模拟电子技术课程设计报告
课程名称: 模拟电子技术
设计题目: 同频率方波、三角波、正弦波一体发生器
学生姓名: 吕 驰
专 业:测控技术与仪器
班级学号: 102028237
指导教师: 郭彩萍
设计日期: 2012 年 6 月 27 日
至 2012 年 7 月 4 日
设计成绩总评:
摘要
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域经常需要用到各种各样的信号波形发生器。用三角波方波发生电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标都有了很大的提高。因此本设计意在用741放大器设计一个产生方波-三角波-正弦波的函数转换器。为了使这三种波形实现转换需要设计一个电路将直流电转换成方波和三角波继而将三角波转换成正弦波。首先直流电源通过一个同相滞回比较电路转换为方波,方波通过一个积分电路转换为三角波,最后经滤波电路,RC振荡电路产生转换为正弦波。从而实现转换器的设计。
NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。本设计就是利用Multisim软件进行电路图的绘制并进行仿真。
关键词:振荡电路;电压比较器;积分电路;低通滤波电路。
同频率方波、三角波、正弦波一体发生器
一、 设计任务与要求
1. 设计、组装、调试同频率方波、三角波、正弦波一体发生器。
2. 设计迟滞比较器方波产生电路,频率为10KHz可调
3. 设计一有源滤波器,经滤波电路得到的正弦信号幅度峰峰值为6V以上;
4. 输出波形:方波、三角波、正弦波;
二、 方案设计与论证
1. 方案(一)设计一个产生方波—三角波—正弦波函数转换器包括同相滞回比较器和积分电路组成与滤波电路。
方波三角波转换电路如图所示此部分由同相滞回比较电路和积分电路组成。同相滞回比较器的输出高、低电平分别为Uoh=+Uz,Uol=-Uz即为方波的幅值。滞回比较器的阈值电压±Ut为三角波的峰峰值。
方波三角波转换电路
滤波法实现三角波与正弦波的转换。要求输入三角波电压U1的最低频率为fmin则其最高频率fmax小于3fmin就可以利用低通滤波器将三角波变换为正弦波.
三角波转正弦波电路
总电路图
2. 方案(二) 方波三角波转换电路与方案一相同,三角波正弦波转换电路用折线法实现,其电路频率可选较大差值。
总电路图
3. 方案论证我选的是第一个方案,上述两个方案均可以产生三种波形。方案二的电路复杂,有过多焊接部分,而且较浪费元器件,但是方案的在调节的时候比较方便可以很快的调节出波形。方案一电路简洁利于焊接可以节省元器件,但是在调节波形的频率值时有一定的限度,由于整个电路时一起的只要调节前面部分就会影响后面的波形,所以选用方案一也可以达到要求。
三、 单元电路设计与参数计算
1.方波三角波转换电路包括同相滞回比较器和积分电路组成.
a.如图所示,在电路的左边为同相滞回比较器,右边为积分运算电路。同相滞回比较器的输出高低电平分别为Uoh=+Uz,Uol=-Uz
积分运算电路的输出电压uo作为输入电压,A1同相输入端的电位
Up1=uo1·R1/(R1+R2+R6)+Uo·(R2+R6)/(R1+R2+R6)
令Up1=Un1=0,并将uo1=±Uz带入得
±Ut=±Uz·R1/(R2+R6)
电路的振荡原理:
合闸通电,通常C 上电压为0。设Uo1↑→ Up1↑→ Uo1↑↑,直至Uo1 = Uz;积分电路反向积分,t↑→ Uo↓,一旦Uo过- Ut ,Uo1从+ Uz跃变为- Uz。积分电路正向积分,t↑→ Uo↑, 一旦Uo过+ Ut , Uo1从- Uz跃变为+ Uz ,返回第一暂态。重复上述过程,产生周期性的变化,即振荡。由于积分电路反向积分和正向积分的电流大小均为Uo1/(R3+R7),使得U0在一个周期内的下降时间和上升时间相等,且斜率的绝对值也相等,因而将方波转换为三角波。
b.主要参数估算:
1)振荡幅值
在如图所示的三角波—方波发生电路中,因为积分电路的输出电压就是同相滞回比较器的输入电压,所以三角波的幅值为
±Uom=±Ut=±Uz·R1/R2
因为方波的幅值决定于由稳压管组成的限幅电路,所以
Uoh=+Uz,Uol=—Uz
2) 振荡周期
在图3中,在振荡的二分之一周期内,起始值为—Ut,终了值为+Ut
Ut=Uz·T/2·1/R3·C-Ut
得到
T=4·R1·(R3+R7)·C/(R2+R6)
积分器的输出
Uo=—1/(R3+R7)·∫Uo1dt
Uo1=+Vcc时,Uo2=—(+Vcc)·t/(R3+R7)·C1
可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系下图所示。
方波—三角波的波形变换
比较器与积分器首尾相连,形成闭环回路,则自动产生方波——三角波,三角波的幅度为
Uo2=Vcc·R1/(R3+R7)
方波——三角波的频率为
f= (R2+R6)/4R1(R3+R7)
c.参数计算:比较器A1与积分器A2的元件计算如下:
得U02m=Vcc·R1/(R2+R6)
即R1/(R2+R6)=1/3
取R1=10KΩ,则R2+R6=30KΩ,取R2=20KΩ,R8为20KΩ的点位器。区平衡电阻R4=R1//(R2+R6)≈10KΩ
由式f= (R2+R6)/4R1(R3+R7)
即R3+R7=(R2+R6)/4R1·C1
当0.02HZ≤f≤20khz时,取C1=0.1µf,则R3+R7=1.5Ω~1.5KΩ,取R3=1KΩ,R8为20KΩ电位器。
方波三角波转换电路
2.三角波转换为正弦波.利用低通滤波器将三角波变换为正弦波.
