模电课程设计-三角波正弦波变换设计.docx

目录
1． 设计要求···································································2
2． 总体方案···································································2
3． 设计原理···································································3
3、1 总体电路图·····························································3
3、1、1 硬件电路分析·····················································3
3、1、2 差分式放大电路···················································4
3、1、3 镜像恒流源电路···················································4
3、2 设计所用软件简介·······················································5
4． 原理分析与计算·····························································5
5． 电路得仿真分析及结果·······················································6
6． 实物连接与调试结果·························································8
7． 此次设计过程中所遇到得问题及解决措施······································11
8． 设计得心得体会····························································12
9． 参考文献··································································12
1. 设计要求
在研制、生产、使用、测试与维修各种电子元器件、部件以及整机设备时,都需要有信号源,由它产生不同频率、不同波形得电压、电流信号并加到被测器件、设备上,用其她测量仪器观察、测量被测者得输出响应,以分析与确定它们得性能参数。而波形发生器就是它们中一种更为常用得信号源,广泛地应用于电子电路、自动控制系统与教学实验等领域。本次课程设计应用所学电路设计构成可由生三角波变换为正弦波。可根据需要对该正弦波进行利用或者就是进一步处理。
在本设计方案中,三角波——正弦波得变换电路主要由差分式放大器来完成。 差分式放大电路得工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力强,可以有效得抑制零点漂移。利用差分放大器可将低频得三角波转换成正弦波。波形变换就是利用差分放大电路得非线性特性。
2、总体方案
三角波—正弦波变换设计有以下两种种方案:
1) 由三角波得傅里叶级数可知,它含有基波与3、5次等基次谐波,因此可以通过低通滤波器除去基波,滤出高次谐波,可将三角波转换为正弦波。

三角波 低通滤波电路 正弦波
图2—1
2) 三角波——正弦波变换电路课采用非线性有源电路形成法即利用差分式放大电路来实现。

三角波 差分放大电路 正弦波
图2—2
输入电压与输出电压波形如图2—3所示:

图2—3
上述方案得优缺点:
优点:对于方案一所需元器件少,节约了成本,更重要得就是利于焊接与调试;对于方案二可适用于不同频率条件,正好弥补了方案一得缺点。
缺点:方案一只适合固定频率或者频率变化很小得场合;方案二中所需元件较多,焊接与调试有一定难度。
此次设计我采用方案二,利用BJT射极耦合差分放大电路得单端输入与单端输出与BJT镜像电流源来实现。
3. 设计原理
3、1总体电路图

图3—1
3、1、1硬件电路分析
分析表明,传输特性曲线得表达式为:

式中;为差分放大器得恒定电流;为温度得电压当量,当室温为
时。
根据理论分析,如果差分式电路得差模输入信号为三角波,则与得波形近似为正弦波。因此,单端输出电压也近似于正弦波,从而实现三角波—正弦波得变换。且差分式放大电路传输特性曲线得线性区越窄,其输出波形越接近于正弦波。如图3—1所示得电路中,用于调节电路得对称性,使得差分式放大电路得传输特性得线性区变窄。电容、分别为隔直电容与滤波电容,以消除谐波分量,改善输出波形。
3、1、2差分式放大电路

图3—2
此次设计中,差分式放大电路采用单端输入—单端输出得电路形式,实际电路中四只晶体管选用集成电路得差分对称管双三极管S3DG6(仿真电路中选用2N222替代)。。直流电源去,。
3、1、3镜像恒流源电路

