模电大型试验

上页下页模拟电子技术大型实验指导教师：章旌红联系电话：[phone]邮箱：[e-mail]上页下页实验主要内容按排理论讲课和使用Multisim8软件对由集成运放组成的方波-三角波电路电路进行设计仿真(8学时)元器件测试和安装和调试（10学时）电路主要参数的测试（2学时）课后完成实验总结报告上页下页0uouiUO+理想运放uo0uiUo+U0-Uim–Uim实际运放UO-一、比较器1.过零比较器上页下页vIvO-+A+VCC-VEEVREF2.单门限电压比较器因为电路只有一个门限电压，故称为单门限比较器。电压传输特性：vIVREF时，vOH=+VCCvIVREF时，vOL=-VEEvOVOHVOLvIOVREF理想实际上页下页3.迟滞比较器（2）门限电压:21OH221REF1TRRVRRRVRV21OL221REF1TRRVRRRVRV上门限电压下门限电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV上页下页传输特性:21OH221REF1TRRVRRRVRV21OL221REF1TRRVRRRVRV上页下页传输特性上页下页二、方波产生电路uT+=R1R1+R2UZUZR1R1+R2uT－=RRoDZR2uCuou+u-±UZR1C+-+12v-12v上页下页T1tot1t2uOuCUZu+Hu+L－UZtuCuO0RRoDZR2uCuou+u-±UZR1C+-+12v-12v上页下页T1tot1t2uOuCUZu+Hu+L－UZtuCuO0T2T=T2+T1=2RCln(1+2R1R2)Tf0=12RCln(1+=2R1R21)振荡频率：上页下页Rw2Rw1RRoDZRWuCuou+u-±UZR22C+-+12v-12vR11振荡频率：12021ln21RRRCf其中：R1=R11+Rw1R2=R22+Rw2实验中可通过调节电位器Rw（即改变R2/R1），也可通过改变R、C来实现振荡频率的调节．上页下页三、方波-三角波发生器滞回比较器与积分器首尾相连，形成正反馈闭环系统如图所示．比较器输出的方波经积分器可以得到三角波，三角波经滞回比较器形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器．由于采用运算放大器组成积分电路，因此可以实现恒流充电，使三角波的线性大大改善。CR2v0RR1RPvouA741uA7412374R+--+--上页下页CR2v02R3R1RP3vouA741uA7412374R+-+12v-12v+-+12v-12v方波-三角波发生电路12021ln21RRRCf改变R,C可以改变f0;改变VIN,也可以改变f0VIN上页下页四、压控方波-三角波信号发生器压控方波-三角波信号发生器(VoltageControlledOscillator)是一种将电压信号转换为频率信号的电路(V/F变换器)，发生器输出的频率信号与输人的电压大小之间有一定的关系。当输入电压是直流电压时，可制成频率可方便调节的信号源；当输入电压是正弦电压时，可制成调频振荡器；当输入电压是三角波电压时，可制成扫频振荡器。压控信号发生器的输出电压可以是正弦信号、脉冲信号或其他信号。本实验要求设计在输入直流电压控制下方波或三角波频率可调的电路：1）掌握由集成运算放大器组成压控方波-三角波发生器的方法。2）掌握由LM331组成压控振荡器的方法。1.实验目的:上页下页直流稳压电源双踪示波器万用表运算放大器LF411(或LM741)3块V/F转换芯片LM3311块二极管1N41484只电阻器、电容器若干2.实验设备与器件上页下页CR2v02R3R1RP3voA2A32374R+-+12v-12v+-+12v-12vVD4VD3+-+-+12vVD1VD2A1A4R5R6R4RP1RF1v013.由集成运算放大器组成的压控方波-三角波发生器原理图+VIN－上页下页4.实验原理1.由集成运算放大器组成压控方波-三角波发生器的振荡频率为：CRRRRf)(43120max02V方波的输出幅值为A2的输出饱和电压：max0221max0VRRV三角波的输出幅值为：上页下页A1为反相比例放大器，其电压增益为当Rf1=R4时，为反相器。4101RRVVfINA101INVVVA增加A1、A4电路后，被积分的电压由v02变为直流控制电压VIN，但由于A2的最大输出电压为定值，所以三角波的输出幅值不变，仍然为：但随着控制电压VIN的变化，三角波的上升、下降斜率发生变化，即振荡频率变化，从而实现了压控信号发生器的目的。max02Vmax0221max0VRRVA4为电压跟随器.上页下页电路原理图中RCTVdtVRCVRRVINTIN4140max0221max0即10max02max24INVTRVVRRC所以振荡频率为max021241VVRCRRTfIN因此，改变输入直流电压VIN的大小，可以实现方波或三角波频率的可调。上页下页五、由LM311组成压控方波-三角波发生器LMl3IA/LMl31、LM231A/LM231、LM331A/LM331是美国NS公司(NationalSemicon-ductor)生产的高精度V/F转换芯片，主要技术指标为最大线性度:0.01%满量程频率范围:lHz-lOOkHz供电电压:4-4OV上页下页LM331简化功能框图LM331的简化功能框图如图所示：主要由电流源、输入比较器、单脉冲定时器等几部分组成。