模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告三角波正弦波變換設(shè)計(jì)

1、目錄1 設(shè)計(jì)要求22 .總體方案23 設(shè)計(jì)原理33.1 總體電路圖 33.1.1硬件電路分析 33.1.2差分式放大電路3.1.3鏡像恒流源電路3.2設(shè)計(jì)所用軟件簡(jiǎn)介4 原理分析與計(jì)算5 電路的仿真分析及結(jié)果-66 實(shí)物連接與調(diào)試結(jié)果87 此次設(shè)計(jì)過程中所遇到的問題及解決措施-118 設(shè)計(jì)的心得體會(huì)129 .參考文獻(xiàn)-12教育資料1. 設(shè)計(jì)要求在研制、生產(chǎn)、使用、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都需要有信號(hào)源， 由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號(hào)并加到被測(cè)器件、設(shè)備上，用其他測(cè)量?jī)x器觀察、 測(cè)量被測(cè)者的輸出響應(yīng)，以分析和確定它們的性能參數(shù)。而波形發(fā)生器是它們中一種更為常用

2、的信 號(hào)源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。本次課程設(shè)計(jì)應(yīng)用所學(xué)電路設(shè)計(jì) 構(gòu)成可由生三角波變換為正弦波。可根據(jù)需要對(duì)該正弦波進(jìn)行利用或者是進(jìn)一步處理。在本設(shè)計(jì)方案中，三角波一一正弦波的變換電路主要由差分式放大器來完成。差分式放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移。禾U用差分放大器可將低頻 的三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。波形變換是利用差分放大電路的非線性特性。2. 總體方案三角波一正弦波變換設(shè)計(jì)有以下兩種種方案：1）由三角波的傅里葉級(jí)數(shù)可知，它含有基波和3、5次等基次諧波，因此可以通過低通濾波器除去基波，濾出高次諧波，可將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。r嚴(yán)三角波

3、耳* 低通濾波電路正弦波LJJ圖2 12）三角波一一正弦波變換電路課采用非線性有源電路形成法即利用差分式放大電路來實(shí)現(xiàn)。三角波差分放大電路正弦波圖2 2輸入電壓和輸出電壓波形如圖 2 3所示：上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于方案一所需元器件少，節(jié)約了成本，更重要的是利于焊接和調(diào)試；對(duì)于方案二可適 用于不同頻率條件，正好彌補(bǔ)了方案一的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)：方案一只適合固定頻率或者頻率變化很小的場(chǎng)合；方案二中所需元件較多，焊接與調(diào)試 有一定難度。此次設(shè)計(jì)我采用方案二，利用BJT射極耦合差分放大電路 的單端輸入和單端輸出和 BJT鏡像2電流源來實(shí)現(xiàn)。3. 設(shè)計(jì)原理分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：II1°

4、;C1E1 1 e Uid /UT式中 Ic/Ie 1 ； Io為差分放大器的恒定電流;25C 時(shí)Ut 26mV。根據(jù)理論分析，如果差分式電路的差模輸入信號(hào)Ici3.1.1硬件電路分析I。E11eU id / UTUt為溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為U id為三角波，則I C1與I C2的波形近似為正弦 波。因此，單端輸出電壓 U。也近似于正弦波，從而實(shí)現(xiàn)三角波一正弦波的變換。且差分式放大電路 傳輸特性曲線的線性區(qū)越窄，其輸出波形越接近于正弦波。如圖3 1所示得電路中，Rp4用于調(diào)節(jié)電路的對(duì)稱性，Re1使得差分式放大電路的傳輸特性的線性區(qū)變窄。電容Cs、C6分別為隔直電容和濾波電容，以消除諧波分量，

5、改善輸出波形。3.1.2差分式放大電路此次設(shè)計(jì)中，差分式放大電路采用單端輸入一單端輸出的電路形式，實(shí)際電路中四只晶體管選用集成電路的差分對(duì)稱管雙三極管S3DG6（仿真電路中選用 2N222替代）。1234 60。直流電源去 Vcc12，Vee12。3.1.3鏡像恒流源電路titIoQ3 J.2H2222 - 4.7KQ：1QKQCM I-4 h i d iT2N3222K?y=C :533%：圖33由于差分式放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由恒流源I 0決定，故鏡像恒流源電路是為了獲得I o O I o般為一毫安或者幾毫安，這里設(shè)定I。的值為1mA o3.2設(shè)計(jì)所用軟件簡(jiǎn)介因?yàn)槲冶容^熟悉和擅長使用mult

