模電課程設計報告

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1、 揚州大學能源與動力工程學院 本科生課程設計 題 目: 函數(shù)發(fā)生器的設計 課 程: 模擬電子技術基礎 專 業(yè): 測控技術與儀器 班 級: 測控0802 學 號: 姓 名: 指導教師: 完成

2、日期: 2010.11 目 錄 1設計的目的及任務……………………………………………………………(1) 1.1 課程設計的目的…………………………………………………………(1) 1.2 課程設計的任務與要求…………………………………………………(1) 1.3 課程設計的技術指標……………………………………………………(1) 2 電路設計總方案及原理框圖………………………………………………(2) 2.1 電路設計原理框圖……………………………………………………(2) 2.2 電路設計方案設計……………

3、………………………………………(2) 3 各部分電路設計……………………………………………………………(3) 3.1 方波發(fā)生電路的工作原理………………………………………………(3) 3.2 方波---三角波轉換電路的工作原理……………………………………(4) 3.3 三角波---正弦波轉換電路的工作原理…………………………………(7) 3.4電路的參數(shù)選擇及計算……………………………………………………(9) 3.5 總電路圖…………………………………………………………………(10) 4 電路仿真……………………………………………………………………(12) 4.1 方波---

4、三角波發(fā)生電路的仿真…………………………………………(12) 4.2 三角波---正弦波轉換電路的仿真………………………………………(12) 5 電路的安裝與調(diào)試…………………………………………………………(14) 5.1 方波---三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試…………………………………(14) 5.2 三角波---正弦波轉換電路的安裝與調(diào)試………………………………(14) 5.3 總電路的安裝與調(diào)試……………………………………………………(15) 5.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法………………………(15) 6電路的實驗結果………………………………………………………

5、……(18) 6.1 方波---三角波發(fā)生電路的實驗結果……………………………………(18) 6.2 三角波---正弦波轉換電路的實驗結果…………………………………(18) 6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法……………………………………(18) 7 收獲與體會…………………………………………………………………(20) 8 儀器儀表明細清單…………………………………………………………(21) 參考文獻………………………………………………………………………(22) 1設計的目的及任務 1.1 課程設計的目的 (1)掌握電子系統(tǒng)的一般設計方法 (2)掌握模擬IC器件

6、的應用 (3)培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力 1.2 課程設計的任務與要求 (1)設計、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器 (2)輸出波形:正弦波、方波、三角波; 1.3 課程設計的技術指標 (1)頻率范圍 :在10-10000Hz范圍內(nèi)可調(diào) ; (2)輸出電壓:方波UP-P≤24V,三角波UP-P=8V,正弦波UP-P>1V; 1 2 電路設計總方案及原理框圖 2.1 電路設計原理框圖 2.2 電路設計方案設計 由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路,比較

7、器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波,三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定,輸入阻抗高,抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時,可以有效地抑制零點漂移,因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 2 3 各部分電路設計 3.1 方波發(fā)生電路的工作原理 圖1.方波發(fā)生電路 此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為 延遲環(huán)節(jié),又作為反饋網(wǎng)絡,通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,

8、則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電,如圖所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高,當t趨于無窮時,Un趨于+Uz;但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后,Uo又通過R3對電容C反向充電,如圖所示。Un隨時間逐漸增長而減低,當t趨于無窮大時,Un趨于-Uz;但是,一旦Un=-Ut,再減小,Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz,Up從-Ut躍變?yōu)?Ut,電容又開始正相充電。 3 上述過程周而復始,電路產(chǎn)生了自激振蕩。 圖2.方波的波形圖 3.2 方波---三角波轉換

9、電路的工作原理 圖3.方波-三角波轉換電路 4 圖4.方波—三角波發(fā)生電路的波形圖及滯回比較器的電壓傳輸特性 若a點斷開,運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器,C1為加速電容,可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓,即U-=0,同相輸入端接輸入電壓Uia,R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc,低電平等于負電源電壓-Vee(|+Vcc|=|-Vee|), 當比較器的U+

10、=U-=0時,比較器翻轉,輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+Vcc,則 將上式整理,得比較器翻轉的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為 5 比較器的門限寬度 由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性,如圖4所示。 a點斷開后,運放A2與R4、RP2、C2及R

11、5組成反相積分器,其輸入信號為方波Uo1,則積分器的輸出Uo2為   時, 時, 可見積分器的輸入為方波時,輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波,其波形關系如圖4所示。 a點閉合,既比較器與積分器首尾相連,形成閉環(huán)電路,則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為 方波-三角波的頻率f為    由以上兩式可以得到以下結論: (1)電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時,不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬,可用C2改變頻率的范圍,PR2實現(xiàn)頻率微調(diào)。 6 (2)方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc

