模电课程设计

苏州科技大学天平学院电子与信息工程学院模拟电子技术课程设计报告课设名称设计正弦波-方波-三角波发生电路学生姓名周妍智学号专业班级通信工程1422指导教师孙云飞年月日—年月日一、课程设计的目的，任务1、内容设计一个正弦波，方波，三角波发生电路或者任意两种波形的发生电路，分设计和仿真实验两部分分步完成。2、目的（1）掌握电子系统的一般设计方法；（2）掌握模拟IC器件的应用；（3）会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试，进一步完善理论设计；（4）通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用元器件的原则；（5）掌握模拟电路的安装\测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法，能分析实验中出现的正常或不正常现象(或数据)独立解决调试中所发生的问题；（6）学会撰写课程设计报告；（7）培养实事求是，严谨的工作态度和严肃的工作作风；（8）培养综合应用所学知识来指导实践的能力。二、设计所用软件Multisim13三、系统知识介绍1、正弦波产生电路原理1.1、正弦波振荡电路的振荡条件要产生正弦波，首先要有正弦振荡电路，即要有一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。正弦振荡波电路的振荡条件为：或1FA在上式中，仍设aAA，fFF，则可得1)(faAFFA，即1AFFA和,...2,1,0,2nnfa相位平衡和振幅平衡是正弦振荡电路产生持续真振荡的两个条件。值得注意的是，无论是负反馈放大电路的自激条件（1FA）或振荡电路的振荡条件（1FA）,都是要求环路增益等于1，不过，由于反馈信号送到比较环节输入端的+、-负号不同，所以环路增A.正弦波振荡电路的方案框图益各异，从而导致相位条件不一致。振荡电路的振荡频率0f是由式（,...2,1,0,2nnfa）的相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是0f。这就要求在FA环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。它可以设置在放大电路A中，也可以设置在反馈网络F中，它可以用R、C元件组成，也可以用L、C元件组成。用R、C元件组成选频网络的振荡电路称为RC振荡电路，一般用来产生MHzHz1~1范围内的低频信号；用L、C元件组成选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，一般用来产生MHz1以上的高频信号。欲使振荡电路能自行建立振荡，就必须满足1FA的条件。这样，在接通电源后，振荡电路就有可能自行起振，或者说能够自激。当输出达到一定幅值时，通过稳幅环节自动调整环路增益，使1FA，电路进入平衡状态。由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区（RC振荡电路）或接近线性区（LC振荡电路），因此在分析中，可以近似按线性电路来处理。1.2、RC正弦波振荡电路电路原理图正弦波的产生，可以选择RC正弦波振荡电路，还可以选择LC正弦振荡电路。如图为RC桥式振荡电路的原理图，这个电路由两部分构成，即放大电路VA和选频网络VF。VA为由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高输出阻抗低的特点。而VF则由1Z、2Z组成，同时兼作正反馈网络。由图a可知，1Z、2Z和1R、fR正好形成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥式振荡电路的名称即由此得来。首先分析RC串并联网络的选频特性，然后根据正弦波振荡电路的振幅平衡及相位平衡条件设计合适的放大电路指标，就可以构成一个完整的振荡电路。B.RC桥式振荡电路的原理图1.3、RC串并联选频网络的选频特性图a中用虚线框所表示的RC串并联选频网络具有选频作用，它的频率响应特性曲线具有明显的峰值。由图a有反馈网络的反馈系数为就实际的频率而言，可用js替换，则得如令RC10，则上式变为由此可得RC串并联选频网络的幅频响应及相频响应表达式200231vF和3arctan00f由上式可知，当RC10或RCff210时，幅频响应的幅值为最大，即而相频响应的相位角为零，即这就是说，当RC10时，输出电压的幅值最大（当输入电压的幅值一定，而频率可调时），并且输出电压是输入电压的31，同时输出电压与输入电压同相。根据上式画出了串并联选频网络的幅频响应及相频响应，如图C所示。1.4、振荡的建立与稳定C.RC串并联选频网络的频率响应由图C知，在RC10时，经RC选频网络传输到运放同相端的电压fV与0V同相，既有0f和0fa。这样，放大电路和由1Z、2Z组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件，因而有可能振荡。所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，将直流电源的能量变为交流信号输出。对于RC振荡电路来说，直流电源即是能源。那么自激的因素又是什么呢？由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括有RC10这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大，通过正反馈的选频网络，是输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，开始时，11RRAfv略大于3，达到稳定平衡状态时，3vA，31vF（RC10）。