由RC串联接一个同相比例运算电路组成一个一阶有源低通滤波器,滤出一部分干扰,得到想要的波形.
在电路中,当信号频率趋于零时,同相输入端的电位Up=Ui,故电路的通带放大倍数等于同相比例运算电路的比例系数,即
Aup=Up/Ui=1+R11/R12
电路的电压放大倍数
Au=Uo/Ui=(1+Rf/R1)·Up/Ui=Aup/(1+jwRC)=Aup/1+j·f/fp
其中,
fp=f0=1/2πRC
当C1=C时,f0=1/2πRC。所以取C1=0.1µf,R1=R2=500Ω,R3取最大阻值为100kΩ的电位器。
三角波转换为正弦波电路
四、 总原理图及元器件清单
1.总原理图
方波、三角波、正弦波转换电路
2.元件清单
五、 安装与调试
1.调试方波——三角波产生电路
a. 接入电源后,用示波器进行双踪观察;
b. 调节R3,使三角波的幅值满足指标要求;
c. 调节R8,微调波形的频率;
d. 观察示波器,各指标达到要求后进行下一部安装
2.调试三角波——正弦波变换电路
a. 接入直流源后,把C1接地;
b. 在R11端接入信号源,利用示波器观察,逐渐增大输入电压,当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压;
3.总电路的安装与调试
a. 把两部分的电路接好,进行整体测试、观察
b. 针对各阶段出现的问题,逐个排查校验,使其满足实验要求,即使正弦波的峰值为6V。
六、 性能测试与分析
1. 方波——三角波产生电路仿真
方波仿真结果
三角波仿真结果
方波—三角波转换仿真结果
2.三角波——正弦波变换电路仿真
正弦波仿真结果
三角波—正弦波转换仿真结果
总的仿真结果
七、 结论与心得
1、通过这次课程设计,加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中,通过几个个方案包括设计了一套电路原理和其他类型的各种电路原理。通过对他们的比较和认识,找到了简单、正确的方法。
2、通过对输出波形条件的限制,要求能更深次地理解各种器件的原理及使用规则,对具体的情况做到正确的判断,提高了我们对书本知识的掌握,也把我们从理论水平提高到实践水平。
3、做课程设计时也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
4、在对各种方案进行排查时,我们才了解到我们现在的知识水平还很有限,需要我们自己拓展,要多看一些关于其他类型的见解。才能帮助我们进行排查。
5、尽管课程设计是在期末才开始,我们的教材学习完毕,掌握许多知识,但是还有很多地方理解领悟不到位,只得参考其他文献,在Multisim中试行操作,逐步摸索。进行电路的仿真。
6、从理论到实践,在一个多星期的日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的的东西,不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
7、我也学到了团队协作的重要性,在整个设计过程中,正是因为我们每位队员分工合作,才能在规定的时间里顺利的完成任务。
八、 参考文献
【1】《模拟电子技术》 童诗白 清华大学出版社
【2】《模拟电子技术教程》 张剑平 清华大学出版社
【3】《电子技术实验与课程设计指导》毕满清 机械工业出版社
【4】《电子线路设计、实验与测试》 谢自美 华中科技大学
《低频电子线路》课程设计
(08级本科)
题 目:
学 院:
专 业:
班 级:
班级学号:
姓 名:
指导教师:
完成日期:2010 年 9 月 25 日
彩灯循环显示设计
摘要
