[工学]模拟电子技术基础课程设计指导书

1《模拟电子技术基础》课程设计指导书一．课程设计的目的:1．通过实际课题的设计提高学生综合运用所学知识能力。2．学习电子工程师理想的设计工具PROTEUS电路仿真设计工具，熟悉PROTEUS软件基本操作，了解PROTEUS的电路仿真过程，学会绘制电路图，并能进行基本的仿真实验及性能分析。二．课程设计的题目课程设计题目分两类，一是综合设计性题目，该题目的目的是综合运用所学的知识，可在三个设计题目中任选其一。一类是基础性实验题目，此类题目目的是通过仿真实验进一步复习巩固模拟电子技术的基础理论，掌握主要单元电路的性能分析方法，为实际应用打下基础，可选1-2个实验进行仿真，按实验指导书完成设计报告。I．综合设计性题目：串联型直流稳压电源的设计水温测量与控制电路的设计数字逻辑电平测试仪的设计（任选其一）II.基础性实验题目：（II、III实验中任选其二，按实验指导书写出实验报告）实验一：单管交流放大电路实验二：反馈放大电路实验三：集成运算放大器的基本应用（一）实验四：集成运算放大器的基本应用（二）实验五：低频功率放大器（上述实验参阅模拟电子技术实验指导书）iii补充实验1.射极跟随器（参考附录1）2.RC正弦波振荡器（参考附录2）3.差动放大电路（参考附录3）2二、课程设计的要求：㈠设计课题1：串联型直流稳压电源的设计设计要求：在输入电压220V50HZ电压变化范围±10%条件下：①输出电压可调范围：+9~+12V；②最大输出电流：300mA;③测出设计电路的输出电阻(输入电压变化范围±10%下,满载)，并将输出电阻尽量减到最小。④测出设计电路的稳压系数(最低输入电压下,满载)，并将稳压系数减到最小。⑤学习PROTEUS的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行性能分析预习要求：①.复习串联稳压电源工作原理。②.查阅有关电路相关资料。③.确定设计方案、计算元器件参数满足设计要求。④预习PROTEUS仿真软件设计指导:在所有的电子电路和电子设备中,通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电.小功率直流稳压电源主要有电源变压器、整流电路、滤波电路、和稳压电路4部分组成。直流稳压电源的技术指标有：输入电压、输出电压、输出电流、和输出电压范围；质量指标有稳压系数、电压调整率、电流调整率、纹波电压等。1.设计参考电路3V1220V50Hz0DegD11N4148D21N4148D41N4148D31N4148C122000uF-POLR16.2kQ12SD1861Q22N3903R2270R3200R4200R5200_LINKey=A50%C2220uFJ1Key=BR6100910111214XMM18T2TS_POWER_10_TO_134513D6BZV60-B9V170F11_AMP122.测量输出电压变化范围①在电路空载的条件下，在输出端接电压表，用电压表测量电路的输出电压。②单击仿真开关，进行仿真分析。当电路处于稳态时，根据电压表的显示值，记录电路的输出电压。③调节电位器，观察输出电压的变化情况，记录输出电压的最大值和最小值。3．输出电阻的测量直流电源的输出电阻定义为：当输入电压不变时，由于负载变化引起的输出端直流电压变化量与输出电流变化量之比。在如图所示直流稳压电源电路，在R6支路串入电流表。单击仿真开关进行分析，电位器R5在50%处，输入电压Vi=220v不变的情况下,在开关K断开时,记录输出电压Vout;然后在开关K闭合时,测量输出电压Vout1和输出电流Iout.输出电阻Ro=IoutVoutVout1在工程中也常常用IO从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化量来表征这一性能，称电流调整率。4.稳压系数测定稳压电源稳压系数Sr的定义:当负载不变时,输出直流电压Vo的相对变化量与输入直流电压Vi的相对变化量之比。4该指标反映了电网电压波动的影响。所谓稳压电路的输入电压Vo是指整流滤波后的直流电压。