电子电路课程设计

电子电路课程设计讲义北京邮电大学世纪学院目录课题1自动增益控制电路的设计与实现2课题2扩音机电路的设计与实现7课题3红外通信收发系统的设计与实现12课题1自动增益控制电路的设计与实现一、实验目的1、了解AGC（自动增益控制）的自适应前置放大器的应用。2、掌握AGC电路的一种实现方法。3、提高独立设计电路和验证实验的能力二、实验原理在介绍了自动增益控制电路原理AGC的基础上，采用了一种相对简单而有效实现预通道AGC的方法，电路中使用了一个短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法。1、AGC在处理输入的模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况；另外，在其他的应用中，如监控系统中的多个相同传感器返回的信号中，频谱结构和动态范围大体相似，而最大波幅却相差甚多。某些情况下，这类变动是可以预测的，能对预处理放大器的增益作相应调整。但更多时候会遇到不可预知的信号，因而会因为非重复性事件而丢失数据。此时，可以使用带AGC（自动增益控制）的自适应前置放大器，使其增益应能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。AGC电路的实现有反馈控制、前馈控制和混合控制等三种，典型的反馈控制AGC由可变增益放大器VGA以及检波整流控制组成图51，本文电路采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而简单而有效的实现AGC功能。图52中，可变分压器由一个固定电阻R1和一个可变电阻构成，控制信号的交流振幅。可变电阻由采用基极集电极短路方式的双极晶体管微分电阻实现，为改变Q1电阻，可从一个由电压源VREG和大阻值电阻R2组成的电流源直接向短路晶体管注入电流。为防止R2影响电路的交流电压传输特性，R2的阻值必须远大于R1。DETECTOR图51反馈式AGC图52由短路三极管构成的衰减器电路对正电流I的所有可用值（一般都小于晶体管的最大额定射极电流IE），晶体管Q1的集电极发射极饱和电压小于它的基极发射极阈值电压，于是晶体管工作在有效状态。短路晶体管的VI（电压电流）特性曲线非常类似于PN二极管，符合肖特基方程，除了稍高的直流电压值以外，即器件电压的变化与直流电流变化的对数成正比。因此，对于VI曲线上所有直流工作点，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，换句话说，器件的微分电导直接与电流成正比。由于在其工作状态下，共发射极连接的双极晶体管的电流放大系数一般在100或100以上，在相当大的电流范围内，微分电阻都正确地遵守这一规则。因此，图52中VREG的变化就会改变电流I，并控制R1Q1分压比。耦合电容C1和C2将电路的衰减器与输入信号源和输出负载隔离开来。图53为一个典型的小信号双极晶体管的短路VI特性，图中显示，至少可以在五个十倍程范围内控制微分电阻，即控制幅度超过100DB。图53VI特性曲线图显示短路晶体管相应的微分电阻图图54是完整的电路设计。输入信号VIN驱动缓冲级Q1，它的非旁路发射极电阻R3有四个作用首先，它将Q1的微分输出电阻提高到接近公式1所示的值1R/RR1RBE3BECBED1该电路中的微分输出电阻增加很多，使R4的阻值（27K）几乎可以唯一地确定整个输出电阻。其次，由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至234BE4Q1RA第三，如公式2所示，未旁路的R3有助于Q1集电极电流电压驱动的线性响应。第四，Q1的基极微分输入电阻升至RDBASERBE1R3，与只有RBE相比，它远远大于Q1的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。图54中，电阻R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图51中的电阻R1，而Q6构成衰减器可变电阻部分。晶体管Q5为Q6提供集电极驱动电流，Q5的共发射极结构只需要很少的基极电流。采用这种方法时，决定AGC释放时间的电阻R17阻值可以选大些，从而能够有较长的AGC释放时间。电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。当把大的C3值与Q6的最小微分电阻作比较时，即最大信号波幅在完全控制下，其电抗对最低频率信号频谱成分而言是可以忽略的。D1与D2构成一个倍压整流器，它从输出级Q4提取信号的一部分，并为Q5生成控制电压。这种构置可以容纳非对称信号波形的两极性的大峰值振幅。电阻R15决定AGC的开始时间。若与C6组合的R15过小，则使反馈传输函数产生极点，导致不稳定。电阻R17决定AGC的释放时间。为确保对高频信号成分的良好响应，D1和D2可以使用肖特基或快速PN硅二极管。含Q2和Q3的直流耦合互补级联提供大部分电路电压增益。R14是1K电阻，将发射极输出跟随器Q4与信号输出端隔离开来。必要时，R14可选用更低的电阻，但如果R14过低，则大电容的连接电缆会使Q4进入寄生振荡。图54AGC电路图有效的AGC范围为05MV至50MVRMS输入电压，即40DB动态范围。