图3—3
由于差分式放大电路得静态工作点由恒流源决定,故镜像恒流源电路就是为了获得 。一般为一毫安或者几毫安,这里设定得值为。
3、2设计所用软件简介
因为我比较熟悉与擅长使用multisim系列电力电子仿真软件,所以此次设计所用仿真软件为multisim12。
multisim12就是美国国家仪器有限公司推出得以Windows为基础得仿真工具,适用于板级得模拟/数字电路板得设计工作。12、0就是目前该软件得最高版本,现在已经成功破解,并且完全汉化,用户可放心使用,下面附带详细安装图文教程。软件包含了电路原理图得图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富得仿真分析能力,再结合了直观得捕捉与功能强大得仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计与验证。
凭借multisim12、0汉化破解版,用户可以立即创建具有完整组件库得电路图,并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业得高级SPICE分析与虚拟仪器,您能在设计流程中提早对电路设计进行得迅速验证,从而缩短建模循环。与NI LabⅥEW与SignalExpress软件得集成,完善了具有强大技术得设计流程,从而能够比较具有模拟数据得实现建模测量。
multisim12得专业特色:
1、模拟与数字应用得系统级闭环仿真配合Multisim与LabVIEW能在设计过程中有效节省时间。
2、全新得数据库改进包括了新得机电模型,AC/DC电源转换器与用于设计功率应用得开关模式电源。
3、超过2,000个来自于亚诺德半导体,美国国家半导体,NXP与飞利浦等半导体厂商得全新数据库元件。
4、超过90个全新得引脚精确得连接器使得NI硬件得自定制附件设计更加容易。
4. 原理分析与计算
对于典型得差分式放大电路得传输特性:它得输出电压(电流)与输入电压之间得关系符合双曲正切函数得变换规律。在本次设计中,当输入信号三角波得正负峰峰值正好对应于差分式放大管得截止电压时,晶体管集电极电流接近于正弦波。
如图3—1,因为输入信号三角波得频率不太高,所以隔直电容取得较大,这里取;电容起着滤波得作用,其大小视输出波形而定,若含高次谐波成分较多,则课取得较小,一般为几十皮法至几百皮法,本次设计中取。与想并联,以减小差分式放大电路得线性区。差分放大电路得静态工作点主要由恒流源决定(如图3—3)、因为越小,恒流源越恒定,温漂越小,放大器得输入阻抗越大。但就是也不能太小,这里取,则,从而可求得晶体管得输入阻抗

为保证差分放大电路有足够大输入电阻,去,根据得,故取。因为要求输出正弦波得峰峰值大于,所以应该使差分放大电路得电压放大倍数。根据,

可求得电阻,进而选取。
对于恒流源电路,其静态工作点及元器件参数计算如下;

发射极电阻一般取几千欧,这里选择,所以。在原理图(图3—1)中用一个得电位器与一个得电阻来替代。
5. 电路得仿真分析及结果
利用multisim12完成原理图得搭建并检查无任何错误后,开始进行仿真。第一步,由信号发生器(Function Generator)输出幅值为30mVpp,频率为100Hz得正弦波加到放大电路得输入端(其目得就是检查差分式放大电路得工作状态),用示波器观察输出波形,如下图:

图5—1
图5—1表明目前差分放大电路得各个器件得参数选择合理且工作在线性区。第二步,由信号发生器(Function Generator)输出幅值为30mVpp,频率为100Hz得三角波加到放大电路得输入端,用示波器观察输出波形为三角波。在频率不变,逐渐增大幅值得条件下,用示波器观察输出波形。在时得波形如图5—2、图5—3与图5—4(注:标注有小三角形得曲线为输出波形);

图5—2

图5—3

图5—4
由以上三张图可知,当较小时,放大电路仍然工作在线性区;随着得增大其静态工作点逐渐向非线性区移动;若太大则输出波形有明显失真现象。综上所述,当时,静态工作点刚好进入非线性区,输出波形逼真于正弦波。
6. 实物连接与调试结果
图6—1、6—2与6—3分别为电路板得正面照片、反面照片与电路板调试后得效果图照片。

图6—1

图6—2

图6—3
(注:三角波为输入波形,正弦波为输出波形)
对比图5—3与6—3可知,在误差允许范围内实际电路板得输出波形与仿真所得到得波形基本吻合,符合此次课程设计要求。
调试测得静态工作点见表6—1:
静态电流