6、isim 系列電力電子仿真軟件，所以此次設(shè)計(jì)所用仿真軟件為multisim12 。multisim12是美國國家儀器有限公司推出的以Win dows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。12.0是目前該軟件的最高版本，現(xiàn)在已經(jīng)成功破解，并且完全漢化，用戶可放心使用，下面附帶詳細(xì)安裝圖文教程。軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語 言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，再結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、 高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借multisim12.0 漢化破解版，用戶可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SPICE模擬器模仿電路

7、行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabW EW和 SignalExpress 軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。multisim12 的專業(yè)特色：1、 模擬和數(shù)字應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)閉環(huán)仿真配合Multisim 和LabVIEW能在設(shè)計(jì)過程中有效節(jié)省時(shí)間。2、 全新的數(shù)據(jù)庫改進(jìn)包括了新的機(jī)電模型，AC/DC電源轉(zhuǎn)換器和用于設(shè)計(jì)功率應(yīng)用的開關(guān)模式電源。3、 超過2,000個(gè)來自于亞諾德半導(dǎo)體，美國國家半導(dǎo)體，NXP和飛利浦等半導(dǎo)體廠商的全新數(shù)據(jù)庫 元件。4、 超過90個(gè)全

8、新的引腳精確的連接器使得NI硬件的自定制附件設(shè)計(jì)更加容易。4. 原理分析與計(jì)算對(duì)于典型的差分式放大電路的傳輸特性：它的輸出電壓（電流）與輸入電壓之間的關(guān)系符合雙 曲正切函數(shù)的變換規(guī)律。在本次設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸入信號(hào)三角波的正負(fù)峰峰值正好對(duì)應(yīng)于差分式放大管 的截止電壓時(shí)，晶體管集電極電流接近于正弦波。如圖3 1 ,因?yàn)檩斎胄盘?hào)三角波的頻率不太高，所以隔直電容C5取得較大，這里取 C5470uF ；電容C6起著濾波的作用，其大小視輸出波形而定，若含高次諧波成分較多，則課取得較小，一般為幾十皮法至幾百皮法，本次設(shè)計(jì)中取C6 100pF。RE1 10與Rp4 100想并聯(lián)，以減小差分式放大電路的線性區(qū)。差分

9、放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由恒流源I °決定（如圖3 3）.因?yàn)?°越小，恒流源越恒定，溫漂越小，放大器的輸入阻抗越大。但是1°也不能太小，這里取I ° 1mA，則Id Ic2 0.5mA，從而可求得晶體管的輸入阻抗咲 3001 鬱 3001 60 Bl3冰為保證差分放大電路有足夠大輸入電阻Ri ,去R 20K,根據(jù)R 2 rbe RB1得RB1 6.6K ,故取RB1 RB2 6.8K 。因?yàn)橐筝敵稣也ǖ姆宸逯荡笥?V ,所以應(yīng)該使差分放大電路的電壓放大倍數(shù)Au 40。根據(jù)，2 RB1 rbe可求得電阻RL 13K ，進(jìn)而選取RC1 Rc2 15K

10、對(duì)于恒流源電路，其靜態(tài)工作點(diǎn)及元器件參數(shù)計(jì)算如下;I ' IVee0.7R1° RRer1c120.7 lx11.3K，XE 1r發(fā)射極電阻一般取幾千歐，這里選擇RE3Re4 2K ,所以r19.3K 。在原理圖（圖q3 1)中R1用一個(gè)10K 的電位器和一個(gè)4.7K的電阻來替代。5. 電路的仿真分析及結(jié)果利用multisim12完成原理圖的搭建并檢查無任何錯(cuò)誤后，開始進(jìn)行仿真。第一步，由信號(hào)發(fā)生 器(Function Generator )輸出幅值為30mVpp頻率為100Hz的正弦波加到放大電路的輸入端(其 目的是檢查差分式放大電路的工作狀態(tài))，用示波器觀察輸出波形，如下

11、圖：n ggTime612175ni5612.175 msChannel A6,713V6.713VChamel_BTZ-Tl0.000 sa.ooovSavetxt. triggerReverseChannel AChannel BScale: 2昨伽Scale: 1 * 伽Re: 5 VfiivXpos.fpivj: 0Y pos.fDrv)： (5.2:Y pos.Qw; 0Trigoer圖5 1Level:0VSngleNonnd AutoNone圖51表明目前差分放大電路的各個(gè)器件的參數(shù)選擇合理且工作在線性區(qū)。第二步，由信號(hào)發(fā)生器(Function Generator )輸出幅值為3

