微分電路的設(shè)計

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1、摘 要 在本設(shè)計中，使用運算放大器進行微分電路的設(shè)計，此電路是由電容C和電阻R進行反饋電路，實現(xiàn)了輸入信號幅度5V，頻率為0-1KH的微分電路。在設(shè)計過程中利用軟件Multisim進行仿真，最后使用Protel畫出電路圖，并制PCB板。 關(guān)鍵詞：運算放大器；微分電路；幅度5V；頻率0-1KHZ；Protel；Multisim 目 錄 摘 要 1 目錄 2 1 緒論 3 2 設(shè)計任務(wù) 4 2.1 課程設(shè)計的目的及意義 4 2.2 課程設(shè)計任務(wù)與要求 4 2.2.1

2、 設(shè)計任務(wù) 4 2.2.2 設(shè)計要求 4 2.3 實驗器材 5 2.4 課程設(shè)計指標 5 3 微分電路工作原理 6 4 微分電路設(shè)計與調(diào)試 8 4.1 仿真軟件介紹 8 4.1.1 Multisim軟件介紹 8 4.1.2 Protel軟件介紹 9 4.2 微分電路系統(tǒng)的實現(xiàn) 10 4.2.1 微分電路參數(shù)計算 10 4.2.2 微分電路元器件選擇 10 4.2.3 微分電路Multisim調(diào)試圖 11 4.2.4 微分電路Protel繪制電路圖 12 5 實驗結(jié)果分析 14 6 總結(jié) 15 致謝 16 參考文獻 17 1 緒論

3、微分是積分的逆運算。將積分電路中R和C的位置互換，即可組成基本微分電路。微分電路使輸出電壓與輸入電壓的時間變化率成比例的電路。最簡單的微分電路由電容器C和電阻器R組成。 它可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波，此電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對恒定部分則沒有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與RC有關(guān)（即電路的時間常數(shù)），RC越小，尖脈沖波形越尖，反之則寬。此電路的RC必須少于輸入波形的寬度，否則就失去了波形變換的作用，變?yōu)橐话愕腞C耦合電路了，一般RC少于或等于輸入波形寬度的1/10就可以了。使輸出電壓與輸入電壓的時間變化率成比例的電路。微分電路主要用于脈

4、沖電路、模擬計算機和測量儀器中 微分電路的工作過程是：如RC的乘積，即時間常數(shù)很小，在即方波跳變時,電容器C 被迅速充電,其端電壓，輸出電壓與輸入電壓的時間導(dǎo)數(shù)成比例關(guān)系。 實用微分電路的輸出波形和理想微分電路的不同。即使輸入是理想的方波，在方波正跳變時，其輸出電壓幅度不可能是無窮大，也不會超過輸入方波電壓幅度E0 在的時間內(nèi),也不完全等于零,而是如圖1d的窄脈沖波形那樣，其幅度隨時間t的增加逐漸減到零。同理,在輸入方波的后沿附近，是一個負的窄脈沖。這種RC微分電路的輸出電壓近似地反映輸入方波前后沿的時間變化率，常用來提取蘊含在脈沖前沿和后沿中的信息。 實際的微分電路也可用電阻器R和電感

5、器L來構(gòu)成。有時也可用 RC和運算放大器構(gòu)成較復(fù)雜的微分電路，但實際應(yīng)用很少。 2 設(shè)計任務(wù) 2.1 課程設(shè)計的目的及意義 1、掌握濾微分電路的工作原理及應(yīng)用； 2、掌握帶Multisim 和Protel兩種軟件的使用。 2.2 課程設(shè)計任務(wù)與要求 2.2.1 設(shè)計任務(wù) 微分電路 示波器觀測 信號發(fā)生器（方波）頻率可調(diào) 圖2.1 微分電路實現(xiàn)框圖 1、在輸入回路中接入一個電阻R1與微分電容串聯(lián)，在反饋電路中接入一個電容C2與微分電阻并聯(lián)，并使 2、在正常的工作頻率范圍

6、內(nèi)，使,而。 2.2.2 設(shè)計要求 1、選取單元電路及元件 根據(jù)設(shè)計要求輸入信號幅度為5V，頻率為0-1KH，確定微分電路的方案，計算和選取單元電路的元件及參數(shù)。 2、整路體電的聯(lián)調(diào)； 3、撰寫設(shè)計報告、總結(jié)報告。 2.3 實驗器材 計算機Protel和Multisim軟件, 2.4 課程設(shè)計指標 要求設(shè)計一個微分電路，輸入信號幅度為5V，頻率為0-1KH。根據(jù)要求，選用相應(yīng)的元件實現(xiàn)微分電路，并對電路進行仿真，并能利用相關(guān)軟件Protel和Multisim仿真測量其技術(shù)指標,并且觀察其波形及輸出結(jié)果。最后制作PCB板。