由于工程上常常把电网电压波动±10%做为极限条件。因此，也有将此时的输出电压的相对变化做为衡量指标，称为电压调整率。保持负载电阻R6不变，调节稳压电路输入电压Vi,使输入电压在±10%的范围变化，观察输出电压波形，测试输出电压的变化值，计算出电路的稳定系数Sr。㈡设计课题2：水温测量与控制设计要求①水温测量,测量范围0～100oC②学习PROTEUS的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行分析扩展功能：在测温的基础上实现实时控制。控温精度：±1oC控温通道输出为双向晶闸管或继电器，一组转换触点为市电（220V10A）预习要求：①.复习集成运算放大器的线性区的应用(比例电路、比较器)。②.查阅AD590温度传感器的相关资料及典型应用.③查阅继电器相关资料，了解其工作原理及其应用。④预习PROTEUS仿真软件设计指导温度控制器是实现可测温度和控制温度的电路，通过对温度控制电路的设计、调试了解温度传感器的性能，学会在实际电路中的应用。进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。51.温度控制系统的基本原理温度测量与控制原理框图如图下所示。本电路有温度传感器，K-0C变换、控制温度设置、数字电压表（显示）和放大器等部件组成。温度传感器的作用是把温度信号转换成电流信号或电压信号，K-OC变换将热力学温度K转换成摄氏温度OC。信号经放大器放大和刻度定标后由数字电压表直接显示温度值，并同时送入比较器与预先设定的固定温度值进行比较，由比较器输出电平的高低变化来控制执行机构（如继电器）工作，实现温度的自动控制。U01被控对象温度传感器K--C变换放大器比较器控制温度设置执行机构数字电压表U02U03U04温度测量与控制原理框图2.AD590温度传感器简介AD590是单片集成感温电流源，具有良好的互换性和线性性质，能够消除电源波动，输出阻抗高达10MΩ。器件采用B-1型金属封装。其主要特征如下；1).流过器件的电流变化1µA,等于器件的热力学温度变化1K即转换当量为1µA/K。2）测量温度范围为-55℃～+150℃3）AD590的电源电压范围为4～30V。电源电压可4～6V范围变化，可承受44V正向电压和20V的反相电压，器件反接也不会被损坏。4.）精度高，AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。6AD590为电流型PN结集成温度传感器，其输出电流正比于热力学温度。0℃温度时输出电流为273.2µA，温度每变化1℃，输出电流变化1µA。由于生产是经过精密校正，AD590的接口电路十分简单，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便于安装和调试。3.单元电路参考设计⑴方案一：温度-电压变换电路温度-电压变换电路如图1。由图得出Uo1=(1µA/K)*R=R*10-6/K如R=10K则Uo1=10mV/K⑵K-℃变换电路因为AD590的温控电流值是对应热力学的温度K,而温控中需要采用摄氏温度℃由运算放大器组成的加法器可实现这一转换，参考电路如图2所示。其表达式满足如下关系：图1温度-电压变换电路图图2.K--℃变换参考电路UO2=-[211101RRfRRfU（-UR)]元件参数的确定和-UR的选取的指导思想是：0℃（即273K）时，UO2=0V。⑶放大器设计一个反相比例运算放大器，进行参数调整，使其输出Uo3满足10mv/℃。用数字电压表可实现温度显示。O1URAD590VCCR1R2Rf1RbA2U-UO1RUO27⑷温度比较电路温度比较电路由电压比较器组成，如图3所示。VREF为控制温度的设定电压（对应控制温度的），Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定控制温度的精度。图图3比较器电路图4继电器驱动电路继电器驱动电路如图4所示。当被测温度超过设定温度时，继电器动作，使触发器断开，停止加热；反之被测温度低于设置温度时，继电器闭合，进行加热。