模电课程教学设计三角波正弦波变换设计

1、1.设计要求22 .总体方案-23.设计原理-33.1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-8目录7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

2、更为常用的信 号源，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，三角波一一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。禾U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. 总体方案三角波一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

3、角波正弦波低通滤波电路2）三角波一一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输入电压和输出电压波形如图 2 3所示: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。1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2 电流源来实现。3. 设计原理3.1总体电路图Sr'丄fiti" 匚.口吐丄*: i

4、skcl -I. I I . 'IB舸:G.SkQ：:tn22222ftb'f.QJRe1 :100 ：1J111OOfi二；KeymB ；:;lu4.7kO住何2222J lOkOKey：:50*6 醫： VEF -Q-;-12V3.1.1硬件电路分析R曲2knNf4 2kO分析表明，传输特性曲线的表达式为:I I L0Ic1I E1 1 e Uid/UT式中 Ic/Ie 1；Io为差分放大器的恒定电流；25°C 时Ut 26mV。根据理论分析，如果差分式电路的差模输入信号IC1IE1占Ut为温度的电压当量，当室温为EiU id为三角波，则I C1与I C2的波形近

5、似为正弦波。因此，单端输出电压 Uo也近似于正弦波，从而实现三角波一正弦波的变换。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3 1所示得电路中，Rp4用于调节电路的对称性，Re1使得差分式放大电路的传输特性的线性区变窄。电容C5、C6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。3.1.2差分式放大电路wetLrj Cfi '亠MWJpFkllhli4*rialI r h-I I *15kfl :怙kO丁RdR 锻UoTF伽6 Jkfi .一2N2222賊函十 F 电电 I : 10OJ.Rf3 .,loomq1 : Ke 戸 E此次设计中，差分

6、式放大电路采用单端输入一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）。1234 60。直流电源去 Vcc12， Vee12。3.1.3镜像恒流源电路Io4；7fcQ.3N2J32 -.(MI4 h I -1 h I/血2222r> 10kQ : 叫KeE :53.5 端:广|肿2kQ:Makct:Q"-12V由于差分式放大电路的静态工作点由恒流源I。决定，故镜像恒流源电路是为了获得I。I。般为一毫安或者几毫安，这里设定 I。的值为1mA。3.2 设计所用软件简介因为我比较熟悉和擅长使用 multisim 系

7、列电力电子仿真软件，所以此次设计所用仿真软件为multisim12 。multisim12 是美国国家仪器有限公司推出的以Win dows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

8、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 Lab W EW和SignalExpress 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 、超过 2,000 个来自于亚诺德半导体，美国国家半导体，NXP 和飞利浦等半导体厂商的全新数据库元件。

9、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。n4. 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3 1，因为输入信号三角波的频率不太高，所以隔直电容C5取得较大，这里取C5 470uF ；P4I o决定（如图3 3）.因为I o越小，Io也不能太小，这里取电容C6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

10、设计中取C6 100 pF。Re1 10与Rp4 100 想并联，以减小差分Io 1mA，则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 恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越大。但是 Ic1 Ic2 0.5mA，从而可求得晶体管的输入阻抗rbe3001沁 3001lo/260260.53.4K去Ri 20K ，根据R1V，为保证差分放大电路有足够大输入电阻6.8 K 。因为要求输出正弦波的峰峰值大于40。根据，Rb1 6.6K ，故取 Rb1分放大电路的电压放大倍数Rb2Au2 rbeRB1 得所以应该使差Au2 RbibeRl可求得电阻Rl 13K ，进而选取 住1 Rc2

11、 15K 。对于恒流源电路，其静态工作点及元器件参数计算如下;0.7r1Re发射极电阻一般取几千欧，这里选择 中r1用一个10K 的电位器和一个RE34.7KRe4 2K ，所以R19.3K 。在原理图（图 3 1）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，由信号发生器（FunctionGenerator ）输出幅值为30mVpp，频率为100Hz的正弦波加到放大电路的输入'j4LatinT2-T1Tne6111753612.175 ms0.000 5Channd_AS.71JV6.713 Vo.omvCh

12、annel BReverseEaveTmebaseScale; 2 HlsJOiv po£,(DivJ: 0Vr Add "g/aI A/&Channel AScale: 1 Wiv¥ pos.CD'iv):店dChannel B轨ale: S Wiv :V poE.(Div): 0AC 0 DC AC 0 DCExt. trigger图5 1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

13、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Ui 70mVpp、140mVpp和160mVpp时的波形如图5 2、图5 3和图5 4 (注：标注 有小三角形的曲线为输出波形)；IIT2TimeCKanriel Achannel B7i.fll5rr32-55iV-澈前ReverseTZOlSms2.552 V<3,580 iniV0X00 £0-000 V0,000 VSave*冲1*1 HIT2-T1Channel AScale: 2 V/DivChannelsScale:Ext. triggerllOOmY/DN I ；)Cp05. (pi

