模電課設方波三角波壓控振蕩器

1、第一章 模電課設概述1.1 設計背景 人們通常把壓控振蕩器稱為調(diào)頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號。在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。 壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對壓控振蕩器的技術要求主要有：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 設計目的及意義1） 培養(yǎng)學生正確的設計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。2

2、）鍛煉學生自學軟件的能力及分析問題、解決問題的能力。3）通過課程設計，使學生在理論計算、結構設計、工程繪圖、查閱設計資料、標準與規(guī)范的運用和計算機應用方面的能力得到訓練和提高。4） 鞏固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能。5） 為今后從事電子技術領域的工程設計打好基礎基本要求。1.3 設計時間 課程設計時間：一周1.4 開發(fā)環(huán)境proteus簡介 PROTEUS軟件是由英國LabCenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個軟件構成，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺軟件，ARES是一款高級的布線編輯器，它集成了高級原理布線圖、混合模式SP

3、ICE電路仿真、PCB設計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設計。 通過PROTEUS ISIS軟件的VSM（虛擬仿真技術），用戶可以對模擬電路、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。任何時候都能通過“運行”按鈕或“空格”鍵對電路進行仿真。 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時觀測電路的輸出，因此可用于檢驗設計的電路是否能正常工作。 而基于圖表的仿真能夠在仿真過程中放大一些特別的部分，進行一些細節(jié)上的分析，因此基于圖表

4、的仿真可用于研究電路的工作狀態(tài)和進行細節(jié)的測量。 PROTEUS軟件的模擬仿真直接兼容廠商的SPICE模型，采用了擴充的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，同時一致性分析易于系統(tǒng)的自動測試。 PROTEUS軟件支持許多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含強大的調(diào)試工具，可對寄存器、存儲器實時監(jiān)測；具有斷點調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對顯示器、按鈕、鍵盤等外

5、設進行交互可視化仿真的功能。此外，PROTEUS可對IAR C-SPY、KEIL等開發(fā)工具的源程序進行調(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，便于測量和記錄仿真的波形、數(shù)據(jù)。第二章 課程設計內(nèi)容2.1 課程設計題目方波、三角波壓控振蕩電路的仿真與實現(xiàn)初始條件：集成運算放大器、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，萬用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器2.2 課程設計統(tǒng)一技術要求 根據(jù)技術指標和已知條件，完成對多路對講機的設計、裝配與調(diào)試。采用集成運放和集成功放及阻容元件等構成壓控振蕩電路，實現(xiàn)直流電壓對方波、三角波頻率的控制

6、。選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。計算電路元件參數(shù)與元件的選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。(用proteus畫電路原理圖并實現(xiàn)仿真)安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設計報告書。2.3壓控振蕩器各單元電路介紹2.3.1 積分電路 圖（1）積分電路如圖（1）所示，其中UA741為運算放大器，C2為積分電容，利用積分器U1將從信號電壓流入的電流積分至電容C2在輸出端口6處輸出積分結果。其中信號電壓為方波提供。設方波的峰值為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換，在U1的6接口處輸出了三角波。2.3.2 遲滯比較器電路 圖

7、（2）uA741通用型集成運放，它是一種具有高開環(huán)增益，高輸入電壓范圍，有內(nèi)部頻率補償，高共模抑制比，有短路保護，不會出現(xiàn)阻塞且便于失調(diào)電壓調(diào)零等特點的高性能集成運放。UA741的7號引腳和4號引腳為偏置端，接入正負5V的電源。1號和5號引腳為調(diào)零端。UA741的輸入端3，接由100K、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，從而就會一零點為中心，使比較器的閾值在正負向振蕩，轉換成對應的U2的輸出電壓的極性。設輸出電壓為Vl，那么比較放大器的閾值為：VlR6（R6+R7）。所以三

8、角波的輸出的峰值為放大器的閾值。 2.3.3 極性轉換電路 圖（3） 上圖（3）極性轉換電路，從R6留過來的電流很小經(jīng)過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。通過將Q1替換成一個開光場效應晶體管可得到更優(yōu)越的性能?？焖賵鲂w管運算放大器可提高高頻率時的表現(xiàn)。 首先利用積分器A1從信號源

9、VS流入的電流積分至電容C,而在輸出Vo1處輸出積分結果。利用比較器監(jiān)視輸出電壓，達到一定電壓時使積分器的極性反向，極性轉換開關為晶體管2N2222A,高頻放大三極管，在理想狀態(tài)下與R4相比，若使用導通電阻很低的FET或線性IC門的話，就可以減少誤差。圖中的D2二極管是過濾掉方波的負向最大值。波形通過Q1后轉換成Vi/2到0v的階躍波形。再通過積分器電容充放電使得三角波產(chǎn)生。生成的三角波再通過比較器反作用產(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，從而就會以零點為中心，是比較器的閾值在正負向振蕩

