毕业设计（论文）-南京理工大学EDA设计（Ⅰ）实验报告.doc

EDA 设计 （I） 实验报告 - 41 -南 京 理 工 大 学EDA设计（）实验报告作 者:学 号：学院(系):自动化专 业:自动化 指导老师： 实验日期： 2010 年 10 月摘 要此次EDA实验虽然只进行了一周，但我感觉自己受益颇多，四个小实验虽不是很大很难的工程，但仍然有一翻学问在里面。运用学过的知识接触了新的软件，将学与用结合在一起，更加客观的了解到平时学习过程中接触到的一个个字符一般的元器件和电器具的特性功能。同时，软件实验有一个好处便是仿真，可以随时根据自己的要求改变设计电路的细节，不必动辄浪费元件，但是在实验之前仍然需要深思熟虑，充分考虑好设计的电路是否实用和经济。在实验过程中也不可掉以轻心，抱着侥幸的心理对实验的精确度潦草应事，否则便会影响实验的精确度，是实验误差偏大，从而在追求真理的道路上困难重重。因此每做一个实验之前，我都要事先准备好实验内容，熟悉实验要求，掌握实验所涉及的元器件和知识。这样，做实验时才不会手忙脚乱，一无所知。同时，带着问题来做实验，收获也是不一样的。我想仿真实验就是一次次的不断精益求精。 关键词 优化电路 预习 EDA仿真实验 元器件工作原理目 录实验一 单级放大电路的设计与仿真3一、实验目的3二、实验要求3三、实验步骤31、电路的饱和失真和截止失真分析42、三极管特性测试73电路基本参数测定8四、实验小结12实验二 差动放大电路的设计与仿真13一、实验目的13二、实验要求13三、实验步骤131、电路的静态分析142.电路电压增益的测量19四、实验小结23实验三 负反馈放大电路的设计与仿真24一、实验目的24二、实验要求24三、实验步骤241.负反馈接入前后放大倍数、输入电阻、输出电阻的测定272负反馈对电路非线性失真的影响29四、实验小结32实验四 阶梯波发生器电路的设计33一、实验目的33二、实验要求33三、电路步骤331.方波发生器342.微分电路353.限幅电路364.积分电路375.比较器及电子开关电路38四、实验小结39结论40参考文献40实验一 单级放大电路的设计与仿真一、 实验目的1.掌握放大电路静态工作点的调整和测试方法；2.掌握放大电路的动态参数的测试方法；3.观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。二、 实验要求1. 设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率10kHz(峰值1mV) ，负载电阻3.9k，电压增益大于70。2. 调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。3. 调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，使电路输出信号不失真，并且幅度最大。在此状态下测试： 电路静态工作点值； 三极管的输入、输出特性曲线和b 、 rbe 、rce值； 电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；电路的频率响应曲线和fL、fH值。三、实验步骤1、单级放大电路原理图 如图1-1所示。 电阻、和滑动变阻器组成分压偏置器，调节滑动变阻器的阻值就可以改变三极管的静态工作点。图1-1 单级放大电路原理图2、电路饱和失真输出电压波形图调节电位器的阻值改变静态工作点，当电位器的阻值为5%Rw时,显示饱和失真的波形如下，如图1-2所示，电路出现饱和失真时的波形，图1-3是所对应的静态工作点值。结合图1-1可以计算出静态工作点的各个参数：， ， 图1-2 饱和失真输出电压波形图图1-3 饱和失真的静态工作点值3、截止失真输出电压波形图当交流电压源为10mv时，电位器的阻值为95% Rw时，显示截止失真图形如图1-4所示，图1-5所示的是电路处在截止失真状态下的静态工作点的值。结合图1-1中的电路，可以计算出：， ， 图1-4 截止失真输出电压波形图图1-5 截止失真的静态工作点值4、最大不失真输出电压波形图调节滑动变阻器，并不断观察输出端示波器上的波形，在滑动变阻器划片位于50%的位置时可以得到最大不失真波形，如图1-6所示。图1-7所示的即为所对应的静态工作点，计算得：， ， ， 图1-6 最大不失真波形图图1-7 最大不失真的静态工作点值5、三极管特性测试（1）输入特性曲线在绘制三极管输入特性曲线，会用到Multisim的直流扫描分析，软件要求物理量、为直流源，故需要重新连接电路。将处于最大不失真工作状态的三极管复制出来，按照其直流工作点赋予其、等效直流源电压值。