模電課設(shè)方波三角波壓控振蕩器.doc

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1、武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計說明書 第一章 模電課設(shè)概述 1.1 設(shè)計背景 人們通常把壓控振蕩器稱為調(diào)頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號。在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。 壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對壓控振蕩器的技術(shù)要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調(diào)頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線性關(guān)系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄，RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。 1.2 設(shè)計目的及意義 1） 培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想，理論

2、聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴肅認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。 2）鍛煉學(xué)生自學(xué)軟件的能力及分析問題、解決問題的能力。 3）通過課程設(shè)計，使學(xué)生在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱設(shè)計資料、標準與規(guī)范的運用和計算機應(yīng)用方面的能力得到訓(xùn)練和提高。 4） 鞏固、深化和擴展學(xué)生的理論知識與初步的專業(yè)技能。 5） 為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計打好基礎(chǔ)基本要求。 1.3 設(shè)計時間 課程設(shè)計時間：一周 1.4 開發(fā)環(huán)境proteus簡介 PROTEUS軟件是由英國LabCenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個軟件構(gòu)成

3、，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺軟件，ARES是一款高級的布線編輯器，它集成了高級原理布線圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設(shè)計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計。 通過PROTEUS ISIS軟件的VSM（虛擬仿真技術(shù)），用戶可以對模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路，以及基于微控制器的系統(tǒng)連同所有外圍接口電子元器件一起仿真。 在原理圖中，電路激勵源、虛擬儀器、圖表以及直接布置在線路上的探針一起出現(xiàn)在電路中。任何時候都能通過“運行”按鈕或“空格”鍵對電路進行仿真。 PROTEUS有兩種截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于圖表的仿真。其中交互式仿真可實

4、時觀測電路的輸出，因此可用于檢驗設(shè)計的電路是否能正常工作。 而基于圖表的仿真能夠在仿真過程中放大一些特別的部分，進行一些細節(jié)上的分析，因此基于圖表的仿真可用于研究電路的工作狀態(tài)和進行細節(jié)的測量。 PROTEUS軟件的模擬仿真直接兼容廠商的SPICE模型，采用了擴充的SPICE3F5電路仿真模型，能夠記錄基于圖表的頻率特性、直流電的傳輸特性、參數(shù)的掃描、噪聲的分析、傅里葉分析等，具有超過8000種的電路仿真模型。 PROTEUS軟件的數(shù)字仿真支持JDEC文件的物理器件仿真，有全系列的TTL和CMOS數(shù)字電路仿真模型，同時一致性分析易于系統(tǒng)的自動測試。 PR

5、OTEUS軟件支持許多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含強大的調(diào)試工具，可對寄存器、存儲器實時監(jiān)測；具有斷點調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對顯示器、按鈕、鍵盤等外設(shè)進行交互可視化仿真的功能。此外，PROTEUS可對IAR C-SPY、KEIL等開發(fā)工具的源程序進行調(diào)試。 此外，在PROTEUS中配置了各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、頻率計，便于測量和記錄仿真的波形、數(shù)據(jù)。 第二章 課程設(shè)計內(nèi)容 2.1 課程設(shè)計題目 方波、三角波壓控振蕩電路的仿真與實現(xiàn) 初始條件：集成運算放大器、電阻、電位器、電容若干，直流電源，三極管等，或自備元器件 可用儀器：示

6、波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器 2.2 課程設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)要求 根據(jù)技術(shù)指標和已知條件，完成對多路對講機的設(shè)計、裝配與調(diào)試。 采用集成運放和集成功放及阻容元件等構(gòu)成壓控振蕩電路，實現(xiàn)直流電壓對方波、三角波頻率的控制。 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件的選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。(用proteus畫電路原理圖并實現(xiàn)仿真) 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計報告書。 2.3壓控振蕩器各單元電路介紹 2.3.1 積分電路 圖（1） 積分電路如圖（1）所示，其中UA741為運算放大器，C2為積分電容，利用積分器U1將從信號電

7、壓流入的電流積分至電容C2在輸出端口6處輸出積分結(jié)果。其中信號電壓為方波提供。 設(shè)方波的峰值為Uo2，所以積分器輸出的電壓為vo1=Uo2*t/(R4*C2)。 這樣該電路就完成了從方波到三角波的轉(zhuǎn)換，在U1的6接口處輸出了三角波。 2.3.2 遲滯比較器電路 圖（2） uA741通用型集成運放，它是一種具有高開環(huán)增益，高輸入電壓范圍，有內(nèi)部頻率補償，高共模抑制比，有短路保護，不會出現(xiàn)阻塞且便于失調(diào)電壓調(diào)零等特點的高性能集成運放。 UA741的7號引腳和4號引腳為偏置端，接入正負5V的電源。1號和5號引