在这个输入范围内，输出电压的变化不超过5DB，正弦输入信号从05至50MVRMS步长变化时的AGC开始时间约为03秒，从50MVRMS输入至05MVRMS的AGC释放时间约为100秒。图55AGC电路的PCB图三、实验任务1、基本要求1）设计实现一个如图3所示的AGC电路，设计指标以及给定条件为输入信号0550MVRMS；输出信号0515VRMS；信号带宽1005KHZ；2）设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）。2、提高要求1设计一种采用其它方式的AGC电路；2采用麦克风输入作为，8喇叭输出的完整音频系统。3、探究要求1如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；2测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效降低THD。四、实验所用仪器1、函数信号发生器2、示波器3、晶体管毫伏表4、万用表5、直流稳压电源五、实验可选器件1、三极管8050，85502、精密电阻及电容3、其它六、设计与制作步骤1、设计电路1查芯片资料2列元件清单3经指导教师检查设计后领器件2、制作调试电路1在面包板上连接并调试电路2测试电路相关参数和指标3、写报告4、答辩验收课题2扩音机电路的设计与实现一、实验目的1、了解扩音机电路的形式和用途。2、掌握音频放大电路的一种实现方法。3、提高独立设计电路和验证实验的能力。二、实验原理扩音设备的作用是把从话筒、录放卡座、CD机送出的微弱信号放大成能推动扬声器发声的大功率信号，主要采用运算放大器和集成音频功率放大电路来构成扩音机电路。1、电路的基本原理图71扩音机原理框图前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声要小，音调控制主要是实现对输入信号高、低音的提升和衰减；功率放大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高、失真尽可能小、输出功率大。设计时首先根据技术指标的要求，确定各级增益的分配，然后对各级电路进行具体的设计。因为P0MAX05W,输出电压U02VRLPMAX0要使输入为5MV的信号放大到输出的2V，所需的总放大倍数为400。扩音机中各级增益的分配为前置级的电压放大倍数为100；音调控制中频电压放大倍数为1；功率放大级电压放大倍数为4。2、前置放大器由于话筒提供的信号非常弱，一般在音调控制器前面加一个前置放大器。考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353。LF353是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声的集成器件。其输入阻抗达到104M,输入偏置电流极为50X1012A,单位增益频率为4MHZ，转换速率为13V/US。前置放大音调控制功率放大UI话筒输入81432U1ALF353NR8R10UIU081432U2ALF353N330PFC8500KRP2500KRP151KR951KR818KR1051KR001UFC6001UFC7VCC12VUI前置放大电路由LF353组成的两级放大电路。第一级放大电路的AU110,即1R3/R210,取R210K，R3100K。取AU210,同样R510K，R6100K。耦合电容C1与C2取10F，C4与C11取100F，以保证扩音电路的低频响应。其他元器件的参数选择为C310010F，R722K。图72前置放大电路图3、音调控制器的设计音调控制器的功能是根据需要按一定的规律控制、调节音响放大器的频率响应，更好的满足人耳的听觉特性。一般的音调控制器只对低音和高音的增益进行提升或衰减，而中音信号的增益不变。图73音调控制电路图音调控制器的关键是电阻电容网络的选频作用。输入信号是分成两个支路送到放大器的输入端的。一条是经R8、RP1、C6、R9到输入端，并经过C7、R10到输出端形成负反馈。另一条是经过RP2、R11、C5到输入端，这两条支路的电容容量相差很大，C6、C7容量大，对低频信号影响大，C8容量小对高频信号起作用。81432U2ALF353N81432U1ALF353N100KR610KR5100KR1100KR3100KR410KR2100UFC4100PFC210UFC510UFC310UFC122KR712V12V12VVCC81432U1ALF353NR9R8RP1R10C781432U1ALF353NR9R8RP1R10C6UIU0图74中频段等效电路中频段此时C6、C7可视为短路，C8视为开路，其等效电路为此时的放大倍数为R9/R81。低频段低频时C8可是为开路，RP1调节时，在两种极限情况下的等效电路，信号频率越低，则随着容抗的增大增益越大，随着RP1的滑动端从左端移到右端，增益也将由小变大，也就是说调节RP1能改变低音的放大倍数，产生提升和衰减的效果。图75低频提升电路图76低频提升电路低频衰减电路高频段高频时C6、C7可视为短路，调节RP2可使高音的放大倍数得到提升和衰减。RP2作高音控制，RP1作低音控制。RP2旋到A点时高音提升，旋到B点时高音衰减。RP1旋到C点时低音提升，旋到D点时低音衰减。为了使电路获得满意性能，下面条件必须具备1）信号源的内阻（即前一级的输出阻抗）不大。