上页下页LM331：引脚2为内部基准电流源，引脚3为频率信号输出端引脚4为接地端，引脚5为外接R/C端，引脚6为阈值电压端(一般和引脚1相连)，引脚7为控制电压信号输入端，引脚8为电源端。LM331引脚图上页下页LM331输入比较器的两个输入端，一个接输入电压VIN，一个接阈值电压VX，当时VINVX时，比较器启动单脉冲定时器，输出宽度为T0=1.1RtCt的脉冲信号，驱动晶体管，使其导通，同时由电流开关控制电流源向C２充电，使VX上升。当VX上升到VINVX时，电流源关断，定时器自动复位。此后，C２通过R2放电，VX逐渐下降，直至VINVX，比较器再次启动定时器，开始下一个循环，这样形成自激振荡。这种V/F转换器的输出频率与输入电压之间近似呈线性关系式中，A为电流源的电流。即该电路可以将输入的电压信号转换为频率信号。02rIRvfRIN上页下页预习要求1·复习教材中有关运算放大器构成的运算电路的相关内容，理解由集成运算放大器组成的压控信号发生器的工作原理。2·查阅LM331的相关资料，理解LM331的工作原理。上页下页1.MultiSim仿真电路u02u01u0A1A2A3A4V02V01实验内容上页下页电路搭建完成后，调节RP使控制电压VIN变化，在v02和v0端会有不同频率的方波、三角波产生。将R2固定在15kΩ时，理论计算振荡频率与输入电压之间的关系上页下页用示波器测量三角波的频率和幅值，填入表3-3-1，与理论值比较。振荡频率/HzVIN/V123仿真值理论值V02max/vv0max振荡频率/Hzv0max表3-3-1由集成运算放大器组成的压控方波发生器仿真数据表上页下页绘出一组仿真波形u0u02上页下页12348765UA741VCCVEE输出_+12V-12V调零端调零端集成运算放大器引脚图上页下页注意事项1.电路中各运放、芯片引脚正确连接,特别注意二极管的正负方向不能接反。2.运放的正负电源端不能接反。3.+12V,-12V,地是三个不同的端头,地不能和-12V接在一起上页下页2.用实际元器件搭建电路，将R2固定在15kΩ时，在不同输入控制电压下用示波器测量三角波的频率和幅值，填入表3-3-2，与理论值比较。VIN/V123仿真值理论值V02max/vv0max振荡频率/Hzv0max表3-3-2由集成运算放大器组成的压控方波发生器仿真数据表上页下页绘出示波器中三角波、方波实际电路波形：V02V0上页下页12348765LF353VCCVEE+_输出输出_+集成运算放大器引脚图有兴趣可用LF353代替UA741比较实验结果并分析上页下页3.搭建由LM331构成的压控方波-三角波发生器图3-3-4LM331组成的压控振荡器电路(10Hz-10kHz)LM331R2100KΩR347Ω5KΩ12KΩ{R5R110KΩf0C10.01ufR16.8KΩC10.1uf100kΩR110KΩ16784235+VCC(+12V)0.01ufVIN上页下页图中引脚2的R5用来调节LM331的增益偏差和由R1、C1、R2引起的偏差，以校正输出频率;引脚3必须外接负载电阻，一般为l0kΩ，所加电压VCC与后级被驱动电路所需的电平一致。若后级TTL器件，则VCC=+5V;引脚5外接单稳态电路的定时电阻和电容，其取值决定单稳态触发器触发产生的脉冲宽度T0;引脚6外接的R2、C2与R3串联可产生滞后效应，使输入比较器获得良好的线性度;引脚7接控制电压VIN，并增加R1、C1组成的低通滤波电路。上页下页按图3-3-4所示的电路参数，当输人电压由0-l0V变化时，可以获得l0Hz-l0kHz的输出频率。在不同VIN下，用示波器测量输出脉冲的频率，填入表3-3-3，分析输入电压与输出频率之间的关系。上页下页记录LM331组成的压控振荡器电路波形2～3组VC2V0上页下页表3-3-3由LM331组成的压控方波-三角波发生器实验数据表VIN/V258振荡频率测量值/Hz上页下页实验报告要求：1.简述图3-3-1和图3-3-4电路的工作原理及主要元件在电路中的作用。2.记录并整理实验数据，画出两个电路振荡频率f与控制电压VIN之间的关系曲线f=F(VIN)3.画出两个电路VIN下的方波、三角波信号波形，标明幅值、周期及相位关系，分析结果4.仿真电路与仿真波形图,相关参数表格记录和小结上页下页5.安装调试中所用仪器仪表（写明名称和型号），安装调试步骤，数据记录与处理以及安装调试过程中出现的问题及解决办法和总结6.由LM331组成的压控方波-三角波发生器原理与原理图，安装调试中所用仪器仪表（写明名称和型号），安装调试步骤，数据记录与处理以及安装调试过程中出现的问题及解决办法和总结7.分析讨论实验中出现的问题及排除方法上页下页例、仿真结果数据记录10max02max2RVVRVIN/V123仿真值理论值V02max/vv0max振荡频率/Hz表3-3-1由集成运算放大器组成的压控方波发生器仿真数据表2102max4INVRfRRCV上页下页图形记录上页下页VIN-f曲线f(HZ)VIN(V)仿真曲线理论曲线上页下页3·3.7思考题1.在图3-3-1中，当VD1;VD2的正向压降不同或R4≠Rf1时，对v0的波形有何影响?VD1、VD2的管压降对频率有何影响?VD1、VD2其中一只接反会产生什么影响?一只或两只断开又有什么影响?2·若A2的“+”、“-”端接反会怎样？