8、腳為調(diào)零端。 UA741的輸入端3，接由100K、120K的并聯(lián)電阻R5、R7，從UA741的輸入端2輸入積分電路產(chǎn)生的三角波，三角波經(jīng)過比較器后，從U2的輸出端6輸出方波，電阻R6、R7給U2很大的遲滯，從而就會一零點為中心，使比較器的閾值在正負向振蕩，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的U2的輸出電壓的極性。設(shè)輸出電壓為Vl，那么比較放大器的閾值為：VlR6（R6+R7）。所以三角波的輸出的峰值為放大器的閾值。 2.3.3 極性轉(zhuǎn)換電路 圖（3） 上圖（3）極性轉(zhuǎn)換電路，從R6留過來的電流很小經(jīng)過三極管放大從集電極流入，該圖中三

9、極管起到了放大電路和電流反向的作用。 2.4 壓控振蕩器整體電路圖 圖所示為利用電壓控制周期也即頻率的三角波與方波發(fā)生器。U1是FET OP放大器，此次選擇的是uA741運算放大器，U2是可使電源電壓充分震蕩的比較放大器。也用的741.。 壓控振蕩器有兩種緩沖輸出：三角波和方波輸出。頻率是由比較器的輸出電壓擺幅決定的。通過將Q1替換成一個開光場效應(yīng)晶體管可得到更優(yōu)越的性能。快速場效應(yīng)晶體管運算放大器可提高高頻率時的表現(xiàn)。 首先利用積分器A1從信號源VS流入的電流積分至電容C,而在輸出Vo1處輸出積分結(jié)果。利用比較器監(jiān)視輸出電壓，達到一定電壓時使積分器的極性反向，極性轉(zhuǎn)換開關(guān)為晶體

10、管2N2222A,高頻放大三極管，在理想狀態(tài)下與R4相比，若使用導(dǎo)通電阻很低的FET或線性IC門的話，就可以減少誤差。圖中的D2二極管是過濾掉方波的負向最大值。波形通過Q1后轉(zhuǎn)換成Vi/2到0v的階躍波形。再通過積分器電容充放電使得三角波產(chǎn)生。生成的三角波再通過比較器反作用產(chǎn)生方波，方波的幅值約等于工作電壓，如給10負工作電壓輸出約為9.12伏，而三角波最大值約為方波一半，4伏左右。電阻R2與R7給A2很大的遲滯，從而就會以零點為中心，是比較器的閾值在正負向振蕩，轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的A1輸出電壓的極性。設(shè)輸出電壓為正負VL，那么比較放大器的閾值為正負VL*R2/(R2+R7)。實物調(diào)試成功后波形的頻率

11、以每伏約64赫茲變化。波形和三角波的線性較好。最高的控制電壓甚至能達到10V以上。 圖（4） 上圖（4）為壓控振蕩器的整體電路圖，首先由控制電壓為運算放大器U1提供輸入電壓，整個電路產(chǎn)生自激振蕩，電容充電，完成后放電，形成了三角波，從U1的輸出端輸出三角波，三角波經(jīng)過遲滯比較器，產(chǎn)生方波，方波的峰值為：Uo2=5R5R7。其值約為4.17V。所以三角波的峰值為：Uo1=4.17R5（R5+R7）。其值約為1.896V。方波在R6上面?zhèn)鬏敚?dāng)Uo2=4.17V時，電壓經(jīng)過三極管把電流放大、反向，然后傳輸給比較器，此時比較器充電，當(dāng)Uo2=-4.17V時，三極管被二極管

12、短路，電流直接流入到地，三極管不能正常工作集電極電壓為0V。所以此時的電容C2放電，形成了一個完整的三角波。輸出的三角波、方波的波形圖如下圖（5）所示。 圖（5） 2.5 壓控分析 壓控振蕩器是利用輸入電壓U來控制振蕩頻率的電路，若用直流電壓作為U，壓控振蕩器可制成頻率調(diào)節(jié)十分方便的信號源，弱用正弦電壓作為U壓控振蕩器就成了調(diào)頻振蕩器，圖（4）即為——壓控振蕩器。 由上面可知三角波的幅值Uo1m=R2(R2+R7)Uo2m，由此可見三角波的幅值可由R2、R7控制。又因為三角波的電壓大小Uo1由0上升到Uo1m所需時間為T4，所以由積分電路的運算關(guān)系可得三角波的幅值：

13、 Uo1m=1C∫（UiR1）dt(0到T4的積分) 由運算放大器的“虛短”和“虛斷”可知道Ui=U2（其中U為控制電壓的大小）。 帶入公式：可得到T=8Uo2mR2R4CU(R2+R7)。 2.6 仿真過程及記錄 給兩個運算放大器提供5V的電壓以保證其正常工作，給電路的輸入端也提供5V的控制電壓電壓，把兩個輸出端連接到示波器上，的到的圖形如下圖（6）所示，在示波器上讀出方波的峰峰值為Vp-p=8.4V、三角波的Vp-p=3.8V，頻率f=322Hz，而用上述公式算出的結(jié)果為328Hz，與仿真結(jié)果相差不大。 圖（6） 當(dāng)給輸入的直流電壓變?yōu)閁=2V時的到的波形如

