模電課程設(shè)計報告

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1、 揚(yáng)州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 本科生課程設(shè)計 題 目： 函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計 課 程： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 班 級： 測控0802 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成

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

3、………………………………………（2） 3 各部分電路設(shè)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(zhuǎn)換電路的工作原理……………………………………（4） 3.3 三角波---正弦波轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果………………………………………………………

5、……（18） 6.1 方波---三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果……………………………………（18） 6.2 三角波---正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果…………………………………（18） 6.3 實(shí)測電路波形、誤差分析及改進(jìn)方法……………………………………（18） 7 收獲與體會…………………………………………………………………（20） 8 儀器儀表明細(xì)清單…………………………………………………………（21） 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………（22） 1設(shè)計的目的及任務(wù) 1.1 課程設(shè)計的目的 （1）掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計方法 （2）掌握模擬IC器件

6、的應(yīng)用 （3）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實(shí)踐的能力 1.2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求 （1）設(shè)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(shè)計的技術(shù)指標(biāo) （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(shè)計總方案及原理框圖 2.1 電路設(shè)計原理框圖 2.2 電路設(shè)計方案設(shè)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(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點(diǎn)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(shè)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(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)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(dāng)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(dāng)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(fù)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(zhuǎn)換

9、電路的工作原理 圖3.方波-三角波轉(zhuǎn)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(diǎn)斷開，運(yùn)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(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)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(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+

10、=U-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，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(shè)Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)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(diǎn)斷開后，運(yùn)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(guān)系如圖4所示。 a點(diǎn)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(jié)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(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。 6 (2)方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc

12、。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。 (3)電位器RP1可實(shí)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(zhuǎn)換電路的工作原理 圖5.三角波-正弦波轉(zhuǎn)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(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu) 7 點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)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(dá)式為： 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 式中　　 ——差分放大器的恒定電流； ——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時，UT≈26mV。 如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)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(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。 （3） 圖為實(shí)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(shí)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(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)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(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻 由式（3-62） 即 當(dāng)時，取，則，取，為100KΩ電位器。當(dāng)時 ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)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?yàn)檩敵鲱l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(diǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(fù)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(jìn)行

18、雙蹤觀察； （2）調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標(biāo)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(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一部按裝。 5.2 三角波---正弦波轉(zhuǎn)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*的阻值選取； （3） 接入各電容及電位器，注意C6的選?。? （4）按圖接線，注意直流源的正負(fù)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(diǎn)； （2） 測試V1、V

19、2的電容值，當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(dāng)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(jìn)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(yàn)，使其滿足實(shí)驗(yàn)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(shè)計值，如設(shè)計舉例題中，應(yīng)先使RP1=10KΩ,RP2取（2.5-70）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(shè)計指標(biāo)要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對應(yīng)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(shè)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(yīng)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(diǎn)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(yīng) 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(yīng)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(yīng)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(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)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(yùn)放的影響。可在輸出端加濾波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。 （3）性能指標(biāo)測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Up—p《=2Vcc是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有PNP型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導(dǎo)通，由于導(dǎo)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(yù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 6.1 方波---三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)測電路波形、誤差分析及改進(jìn)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(dāng)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(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，在這一星期的學(xué)習(xí)、設(shè)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(rèn)識。通過這次課程設(shè)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(shè)計提高了我的團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(xué)的幫助下，把問題一一解決，那種心情別提有多高興啊。實(shí)驗(yàn)中暴露出我們在理論學(xué)習(xí)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(diǎn)，實(shí)在令我感動。 總之，這次的課程設(shè)計對我的幫助很大，讓我認(rèn)識到自己的不足

27、，以及自己的優(yōu)勢。在接下來的學(xué)習(xí)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(xì)清單 (1)直流穩(wěn)壓電源 (2)雙蹤示波器 (3)萬 用 表 (4)運(yùn) 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(xiàn) 童詩白主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）．北京：高教出版社， 2001 李萬臣主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與課程設(shè)計.哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.3 胡宴如主編. 模擬電子技術(shù). 北京. 高等教育出版社，2000 22