12、。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。 (3)電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào),但會影響方波-三角波的頻率。 3.3 三角波---正弦波轉換電路的工作原理 圖5.三角波-正弦波轉換電路 三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。 差分放大器具有工作點穩(wěn)定,輸入阻抗高,抗干擾能力較強等優(yōu) 7 點。特別是作為直流放大器,可以有效的抑制零點漂移,因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放

13、大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明,傳輸特性曲線的表達式為:                        式中   ——差分放大器的恒定電流; ——溫度的電壓當量,當室溫為25oc時,UT≈26mV。 如果Uid為三角波,設表達式為         式中  Um——三角波的幅度;   T——三角波的周期。 為使輸出波形更接近正弦波,由圖可見: (1) 傳輸特性曲線越對稱,線性區(qū)越窄越好; (2) 三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。 (3) 圖為實現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。

14、其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度,Rp2調(diào)整電路的對稱性,其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容,C4為濾波電 8 容,以濾除諧波分量,改善輸出波形。 圖6.三角波—正弦波變換 3.4電路的參數(shù)選擇及計算 3.4.1.方波-三角波中電容C1變化 實物連線中,我們一開始很長時間出不來波形,后來將C2從10uf(理論時可出來波形)換成0.1uf時,順利得出波形。實際上,分析一下便知當C2=10uf時,頻率很低,不容易在實際電路中實現(xiàn)。 3.

15、4.2.三角波-正弦波部分 比較器A1與積分器A2的元件計算如下。 由式(3-61)得 9 即 取 ,則,取 ,RP1為47KΩ的點位器。區(qū)平衡電阻 由式(3-62) 即 當時,取,則,取,為100KΩ電位器。當時 ,取以實現(xiàn)頻率波段的轉換,R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。 三角波—>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是:隔直電容C3、C4、C5要取得較大,因為輸出頻率很低,取,濾波電容視輸出的波形而定,若含高次斜波成分較多,可取得較小,一般為

16、幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián),以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線,調(diào)整RP4及電阻R*確定。 3.5 總電路圖 10 圖7.總電路圖 11 4 電路仿真 4.1 方波---三角波發(fā)生電路的仿真 圖8.方

17、波-三角波仿真 4.2 三角波---正弦波轉換電路的仿真 12 圖9.三角波-正弦波仿真 13 5 電路的安裝與調(diào)試 5.1 方波---三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試 5.1.1按裝方波——三角波產(chǎn)生電路 (1) 把兩塊741集成塊插入面包板,注意布局; (2) 分別把各電阻放入適當位置,尤其注意電位器的接法; (3)按圖接線,注意直流源的正負及接地端。 5.1.2調(diào)試方波——三角波產(chǎn)生電路 (1)接入電源后,用示波器進行

18、雙蹤觀察; (2)調(diào)節(jié)RP1,使三角波的幅值滿足指標要求; (3) 調(diào)節(jié)RP2,微調(diào)波形的頻率; (4) 觀察示波器,各指標達到要求后進行下一部按裝。 5.2 三角波---正弦波轉換電路的安裝與調(diào)試 5.2.1按裝三角波——正弦波變換電路 (1)在面包板上接入差分放大電路,注意三極管的各管腳的接線; (2)搭生成直流源電路,注意R*的阻值選?。? (3) 接入各電容及電位器,注意C6的選取; (4)按圖接線,注意直流源的正負及接地端。 5.2.2調(diào)試三角波——正弦波變換電路 (1) 接入直流源后,把C4 接地,利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點; (2) 測試V1、V

19、2的電容值,當不相等時調(diào)節(jié)RP4使其相等; 14 (3)測試V3、V4的電容值,使其滿足實驗要求; (4) 在C4端接入信號源,利用示波器觀察,逐漸增大輸入電壓,當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓; 5.3 總電路的安裝與調(diào)試 (1)把兩部分的電路接好,進行整體測試、觀察。 (2)針對各階段出現(xiàn)的問題,逐各排查校驗,使其滿足實驗要求,即使正弦波的峰峰值大于1V。 5.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法 方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調(diào)多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。 5.4.1方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)

20、 由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路,同時輸出方波與三角波,這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是,安裝電位器RP1與RP2之前,要先將其調(diào)整到設計值,如設計舉例題中,應先使RP1=10KΩ,RP2?。?.5-70)KΩ內(nèi)的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確,上電后,UO1的輸出為方波,UO2的輸出為三角波,微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有,調(diào)節(jié)RP2,則輸出頻率在對應波段內(nèi)連續(xù)可變。 5.4.2三角波---正弦波變換電路的裝調(diào) 按照圖3—75所示電路,裝調(diào)三角波—正弦波變換電路,其中差分發(fā)大電路可利用課題三設計完成的電路。

