模電課設(shè)方波三角波壓控振蕩器

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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(jì)說(shuō)明書(shū) 第一章 模電課設(shè)概述 1.1 設(shè)計(jì)背景 人們通常把壓控振蕩器稱(chēng)為調(diào)頻器， 用以產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。 在自動(dòng)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(hào)電壓， 壓控振蕩器是環(huán)路中的一個(gè) 受控部件。 壓控振蕩器的類(lèi)型有 LC 壓控振蕩器、 RC壓控振蕩器和晶體壓控振 蕩器。對(duì)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

2、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(jì)目的及意義 1） 培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)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(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。 3）通過(guò)課程設(shè)計(jì)， 使學(xué)生在理論計(jì)算、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程繪圖、查閱設(shè)計(jì)資料、 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的運(yùn)用和計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的能力得到訓(xùn)練和提高。 4） 鞏固、深化和擴(kuò)展學(xué)生的理論知識(shí)與初步的專(zhuān)業(yè)技能。 5） 為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)基本要求。 1.3 設(shè)計(jì)時(shí)間

3、 課程設(shè)計(jì)時(shí)間：一周 1.4 開(kāi)發(fā)環(huán)境 proteus 簡(jiǎn)介 PROTEUS 軟件是由英國(guó) LabCenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的 EDA 工具軟件， 由 ISIS 和 ARES 兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中 ISIS 是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件， 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) ARES 是一款高級(jí)的布線編輯器， 它集成了高級(jí)原理布線圖、 混合模式 SPICE 電路仿真、 PCB 設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)。 通過(guò) PROTEUS ISIS 軟件的 VSM （虛擬仿真技術(shù)

4、），用戶可以對(duì)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(lì)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(shí)候都能通過(guò) “運(yùn)行” 按鈕或“空格”鍵對(duì)電路進(jìn)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(shí)時(shí)觀測(cè)電路的輸出， 因此可用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路是否能正常工作。 而基于圖表的仿真能夠在仿真過(guò)程中放大一些特別的部分， 進(jìn)行一些細(xì)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(jìn)行細(xì)節(jié)的測(cè)量。 PROTEUS 軟件

5、的模擬仿真直接兼容廠商的 SPICE 模型，采用了擴(kuò)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(guò) 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(shí)一致性分析易于系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試。 PROTEUS 軟件支持許多通用的微控制器，如 PIC、AVR 、HC11 以及 8051；包含強(qiáng)大的調(diào)試工具， 可對(duì)寄存器、 存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 具有斷點(diǎn)調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對(duì)顯示器、按鈕、鍵盤(pán)等外

6、設(shè)進(jìn)行交互可視化仿真的功能。 此外， PROTEUS 可對(duì) IAR C-SPY 、KEIL 等開(kāi)發(fā)工具的源程序進(jìn)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(jì)，便于測(cè)量和記錄仿真的波形、數(shù)據(jù)。 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第二章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 2.1 課程設(shè)計(jì)題目 方波、三角波壓控振蕩電路的仿真與實(shí)現(xiàn) 初始條件：集成運(yùn)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：示波器，萬(wàn)用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器

7、 2.2 課程設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)要求 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和已知條件，完成對(duì)多路對(duì)講機(jī)的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。 采用集成運(yùn)放和集成功放及阻容元件等構(gòu)成壓控振蕩電路，實(shí)現(xiàn)直流電壓對(duì) 方波、三角波頻率的控制。 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件的選 擇、并畫(huà)出總體電路原理圖，闡述基本原理。 (用 proteus 畫(huà)電路原理圖并實(shí)現(xiàn)仿 真 ) 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2.3 壓控振蕩器各單元電路介紹 2.3.1 積分電

8、路 圖（ 1） 積分電路如圖（ 1）所示，其中 UA741 為運(yùn)算放大器， C2 為積分電容，利 用積分器 U1 將從信號(hào)電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(hào)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。 武漢理工大學(xué)《