12、0mVpp頻率為100Hz的三角波加到放大電路的輸入端， 用示波器觀察輸出波形為三角波。在頻率不變，逐漸增大幅值的條件下，用示波器觀察輸出波形。在5 70mVpp、40mVpp和160mVpp時(shí)的波形如圖5 2、圖5 3和圖54 (注：標(biāo)注有小三角 形的曲線為輸出波形)；圖5 2Time baseTrueChannel AChannel B504.154 TT154.005V0.576 m.Reverse504.159 ms1005 V90.576 m.1O.QOQs0.000 Vo.twovEaveChannel A魚呢：2ms/DivScale； 2. V/Div5tdle： 1O0 初/

13、DivEdge：Z國XI頭函Kpw.fPM： DY pcs,(Div): |k):f RM. (DM】o| Levd:0|v '¥/T Add B/A A/BAC C DCac| o dc| SingleNormal Auto NoneExt. triggerChrinel BTrigger圖5 3ReverseExt. trgerBXpos.fDiv):0Y pos.t)iv):QNormal AutoACXChannel AScale：Channel BSale2ns/tiivTimebase5匸灰：f pos.(Dfv):十2DcjTriggerEdge:國匡aLeve

14、l:n圖54T1因田TineChannel AChannel BT-Ti 1 J 1 1 . 136.005 ms9.533 V95.680 mV12 fflffi36 JOS ms9.53BV95.630 mVT2-T1(J.DOOso.ooov0.000 VlflO rnV/Dfv由以上三張圖可知，當(dāng) U較小時(shí)，放大電路仍然工作在線性區(qū)；隨著Uj的增大其靜態(tài)工作點(diǎn)逐漸向非線性區(qū)移動(dòng)；若 Ui太大則輸出波形有明顯失真現(xiàn)象。綜上所述，當(dāng)Ui 140mVpp時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)剛好進(jìn)入非線性區(qū)，輸出波形逼真于正弦波。6. 實(shí)物連接與調(diào)試結(jié)果圖6 1、62和63分別為電路板的正面照片、反面照片和電路板調(diào)

15、試后的效果圖照片。：1天f 必IF - y 心“”V齦啓 岸汁淪養(yǎng)： 辭踽欲 瞬臨 澎曲 成證歓 怎嚴(yán)頂 股蕊 勰總 魏能叫1 '-MeF°©g 、0®g v vy iH;g兩6RIGOL r D2«00UCH2 20B0mUTig 2<000ms CH0»0000s圖6 3（注：三角波為輸入波形，正弦波為輸出波形）對(duì)比圖53和63可知，在誤差允許范圍內(nèi)實(shí)際電路板的輸出波形與仿真所得到的波形基本吻合，符合此次課程設(shè)計(jì)要求。調(diào)試測(cè)得靜態(tài)工作點(diǎn)見表 6 1:靜態(tài)電流I CQ1I BQ1I CQ2 I BQ21 CQ0.406mA0.5

16、22mAI BQ7.941 A8.235 A恒流源IoU R11mA4.704V靜態(tài)電壓U CEQ1U CEQ2U CEQ6.625V4.903V表6 17. 此次設(shè)計(jì)過程中所遇到的問題及解決措施在此次課程設(shè)計(jì)中，我遇到了一下幾個(gè)問題： 仿真出錯(cuò)，得不到理論上的轉(zhuǎn)換。 拿到電路板和元器件后不知所措。 焊好電路板后，雙電源哪里來以及怎么調(diào)試實(shí)際電路。解決措施如下： 在對(duì)電路原理進(jìn)行初步仿真時(shí)，不能得到理論分析所得的波形；在和同組成員一起討論后 仍然沒有找到解決方法。最后我決定請(qǐng)教楊老師，經(jīng)過楊老師的仔細(xì)分析和調(diào)試發(fā)現(xiàn)初始原理圖存在嚴(yán)重的不對(duì)稱性（由輸入端口串接的限幅電路造成）和過寬的線性區(qū)（因射

