模电课程设计 报告

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1、上海工程技术大学上海工程技术大学 课程设计报告课程设计报告 课程设计名称：课程设计名称： 电子技术课程设计 专专 业业 班班 级级 ： 自动化 学学 生生 姓姓 名名 ： 学学 号号 ： 指指 导导 教教 师师 ： 课程设计时间：课程设计时间： 2012/12/28 2 目目 录录 0 引言 . 3 1 设计任务及要求 . 3 2 设计方案 . 4 2.1 设计思路 . 4 2.2 设计原理 . 7 2.3 芯片的原则 10 2.4 参数设计 13 2.5 附加功能设计 . 14 3 电路的仿真分析 15 4 制作与调试 17 4.1PCB 板的仿真制作 . 17 4.2 电路的焊接调试. 1

2、9 5 思路拓展 24 6 心得体会 25 7 参考文献 27 8 附录 27 3 由集成运放组成的波形发生器设计由集成运放组成的波形发生器设计 0 引言 对于一个电子产品来说，无论从构思、设计、到选材、制作、调试的过程所 涉及的知识面都很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不 断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、 制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作的我们来说， 了解并实践一下电子产品的设计、制作的基本过程是很有必要的。 1 设计任务及要求 利用集成运放组成电路设计方波三角波正弦波函数信号发生器 1.设计、组装、调试函数

3、发生器 2输出波形：正弦波、方波、三角波； 3频率范围 ：在 1010000Hz 范围内可调 ； 4输出电压：方波 U24V，三角波 U8V，正弦波 U1V； 要求提供：用集成运放设计原理图， 参数的计算，仿真波形，提供实物模 型。 关于函数发生器，一般指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电 路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函 数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。函数信号发生 器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。 现在我们通过对函数信号发生 器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们 通过对电

4、路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要 求的前提下保证经济、 方便、 优化的设计策略。 按照设计的方案选择具体的原件， 焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与最 初的设计要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。 2 设计方案 4 21 设计思路 依据题目要求本课题需利用集成运放并且先产生方波三角波， 再将三角波 变换成正弦波的设计方法设计波形发生器， 可采用多种方法来实现波形间的相互 整流， 由于题目要求先利用电路的自激震荡产生方波，所以下一步可以利用积分 器来将方波整形成三角波，所得三角波可以利用查分放大法（如图 2 所

5、示） 、折 线法（如图 3 所示） ，低通滤波器法（如图 4 所示）等方法进行整形，然而每种 方法都有各自的优点和不足。 首先，对于差分放大器，具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等 优点，特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低 的三角波变换成正弦波， 波形变换的原理则是利用差分放大器传输特性曲线的非 线性， 然而在仿真时发现差分放大法得到的正弦波输出非常受方波震荡频率的影 响，要想使正弦波的峰峰值达到 U1V，则需要原件参数很不符合实际，考虑 到最终元件的限制以及差分放大电路对焊接技术的较高要求所以最终放弃； 其次 利用了折线法对三角波进行整形分析，根据正弦波

6、与三角波的差别，将三角波分 成若干段，按不同比例衰减，就可以得到近似于正弦波的折现化波形，折线法的 优点是不受输入电压频率范围的限制，便于集成化，缺点是反馈网络中电阻的匹 配比较困难，得到的波形不太理想；所以最终选择了利用低通滤波器来达到题目 的要求， 虽然低通滤波器的缺点是所要求三角波波形为固定频率或者频率变化范 围很小，但是最后还是利用分不同档级的方法拓宽了它的可实现频带，达到了题 目要求。 所以在经过所有综合因素的考虑后， 最终选定了利用低通滤波器的方法来实 现将三角波整形成正弦波，函数发生器电路组成框图如图 1 所示。 设计开头由滞回比较器和积分器组成方波三角波产生电路， 滞回比较器输

7、 出的方波经积分器得到三角波， 最后三角波到正弦波的变换电路主要由低通滤波 器来完成。 5 图 1 函数发生器电路组成框图 图 2 查分放大法电路原理图 6 图 3 折线法电路原理图 图 4 低通滤波器法电路原理图 7 22 设计原理 图 5 方波、三角波发生电路 在如图 5 所示方波、三角波发生电路中，左边为同相输入滞回比较器，右 边为积分运算电路，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接 基准电压，即 U-=0，同相输入端接输入电压，R1 为平衡电阻。比较器的输出 Uo1 的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vcc, 当比较器的 U+=U-=0 时，比较器翻转

8、，输出 Uo1 从高电平跳到低电平-Vcc,或者从低电平 -Vcc 跳到高电平 Vcc。则滞回比较器的输入电压是积分电路的输出电压 U02， 根据叠加原理，集成运放 U1 同相输入端电位 令，因为方波的幅度应等于电源电压+Vcc,所以 则阈值电压 右侧运放 U2 与 R4、RP2、C1 及 R7 组成反相积分器，其输入信号为方波 Uo1， 8 则积分器的输出 Uo2 为 所以， 比较器与积分器首尾相连， 形成闭环电路， 积分器的输入为方波时， 输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图 7 所示，三角 波的幅度为 ，方波-三角波的频率 f 为,故可知方波的输出幅度等于电源电压 V