7、 3 微分電路工作原理 RC微分電路是一種那個應(yīng)用十分廣泛的的對脈沖信號進行變換的電路，它通常把矩形脈沖信號變換為正負雙向尖脈沖。在數(shù)學上，這種尖脈沖近似等于矩形波的微分形式，故有微分電路之稱。微分電路的特點是輸出能很快反映輸入信號的跳變成分。即它能把輸入信號中的突然變化部分選擇出來。其輸出脈沖寬度很窄，與原來輸入脈沖寬度的波形相比 ，包含有“微分”的意思。 RC微分電路如下圖3.1所示。電容C和電阻R串聯(lián)作為輸入端，電阻R兩端為輸出端。由于電路中有電容C和電阻R的存在，故在外加電壓的作用下，存在著充、放電過程，當矩形脈

8、沖輸入后，在輸出端可得到一對正負尖脈沖。 圖3.1 RC微分電路 微分電路的工作原理： 當輸入矩形波的電壓從零突然上跳到E如下圖3.2所示，這就相當于在RC回路中突然接通一個電壓為E的“電池”。由于電容C兩端的電壓不能突變，也就是電容器上的電壓需要經(jīng)過一個充電過程才能逐漸上升，如下圖3.3所示。在時刻電容C 兩端的電于是全部落在電阻R上，因此t1時刻的輸出電壓。 從t1以后到t2以前的時刻,輸入電壓開始對電容C充電，電容C兩端的電壓，按指數(shù)規(guī)律上升，而電阻R兩端的輸出電壓按指數(shù)規(guī)律逐漸下降。RC電路的時間常數(shù)稱為T, ，T的單位為妙(S)，R的電阻器兩端的（等效）電阻值，單位為歐,

9、C的電容器的電容量，單位為法（F）。若T值很小，使很快充電到接近輸入電壓幅度E時，使很快下降到零，于是輸出就形成一個正尖脈沖。如下圖3.4所示。 在時刻輸入電壓有E突然下跳到零；這就相當于在RC回路中，將“電池”E突然去掉，用短路線代替，此時的電容C兩端的電壓不能突變，它要通過電阻R進行一個放電階段，因此電容兩端的電壓Uc便全部降落在電阻R兩端，所以時刻輸出電壓。而從放電回路看，由于放電電流與充電電流相反，所以輸出電壓。 在以后到第二個輸入脈沖到來之前，在這段時間里，輸入電壓，相當于輸入端短路。而電容C兩端的電電阻R按指數(shù)規(guī)律進行放電，電阻兩端電壓Uo從-E很快的按指數(shù)規(guī)律上升，當電容放電

10、即將結(jié)束，即時，則電阻R兩端的輸出電壓也接近了0，于是在輸出端就形成一個負脈沖，如下圖3.4所示。 以后當?shù)诙€矩形脈沖輸入時，將重復(fù)上述過程，即每輸入一個矩形脈沖，在微分電來了的輸出端就能得到一對正負尖脈沖。 圖3.2 矩形波 圖3.3 充放電過程 圖3.4 正尖脈沖 4 微分電路設(shè)計與調(diào)試 4.1 仿真軟件介紹 4.1.1 Multisim軟件介紹 Multisim本是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，被美國NI公司收購后，更名為NI Mul

11、tisim ，而V12.0是其（即NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。 目前美國NI公司的EWB的包含有電路仿真設(shè)計的模塊Multisim、PCB設(shè)計軟件Ultiboard、布線引擎Ultiroute及通信電路分析與設(shè)計模塊Commsim 4個部分，能完成從電路的仿真設(shè)計到電路版圖生成的全過程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4個部分相互獨立，可以分別使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4個部分有增強專業(yè)版（Power Professional）、專業(yè)版（Pr

12、ofessional）、個人版（Personal）、教育版（Education）、學生版（Student）和演示版（Demo）等多個版本，各版本的功能和價格有著明顯的差異。 NI Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。NI Multisim 10是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。 NI Multisim 10的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到，因此也很方便的在工程設(shè)計中使用。 NI Mult

13、isim 12的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。 圖4.1 Multisim主界面 4.1.2 Protel軟件介紹 Protel 99SE主要有兩大部分構(gòu)成，每一部分又各有三個模塊。 a. 第一部分是電路圖設(shè)計，主要有 b. Advanced Schematic 99： 此模塊主要用于原理圖設(shè)計，包含原理圖編 c. 輯器，元器件庫編輯器和相應(yīng)報表生成器； d. Advanced

14、PCB 99： 此模塊用于電路板設(shè)計，主要包含電路板編輯器， e. 元器件編輯器和電路板組件管理器； f. Advanced Route 99： 用于PCB的自動布線器。 g. 第二部分是電路仿真和PLD設(shè)計，主要有 h. Advanced PLD 99： 此模塊用于可編程器件設(shè)計，含有語法功能的文 i. 本編輯器，用于編譯和仿真設(shè)計結(jié)果的PLD和觀察仿真波形的Wave j. 工具； k. Advanced SIM 99： 此模塊用于電路仿真，主要包含一個功能強大的 l. 數(shù)/?；旌闲盘柗抡嫫鳎芴峁┻B續(xù)的模擬信號和離散的數(shù)字信號仿真； m. Advanced Int

