哈工程处电子线路实验报告.doc

摘要实验采用纯硬件电路设计形式完成实验任务，实现实验功能。首先用2MHZ自激振荡器产生频率为2MHZ的矩形波，用十六进制分频器将输入的2MHZ矩形波进行分频从而得到125KHZ的矩形波，利用比较器（74LS85）改变矩形波信号的占空比来实现正弦波幅度可控，将占空比可调的125KHZ的矩形波输入施密特触发器（CD4049）中进行整形，再将整形波输入RLC串联电路后实现125KHZ的正弦波的输出，最后用OTL缓冲器来提高电路的带负载能力。实现功能：实现一个精确的125KHZ正弦波发生器，且幅度可调。方案特点：电路为纯硬件电路，原理图简单易懂，硬件调试容易，部分实现功能明确且输出可测，有助于电路问题检测。设计选题：选题六标准125KHZ正弦波发生器的设计实现。设计任务：实现一个精确的125KHZ正弦波发生器，且幅度可调。实验要求：1）分析并依据所给的设计提示画出原理图，写出详细电路设计报告2）用示波器分别测定原理方框图中节点（1）、（2）、（3）（4）、（5）处的波形和频率，与理论结论进行比较，判断电路是否正确3）使用频率计每隔30s测定输出正弦波的频率，通过记录多组数据可以得到频率稳定度。4)改变矩形波的占空比分别使得输出的正弦波幅度达到最大和最小 5）重复2）、3）两个步骤6）整理实验数据，得出实验结论第一章 方案设计与论证 方案（一）：使用集成运放LM324制作正弦波发生器文氏桥式正弦波发生器亦是常用的RC低频振荡器,由运放构成的同相放大器和文氏电桥反馈网络组成,基本电路如图1所示。其中R1、C1、R2、C2正反馈网络与R3、R4负反馈网络构成文氏电桥。如图所示，由运放及R3、R4构成的同相负反馈放大器闭环增益为 (1)而正反馈网络反馈系数为 (2)经整理得 （3）若取R1=R2=R，C1=C2=C，且设0=1/RC，则 （4）因而反馈系数幅频特性为 （5）相频特性为 （6）可见，仅当信号频率=0=1/RC时，f=0，与同相放大器零相移一起使=0，满足振荡的相位平衡条件，而且此时反馈系数幅值最大。Fvmax=1/3。只要闭环增益Avf=1+R3/R4略大于3，即R32R4，便能满足起振时的振幅条件，电路起振，输出正弦波信号。为稳定振荡信号的幅度和改善信号波形，需设自动稳幅电路。例如可在负反馈回路上串白炽灯泡、热敏电阻，或反馈电阻上并接稳压管。当振荡幅度增大时，负反馈加强，闭环增益相对下降；而振荡幅度减小时，增益相对增大，最终使振荡幅度稳定在某一确定值。方案（二）采用电容三点式图2所示为西勒电路原理图它是一种改进型的电容三点式振荡电路，它的主要特点就是与电感L并联一可变电容C4。这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定度高。因为用C4改变震荡频率，且接入系数p1、p2不受影响，所以整个波段中振荡振幅比较平稳。西勒振荡电路的振荡频率可近似认为是其中西勒电路的频率稳定度较高是因为接入小电容C3。由于回路电感的Q值不可能做得很高，因而限制了C3的进一步减小，其频率稳定度只能达到到，相对于石英晶体来说频率稳定度小。方案（三）使用石英晶体振荡器产生正弦波使用高度稳定的石英晶体振荡电路产生高稳定度的正弦波，之后经过十六分频使其频率变为125KHZ正弦波，再由施密特进行整形，利用RLC串联谐振电路将其一次谐波虑出，即为标准的125KHZ正弦波，最后通过OTL电路来提高其带负载能力。与前两种方案相比，此方案电路原理结构简单，部分电路模块功能明确易于调试，输出波形不易失真且频率稳定度高。第二章 单元原理图说明1、2MHZ的矩形波发生电路电路说明： 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，其特点是频率稳定度高。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。2、占空比可调的125KHZ正弦波发生电路此部分功能使用计数器74LS161，比较器74LS85和拨码开关实现。1）计数器74LS16174LS161是十六进制计数器，它有四位输出端口，输出015由Q3端输出的波形是经过十六分频后得到的125KHZ的矩形波。