10、，轉化成對應的A1輸出電壓的極性。設輸出電壓為正負VL，那么比較放大器的閾值為正負VL*R2/(R2+R7)。實物調(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到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算放大器U1提供輸入電壓，整個電路產(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)過遲滯比較器，產(chǎn)生方波，方波的峰值為：Uo2=5R5R7。其值約為4.17V。所以三角波的峰值為：Uo1=4.17R5（R5+R7）。其值約為1.896V。方波在R6上面?zhèn)鬏?，當Uo2=4.17V時，

11、電壓經(jīng)過三極管把電流放大、反向，然后傳輸給比較器，此時比較器充電，當Uo2=-4.17V時，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。所以此時的電容C2放電，形成了一個完整的三角波。輸出的三角波、方波的波形圖如下圖（5）所示。圖（5）2.5 壓控分析 壓控振蕩器是利用輸入電壓U來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，由此可見三角波的幅值可由R2、R7控制。又因為三角波的電壓大小Uo1由0上升

12、到Uo1m所需時間為T4，所以由積分電路的運算關系可得三角波的幅值：Uo1m=1C（UiR1）dt(0到T4的積分)由運算放大器的“虛短”和“虛斷”可知道Ui=U2（其中U為控制電壓的大小）。帶入公式：可得到T=8Uo2mR2R4CU(R2+R7)。2.6 仿真過程及記錄 給兩個運算放大器提供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f=322Hz，而用上述公式算出的結果為328Hz，與仿真結果相差不大。圖（6） 當給輸入的直流電壓變

13、為U=2V時的到的波形如下圖（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果為131Hz，與仿真結果相差不大。2.7 實際電路安裝與調(diào)試2.7.1元件列表： 運放uA741 2個電阻100K 3個電阻51K 3個電阻120k 1個二極管（1N914） 2個電容0.01uF 1個三極管（2N2222A） 1個+5V電源 2個-5V電源 1個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，注意晶體管管腳、二極管方向、電解電容極性是否接對、焊接點是否牢固等，檢查電路無誤，再測電源電壓的數(shù)值和極性是

14、否符合設計要求。一切正常之后方可接通電源開始調(diào)試實驗。2、靜態(tài)調(diào)試先不接輸入信號，測量各級晶體管靜態(tài)工作點。凡處于放大狀態(tài)的三極管，測量其Vce和Vbe，不應出現(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 12V。3、動態(tài)調(diào)試接輸入信號，各級電路的輸出端應有相應的信號輸出。線性放大電路不應有非線性失真；波形產(chǎn)生及變換電路的輸出波形也應符合設計要求。調(diào)試時，可由前級開始逐級向右檢測，這樣容易找出故障點，及時調(diào)整改進。4、指標測試電路能正常工作之后，即可進行技術指標測試。根據(jù)設計要求。逐個測試指標完成

15、情況。第三章 心得體會正所謂“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W習任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的。因此在學期末來臨之際，我們迎來了模擬電子技術基礎課程設計。在整個設計過程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了獨立思考和設計的能力，樹立了對知識應用的信心，相信會對今后的學習工作和生活有非常大的幫助，并且提高了自己的動手實踐操作能力， 使自己充分體會到了在設計過程中的成功喜悅。雖然這個設計做的不怎么好，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲和財富，使我終身受益。在沒有做課程設計以前，覺得課程設計只是對知識的單純總結，但是通過這次課程設計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面，課程設計

16、不僅是對前面所學知識的一種檢驗，也是對自己能力的一種提高，通過這次課程設計使自己明白了原來的那點知識是非常欠缺的，要學習的東西還很多，通過這次課程設計，明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作和生活中都應該不斷的學習，努力提高自己的知識和綜合素質(zhì)。希望以后像這樣的課程設計在多一點。此次課程設計，我們小組準備了兩套方案，由于另一組方案的設計較本組方案難，且在Proteus仿真中遇到了許多困難，比如說Proteus中沒有穩(wěn)壓管的仿真模型，找不到合適的運算放大器等等，所以我們選擇了報告中給出的方案。此次課程設計是分小組進行的，每個人負責的部分不一樣，包括Multisim仿真、Proteus仿真、實物的制作等。每個人負責的那部分都十分重要，比如仿真沒出來之前實物是不能做的。所以此次課設不僅考驗了我們的操作能力、動手能力，還有我們的團隊合作能力，我們的成績是大家一起努力的結果，我希望我們小組能取得一個好的成績。第四章 參考文獻1. 吳友宇. 模擬電子技術基礎. 北京：清華大學出版社，20092. 華中科技大學電子技術教研室編，康華光主編.模擬電子技術基礎（第五版）.北京：高等教育出版社，19863. 陳大欽主編,電子技術基礎實驗電子電路實驗、設計、仿真，高等教育出版社，2002年出版4. Paul Horowitz and Winfield Hill. T