这次的课题设计用发光二极管,NPN,电容,电阻来实现的,发光二极管工作电压很低,工作电流很,抗冲击和抗震性能好,可靠性高,通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点,发光二极管在这个电路中用作信号显示器。半导体三极管是一种具有电流放大作用的半导体器件,它是由两个PN结组成的三层半导体器件。三层半导体可以排列成两种不同的组合,分别称为发射区、基区和集电区,从各区引出的电极分别称为发射极(e)、集电极(c)和基极(b),发射区与基区之间的PN结称为发射结,基区和集电区之间的PN结称为集电结。三极管除了有对电流放大作用外,还有开关作用(即通、断作用),当基极加上正偏压时,NPN型三极管即导通处于饱和状态及灯会亮,反之,三极管就不导通,灯不亮。这个彩灯电路的实质就是电容的一系列充放电,然后通过三个发光二极管显示出来的。这里主要使用电容,电容在低频信号电路中经常使用,它不仅可以用于充放电,还间接有分频的作用,产生脉冲电流。运用电容的不同功能和不同的接发就可以实现不同频率的彩灯了。此外,C3还为Q1设置了偏置电压。
二极管的作用也很重要,不仅是显示,还可以控制电流方向。
R6 R4 R5在电路中有控制电流,使该支路的电流在很小的一个范围内。
这个电路主要由这几个元件组成控制的。
一. 设计内容及要求
会正确使用NPN,发光二极管,电容等元件,原理图接好电路,注意三极管e、b、c三个管脚及发光二极管的极性不要接错。R1是基极的偏置电阻,当向基极加上偏置电流使三极管导通,(即c、e极间相当于短路),发光二极管D导通发光。
电阻C3基极偏置用,电阻R1 R2 R3有限流作用,也是三极管集电极的负载电阻。发光二极管D指示作用,三极管Q1 Q2 Q3有开关作用。做出电路使三个发光二极管依次闪亮,电路尽量精简,在合理的基础上做到经济。
二.工作原理
工作原理如下图所示。C1为Q1设置偏置电压,D1发光,由于电容存在时须性,电容得充一会儿电,这时,D2是截止状态,当C2充电完毕后,Q2的B点的电位升高,Q2导通,使D2有电流通过,D2开始发光。同理彩灯将交替闪烁着光彩。适当地增大电阻电容的值,会延长彩灯闪烁的周期。
(一)元器件选择:
电容C1为15U、C2为15U,C3为15U。电阻R1为510,R2、R3为510。R3 R4 R5为35K。
二极管的特性:
1.二极管是一种非线性元件,它的正向特性和反向特性都是非线性的。
2.二极管具有单向导电性能,即P—N结正向导通时电阻很少,反向截止时电阻很大。
3.正向导通时,管子的正向压降很少,一般情况下,硅管约为0.7V,锗管约为0.3V左右。
4.硅二极管与锗二极管的主要区别在于:锗管的正向电流比硅管上升得快,正向压降较小。但锗管的反向电流比硅管的反向电流大得多,所以锗管受温度的影响比较明显。
(二)使用方法:
(1)如彩灯不亮,可试将电源由3~4V慢慢增大。
(2)为防止流过发光二极管VD4、VD5的电流过大,最好在其回路中分别串入一个300Ω的限流电阻。
(3)调整时,改变R1、R2或C1、C2的大小,则可直接控制彩灯相互变化的快慢节奏。
三.电路原理图
图1-1
如图,在图中有15U的电容C1、C2,C3;510欧的电阻R1,R2,R3;为35K欧的电阻R3 R4 R5;与二极管串联的电阻都为510欧的电阻。
四.PCB图
图1-2
五.注意事项
三极管可以看成是2个PN结。测试其好坏只要测其PN结是否正常就行。其方法是,用电阻档测b,c极和b,e极的正反电阻,相差几十倍以上就是正常的。
估算NPN型三极管的电流放大系数的简单方法:
黑表笔接c极,红表笔接e极,在c,b极间接一个50-200K的电阻,查看表针的摆动情况,摆动越大,β值越高。
在焊接使,为保证接触良好,导电性能高,最好先将各拐角去氧化膜,并焊一层锡。
六.调试
调试时用到的器件有制板机、打孔机、示波器、稳压电源、万用表等。
在我调试时,发现二极管只是亮,但不间断地闪亮,经过仔细地检查,我发现是R2的一个管脚接触不良,焊接得不结实,经过在一次的焊接,彩灯电路终于正常工作了。
七.小结
(一) 收获