9、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2.3.2 遲滯比較器電路 圖（ 2） uA741 通用型集成運(yùn)放， 它是一種具有高開(kāi)環(huán)增益，高輸入電壓范圍， 有內(nèi)部頻率補(bǔ)償， 高共模抑制比， 有短路保護(hù)， 不會(huì)出現(xiàn)阻塞且便于失調(diào)電壓調(diào)零等特點(diǎn)的高性能集成運(yùn)放。 UA741 的 7 號(hào)引腳和 4 號(hào)引腳為偏置端，接入正負(fù) 5V 的電源。 1 號(hào)和 5 號(hào) 引腳為調(diào)零端。 UA741 的輸入端 3，接由 100K

10、、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(guò)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(huì)一零點(diǎn)為中心，使比較器的 閾值在正負(fù)向振蕩，轉(zhuǎn)換成對(duì)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： Vl R6（ R6+R7）。所以三角波的輸出的峰值為放大器的閾值。 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2.3.3 極性轉(zhuǎn)換電路

11、 圖（ 3） 上圖（ 3）極性轉(zhuǎn)換電路，從 R6 留過(guò)來(lái)的電流很小經(jīng)過(guò)三極管放大從集電極 流入，該圖中三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(yùn)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(guò)將 Q

12、1 替換成一個(gè)開(kāi)光場(chǎng)效應(yīng)晶體管可得到更優(yōu)越的性能。 快速場(chǎng)效應(yīng)晶體管運(yùn)算放大器可提高高頻率時(shí)的表現(xiàn)。 首先利用積分器 A1 從信號(hào)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(dá)到一定電壓時(shí)使積分器的極 性反向，極性轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為晶體管 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(mén)的話，就可以減少誤差。圖 中的 D2 二極管是過(guò)濾掉方波的負(fù)向最大值。波形通過(guò) Q1 后轉(zhuǎn)換成 Vi/ 2 到 0v 的階躍波形。再通過(guò)積分器電容充放電使得三角波

13、產(chǎn)生。 生成的三角波再通過(guò)比 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(fù)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(huì)以零點(diǎn)為中心， 是比較器的閾值在正負(fù)向振蕩， 轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng) 的 A1 輸出電壓的極性。設(shè)輸出電壓為正負(fù) VL ，那么比較放大器的閾值為正負(fù) VL * R2/( R2+R7) 。實(shí)物調(diào)試成功后波形的頻率以每伏約 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(dá)到

14、 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(yùn)算放大器 U1 提供輸入電壓， 整個(gè)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(guò)遲滯比較器， 產(chǎn)生方波，方波的峰值為： Uo2=5 R5 R7。其值約為 4.17V 。所以三角波的峰值為： Uo1=4.17 R5 （ R5+R7）。其值約為 1.896V。方波在 R6

15、上面?zhèn)鬏?，?dāng) Uo2=4.17V 時(shí)，電壓經(jīng)過(guò)三極管把電流放大、 反向，然后傳輸給比較器，此時(shí)比較器充電，當(dāng) Uo2=-4.17V 時(shí)，三極管被二極管短路， 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(shí)的電容 C2 放電，形成了一個(gè)完整的三角波。輸出的三角波、方波的波形圖如下圖（ 5）所示。 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖（ 5） 2.5 壓控分

16、析 壓控振蕩器是利用輸入電壓 U 來(lái)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(hào)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(jiàn)三角波的 幅值可由 R2、R7控制。又因?yàn)槿遣ǖ碾妷捍笮?Uo1 由 0 上升到 Uo1m 所需時(shí) 間為 T4，所以由積分電路的運(yùn)算關(guān)系可得三角波的幅值： Uo1m=1C∫（ Ui R1）dt(0 到 T4 的積分 ) 由運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”可知道

17、Ui=U 2（其中 U 為控制電壓 的大?。? 帶入公式：可得到 T=8Uo2mR2 R4 C U(R2+R7)。 2.6 仿真過(guò)程及記錄 給兩個(gè)運(yùn)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(gè)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 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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。

18、 圖（ 6） 當(dāng)給輸入的直流電壓變?yōu)?U=2V 時(shí)的到的波形如下圖（ 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。 武漢理工大學(xué)《模擬電子技