最终电路如图1-8所示。图1-8绘制三极管输入特性曲线的实验线路图再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即时的输入特性曲线（如图1-9所示）。由公式得，。图1-9计算时所绘制的输入特性曲线（2）输出特性曲线与绘制输入特性曲线一样，绘制输出特性曲线时亦需要重新连接电路。此时的两个直流源代表的物理量为和。重新连接的电路图如下图1-10所示。图1-10绘制三极管输出特性曲线的实验线路图再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即时的输出特性曲线（如图1-11所示）。由公式得，。由公式得，。图1-11 计算时所绘制的输出特性曲线6、在最大不失真情况下电路基本参数测定（1）放大倍数测定图1-12所示的是电压放大倍数的测量电路。由数据计算得由电路1-1可得，放大倍数的理论值计算为可见理论值与实际测量值比起来还是有所误差。图1-12电压放大倍数测量电路（2）输入电阻的测定图1-13所示的是输入电阻测量电路。由数据计算得由电路1-1可得输入电阻理论值应为图1-13输入电阻测量电路（3）输出电阻的测定测量电路如图1-14所示。由数据计算得：由电路1-1可得，输出电阻理论值为图1-14输出电阻测量电路（4）频率特性仿真利用Multisim软件中的交流仿真分析，对电路中的5节点进行交流分析。可以轻松的得到电路的幅频和相频特性曲线，如下图1-15所示。从特性图上可以看出的最大值，即max y为40.7224，用max y的值减去3即得到上下限频率。由此可得，下限频率，上限频率，通频带为974.3896Hz。图1-15 幅频和相频特性曲线四、实验小结 整个实验做出来却发现误差很大，我分析原因是因为我在调试电路时不很精确导致，比如要求饱和失真，我调节滑动变阻器时却有种得过且过的心态，认为有一点失真也算达到实验目的了，结果测量值偏离理论值很多。第一次实验给我一个教训，做实验千万不能马虎了事，抱着侥幸心理，往往给实验带来很大误差。影响实验数据，从而远离了追求真理的道路。实验二 差动放大电路的设计与仿真一、实验目的1.掌握两种差动放大电路（长尾差动放大电路和带有恒流源的差动放大电路）的静态工作点的调试方法；2.掌握两种差动放大电路的差模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法。了解差模电压放大倍数的频率特性，观察交流参数的特点；注意比较两种差动放大电路差模输入时的各自特点；3.掌握两种差动放大电路的共模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法。了解共模电压放大倍数的频率特性，观察交流参数的特点；注意比较两种差动放大电路共模输入时的各自特点。二、实验要求1. 设计一个带射极恒流源(由三极管构成)的差动放大电路，要求空载时的AVD 大于20；2. 测试电路每个三极管的静态工作点值和b 、 rbe 、rce值；3. 给电路输入直流小信号，在信号双端输入状态下分别测试电路的AVD、AVD1、 AVC、 AVC1值。三、 实验步骤1、差动放大电路原理图（图2-1为双端差模输入双端输出的电路）图2-1差动放大电路原理图实验要求电路空载时的要大于20。故在实验前需要测量空载时差模输入双端输出的电压增益。由数据计算得：，符合要求，可以继续进行下面的实验。2、各三极管的静态工作点分析（1）Q1、Q2的静态工作点值和、值测定。由于差动放大电路左右完全对称，两个三极管的静态工作点完全相同，故进行静态分析时，只需要求解一个管子就可以了。如图2-2所示。使用Multisim软件的直流分析功能求解静态工作点。图2-2 Q2输出静态工作点值由数据计算得：， ， ， 测量输入时的，需要用到直流扫描分析功能，故仍需要重新连接电路，将和转变成直流源，如图2-3所示。图2-3描绘Q2的输入特性曲线的电路图通过对图2-3中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输入特性曲线，如图2-4所示。由公式得， 图2-4 Q2输出的三极管输入特性曲线同理，在测定时，也需要重新连接电路，将和转化为直流源，电路如图2-5所示。图2-5描绘Q2的输出特性曲线的电路图对图2-5中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输出特性曲线，如图2-6所示。由公式得，。图2-6 Q2输入的三极管输入特性曲线（2）Q3的静态工作点值和、值图2-7 Q3输出静态工作点值由数据计算得：， ， ， 测量输入时的，需要用到直流扫描分析功能，故仍需要重新连接电路，将和转变成直流源，如图2-8所示。