14、v): 0YFMS.fDiv): 0|Nomdl I Autp htoreY/7 Add B/A A/B图5 2* AC 0 DCTlruebaseScale：2 msQi 十Y pos,Ciiu):AC 0 叵ITriggerEdge:Levd;T1 + -Ti + 4T；-T1Time504.15 ms504.159 msOp 000 5channel A4.M5V4,QOS A/O,0'OOVCh3nnel_B50.576 mV9O.S76mVo,twovReverseScahe: 2 ms/Div5cale：Z V/Div53庖 KM mV/DtVEdg赳T 5 1 A 1 B

15、ExtXp<>s.'(iDiv):Y pcs-(piv:卜d r poj*piv)j 0Level: 0EaveExt. triggerTime basechannel AChianriEl BTriggerangle Normal Auto NoneAC 0 DCAdd e/A A/&AC 0 DCnTimeCharnel A(Jiarnel E36.005 ms9.533 Vgs.sao mV5fi.Ci05 ms9占剜T95.SS0 mV0,000 s0.000V0.000 VT1 >1 丁乜5 T2-T15匚吐；ms/Div3品 2 VyDiv3 口魁

16、；100 m 呃 VXf03.(Div):0Ypos-Piv);1-2J&ATVpos-(Div)i0TimebaseChdTinel AGiarnelBDC AC 0 DCY/r lAdd 顾 A/B ACTrigger Ed莽； Level;JTh BExtQVNormallAutoNoneSingle IU i较小时，放大电路仍然工作在线性区；随着U i的增大其静态工作点Ui 140mVpp 时，静由以上三张图可知，当逐渐向非线性区移动；若 Ui太大则输出波形有明显失真现象。综上所述，当 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6 1、6 2和6

17、3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。 :工 莊：:r*"_©磁7：；B：二：？« * X * 图6 1IHA -=-f .J94£rv(r«i*1- *#Y皆 f f rr、二 2 2 2 H 4 A。n Q ¥ 1 9 £ 7 J E口 n QQ * A 上 ，7 d 鼻丄 <J“*UiJli>»3OQO0；>OQ0OUVQ 7 |口 Q 丿27* QOdlOUdd 奁 J1 4*a243>»Qouijiaaaa707700平;207u>a9305

18、O9Q04A、 Vi>3UOQ7Q0 0aciQOOO2HOOa9D JQOaOiOQ" aUhhJOOBA 9uo4?oo>4044a04ooaoauoout>v« *b二二 严2 5Qaao4>Qa4a Q30oa>oa33v3Q3G>ooaoQDD09d*4 00*UL>t>4i>ui>oii>4a3a aoQooaooooo9<J0 04ooao2i>3Qn*2 0Q40 3Quizui>i> aadOQQo*u“oa*43a5QOd09U<a“oio j0Qa£

19、;2Ouaa ti “5 7 J 0OQd«.Q 40 OQOOU 0*5003379347 #oua3口CiaB “30*葺二go：二兰咒二亡为肾兰？严十号 O* 0O lioaooooo Utf U4J«JOO口 U口00口4 <* a0*0-09IKt<.5 Ar - »、柚 <» i- « * I 4齐fnjy 4 .L广:t:;:叭严250/STIMRIGOL rof 1. 68U.7 -'- jf，和 , IO99.9988HZ图6 32 二 2(1 /0mUTime 2.IS 30.0000s（注：三角波

20、为输入波形，正弦波为输出波形）对比图5 3和6 3可知，在误差允许范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6 1 :静态电流1 CQ11 BQ11 CQ21 BQ21 CQ0.406mA0.522mA1 BQ7.941 A8.235 A恒流源IoU R11mA4.704V静态电压U CEQ1U CEQ 2U CEQ6.625V4.903V表 6 17. 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：仿真出错，得不到理论上的转换。拿到电路板和元器件后不知所措。焊好电路板后，双电源哪里来以及怎么调试实际电路。解

21、决措施如下： 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Rei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 RE1 的阻值由 100 调为 10 （随着输入信号幅值的增加，使放大器迅速过渡到非线性区）。在经过了 上诉措施后，重新仿真调试得到了预期的变换波形。

22、 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。15V 和 18V 可调电源， 10K 的电位器搭建一个简 12V 电压，这样便完成了静 6 1 ，然后在逐渐增大输入 在此次设计中我的放大器需要 12V 双电源，因为实验台上只有 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 易的串联电路，并由电位器分得

23、 12V 电压；再由 18V 可调电源输出 态所需双电源的要求。 借助实验台上的万用表分别测得静态工作点见表信号的同时微调 Re2和R1来改善输出波形。调试结果见图6 3。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。但在误差允许范围内是可 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某一个小的功能设计，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