模电课程仿真设计.doc

模电课程仿真设计一、设计要求：使用一片通用四运放芯片LM324组成电路框图如图12（a），实现下述功能：使用低频信号源产生，的正弦波信号，加至加法器输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号，如图12（b）所示，允许有的误差。低频信号源三角波产生器加法器比较器滤波器（a）（b）图12 图中要求加法器的输出电压。经选频滤波器滤除频率分量，选出信号为，为峰峰值等于9V的正弦信号，用示波器观察无明显失真。信号再经比较器在负载上得到峰峰值为2V的输出电压。电源选用12V和5V两种单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源和其它型号运算放大器。要求预留、和的测试端子，以方便测试。1.1课程设计目的：（1）掌握lm324芯片的基本组成电路； （2）熟悉一些基本器件的应用; （3）设计一个用集成运算放大器构成的基本电路。熟悉集成运算放大器波形变换与三角波，正弦波等的产生电路的工作原理，并且知道其设计和调试方式。 1.2 课程设计原理：本次实验主要是考察运算放大器的应用，模拟电路知识的掌握。利用LM324中的4个运算放大器分别设计三角波发生电路，加法器电路，滤波电路以及比较器电路。利用电阻和电容将12V DC变成6V的电源给运算放大器供电，合理分配运算放大器实现一个信号调制解调的过程。二、设计方案 2.1、三角波产生器使用一片通用的四运放芯片LM324制作产生三角波信号，利用函数信号发生产生正弦信号，达到设计要求。2.2、加法器利用LM324芯片设计加法器电路，将三角波信号与函数信号发生器产生的正弦信号相加。2.3、滤波器设计制作滤波电路，将通过加法器的信号滤除三角波产生的信号，达到设计要求。2.4、比较器设计制作比较器电路，通过滤波器的信号与三角波产生的信号做比较，最后在负载上产生的信号达到设计要求。三设计原理 3.1三角波模块设计产生方波、三角波的方案有多种，本次设计主要采用用电压比较器和积分器同时产生方波和三角波。其中电压比较器产生方波，对其输出波形进行一次积分产生三角波。根据模拟电路理论，方波三角波发生电路主要参数为：方波的幅度： (式3.1)三角波的幅度： (式3.2)方波、三角波的频率： (式3.3)从式3.2和式3.3可以看出，调节电位器Rw1可改变三角波的幅度，但会影响方波、三角波的频率。调节电位器Rw2可改变方波、三角波的频率，但不会影响方波、三角波的幅度。由以上公式可以计算出：Uz取值为3.3V的稳压二极管，R2取值为20K的电阻，R1取值为10K的电阻，R取值为2.5K的电阻，C取值为0.1uF的电容可达到设计要求。而振荡周期，积分器输出电压从-Uth增加到+Uth所需的时间为振荡周期T的一半。 由积分器关系式：则振荡频率为：方波三角波发生器的输出波形图3.2加法器模块设计如图3.3所示为同相加法器运算电路，它是利用同相比例运算电路实现的。图中输入信号u1、u2均加至同相输入端，为使直流电阻平衡，要求：R1/R3/R4=R1/Rf (式3.7)图3.3 同相输入加法运算原理图利用迭加原理求出及 (式3.8) (式3.9) (式3.10) 因为：U_=U+所以： (式3.11) 当两输入端外电路平衡时，有当时。实现两信号相加，且运算同相，相比较而言，从反相输入端输入加量的运算简单的多。根据以上公式可以计算出R1，R2，R3的取值为10K，R的取值为1K，反馈电阻Rf的取值为20K，可达到设计要求。3.3滤波器模块设计电容器是一个储存电能的仓库，在电路中当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。在模拟电路，由Rc组成的无源滤波电路中，如图3.4滤波电路原理图。图3.4滤波电路原理图在图3.4滤波电路原理图中，跟积分电路有些相似（电容C都是并在输出端），但他们是应用在不同的电路功能上。积分电路主要是利用电容C充电时的积分作用，在输入方波情形下，来产生周期性的锯齿波（三角波）。因此电容C及电阻R是根据方波的Tw来选取，设计中利用Rc滤波来滤除三角波信号，和按照设计要求滤除高频信号。