图2-8描绘Q3的输入特性曲线的电路图通过对图2-8中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输入特性曲线，如图2-9所示。由公式得， 图2-9 Q3输出的三极管输入特性曲线同理，在测定时，也需要重新连接电路，将和转化为直流源，电路如图2-10所示。图2-10描绘Q3的输出特性曲线的电路图对图2-10中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输出特性曲线，如图2-11所示。由公式得，。图2-11 Q3输入的三极管输入特性曲线3、差模输入双端输出的电压增益测量电路如下图2-12所示，由数据计算得图2-12差模输入双端输出电压增益的测量电路4、差模输入单端输出的电压增益测试单端输出的电压增益时，先将两端电压源置零，然后对2节点进行直流分析，分析静态工作点值，如下图2-13。图2-13 差模输入单端输出电压增益的测量电路（2节点静态工作点）接着恢复原电路图，对2 节点的电压进行测量。如图2-14图2-14差模输入单端输出电压增益的测量电路（测量值）5、共模输入双端输出的电压增益测量电路如下图2-15所示，由数据计算得图2-15共模输入双端输出电压增益的测量电路6、共模输入单端输出的电压增益测量方法和差模输入方法一致，见图2-16和2-17。对2节点静态工作点分析图2-16共模输入单端输出电压增益的测量电路（2节点静态分析）图2-17共模输入单端输出电压增益的测量电路(测量值)四、实验小结本次试验中，问题最大的就是差模和共模的单端输出电压增益的测量方法，一开始我将电路两端对称的电压源置零，测量负载两端电压值，然后再将电压源连接至电路中，再次测量负载两端电压值，然后将两值相减。但是往往这两种方法得到的电压值基本相同，相减后数值为零。为了得到更加精确的数据，我对三极管c端节点进行了静态工作点分析，这样得到的数值就会更加精确。本次试验我知道了，当实验中出现问题的时候，不妨换一种思维方式，以获得更加精确稳妥的数据。实验三 负反馈放大电路的设计与仿真一、实验目的1.掌握多级阻容耦合放大电路静态工作点的调试；2.掌握各种反馈（电压、电流、串联、并联）的区别与接入方法；3.了解反馈对电路电压增益、输入输出电阻以及非线性失真的影响。二、实验要求1. 设计一个阻容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率20kHz(峰值1mv) ，负载电阻3k，电压增益大于100。2. 给电路引入电压串联负反馈： 测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。 改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响。二、 实验步骤1、 负反馈接入电路前放大倍数、输入电阻、输出电阻的测定如图3-1所示即为实验原理图，放大电路有两个阻容耦合的共射放大电路构成，因此具有较大的放大倍数。若反馈接在输出端与第一个三极管的发射级之间，因此为电压串联负反馈。图3-1 负反馈接入电路前Af此时负反馈没有接入电路。图3-2负反馈接入电路前输入电阻RiRi=1mV/0.145uA=6897欧图3-3 负反馈接入电路前输出电阻RoRo=1V/0.349mA=2865欧2、负反馈接入后放大倍数、输入电阻、输出电阻的测定图3-4负反馈接入电路后Af由实验图可知。图3-5负反馈接入电路后输入电阻RiRi=1mv/0.140uA=7143欧图3-6负反馈接入电路后输出电阻Ro3、 负反馈接入前后的频率特性曲线（1）负反馈接入前负反馈接入电路前，对三极管交流分析，得到幅频和相频特性曲线。如图3-7所示。用将两条线放置在数值两端，得到,图3-7接入负反馈前频率特性曲线（2）负反馈接入后负反馈接入电路后，对三极管交流分析，得到幅频和相频特性曲线。如图3-8所示。用将两条线放置在数值两端，得到,图3-8接入负反馈后频率特性曲线4、负反馈对电路非线性失真的影响（1）负反馈接入前如下图3-9所示为未接入负反馈时，输入信号为1mV是的输出波形。从波形上可以看出，放大电路起到的放大的作用，且波形未出现失真。图3-9 接入负反馈前输入信号为1mV时的输出波形：下图3-10为未接入负反馈时，输入信号为100mV是的输出波形。从波形上可以看出，输出波形的正负半周都出现了失真。图3-10 接入负反馈前输入信号为100mV时的输出波形结合图3-9和3-10可知，在输入信号为1mV与100mV之间某一值时，输出波形出现了失真。