2）用来实现音调控制的放大电路本身有足够高的开环增益。3）C6、C7的容量要适当，其容抗跟有关电阻相比，在低频时足够大，在中、高频时又足够小；而C5的选择却要使它的容抗在低、中频时足够大，在高频时足够小。粗略地说，就是C6、C7能让中、高频信号顺利通过而不让低频信号通过；C5则让高频信号顺利通过而不让中、低频信号通过。4）RP1、RP1的阻值均远大于R8、R9、R10、R11。当R8R9时，该音调电路的中音频电压增益约等于1。图77音调控制器频率响应曲线4、功率输出级的设计功率输出及电路结构有许多种形式，这里选用TDA2030A型单片集成功率放大电路，其主要特点是A、上升随率高、瞬态互调失真小；B、输出功率比较大，单片的TDA2030A的输出功率可达18W；C、外围电路简单，使用方便；D、采用5脚单列直插的封装形式，体积小；E、内含各种保护电路，工作安全可靠。内含各种保护电路（短路、热保护、地线开路、电源反接），工作安全可靠。图77TDA2030A型单片集成功率放大电路5、系统总体电路图77系统总体电路三、实验任务1、基本要求A参考图一框图设计实现一个对话筒输出信号具有放大能力的扩音电81432U2ALF353N81432UALF353N81432U1ALF353N10KR610KR510KR110KR310KR410KR210UFC430PFC810PFC210UFC510UFC310UFC12KR750KRP250KRP151KR951KR818KR1051KR001UFC6001UFC712V12V12V1UFC920UFC120UFC132UFC1002UFC1501UFC1401UFC122KR121R13680R112OUT453TDA2030AU12V12VD11N401D21N401LSSPEAKERVC12VVCMKMIC239KR1582KKR14VC33KR1610KRP3路，设计指标以及给定条件为1最大输出功率05W2负载阻抗为8。3具有音调控制功能，即用两个电位器分别调节高音和低音。当输入信号为1KH时，输出为0DB；当输入信号为100HZ正弦时，调节低音电位器可以使输出功率变化12DB；当输入信号为10KHZ正弦时，调节高音电位器也可以使输出功率变化12DB。4输出功率的大小连续可调，即用电位器可调节音量的大小。5频率响应当高、低音调电位器处于不提升也不衰间的位置时，3DB的频率范围是80HZ6KHZ,即BW6KHZ。6输入端短路时，噪声输出电压的有效值不超过10MV，直流输出电压不超过50MV，静态电源电流不超过100MA。B设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）。2、提高要求提出其他扩音机设计方案。四、实验所用仪器1、函数信号发生器2、示波器3、晶体管毫伏表4、万用表5、直流稳压电源五、实验可选器件1、集成运算放大器LF3532、单片集成功率放大电路TDA2030A3、电阻电容若干4、其它六、设计与制作步骤1、设计电路1查芯片资料2列元件清单3经指导教师检查设计后领器件2、制作调试电路1在面包板上连接并调试电路2测试电路相关参数和指标3、写报告4、答辩验收课题3红外通信收发系统的设计与实现一、实验目的1、掌握简单的红外光通信系统的组成及设计原理；2、掌握通信电子系统方案设计、电路设计的方法；3、熟悉电路仿真软件的使用；4、掌握PCB设计电路装配和调试的方法；二、实验原理语音和音乐等所产生的电信号和其他低频电信号一样，一般不直接进行远距离传输，而是经过放大后对发射机的高频振荡进行调制，然后将此携带有低频信号的高频已调制信号，通过一定的媒介传输出去。红外通信系统的设计是光通信系统的一个重要分支，红外通信系统的设计思路和目前世界上所采用的骨干通信网的光纤通信系统是有相同之处的，唯一重要的差别就是它们二者所采用的传输媒质不用，一个是大气，一个则是光纤。一个简单的光通信收发系统如图81所示语音信号PCM编码交换和复用线路编码光调制和光发射光接收和光解调语音信号解码交换和分接线路解码数字传输部分图81光通信收发系统原理框图当然整个商用的红外光通信系统是相当复杂的，这里我们只考虑最基础和最必要的部分来完成红外光通信收发系统的设计。要求同学能自行完成信号产生电路，LED的驱动和调制电路，光信号的检测和放大电路的设计。上图是一个简单的红外通信系统的构造图，通过实验应该能进行模块化的设计，当然整个商用的红外光通信系统是相当复杂的，这里我们只考虑最基础和最必要的部分来完成整个红外光通信收发系统的设计。1、信号产生这里利用了音乐芯片KD9300或是LX9300来完成。有兴趣的同学可以查一下这两种芯片的使用手册和用法。信号产生当然也可以用RC振荡器构成，但注意信号的幅度不宜过大，同学们在设计时可以自己思考一下为什么。2、红外光发送模块的设计设计原则主要是考虑红外发送管的工作电流，电流过小，传输距离短，电流过大有容易毁坏发光管。图82LX9300的接法图83KD9300的接法图84红外光发送电路3、红外光接收模块的设计图85红外光接收电路4、高通滤波器红外接收的二极管都是光敏二极管，这样普通灯光也对其都成一定程度的影响，为了获得更好的效果，还要在信号输出端加入高通滤波器，消除恒定的外接低频信号的干扰，这样接收效果和灵敏度将显著提高。5、功率放大器利用音频功率专用放大器LM386，可以得到50200的增益，足以驱动08W的小喇叭。图85放大器LM3866、系统调制系统调制