15、egrity 99： 此模塊可進行高級信號完整性分析，包含一個 n. 高級信號完整性仿真器，可分析PCB設(shè)計，檢查設(shè)計參數(shù)，測試過沖、 o. 下沖、阻抗和信號斜率。 圖4.2 Protel 99SE主界面 4.2 微分電路系統(tǒng)的實現(xiàn) 4.2.1 微分電路參數(shù)計算 電路中，，, , 初始條件下，，設(shè),求微分變換下的R (4.1) (4.2)

16、 (4.3) 根據(jù)題目可得 , 4.2.2 微分電路元器件選擇 表4.1 微分電路元器件 器件 規(guī)格 數(shù)量 電容 電源 運算放大器 交流電源 電阻 穩(wěn)壓管 47nF 4.7nF VSINE 3554BM 5V 100 5K 10K 02DZ4.7 2 1 2 1 1 1 1 1 2 4.2.3 微分電路Multisim調(diào)試圖 圖4

17、.3 微分電路Multisim仿真圖 圖4.4 微分電路Multisim分析圖 4.2.4 微分電路Protel繪制電路圖 圖4.5 微分電路Protel電路圖 圖4.6 微分電路PCB板正面圖 圖4.7 微分電路PCB板反面圖 5 實驗結(jié)果分析 根據(jù)Multisim軟件分析，當輸入信號頻率升高時，電容的容抗減小，則放大倍數(shù)增大，造成電路對輸入信號中的高頻噪聲非常敏感，因而輸出信號中的噪聲成分嚴重增加，信噪比大大下降，此時信號都會發(fā)生嚴重失真，只有采用實用微分電路，主要措施就是在輸入回路中接入一個電阻與微分電容串聯(lián)，在反饋回路中接入一個電容與微分

18、電阻并聯(lián)，對相位進行補償，減少失真，提高電路的穩(wěn)定性。 再根據(jù)Protel軟件可知，在電路元器件的選擇上也要細致選擇，選擇合適的型號，以及在連線時注意節(jié)點，否則就會出現(xiàn)沒有節(jié)點，連入無效。只有全部宏有效才能生成PCB板，在此過程中，二極管由于在原理圖中的管腳標注是A，K而封裝上的卻是1，2就會出現(xiàn)在PCB板中沒有連線的問題，因此就要將原理圖中管腳的標注A，K改為1，2即可解決此問題。而且在生成的PCB板中連線不可以有交叉。 6 總結(jié) 通過這次微分電路設(shè)計，學習了微分電路的工作原理，對微分電路有了初步了解. 在微分電路中，微分電路可使得方波信號變換成尖脈沖，電路的輸出部分只反映輸

19、入波形的突變部分。在微分電路中τ=RC的時間要非常的短，要小于輸入波形的寬度，一般取1t，這樣輸出的波形才能和輸入的波形成微分關(guān)系中， 在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，必須要分清每一部分的功能，才使整個電路的調(diào)試有所根據(jù)，要不然就會出現(xiàn)波形的失真，在不斷地發(fā)現(xiàn)問題，探索方法后問題得到了很好的解決。這次的課程設(shè)計是考驗我們所學知識的掌握、運用以及Multisim和Protel軟件的應(yīng)用。若調(diào)試過程中單位的選取不一致，也會影響最終的調(diào)試波形，所以應(yīng)該注意細節(jié)，以免出現(xiàn)電路斷路而不能正常運行。雖然我們花了三周才將整個設(shè)計完成，但是努力是能換來的。 在老師的嚴格指導(dǎo)下，我們漸漸完成了設(shè)計。經(jīng)過了三個星期的思

20、考，學習，研究，在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中，我們得到了很多益處，懂得了實踐才是檢驗真理的唯一標準。 課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學技術(shù)發(fā)展的日新月異，能夠熟練運用自己所學的知識，對已知的元器件進行編排，從而實現(xiàn)一定的功能。我們一定要培養(yǎng)自己的動手能力，實踐能力，獨立思考問題的能力。 致謝 能夠完成這次設(shè)計，要感謝這次的指導(dǎo)老師，兩位老師對我們這次的課程設(shè)計十分關(guān)心，從設(shè)計要求，到設(shè)計完成整個過程都陪著我們，正是這種指導(dǎo)和鼓勵讓我們順利完成這次設(shè)計。還要感謝各位同

21、學的團結(jié)合作，互相幫助，建議以及積極配合，正因為如此，我們才對知識掌握的更加全面，從而成功設(shè)計出電路，并且調(diào)試成功。同時，我也學到了很多的知識，將學過的知識很好的結(jié)合并且實踐拓展了自己的專業(yè)。以后我也會好好學習。擁有更多的知識儲備，為以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。 參考文獻 [1] 邱關(guān)源.電路第5版[M].2006.北京：高等教育出版社 [2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].2006.北京：高等教育出版社 [3] 王麗娟.Multisim電路仿真[M].2011.北京：機械工業(yè)出版社 [4] 熊偉.Multisim7電路設(shè)計及仿真應(yīng)用[M].2010.北京：清華大學出版社 [5] 周榮富，曾技.電子線路CAD[M].2011.北京：北京大學出版社 [6] 趙明富.EDA技術(shù)基礎(chǔ)[M].2011北京：北京大學出版社