根据公式：f=1/2Rc (式3.12)确定Rc的参数值，达到设计要求。计算出电容C1的取值为0.1uF，电阻R1的取值约为2K，电容的参数值是参照低频点的数值来确定，对于电源的滤波电路，理论上C值愈大愈好。 3.4比较器模块设计 比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压Va，反相端输入Vb。VaVb时，Vout输出高电平(饱和输出)；VbVa时，Vout输出低电平。输出电平变化与Va、Vb的输入端有关。 图 3.5 比较器电路原理图图3.5是由运算放大器组成的比较器电路，如果输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，那么Vb通过输入电阻R1接在反相端，Rf为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：Vout=(1+Rf/R1)R3/(R2+R3)Va-(Rf/R1)Vb。如当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=Rf=(相当于R3、Rf开路)时，Vout=。增益将成为无穷大，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。根据公式可以计算出R1，R2的取值都为20K，反馈电阻Rf为5.1K，R3取1K，由于元件的误差实际的取值有较小的变动。实际上运放是处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。四、电路设计4.1、电源模块的设计4.2、三角波产生器模块设计4.3、加法器模块设计4.4、滤波器模块设计4.5、比较器模块设计4.6、完整电路图通过图4.1、图4.2、图4.3、图4.4、图4.5连起来得到完整的电路图，如图4.6所示：图4.6 信号变换器仿真原理图五、仿真结果图5.1、三角波和低频信号源仿真三角波和低频信号源输出的正弦波的仿真图如图5.1所示：图5.1 三角波产生和低频信号源输出的正弦波的仿真图三角波产生电路的设计过程是比较艰辛的，我使用过很多种方法都没有把波形调整到最好，通过查看相关资料和请求同学的帮助和指导，不断地完善电路，最终把波形和幅值都做到比较接近设计要求。5.2、加法器仿真加法器产生的波形如图5.2所示：图5.2 加法器仿真波形图电路仿真图中XFG1是连接信号发生器产生一个频率为500 Hz的正弦信号，要求经过加法器后，将正弦信号放大10倍并与三角波信号相加，最终得到图9的波形。5.3、滤波器仿真滤波器产生的波形如图5.3所示：图5.3 滤波器仿真波形图根据以上所介绍的设计原理，计算出各个外围原件的取值，通过调试实验，尽量减小实验误差，最终得到相应的数据。通过实验数据与分析，所设计的电路能够达到题目要求。实验过程的数据，设计要求是经过滤波器后的峰峰值要达到9V的正弦信号，从数据中波形的峰峰值为9.3v,基本上达到了要求。5.4、比较器仿真比较器产生波形图如图5.4所示：图5.4 比较器仿真波形图设计要求是使经过比较器后的电路在负载为1k上产生的峰峰值为2V的信号，实验中分析由于元件的误差等客观因数导致一定的误差存在。其设计达到的实际数据，峰峰值基本能够达到设计要求，已达到了1.86V的峰峰值。六、总结本次设计始终围绕通用的四运放芯片展开，根据原理公式计算出需要的参数值并运用于电路。将各个设计的模块组合实现总的功能。设计过程中遇到了很多看似很小但影响非常大的问题，这才知道自己学到的知识并不能很好地运用到设计中去，通过不断的查阅资料，在同学的帮助下终于解决了相关问题。这次设计很好的检验了我们在大二所学的相关知识，同时也提高了我们的动手能力，遇到问题后便要不断的收集资料，不断的分析，尝试怎样去解决问题。采取哪种方法更好，能够更有效的解决出现的问题。模块与模块之间的链接存在相互影响， 虽然单个模块运行仿真较好，但是连接为整个的电路图时，各功能模块的波形会受到其他模块的影响，有点失真。处理办法是在各模块之间加入耦合电容或电容电阻组成的低通网路作为接口电路。 通过这次课程设计，不仅对于模拟电子线路有了新的认识，