21、電路的 調(diào)試步驟如下。 15 (1)經(jīng)電容 C4輸入差摸信號電壓Uid=50v,F(xiàn)i =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖3—73所示,記 下次時對應的 Uid即Uidm值。移去信號源,再將C4左段接地,測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4. (2) Rp3與C4連接,調(diào)節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值,這時Uo3的 輸出波形應 接近 正弦波,調(diào)節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)如圖3—76所示的 幾種正弦波失真,則應調(diào)節(jié)和改善參數(shù),產(chǎn)生是真的原因及采取的措

22、施有: 1)鐘形失真 如圖(a)所示,傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬,應減小Re2。 2)半波圓定或平頂失真 如圖(b)所示,傳輸特性曲線對稱性差,工作點Q偏上或偏下,應調(diào)整電阻R*. 3)非線性失真 如圖(C)所示,三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真,主要是受到運放的影響??稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡改善輸出波形。 (3)性能指標測量與誤差分析 1)放波輸出電壓Up—p《=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路,輸出方波時,兩管輪流截止與飲和導通,由于導通時輸出電阻的影響,使方波輸出度小于電源電壓值。 2)方波的上升時間T,主要受預算放大器的限制。如果輸

23、出頻 16 率的 限制??山佣砑铀匐娙軨1,一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量T 17 6電路的實驗結果 6.1 方波---三角波發(fā)生電路的實驗結果 C=0.01uf fmin=527.48HZ fmax=11630.24HZ C=0.1uf fmin=59.42HZ fmax=1088.21HZ C=1uf fmin=7.03HZ fmax=129.43HZ 6.2 三角波---正弦波轉換電路的實驗結果 Q1:c 5.621v,b -0.13

24、7v,e -0.6200v Q2:c 5.581v,b -0.129v,e -0.61177v Q3:c -0.6353v,b -10.079v,e -10.712v Q4:c -10.079v,b -10.079v,e -10.723v IQ1:0.31895mA IQ2:0.32095mA IQ3:0.644mA IQ4:0.6385mA 6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法 18

25、將C6替換為由兩個.1uF串聯(lián)或直接拿掉, C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v >1v C1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v>1v Xc=1/W*C,當輸出波形為高頻時,若電容C6較大,則Xc很小,高頻信號完全被吞并,無法顯示出來。 19 7 收獲與體會 一個星期的課程設計已經(jīng)結束了,在這一星期的學習、設計、焊接過程中我感觸

26、頗深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計,我掌握了常用元件的識別和測試;熟悉了常用的儀器儀表;了解了電路的連接、焊接方法;以及如何提高電路的性能等等。 其次,這次課程設計提高了我的團隊合作水平,使我們配合更加默契,體會了在接好電路后測試出波形的那種喜悅。 在實驗過程中,我們遇到了不少的問題。比如:波形失真,甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學的幫助下,把問題一一解決,那種心情別提有多高興啊。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題,有些理論知識還處于懵懂狀態(tài),老師們不厭其煩地為我們調(diào)整波形,講解知識點,實在令我感動。 總之,這次的課程設計對我的幫助很大,讓我認識到自己的不足

27、,以及自己的優(yōu)勢。在接下來的學習中,我會更加的努力。 20 1臺 1臺 1只 2片 2只 1只 1只 3只 1只 1只 2只 1只 1只 2只 2只 3只 1只 3只 1只 4只 1塊 1把 8根 4根 1把 1米 1把 8 儀器儀表明細清單 (1)直流穩(wěn)壓電源 (2)雙蹤示波器 (3)萬 用 表 (4)運 放741 (5)電位器50K 1

28、00K 100Ω (6)電 容470μF 10μF 1μF 0.1μF 0.01μF (7)電 阻100Ω 2KΩ 6.8KΩ 10KΩ 15KΩ 20KΩ 51KΩ (8) 三極管9013 (9)

29、 面 包 板 (10)剪   刀      (11)儀器連接線 (12)電 源 線 (13)電 烙 鐵 (14)焊 錫 絲 (15) 螺 絲 刀 21 參考文獻 童詩白主編.模擬電子技術基礎(第三版).北京:高教出版社, 2001 李萬臣主編.模擬電子技術基礎與課程設計.哈爾濱工程大學出版社,2001.3 胡宴如主編. 模擬電子技術. 北京. 高等教育出版社,2000 22

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