NPN型晶体管VT作为开关管用来驱动继电器线圈是否得电，从而控制加热装置达到控制温的目的。二极管VD的作用是继电器线圈断电瞬间，提供能量释放回路，防止击穿驱动晶体管VT。⑹测试要点用温度计测量传感器处的温度T(OC),若温度T=27OC(300K),取R=10K,则UO1=3V,调整UR的值使UO2=-270mV,若反相比例放大器的放大倍数为-10倍，则UO3应为2.7V。测量比较器的比较电压VREF的值,使其等于所要控制的温度乘0.1V。如设定温度为50℃，则VREF的值为5V。比较器的输出可接LED指示灯，在温度传感器加热（可用电吹风实现）到温度小于设定值钱LED一直处于点亮状态，反之，则熄灭。如果控温精度不良或过于灵敏造成继电器在被控触点抖动时，可改变电阻Rf2.方案二：温度测量电路也可以采用图5所示应用电路。R1Rf2RbA3UVO3REFUO4VTVDKVCCR5ac220VU048图5温度测量电路图5中AD590的输出电流I=(273+T)µA（T为OC），因此测量的电压U=(273+T)µA*10kΩ=2.73+T/100V,利用电压跟随器缓冲隔离，U=U2。由于一般电源供应较多器件之后，电源是带噪声的，因此可使用稳压管利用可变电阻分压调整，使U1=2.73V.使用差动放大器，其输出为UO=10(U2-U1))=T/10V。如果T=28OC,则输出电压为2.8V。㈢设计课题3:数字逻辑电平测试仪设计要求：①测试高电平、低电平，发出不同的声响。②测量范围：低电平＜0.8V,高电平＞3.5V，高低电平分别用1KHZ和800HZ.的声响表示；被测信号在0.8～3.5v之间不发声；工作电源为5V,输入阻抗大于20KΩ.③学习PROTEUS的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行分析预习要求：①.复习集成运算放大器组成的窗口比较器工作原理。②.查阅声响产生电路相关资料。U2R710KAD59012VR410KR310KR5100KR6100KA2UOR210K6VR11K+12V50KRW1U1=2.73VU9③确定设计方案、计算元器件参数满足设计要求。④预习PROTEUS教程设计指导：1.概述在数字电路测试、调试时和检修时，经常要对电路中的逻辑电平进行测试，采用万用表或示波器很不方便，而采用逻辑信号电平测试仪可以通过声音表示被测信号的逻辑状态，使用简单方便。图示电路为数字逻辑电平测试仪的原理框图，电路由输入电路、逻辑电平识别电路和声响信号产电路等组成。图12.各单元电路参考设计⑴输入及逻辑电平识别电路如图2所示，Ui是输入的被测逻辑电平信号，输入电路由电阻R1和R2组成，其作用是保证输入悬空时，Ui既不是高电平，也不是低电平。A1和A2组成窗口比较器，参考电压VH和VL有电阻分压获得。Ui输入电路逻辑电平识别电路声响信号产生电路数字逻辑电平测试仪的原理框图VBR4R3R5R6R1R2AVVCCVCCA1A210图2输入和逻辑识别电路比较器的逻辑电平比较功能表如表1所示，从比较器的输出状态就能判别输入逻辑电平信号的高低。表1逻辑电平比较功能表输入输出VAVBUi＜ＶL(＜ＶH)低高ＶL＜Ui＜ＶH低低Ui＞ＶH（VL）高低根据技术指标的要求，设输入端悬空时，Vi=1.4V(取VH=3.5V与VL=0.8V的中间值)，由Ui、VH、VL的值可以计算出R1、R2、R3、R4、R5、R6的值。输入电阻Ri=R1//R2≥20KΩ,R3、R4、R5、R6取值过大容易引起干扰，取值过小是会增大功耗。工程一般在几十至几百千欧。⑵声响信号产生电路如图3所示声响产生电路，主要有两个比较器A3和A4组成，其工作原理如图所示。图3音响产生电路1）当VA=VB=-5V(均为低电平)时，由于稳态时，电容C1两端电压为零，二极管VD1、VD2截止，电容C1无充电回路，而Up3=3V,即UP3＞UN3,故Uo输出为高电平。输出Uo通过电阻R9为电容C2充电，稳态时达到BR9R7R8AVA3A4VD1VD2VD3C1C23VUop3p4N3uN4uVuu11高电平，使UP4＞UN4，运算放大器A4输出