正 弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過滯回比較器將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，最后經(jīng)過積 分電路后將其變?yōu)槿遣ā? 對于方案一，考慮到對于差分放大電路的電路圖比較復(fù)雜，并且一旦三角波 失真度高，會導(dǎo)致正弦波失真，無法滿足題目要求。

14、對于方案二，雖然其失真度 易于實(shí)現(xiàn)，可在調(diào)節(jié)頻率時(shí)沒有滿足要求，其基本電路圖如圖（7）所示，因此 本設(shè)計(jì)采用方案三，唯一的不足在于三角波波形不穩(wěn)定。 圖（7） ICL8038及其外圍電路 （2） 運(yùn)用multisim仿真軟件，從電路圖的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、仿真到實(shí)驗(yàn)報(bào)告，我們 都有自己的努力，在這短短的幾天內(nèi)，從課本理論知識到實(shí)際的理解，從題目中 的簡單計(jì)算到設(shè)計(jì)運(yùn)用中的精心推敲，我們把模電知識的學(xué)習(xí)上升了一個層次， 真正賦予了這門課程實(shí)際意義與價(jià)值。我們充分認(rèn)識到理論結(jié)合實(shí)際的重要性， 在設(shè)計(jì)過程中，我們依然會遇到一些難題，這暴露了我們理論知識掌握不夠全面 的弱點(diǎn)。于是，遇到難題的時(shí)候，

15、我們及時(shí)回歸理論，向書本和網(wǎng)絡(luò)求教，這種 互為補(bǔ)充的過程幫助我們發(fā)現(xiàn)不足，完善自己的只是構(gòu)架，體現(xiàn)了理論與實(shí)踐并 行的意義。希望這次設(shè)計(jì)實(shí)踐是一次全新的開始，我們可以在此基礎(chǔ)上提高創(chuàng)新 意識，發(fā)散創(chuàng)新思維，在專業(yè)方面做得更好！ （3） 進(jìn)度與時(shí)間:2014年12月25日?2014年12月31日 （4） 本次設(shè)計(jì)中存在一點(diǎn)不足：產(chǎn)生三角波的波形不穩(wěn)定。由于積分電路中電 容的選取問題，導(dǎo)致三角波波形不穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)有待完善，。 6．主要參考文獻(xiàn) [1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬部分.北京:高等教育出版社,2013.12 設(shè)計(jì)及仿真報(bào)告 設(shè)計(jì)名稱： 設(shè)計(jì)正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電路 一

16、、 課程設(shè)計(jì)的目的 《模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》是學(xué)習(xí)理論課程之后的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目的是通 過解決實(shí)際問題來鞏固和加深在《模擬電子技術(shù)》課程中所學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn) 技能。設(shè)計(jì)訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)過的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識，并去完成查找資料，選 擇、論證方案，設(shè)計(jì)電路，安裝調(diào)試，分析結(jié)果，撰寫報(bào)告等工作。使學(xué)生初步 掌握模擬電子電路設(shè)計(jì)的一般方法步驟，通過理論聯(lián)系實(shí)際提高和培養(yǎng)學(xué)生分 析、解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)后的 工作打下一定的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)用 Multisim 軟件完成正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電 路的設(shè)計(jì)。 二、 設(shè)計(jì)所用儀器設(shè)備（包括仿真用的設(shè)備） 器材清單

17、表： 器件名稱 型號（參數(shù)） 數(shù)量（個） 運(yùn)算放大器 THS4501CD 4 二極管 IN4148 2 穩(wěn)壓二極管 ZPD5.6 2 開關(guān) Key=Space 1 可變電容 100nF 2 電容 1nF、13nF、1.1 uF 2/1/1 電位器 12k Q、2.5k Q、50k Q 2/1/1 電位器 100 Q 1 電阻 10k Q 4 電阻 lkQ、1.1kQ、1.8k Q 1/1/1 電阻 6kQ、5kQ、100kQ 2/1/1 四綜示波器 1 失真分析儀 1 萬用表 3 頻率計(jì)

18、 3 三、 設(shè)計(jì)所用電路 1? 1kQ ■XDAt □I R16 100Q 50% Key=A U4 R2 1? 8kQ -15V 1N4149 VCC VCC 15V 15V THS4501CD 6kQ R4 - 12kQ 50% Key=A 100nF 50% Key=A C2 1nF C4 J -100n Key= C U3 JR7_ 10kQ THS4501CD -■■R15 『也vee =-15V R9 - A5。％ 110kQ XMM1 XT 3 6 5 THS4501CD 4 VDD -15V

19、 15V U5 8 D5 ZPD5. D3 ZPD5.1 R14 50kQ 50% Key=A 6 ' 1 + 8 4 3 10kQ R11 2.5kQ 50% Key=A ■VEE i-15V 、 U1 —^VCC 13 15V 二5 CD 12器 50% 士 Key=A 四、 設(shè)計(jì)仿真結(jié)果 整體仿真波形： 爾示菠器-XSC1 n > 時(shí)間 通道』 謹(jǐn)?shù)纴A 通道」 252.2-^7 ms 4.755 V -1.6G9V 怠1- ■+ T2F

20、 時(shí)間軸 -觸發(fā) 比例 | 500 usfdv 比例 |5 V/Div 邊沿 丁‘」外部「 l° D B 電平 |o IV | Y/T A/B | AC| 0 |叵-I 匚 p p r 盧弦I標(biāo)準(zhǔn)I自動|國廳商I 五、討論 1、 設(shè)計(jì)中發(fā)生的問題 A. 在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，需要考慮周全，一旦確定方案就不要更 改，對于方案中遇到的問題要仔細(xì)考慮，尋求方法解決，切 不可遇到問題就更改方案，從而未能完成設(shè)計(jì)要求，并且造 成時(shí)間上的浪費(fèi)。 B. 在調(diào)節(jié)正弦波波形時(shí)，需要仔細(xì)調(diào)節(jié)阻值，一方面需要使其 產(chǎn)生自激振蕩，又不能使其失真太過嚴(yán)重

21、，因此調(diào)節(jié)阻值需 要慢慢調(diào)節(jié)。 C. 在之前調(diào)整波形的失真度時(shí)，用失真分析儀測得的失真度特 別大，后來才知道是因?yàn)槭褂梅椒ú划?dāng)造成的，所以在使用 之間要仔細(xì)了解其使用方法，一面造成錯誤。 2、 建議或其它 完成本次設(shè)計(jì)的方案比較靈活，比如運(yùn)用 555 定時(shí)器、 ICL8038等集成電路，或者運(yùn)用RC橋式振蕩電路等運(yùn)算放大器的 電路都可以實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的任務(wù)，因此，在選取設(shè)計(jì)方案的時(shí)候 難度較大，因此需要平衡方案的實(shí)施難度與電路本身的性能指標(biāo) 之間的關(guān)系，雖然我們可以自由選擇方案，但是由于自身的不足， 很難很好的做出取舍。如果對于方案的利弊有了一定的認(rèn)識，那 么我相信本次設(shè)計(jì)的結(jié)果一定會更好。