其功能表如下：2）使用74LS85和拨码开关改变矩形波信号的占空比电路说明：74LS85比较器进行A和B的比较，A是由十六进制输出数据，B是由通过拨码开关的设置输出015，3个输出端分别为AB,AB或AB端输出，设置好B，若AB则输出低电平，反之输出高电平，例如设置B为0100则只有计数器计数到0101时才有高电平输出，因此B越大占空比越小。输出功率由高电平持续时间决定，高电平持续时间越长及占空比越大输出功率越高，输出功率与输出幅度的平方成正比，输出功率越大则幅度越大，所以B越大占空比小输出幅度小，因此实现了占空比和输出幅度可调。拨码开关：四个电阻一端与5管脚的VCC另一端与拨码开关对应管脚相连，拨码开关接地。当把档位拨到ON时输出低电平，当把档位恢复时输出高电平，从而实现了高低电平的输出。3、整形电路本实验使用 CD4049对输出125KHZ矩形波进行整形其内部结构如下：由其内部结构可知，每一个输入端都经过一反相器有对应的输出端，在实验中我们选择有3输入，由2输出。4、标准125KHZ正弦波发生电路此功能由RLC串联谐振电路和OTL功率放大电路实现电路图如图所示：1） RLC串联谐振电路串联谐振频率为 显然，谐振频率只与电路参数L和C，而与电阻R无关。调整L、C、f中任何一个量都能产生谐振。根据要求中心频率为125KHZ由公式算出参数大小，选取1mH电感,1800P的电容。2） OTL功率放大器此电路的作用是将输入的信号进行放大，并提高其驱动能力。其中由晶体管Q3（8550）组成推动级，Q1（8050）、Q2（8550）是一对参数对称的NPN和PNP型晶体管，OTL功放电路。二极管D为Q1、Q2提供偏压，使Q1、Q2工作于甲乙类状态，以克服交越失真。由于每个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，带负载能力强等优点，适合用作功率输出级。所以将信号通过功率放大器可以提高其带负载能力。第三章 测试方法与数据一、测试方法：1）：测试晶体振荡器输出信号，即使用示波器测（9）管脚，观察电路是否起振，若起振记录输出波形，频率，幅度。2）：测试74LS85输出信号，即使用示波器测（5）管脚，观察是否分频，拨动拨码开关观察输出波形的占空比及幅度是否改变，同时记录拨码开关处于两个状态时（5）管脚的输出波形，幅度，频率，并且记录输出幅度最大（占空比50%）时拨码开关的状态。3）观察整形后的输出波形，即使用示波器测（3）管脚。4）测试RLC串联谐振电路输出信号，即使用示波器测经过C3后的输出波形，观察是否有正弦波产生，记录输出波形，幅度，频率；使用频率计每隔30S记录信号频率，记录多组。5）测试OTL功放电路的输出信号，记录输出波形，幅度，频率。注：频率准确度：频率的实际值相对于标称值的相对偏差。 频率稳定度：描述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量，数学表征用Allan(阿伦)方差的平方根值。阿伦方差计算公式：采样间隔为 ，测量m+1个数。二、数据记录第四章 实验结果分析与总结一、实验结果分析1、根据实验最终得出的数据和波形可以得出结论，电路基本实现了实验要求。2、根据理论分析可知，当拨码开关处于0110是输出方波占空比为50%此时幅度达到最大值。3、由以上记录数据得出的结论与理论值相一致;由频率稳定度可以看出石英晶体的频率稳定度的确很高。4、通过（2）（3）两点的波形比较，（3）点的波形比（2）点的波形更标准，体现了触发器的完好的整形功能。5、（4）点波形为标准的正弦波，说明RLC谐振起作用。综上所述：电路基本实现了实验要求，产生了标准的125KHZ的正弦波，频率稳定度高，占空比和幅度可调，实验设计较成功。二、问题分析1、在开始测试时发现没有波形，首先我检查了电路的连接，经与电路图比较发现无错误，接着我用万用表测量每一个管脚电压值，发现异常，发现电路中存在虚焊，于是对问题部分进行了重新焊接。2、再次接上电源后，发现中间芯片发烫异常，于是即刻断开电源，检查电路部分，发现了短路现象，改正后电路正常工作。3、在调试电路时，发现OTL电路输出不为正弦波，我猜测是由于OTL电路中某个元件损坏所致，经过用万用表排查后发现三极管内部短路，更换后波形正常。附录一：总电路图附录3：参考文献1 陈晓平.Protel 99 SE电子线路CAD应用教程.北京:机械工业出版社.2007.2 张毅刚.单片原理及应用.哈尔滨：哈