14、下圖（7）所示。 圖（7） 可讀的方波電壓的峰峰值為Vp-p=8.4V、三角波的Vp-p=3.8V，頻率f=128Hz，而用上述公式算出的結(jié)果為131Hz，與仿真結(jié)果相差不大。 2.7 實際電路安裝與調(diào)試 2.7.1元件列表： 運放uA741 2個 電阻100K 3個 電阻51K 3個 電阻120k 1個 二極管（1N914） 2個 電容0.01uF 1個

15、 三極管（2N2222A） 1個 +5V電源 2個 -5V電源 1個 2.7.2調(diào)試環(huán)節(jié)： 1、檢查電路及電源電壓 檢查電路元器件是否接錯，注意晶體管管腳、二極管方向、電解電容極性是否接對、焊接點是否牢固等，檢查電路無誤，再測電源電壓的數(shù)值和極性是否符合設(shè)計要求。一切正常之后方可接通電源開始調(diào)試實驗。 2、靜態(tài)調(diào)試 先不接輸入信號，測量各級晶體管靜態(tài)工作點。凡處于放大狀態(tài)的三極管，測量其Vce和Vbe，不應(yīng)出現(xiàn)零狀況，Vbe=0表示管子截止損壞， Vce=0表示管子飽和或擊穿，

16、均需要找出原因排除故障。處于放大狀態(tài)的三極管Vbe為0.6V左右，Vce ＞1～2V。 3、動態(tài)調(diào)試 接輸入信號，各級電路的輸出端應(yīng)有相應(yīng)的信號輸出。線性放大電路不應(yīng)有非線性失真；波形產(chǎn)生及變換電路的輸出波形也應(yīng)符合設(shè)計要求。調(diào)試時，可由前級開始逐級向右檢測，這樣容易找出故障點，及時調(diào)整改進。 4、指標測試 電路能正常工作之后，即可進行技術(shù)指標測試。根據(jù)設(shè)計要求。逐個測試指標完成情況。 第三章 心得體會 正所謂“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W(xué)習(xí)任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的。因此在學(xué)期末來臨之際，我們迎來了模擬

17、電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計。 在整個設(shè)計過程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了獨立思考和設(shè)計的能力，樹立了對知識應(yīng)用的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作和生活有非常大的幫助，并且提高了自己的動手實踐操作能力， 使自己充分體會到了在設(shè)計過程中的成功喜悅。雖然這個設(shè)計做的不怎么好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。 在沒有做課程設(shè)計以前，覺得課程設(shè)計只是對知識的單純總結(jié)，但是通過這次課程設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面，課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，也是對自己能力的一種提高，通過這次課程設(shè)計使自己明白了原來的那點知識是非常欠缺的，要學(xué)習(xí)的東西還很多，通過這次課程設(shè)計

18、，明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作和生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己的知識和綜合素質(zhì)。希望以后像這樣的課程設(shè)計在多一點。 此次課程設(shè)計，我們小組準備了兩套方案，由于另一組方案的設(shè)計較本組方案難，且在Proteus仿真中遇到了許多困難，比如說Proteus中沒有穩(wěn)壓管的仿真模型，找不到合適的運算放大器等等，所以我們選擇了報告中給出的方案。 此次課程設(shè)計是分小組進行的，每個人負責(zé)的部分不一樣，包括Multisim仿真、Proteus仿真、實物的制作等。每個人負責(zé)的那部分都十分重要，比如仿真沒出來之前實物是不能做的。所以此次課設(shè)不僅考驗了我們的操作能力、動手能力，還有我們的團隊合作

19、能力，我們的成績是大家一起努力的結(jié)果，我希望我們小組能取得一個好的成績。 第四章 參考文獻 [1]. 吳友宇. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社，2009 [2]. 華中科技大學(xué)電子技術(shù)教研室編，康華光主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.北京：高等教育出版社，1986 [3]. 陳大欽主編,《電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗－電子電路實驗、設(shè)計、仿真》，高等教育出版社，2002年出版 [4]. Paul Horowitz and Winfield Hill. The Art of Electronics.2ed. Cambridge University Press,198

20、9 [5]. Mark N Horenstein. Microelectronic Circuits and Devices. 2nd ed. New Jersey: Prentice-Hall Inc, 本科生課程設(shè)計成績評定表 姓 名 性 別 男 專業(yè)、班級 信息工程學(xué)院電子信息工程 題 目：方波、三角波壓控振蕩器電路的仿真與實現(xiàn) 答辯或質(zhì)疑記錄： 成績評定依據(jù)： 最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日