恒流源

静态电压

表6—1
7. 此次设计过程中所遇到得问题及解决措施
在此次课程设计中,我遇到了一下几个问题:
①　 仿真出错,得不到理论上得转换。
②　 拿到电路板与元器件后不知所措。
③　 焊好电路板后,双电源哪里来以及怎么调试实际电路。
解决措施如下:
①　 在对电路原理进行初步仿真时,不能得到理论分析所得得波形;在与同组成员一起讨论后仍然没有找到解决方法。最后我决定请教杨老师,经过杨老师得仔细分析与调试发现初始原理图存在严重得不对称性(由输入端口串接得限幅电路造成)与过宽得线性区(因射极电阻太大),造成了输出信号失真与放大器不能及时过渡到非线性区。在经历了电路元件参数得重新计算与了仿真调试后,我决定删掉原有得限幅电路(输入信号得幅值在信号发生器上手动调节);射极电阻得阻值由调为(随着输入信号幅值得增加,使放大器迅速过渡到非线性区)。在经过了上诉措施后,重新仿真调试得到了预期得变换波形。
②　 因为就是第一次做课程设计,在实物得布局与各个元件之间得走线情况都不知所措,也不知道焊烙铁得正确使用方法;即便我已经透彻得理解了此次设计得工作原理。进入焊接室我参照了里面成形得电路板,学习了其实物布局与走线,并对比自己得原理图;请教了实验室有焊接技术基础得同学,学习了焊烙铁得正确使用方法,然后开始搭建自己得实物图并焊接。
③　 在此次设计中我得放大器需要双电源,因为实验台上只有与可调电源,这显然不能满足我调试得需求。后来我想到了借助实验台上得九孔板与得电位器搭建一个简易得串联电路,并由电位器分得电压;再由可调电源输出电压,这样便完成了静态所需双电源得要求。借助实验台上得万用表分别测得静态工作点见表6—1,然后在逐渐增大输入信号得同时微调来改善输出波形。调试结果见图6—3。由于分立元件得参数存在分散性,故差分放大器很难做到完全对称,所以测得两个管子得静态不完全相同。但在误差允许范围内就是可以接受得。
8. 设计得心得体会
在这次得模电课程设计中,我对模电有了更清晰得认识,成功得运用了书本知识。但就是在一开始瞧见题目得时候,还就是比较头疼得,不知道如何下手分析原理与进行仿真调试,但就是随着慢慢得摸索,查找相关资料并向老师请教。最后成功解决了问题并顺利完成了本次设计。
课程设计本身要求将这学期所学得理论知识运用到实际得电路设计当中去,在电路得设计过程中,无形中加深了我们对模拟电路得认识及运用能力,对课本以及以前学过得知识有了一个更好得总结与理解;平时得模电实验只就是针对某一个小得功能设计,而此次课程设计对我们得总体电路得设计得要求更严格,这需要通过翻阅复习这学期学过得知识确立了实验总体设计方案,然后逐步细化进行各模块得设计,进而一步步调试排除错误。在整个过程中要求得就是绝对得用心与细致,稍有错误,就很难在错综复杂得线路中检查出来,有时候就就是一个小问题,却会浪费了我很多时间,这印证了一句话“细节决定成败！”不管做得题目有多么复杂或者多么简单,我们都应该抱着一颗谨慎细致得心去完成它,遇到困难不毛躁,一个个排除,一定会得到我们想要得结果得。
虽然只有短短一周得课程设计,但就是我有许多得感想,总结起来如下:万丈高楼平地起,打牢基础就是关键;实践需要强大得理论基础作支撑;实际运用与理论知识之间差一个动手能力。对一个工科学生而言,在对理论要求得同时也需要锻炼自己得动手能力。动手得过程需要得就是细致,耐心,准确。不要把这个过程当作就是一个机械得操作,而就是要带着自己得设计思想,在思考中行进。不怕做得慢,因为熟能生巧,多多练习即可加强熟悉程度。虽然此次并没有在这个过程中遇到很大得困难,但就是实际当中,动手能力就是我们急需加强得一项技能。本次课程设计还让我们认识到要有取有舍,考虑最适合而不就是最优。比如,对初始电路中限幅电路得删减。在理论上我们期望最优,而在实际得步骤中,就需要我们进行取舍,留下什么,去掉什么,都就是要求我们认真考虑得,我坚持得一个原则就就是,从整体上考虑,在无法避免得情况之下,可以牺牲部分模块得完备性来保证整体得实现与优化。当然,如果能够找到一种替代得方案或者模块,就是最理想不过得了。
总得来说,本次课程设计很成功。使我对模拟电子技术这门课有了进一步了解。第一次把课堂上学到书本知识灵活得应用到了实际操作当中,同时,这让我更深刻地认识到做事要细心、耐心,学会发现问题,敢于面对问题,积极解决问题。这才就是最大得收获。而从小得方面来说,通过此次得模电设计,能够很好得理解到这个课程,也为以后得数字电路基础、电力电子技术等课程得学习奠定了基础。
9. 参考文献
【1】康华光,电子技术基础模拟部分(第六版),北京:高等教育出版社,2013年12月。
【2】童诗白,华成英,模拟电子技术基础(第三版),北京:高等教育出版社,2001年。