1.5、振荡频率与振荡波形前已提及，从正弦稳态的工作情况来看，振荡频率是由相位平衡条件所决定的，这是一个重要的概念。从上式可知，只有当RC10，0f，0a时，才满足相位平衡条件，所以振荡频率由上式决定，即RCf210。当适当调整负反馈的强弱，使vA的值在起振是略大于3时，达到稳幅时3vA，其输出波形为正弦波，失真很小。如vA的值远大于3，则因振幅的增长，致使放大器件工作在非线性区域，波形将产生严重的非线性失真。2、方波产生电路原理改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。D.双向限幅的方波产生电路方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。由于方波或矩形波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡电路。它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由fR、C组成的积分电路，把输出经fR、C反馈到比较器的反相端。在比较器的输出端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了一个如D图所示的双向限幅方波发生电路。由D图可知，电的正反馈系数F为在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于正饱和值，即zVv0时，加到电压比较器同相端的电压为ZFV,而加于反相端的电压，由于电容器C上的电压Cv不能突变，只能由输出电压比较器0v通过电阻fR对按指数规律向C充电来建立，如图E所示，充电电流为Ci。显然，当加到反相端的电压Cv略正于ZFV时，输出电压便立即从正饱和值（ZV）迅速翻转到负饱和值（ZV），ZV又通过fR对C进行反向充放电，如图B所示，充放电电流为Ci。直到Cv略负于ZFV值时，输出状态再翻转回来。如此循环不已，形成一系列的方波输出。图G画出了在方波的一个典型周期内，输出端即电容器C上的电压波形。设t=0时，Cv=ZFV，则2T的时间内，电容C上的电压Cv将以指数规律由ZFV向ZV方向变化，电容器端电压随时间变化规律为设T为方波的周期，当t=2T时，ZCFVTv2,代入上式，可得E.电容器C充电情况F.电容器反向充电情况对T求解，可得如适当选取1R和2R的值，可使F=0.462，则振荡周期可简化为CRTf2,或震荡频率为在低频范围（如kHzHz10~10）内，对于固定频率来说，用运放来组成图A、B所示电路尚可。当振荡频率较高时，为了获得前后沿较陡的方波，做好选择转换速率较高的集成电压比较器代替运放。通常将矩形波为高电压的持续时间与振荡周期的比称为占空比。对称方波的占空比为50%。如需产生占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容C的正、反向充电G输出电压与电容器电压波形图H.改变正、反向充电的一种电路图时间常数即可。实现此目标的一个方案是如图H的电路图。这样，当0v为正时，1D导通而2D截止，反向充电时间常数为CRf1；当0v为负时，1D截止而2D导通，正向充电时间常数为CRf2。选取21ffRR的比值不同，就改变了占空比。忽略二极管的正向电阻时，振荡周期为3、三角波产生电路原理产生三角波利用的是积分电路的原理。积分电路是一种常见的数学运算，这里讨论的是模拟积分。利用理想运放的特性有0Nv，0Ii，因此有iii21，电容C以电流RviI1进行充电。假设电容C初始电压00Cv，则上式表明0u与Iu的积分成比例，式中的负号表示两者相反，又称反相积分器。FCR1称为积分时间常数。当Iu为阶跃电压时，当积分电路的输入为方波时，电路将输出三角波。当输出信号Iv为图E中所示的阶跃电压时，在它的作用下，电容器将以近似恒流方式进行充电，输出电压0v与时间t呈近似线性关系，如图J所示。因此式中RC为积分时间常数。由图F可知，当t时，IVv0。当t，0v增大，直到omVv0，即运放输出电压的最大值omV受供电直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，0v保持不变，而停止积分，为解决这个问题，常在电容C两端并联一个电阻，该电阻限制了直流通路，构成一负反馈环，防止运放进入饱和状态。三、设计所用电路四、设计仿真结果五、总结1、元器件清单表表１元器件清单表类型规格数量备注电阻10kΩ6I.三角波发生电路J.积分电路的阶跃响应a.输入电压信号Iv波形b.输出电压0v波形51kΩ21.8kΩ11kΩ1电容10nF21.1μF1二极管3差分放大器3直流稳压电源+15V3-15V32、设计中发生的问题1）、在使用Multisim13制作电路图的过程中经常找不到元器件，因此花了大量时间在找元器件。2）、在使用Multisim13制作电路图连线的过程中有时会漏了一个节点从而使整个图发生错误。3）、在绘制完电路图开始仿真后发现并没有出现波形说明电路图有问题，检查发现有一些元件的参数有问题。4）、因为电路分三个部分，在三个部分的连接过程中会连错导致整个电路的错误，所以一定要小心谨慎。5）、有时一些元器件的参数设置不够精确。六、设计心得体会经过这次的课程设计，我对电子系统的一般设计方法，模拟IC器件的应用有所掌握，通过查阅手册和文献资料，熟悉了常用电子器件的类型和特性，同时，在这次设计中，我学会了综合应用所学知识来指导实践，因此，在这次课程设计中我收获良多。七、参考文献[1]康光华《电子技术基础模拟部分》高等教育出版社第六版2013年[2]