模电课程设计三角波正弦波变换设计.docx

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1、目录1 设计要求22 总体方案23 设计原理3 3.1 总体电路图33.1.1 硬件电路分析33.1.2 差分式放大电路43.1.3 镜像恒流源电路43.2 设计所用软件简介54 原理分析与计算55 电路的仿真分析及结果66 实物连接与调试结果87 此次设计过程中所遇到的问题及解决措施118 设计的心得体会129 参考文献121. 设计要求在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析和确定它们的性能参数。而波形发生器是它们中一种更为常用的信号源

2、，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次课程设计应用所学电路设计构成可由生三角波变换为正弦波。可根据需要对该正弦波进行利用或者是进一步处理。在本设计方案中，三角波正弦波的变换电路主要由差分式放大器来完成。差分式放大电路的工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强，可以有效的抑制零点漂移。利用差分放大器可将低频的三角波转换成正弦波。波形变换是利用差分放大电路的非线性特性。2.总体方案三角波正弦波变换设计有以下两种种方案：1) 由三角波的傅里叶级数可知，它含有基波和3、5次等基次谐波，因此可以通过低通滤波器除去基波，滤出高次谐波，可将三角波转换为正弦波。三角波低通滤波电路正弦波图212

3、) 三角波正弦波变换电路课采用非线性有源电路形成法即利用差分式放大电路来实现。三角波差分放大电路正弦波图22输入电压和输出电压波形如图23所示：图23上述方案的优缺点：优点：对于方案一所需元器件少，节约了成本，更重要的是利于焊接和调试；对于方案二可适用于不同频率条件，正好弥补了方案一的缺点。缺点：方案一只适合固定频率或者频率变化很小的场合；方案二中所需元件较多，焊接与调试有一定难度。此次设计我采用方案二，利用BJT射极耦合差分放大电路的单端输入和单端输出和BJT镜像电流源来实现。3. 设计原理3.1总体电路图图31 硬件电路分析分析表明，传输特性曲线的表达式为：式中;为差分放大器的恒定电流；为

4、温度的电压当量，当室温为时。根据理论分析，如果差分式电路的差模输入信号为三角波，则与的波形近似为正弦波。因此，单端输出电压也近似于正弦波，从而实现三角波正弦波的变换。且差分式放大电路传输特性曲线的线性区越窄，其输出波形越接近于正弦波。如图31所示得电路中，用于调节电路的对称性，使得差分式放大电路的传输特性的线性区变窄。电容、分别为隔直电容和滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形。差分式放大电路图32此次设计中，差分式放大电路采用单端输入单端输出的电路形式，实际电路中四只晶体管选用集成电路的差分对称管双三极管S3DG6（仿真电路中选用2N222替代）。直流电源去，。镜像恒流源电路图33由于差分式

5、放大电路的静态工作点由恒流源决定，故镜像恒流源电路是为了获得。一般为一毫安或者几毫安，这里设定的值为。3.2设计所用软件简介因为我比较熟悉和擅长使用multisim系列电力电子仿真软件，所以此次设计所用仿真软件为multisim12。multisim12是美国国家仪器*推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。12.0是目前该软件的最高版本，现在已经成功破解，并且完全汉化，用户可放心使用，下面附带详细安装图文教程。软件包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，再结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电

6、路进行设计和验证。凭借multisim12.0汉化破解版，用户可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabEW和SignalE*press软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。multisim12的专业特色：1、模拟和数字应用的系统级闭环仿真配合Multisim和LabVIEW能在设计过程中有效节省时间。2、全新的数据库改进包括了新的机电模型，AC/DC电源转换器和用于设计功率应用的开关模式电源。3

7、、超过2,000个来自于亚诺德半导体，美国国家半导体，N*P和飞利浦等半导体厂商的全新数据库元件。4、超过90个全新的引脚精确的连接器使得NI硬件的自定制附件设计更加容易。4. 原理分析与计算对于典型的差分式放大电路的传输特性：它的输出电压（电流）与输入电压之间的关系符合双曲正切函数的变换规律。在本次设计中，当输入信号三角波的正负峰峰值正好对应于差分式放大管的截止电压时，晶体管集电极电流接近于正弦波。如图31，因为输入信号三角波的频率不太高，所以隔直电容取得较大，这里取；电容起着滤波的作用，其大小视输出波形而定，若含高次谐波成分较多，则课取得较小，一般为几十皮法至几百皮法，本次设计中取。与想并

8、联，以减小差分式放大电路的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源决定（如图33）.因为越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越大。但是也不能太小，这里取，则，从而可求得晶体管的输入阻抗为保证差分放大电路有足够大输入电阻，去，根据得，故取。因为要求输出正弦波的峰峰值大于，所以应该使差分放大电路的电压放大倍数。根据，可求得电阻，进而选取。对于恒流源电路，其静态工作点及元器件参数计算如下；发射极电阻一般取几千欧，这里选择，所以。在原理图（图31）中用一个的电位器和一个的电阻来替代。5. 电路的仿真分析及结果利用multisim12完成原理图的搭建并检查无任何错误后，开始进行仿真。第一步

9、，由信号发生器（Function Generator）输出幅值为30mVpp，频率为100Hz的正弦波加到放大电路的输入端（其目的是检查差分式放大电路的工作状态），用示波器观察输出波形，如下图：图51图51表明目前差分放大电路的各个器件的参数选择合理且工作在线性区。第二步，由信号发生器（Function Generator）输出幅值为30mVpp，频率为100Hz的三角波加到放大电路的输入端，用示波器观察输出波形为三角波。在频率不变，逐渐增大幅值的条件下，用示波器观察输出波形。在时的波形如图52、图53和图54（注：标注有小三角形的曲线为输出波形）；图52图53图54由以上三*图可知，当较小时