9、cc，三角波的输出幅度不会超过电源电压 Vcc ，并且电位器 RP1 可实现三角 波的幅值调节，但也会影响方波-三角波的频率；电位器 RP2 在调整方波-三角 波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度，可实现对方波、三角波频率的调 节，若要求输出频率的范围较宽，可用 C2 改变频率的范围，PR2 实现频率微 调。 图 6 滞回比较器原理图 图 7 方波-三角波积分变换 在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下， 可以考虑采用低 通滤波（或带通滤波）的方法将三角波变为正弦波，电路框图如图 8 所示，输 入电压和输出电压的波形如图 9 所示，U0的频率等于 U1基波的频率，将三角波 按傅里叶

10、级数展开 其中 Um是三角波的幅值，根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三 角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率， 所以由于题目要求频带范围较窄， 故电路的后半部分采用低通滤波器整流,如图 10 所示，其传递函数 9 用 j 取代 s,且令,得出电压放大倍数,式中 f0为特征频率，令 f=0,可得通带放大 倍数,当 f=f0时， ，故通可得带截止频率 fp=f0。 图 8 低通滤波器电路框图 图 9 低通滤波器波形分析 由于一阶低通电路可整流波形频带较窄，为了符合 10Hz10KHz 的题目要 求,故采用分档位法来展宽其频带， 所以最终利用 multisim 仿真电路如图 4 所

11、示。 图 10 一阶低通电路原理图 10 23 芯片的选择 电路中一共采用了 3 片集成运放，开始选用 741 运放作为实验运放，但是 利用protues仿真发现其在高频段方波失真严重， 变为梯形波(如图11所示)， 三角波随之也失真， 查资料发现是由741 运放性能很差造成的，其转换速率很低， 仅为 0.5V/us，如果方波是高频大幅度的波形，输出波形则会失真，转换速率决定着运放 在大幅度应用时的最高工作频率，所以随后采用高速宽带运放 LMH6609MA 代替它解决 了这一问题。 图 11 采用 741 运放波形失真 图 12 741 运放参数资料 11 图 13 741 运放管脚资料 图

12、14 LMH6609MA 运放管脚资料 图 15 LMH6609MA 运放内部参数资料 12 图 16 LMH6609MA 运放管脚资料 由于当时可能零买不到 LMH6609MA 运放， 所以最后采取了两个运放可替换式 PCB 板设计。 24 参数设计 方波方波-三角波转换电路参数设计三角波转换电路参数设计 比较器 U1与积分器 U2的元件计算： ； 区平衡电阻取 由, 故： ； 取值不变，取 C3=1uf； 13 取值不变，取 C2=0.1uf； 取值不变，取 C1=0.01uf； 三角波三角波-正弦波转换电路参数设计正弦波转换电路参数设计 由于低通滤波器输出通带放大倍数 U，而正弦波的输入

13、电压受频率的影响， 故通过仿真实验测得数据 R7=100K，R8=1M时，放大倍数约为 11 倍时，可以 保证在可调范围内达到，平衡电阻 R6取 100K。而为了一一对应其三个窄的 频段，低通滤波器设计了三个电容可分档位进行调节： 25 附加功能设计 电路在方波-三角波阶段增加了锯齿波发生器功能， 如果积分电路正向积分 的时间常数远大于反向积分的时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向 积分的时间常数，那么输出电压 U02上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯 齿波。利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不通，就可以 得到锯齿波发生电路。 图 17 锯齿波发生器电路框图 14 图

14、 18 锯齿波发生器输入电压和输出电压的波形 3 2 6 74 1 5 U2 741 3 2 6 74 1 5 U3 741 R110k R210k R320.0K R4 5.1K R7 100K R8 1M R5 100K R6 100K D2 DIODE D1 DIODE C3 1u C1 0.01u C2 0.1u C3A 1u S1 SW-SPDT A B C D 56% RP3 100k 93% RP1 100k 100% RP2 100k U1(V+) U1(V-) S2 SW-ROT-3 S3 SW-ROT-3 3 2 6 74 U1 LMH6609MA C2A 0.1u C1A

15、 0.01u 图 19 protues 仿真实验电路图 3 电路的仿真分析 15 图 20 protues 仿真波形频率上限测量 图 21 protues 仿真波形频率下限测量 调节 Rp1使三角波输出为 U=8V， 调节 Rp2与电容 C1、 C2、 C3， 并且保证 可 得其最大频率为fm=Hz=13.175kHz （如图18所示） ， 其最小频率为fm=Hz=9.775Hz， 故所得波形频率范围为 9.775Hz13.175kHz,符合题目要求，拓展部分锯齿波如下 图所示： 16 图 22 protues 仿真波形锯齿波测量 4 制作与调试 4.1 PCB 板的仿真制作 在 PCB 板电路模拟图绘制过程中， 由于一些实物元件在 protues 库中找不 到， 或者 protues 中的一些元件在市场上很难买到， 所以最后选定所有元件后， 利用类似封装的元件重新画了 protues 图进行 PCB 板的生成， 并且考虑到了电 路板的外接输出和输入端口的设计，增加了 6 个排母，由于 PCB 板绘制过程中 LMH6609MA 运放还没有买到，所以在电路板上画出了 741 替代电路，即两个运 放可替换，防止最后由于元件的问题重画电路板。 17 3 2 6 74 1 5 U2 741 3 2 6 74 1 5 U3 741 R110k R210k