17、極電阻Rei太大），造成了輸出信號(hào)失真和放大器不能及時(shí)過渡到非線性區(qū)。在經(jīng)歷了電路元件參數(shù)的重新計(jì)算和了仿 真調(diào)試后，我決定刪掉原有的限幅電路 （輸入信號(hào)的幅值在信號(hào)發(fā)生器上手動(dòng)調(diào)節(jié)）；射極電阻RE1的阻值由100 調(diào)為10（隨著輸入信號(hào)幅值的增加，使放大器迅速過渡到非線性區(qū)）。在經(jīng)過了上訴措施后，重新仿真調(diào)試得到了預(yù)期的變換波形。 因?yàn)槭堑谝淮巫稣n程設(shè)計(jì)，在實(shí)物的布局和各個(gè)元件之間的走線情況都不知所措，也不知 道焊烙鐵的正確使用方法；即便我已經(jīng)透徹的理解了此次設(shè)計(jì)的工作原理。進(jìn)入焊接室我參照了里 面成形的電路板，學(xué)習(xí)了其實(shí)物布局和走線，并對(duì)比自己的原理圖；請(qǐng)教了實(shí)驗(yàn)室有焊接技術(shù)基礎(chǔ) 的同學(xué)，

18、學(xué)習(xí)了焊烙鐵的正確使用方法，然后開始搭建自己的實(shí)物圖并焊接。 在此次設(shè)計(jì)中我的放大器需要12V雙電源，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)臺(tái)上只有15V和18V可調(diào)電源，這顯然不能滿足我調(diào)試的需求。后來我想到了借助實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的九孔板和10K 的電位器搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的串聯(lián)電路，并由電位器分得12V電壓；再由18V可調(diào)電源輸出 12V電壓，這樣便完成了靜態(tài)所需雙電源的要求。借助實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的萬用表分別測(cè)得靜態(tài)工作點(diǎn)見表6 1,然后在逐漸增大輸入信號(hào)的同時(shí)微調(diào) 艮2和R來改善輸出波形。調(diào)試結(jié)果見圖6 3。由于分立元件的參數(shù)存在分散性，故差分放大器很難做到完全對(duì)稱，所以測(cè)得兩個(gè)管子的靜態(tài)不完全相同。但在誤差允許范圍內(nèi)是可以接受的。8.

19、設(shè)計(jì)的心得體會(huì)在這次的模電課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)模電有了更清晰的認(rèn)識(shí)，成功的運(yùn)用了書本知識(shí)。但是在一開 始看見題目的時(shí)候，還是比較頭疼的，不知道如何下手分析原理和進(jìn)行仿真調(diào)試，但是隨著慢慢的 摸索，查找相關(guān)資料并向老師請(qǐng)教。最后成功解決了問題并順利完成了本次設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)本身要求將這學(xué)期所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中去，在電路的設(shè)計(jì)過程 中，無形中加深了我們對(duì)模擬電路的認(rèn)識(shí)及運(yùn)用能力，對(duì)課本以及以前學(xué)過的知識(shí)有了一個(gè)更好的 總結(jié)與理解；平時(shí)的模電實(shí)驗(yàn)只是針對(duì)某一個(gè)小的功能設(shè)計(jì)，而此次課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的總體電路的 設(shè)計(jì)的要求更嚴(yán)格，這需要通過翻閱復(fù)習(xí)這學(xué)期學(xué)過的知識(shí)確立了實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)方案，然后逐步細(xì) 化進(jìn)行各模塊的設(shè)計(jì)，進(jìn)而一步步調(diào)試排除錯(cuò)誤。在整個(gè)過程中要求的是絕對(duì)的用心和細(xì)致，稍有 錯(cuò)誤，就很難在錯(cuò)綜復(fù)雜的線路中檢查出來，有時(shí)候就是一個(gè)小問題，卻會(huì)浪費(fèi)了我很多時(shí)間，這 印證了一句話“細(xì)節(jié)決定成敗！ ”不管做的題目有多么復(fù)雜或者多么簡(jiǎn)單，我們都應(yīng)該抱著一顆謹(jǐn) 慎細(xì)致的心去完成它，遇到困難不毛躁，一個(gè)個(gè)排除，一定會(huì)得到我們想要的結(jié)果的。雖然只有短短一周的課程設(shè)計(jì)，但是我有許多的感想，總結(jié)起來如下：萬丈高樓平地起，打牢 基礎(chǔ)是關(guān)鍵；實(shí)