10、，放大电路仍然工作在线性区；随着的增大其静态工作点逐渐向非线性区移动；若太大则输出波形有明显失真现象。综上所述，当时，静态工作点刚好进入非线性区，输出波形逼真于正弦波。6. 实物连接与调试结果图61、62和63分别为电路板的正面照片、反面照片和电路板调试后的效果图照片。图61图62图63（注：三角波为输入波形，正弦波为输出波形）对比图53和63可知，在误差允许*围内实际电路板的输出波形与仿真所得到的波形基本吻合，符合此次课程设计要求。调试测得静态工作点见表61：静态电流恒流源静态电压表617. 此次设计过程中所遇到的问题及解决措施在此次课程设计中，我遇到了一下几个问题：1 仿真出错，得不到理论

11、上的转换。2 拿到电路板和元器件后不知所措。3 焊好电路板后，双电源哪里来以及怎么调试实际电路。解决措施如下：1 在对电路原理进行初步仿真时，不能得到理论分析所得的波形；在和同组成员一起讨论后仍然没有找到解决方法。最后我决定请教杨老师，经过杨老师的仔细分析和调试发现初始原理图存在严重的不对称性（由输入端口串接的限幅电路造成）和过宽的线性区（因射极电阻太大），造成了输出信号失真和放大器不能及时过渡到非线性区。在经历了电路元件参数的重新计算和了仿真调试后，我决定删掉原有的限幅电路（输入信号的幅值在信号发生器上手动调节）；射极电阻的阻值由调为（随着输入信号幅值的增加，使放大器迅速过渡到非线性区）。在

12、经过了上诉措施后，重新仿真调试得到了预期的变换波形。2 因为是第一次做课程设计，在实物的布局和各个元件之间的走线情况都不知所措，也不知道焊烙铁的正确使用方法；即便我已经透彻的理解了此次设计的工作原理。进入焊接室我参照了里面成形的电路板，学习了其实物布局和走线，并对比自己的原理图；请教了实验室有焊接技术基础的同学，学习了焊烙铁的正确使用方法，然后开始搭建自己的实物图并焊接。3 在此次设计中我的放大器需要双电源，因为实验台上只有和可调电源，这显然不能满足我调试的需求。后来我想到了借助实验台上的九孔板和的电位器搭建一个简易的串联电路，并由电位器分得电压；再由可调电源输出电压，这样便完成了静态所需双电

13、源的要求。借助实验台上的万用表分别测得静态工作点见表61，然后在逐渐增大输入信号的同时微调来改善输出波形。调试结果见图63。由于分立元件的参数存在分散性，故差分放大器很难做到完全对称，所以测得两个管子的静态不完全相同。但在误差允许*围内是可以接受的。8. 设计的心得体会在这次的模电课程设计中，我对模电有了更清晰的认识，成功的运用了书本知识。但是在一开始看见题目的时候，还是比较头疼的，不知道如何下手分析原理和进行仿真调试，但是随着慢慢的摸索，查找相关资料并向老师请教。最后成功解决了问题并顺利完成了本次设计。课程设计本身要求将这学期所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形

14、中加深了我们对模拟电路的认识及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；平时的模电实验只是针对*一个小的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，这需要通过翻阅复习这学期学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计，进而一步步调试排除错误。在整个过程中要求的是绝对的用心和细致，稍有错误，就很难在错综复杂的线路中检查出来，有时候就是一个小问题，却会浪费了我很多时间，这印证了一句话“细节决定成败！”不管做的题目有多么复杂或者多么简单，我们都应该抱着一颗谨慎细致的心去完成它，遇到困难不毛躁，一个个排除，一定会得到我们想要的结果的。虽然只有短短一周

15、的课程设计，但是我有许多的感想，总结起来如下：万丈高楼平地起，打牢基础是关键；实践需要强大的理论基础作支撑；实际运用与理论知识之间差一个动手能力。对一个工科学生而言，在对理论要求的同时也需要锻炼自己的动手能力。动手的过程需要的是细致，耐心，准确。不要把这个过程当作是一个机械的操作，而是要带着自己的设计思想，在思考中行进。不怕做的慢，因为熟能生巧，多多练习即可加强熟悉程度。虽然此次并没有在这个过程中遇到很大的困难，但是实际当中，动手能力是我们急需加强的一项技能。本次课程设计还让我们认识到要有取有舍，考虑最适合而不是最优。比如，对初始电路中限幅电路的删减。在理论上我们期望最优，而在实际的步骤中，就

16、需要我们进行取舍，留下什么，去掉什么，都是要求我们认真考虑的，我坚持的一个原则就是，从整体上考虑，在无法避免的情况之下，可以牺牲部分模块的完备性来保证整体的实现和优化。当然，如果能够找到一种替代的方案或者模块，是最理想不过的了。总的来说，本次课程设计很成功。使我对模拟电子技术这门课有了进一步了解。第一次把课堂上学到书本知识灵活的应用到了实际操作当中，同时，这让我更深刻地认识到做事要细心、耐心，学会发现问题，敢于面对问题，积极解决问题。这才是最大的收获。而从小的方面来说，通过此次的模电设计，能够很好的理解到这个课程，也为以后的数字电路基础、电力电子技术等课程的学习奠定了基础。9. 参考文献【1】康华光，电子技术基础模拟部分（第六版），：高等教育，2013年12月。【2】童诗白，华成英，模拟电子技术基础（第三版），：高等教育，2001年。