19、術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2.7 實(shí)際電路安裝與調(diào)試 2.7.1 元件列表： 運(yùn)放 uA741 2 個(gè) 電阻 100K 3 個(gè) 電阻 51K 3 個(gè) 電阻 120k 1 個(gè) 二極管（ 1N914） 2 個(gè) 電容 0.01uF 1 個(gè) 三極管（ 2N2222A） 1 個(gè) +5V 電源 2 個(gè) -5V 電源 1 個(gè) 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(cuò)，注意晶體管管腳、二極管方向、電解電容極 性是否接對(duì)、 焊接點(diǎn)是否牢固等， 檢查電路無(wú)

20、誤， 再測(cè)電源電壓的數(shù)值和極性是 否符合設(shè)計(jì)要求。一切正常之后方可接通電源開(kāi)始調(diào)試實(shí)驗(yàn)。 2、靜態(tài)調(diào)試 先不接輸入信號(hào)，測(cè)量各級(jí)晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)。凡處于放大狀態(tài)的三極管， 測(cè)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，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(dòng)態(tài)調(diào)試 接輸入信號(hào)，各級(jí)電路的輸出端應(yīng)有相應(yīng)的信號(hào)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(jì)要求。 調(diào)試時(shí)，可由

21、 前級(jí)開(kāi)始逐級(jí)向右檢測(cè)，這樣容易找出故障點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整改進(jìn)。 4、指標(biāo)測(cè)試 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 電路能正常工作之后， 即可進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求。 逐個(gè)測(cè)試指 標(biāo)完成情況。 第三章 心得體會(huì) 正所謂“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，覺(jué)知此事要躬行。 ”學(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠的。因此在學(xué)期末來(lái)臨之際，我

22、們迎來(lái)了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我懂得了許多東西， 也培養(yǎng)了獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)的能力， 樹(shù)立了對(duì)知識(shí)應(yīng)用的信心， 相信會(huì)對(duì)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(dòng)手實(shí)踐操作能力， 使自己充分體會(huì)到了在設(shè)計(jì)過(guò)程中的成功喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的不怎么好， 但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 在沒(méi)有做課程設(shè)計(jì)以前， 覺(jué)得課程設(shè)計(jì)只是對(duì)知識(shí)的單純總結(jié)， 但是通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面， 課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，也是對(duì)自己能力的一種提高， 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使自己明白了原來(lái)的那點(diǎn)知識(shí)是非常欠缺的

23、， 要學(xué)習(xí)的東西還很多， 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)， 明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)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 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 識(shí)和綜合素質(zhì)。希望以后像這樣的課程設(shè)計(jì)在多一點(diǎn)。 此次課程設(shè)計(jì)， 我們小組準(zhǔn)備了兩套方案， 由于另一組方案的設(shè)計(jì)較本組方案難，且在 Proteus仿真中遇到了許多困難， 比如說(shuō) Proteus中沒(méi)有穩(wěn)壓管的仿真模型，找不到合適的運(yùn)算放大器等等，所以我們選擇了報(bào)告中給出的方案。 此次課程設(shè)計(jì)是分小組進(jìn)行的，每個(gè)人負(fù)責(zé)的部分不一樣，包括 Multisim 仿真、 Proteus 仿

24、真、實(shí)物的制作等。每個(gè)人負(fù)責(zé)的那部分都十分重要，比如仿 真沒(méi)出來(lái)之前實(shí)物是不能做的。 所以此次課設(shè)不僅考驗(yàn)了我們的操作能力、 動(dòng)手能力，還有我們的團(tuán)隊(duì)合作能力， 我們的成績(jī)是大家一起努力的結(jié)果， 我希望我們小組能取得一個(gè)好的成績(jī)。 第四章 參考文獻(xiàn) [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

25、 [3]. 陳大欽主編 , 《電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)－電子電路實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、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,1989 [5]. Mark N Horenstein. Microelectronic Circuits and Devices. 2nd ed. New Jersey: Prentice-Hall Inc, 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

26、 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 姓 名  性 別  男 專(zhuān)業(yè)、班級(jí)  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(shí)現(xiàn) 武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 答辯或質(zhì)疑記錄： 成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)： 最終評(píng)定成績(jī)（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定） 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日