经过不断的模拟仿真与调试，在输入信号为10mV时，输出波形开始出现非线性失真，如下图3-11所示。观察此时的波形，可以发现正半周的顶部明显变平、变秃了。图3-11 接入负反馈前输入信号为10mV时的输出波形（2）负反馈接入后当接入负反馈后，电路的非线性失真减小。当输入信号为170mV时，电路开始出现稍微失真现象，输出波形图如下图3-123-12 接入负反馈后输入信号为170mV时的输出波形四、实验小结 本次实验比较简单，但是测量起来却很麻烦，需要接入多种测量工具。算是对熟练掌握各种仪器和工具的一项测试吧，只要熟练每一个零件，设计器电路来就会得心应手了。实验四 阶梯波发生器电路的设计一、实验目的1.掌握阶梯波发生器电路的结构特点2.掌握阶梯波发生器电路的工作原理3.学习复杂的集成运算放大电路的设计二、实验要求1. 设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在35ms左右，输出电压范围10V，阶梯个数6个。(注意：电路中均采用模拟、真实器件，不可以选用计数器、555定时器、D/A转换器等数字器件，也不可选用虚拟器件。)2. 对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。3. 改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。三、实验步骤1、电路原理框图图4-1 阶梯波发生器原理框图2、方波发生器下图4-2所示电路为方波发生器，首先使用一个运放构成滞回比较器，其上下门限电压为。再由和发生多谐震荡信号，由滞回比较器的特性曲线，可得运放输出的波形为方波。可以调整和的电容或电阻值来改变方波的周期。方波的周期即为后面阶梯波每一级之间的时间间隔，因此，调整准方波的周期对于整个阶梯波发生器电路来说是非常重要的。图4-2 方波发生器电路图和方波发生器的输出波形从图中可以读出方波的周期为5.000ms。3、微分电路微分电路由电容和电阻构成。由方波发生器产生的方波信号，经过微分电路变为了一个个向上或向下的脉冲波形。将微分电路接在方波发生器后输出波形如图4-3。图4-3 方波发生器+微分电路原理图和输出波形4、限幅电路限幅电路由一个二极管构成，所利用的就是二极管的单向导电性。限幅电路的作用是可将微分电路所得的尖脉冲波形的负半周过滤掉，得到单边尖脉冲波形。将限幅电路接在微分电路后输出波形图如图4-4所示。图4-4 方波发生器+微分+限幅电路原理图和输出波形图5、积分电路积分电路是将前面得到的尖脉冲信号进行积分，得到一级级下降的阶梯信号。积分电路是阶梯波发生器的核心组成部分。阶梯波每一级下降的高度与和成反比，可以通过调节和的数值来调整阶梯波每一级高度。将积分电路接在限幅电路后面，电路原理图及输出的波形如图4-5所示。图4-5方波发生器+微分+限幅+积分电路原理图和输出波形图6、比较器及电子开关电路由于要求不断产生阶梯个数为7个的阶梯波，所以需要在积分电路输出端电压下降到某一值时使其发生跳变，这一功能可以用比较器和电子开关来实现。计算过程如下：对U3的正向输入端应用KCL 带入数据，即U3正向输入端的电位即为阶梯波发生跳变时的电压值，结合调节微分电路的和的值，便可以使阶梯波的输出电压范围为10V，阶梯个数为7个。最终得到如图4-6的阶梯波发生器的总电路图。图4-6 阶梯波发生器的总电路图此时电路输出波形如下图4-7，由此图可以看出，此时输出波形电压为10.047V。图4-8 总电路图输出波形电压检验同样由下图4-8可以看出，输出波形周期为35.204ms。图4-9总电路图输出波形周期检验四、实验小结思考题1.调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的周期？阶梯波是由单边正尖脉冲通过积分累加得到，而单边正尖脉冲又是通过方波经过微分、限幅达到的，所以阶梯波的周期取决于方波发生器所发出的方波的周期。前面给出了方波周期的公式 因此，改变、和的值均可以改变阶梯波的周期。当然，改变阶梯波的输出电压范围和阶梯个数也是会改变阶梯波的周期的。2.调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？输出电压的范围是由比较器控制的，取决于比较器U3正向输入端所输入的参考电压。当U3的反向输入端电位高于正向输入端时，U3输出低电平-14V，此时二极管D4导通，结型N沟道场效应管截止，积分电路正常工作。当U3的反向输入端电位低于正向输入端时，U3输出高电平14V，D4截止，场效应管导通，电容C3放电，因