在本次设计的学习和研究过程中我感觉受益很深,不但让我懂得了许多理论知识,更给了我一个理论联系实际的机会,让我学到了许多书上学不到的东西。
总结这次设计,我经过自己的努力在参考资料不足的情况下独立将设计项目完成,这令人可喜的地方,但是在整个过程中依然暴露出了有许多不足:
(1)在整个设计的时间分配上,出现了比较大的失误。在设计的初期,由于自己在方案选择上举棋不定,花费了大量的时间用于查找各种资料,耽误了许多时间,这直接导致了设计后期出现时间紧张的情况。
(2)本次设计的核心和创新点就在于彩灯循环,而速度单一实现的,稍微单调了些。以上就是我对自己这次设计的总结。
(二)不足
设计已经圆满完成,各项功能指标也都已经达到了预期目标,但整个电路系统依然有许多有待改进的地方。
(1)控制的彩灯不需要局限于3个,只要用相同的方法,进行大规模级连就可以实现多路彩灯的循环控制功能,这样能使得整个电路系统更贴近于实际应用。
(2)制作精密的时间控制设备,这样可以对彩灯的循环时间进行精确的控制,使彩灯电路不至于太单调。也可以采用分立元件组成的多谐振荡电路来充当定时电路。
八.参考文献
1.《大学物理基础》 浦天舒著 东华大学出版社
2《大学物理实验》 龙作友著 厦门大学出版社
3《大学物理实验》 邓金祥著 北京工业大学出版社
4《大学物理》 钟江帆著 高等教育出版社
5《大学物理》 西安通信学院物理教研室 清华大学出版社
6《大学物理学》第二版 上海交通大学物理教研室 上海交通大学出版社
7《大学物理实验》 方利广著 同济大学出版社
九.收获
课程设计中最复杂的部分即是确定电容电阻的值,系统工作存在周期不同的工作状态,在不同的工作状态下有不同的闪烁频率,在这一点,我经过大量的计算和尝试,终于确定了理想的元件。如果值太大,会导致元件发烫,所以必须控制好值与的逻辑。
通过本次硬件课程设计,使我了解到了,电路系统的调试方式,当一个系统有错误,无法正常运行时,通过分步排除的方式,逐级调试系统的各个部分,当简单部分调试完全后,再对上层进行调试,层层排除,有条不紊。
通过这个学期的课程设计,我体会颇深。首先,我通过做课程设计巩固了许多课程设计的基本原理和课程设计方法,学会了基本物理量的测量和不确定度的分析方法、基本课程设计仪器的使用等;其次,我已经学会了独立作课程设计的能力,大大提高了我的动手能力和思维能力以及基本操作与基本技能的训练,并且我也深深感受到做课程设计要具备科学的态度、认真态度和创造性的思维。
下面我就谈一下我在做课程设计时的一些技巧与方法。首先,做课程设计要用科学认真的态度去对待课程设计,认真提前预习,做好课程设计预习报告;第二,认真听老师做预习指导和讲解,把老师特别提醒会出错的地方写下来,做课程设计时切勿出错;第三,做课程设计时按步骤进行,切不可一步到位,太心急。并且一些小节之处要特别小心,若不会,可以跟其他同学一起探讨一下,把问题解决。第四,课程设计后数据处理一定要独立完成,莫抄其他同学的,否则,做课程设计就没有什么意义了,也就不会有什么收获。
总而言之,大学物理课程设计具有非常重要的意义。首先,物理概念的建立、物理规律的发现依赖于物理课程设计,是以课程设计为基础的,物理学作为一门科学的地位是由物理课程设计予以确立的;其次,已有的物理定律、物理假说、物理理论必须接受课程设计的检验,如果正确就予以确定,如果不正确就予以否定,如果不完全正确就予以修正。例如,爱因斯坦通过分析光电效应现象提出了光量子;可以说,物理学的每一次进步都离不开课程设计。这对我们大学生来说也是非常重要的,尤其是对将来所从事的实际工作所需要具备的独立工作能力和创新能力等素质来讲,也是十分必要的,这是大学物理理论课不能做到,也不能取代的。
通过这次锻炼,我自己的能力得到了不小的提高,在未来的工作岗位中我也将发扬坚持不懈的精神,做一名合格的人才。
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