模電課程設計-三角波正弦波變換設計

1、目錄1 設計要求················································

2、3;··················22 總體方案······························

3、83;····································23 設計原理············&#

4、183;·················································&#

5、183;····3 3.1 總體電路圖···········································

6、83;·················33.1.1 硬件電路分析······························&#

7、183;······················33.1.2 差分式放大電路·························

8、··························43.1.3 鏡像恒流源電路·····················

9、3;·····························43.2 設計所用軟件簡介··················

10、83;····································54 原理分析與計算············

11、;·················································55 電路

12、的仿真分析及結果················································

13、3;······66 實物連接與調試結果·········································

14、3;···············87 此次設計過程中所遇到的問題及解決措施·······························&

15、#183;······118 設計的心得體會·········································&#

16、183;··················129 參考文獻······························

17、····································121. 設計要求在研制、生產、使用、測試和維修各種電子元器件、部件以及整機設備時，都需要有信號源，由它產生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件、設備上，用

18、其他測量儀器觀察、測量被測者的輸出響應，以分析和確定它們的性能參數。而波形發(fā)生器是它們中一種更為常用的信號源，廣泛地應用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學實驗等領域。本次課程設計應用所學電路設計構成可由生三角波變換為正弦波?？筛鶕枰獙υ撜也ㄟM行利用或者是進一步處理。在本設計方案中，三角波正弦波的變換電路主要由差分式放大器來完成。 差分式放大電路的工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力強，可以有效的抑制零點漂移。利用差分放大器可將低頻的三角波轉換成正弦波。波形變換是利用差分放大電路的非線性特性。2.總體方案三角波正弦波變換設計有以下兩種種方案：1) 由三角波的傅里葉級數可知，它含有基波和3、5次等基

19、次諧波，因此可以通過低通濾波器除去基波，濾出高次諧波，可將三角波轉換為正弦波。三角波 低通濾波電路 正弦波 圖21 2) 三角波正弦波變換電路課采用非線性有源電路形成法即利用差分式放大電路來實現(xiàn)。 三角波 差分放大電路 正弦波 圖22輸入電壓和輸出電壓波形如圖23所示：圖23上述方案的優(yōu)缺點：優(yōu)點：對于方案一所需元器件少，節(jié)約了成本，更重要的是利于焊接和調試；對于方案二可適用于不同頻率條件，正好彌補了方案一的缺點。缺點：方案一只適合固定頻率或者頻率變化很小的場合；方案二中所需元件較多，焊接與調試有一定難度。此次設計我采用方案二，利用BJT射極耦合差分放大電路的單端輸入和單端輸出和BJT鏡像電流

20、源來實現(xiàn)。3. 設計原理3.1總體電路圖 圖31 3.1.1硬件電路分析分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： 式中;為差分放大器的恒定電流；為溫度的電壓當量，當室溫為時。根據理論分析，如果差分式電路的差模輸入信號為三角波，則與的波形近似為正弦波。因此，單端輸出電壓也近似于正弦波，從而實現(xiàn)三角波正弦波的變換。且差分式放大電路傳輸特性曲線的線性區(qū)越窄，其輸出波形越接近于正弦波。如圖31所示得電路中，用于調節(jié)電路的對稱性，使得差分式放大電路的傳輸特性的線性區(qū)變窄。電容、分別為隔直電容和濾波電容，以消除諧波分量，改善輸出波形。3.1.2差分式放大電路 圖32此次設計中，差分式放大電路采用單端輸入單端輸出

21、的電路形式，實際電路中四只晶體管選用集成電路的差分對稱管雙三極管S3DG6（仿真電路中選用2N222替代）。直流電源去，。3.1.3鏡像恒流源電路 圖33由于差分式放大電路的靜態(tài)工作點由恒流源決定，故鏡像恒流源電路是為了獲得 。一般為一毫安或者幾毫安，這里設定的值為。3.2設計所用軟件簡介因為我比較熟悉和擅長使用multisim系列電力電子仿真軟件，所以此次設計所用仿真軟件為multisim12。multisim12是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。12.0是目前該軟件的最高版本，現(xiàn)在已經成功破解，并且完全漢化，用戶可放心使用

22、，下面附帶詳細安裝圖文教程。軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，再結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借multisim12.0漢化破解版，用戶可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數據的實現(xiàn)建模測量。multisim12的專業(yè)特色：1、模擬和數字應用的系

23、統(tǒng)級閉環(huán)仿真配合Multisim和LabVIEW能在設計過程中有效節(jié)省時間。2、全新的數據庫改進包括了新的機電模型，AC/DC電源轉換器和用于設計功率應用的開關模式電源。3、超過2,000個來自于亞諾德半導體，美國國家半導體，NXP和飛利浦等半導體廠商的全新數據庫元件。4、超過90個全新的引腳精確的連接器使得NI硬件的自定制附件設計更加容易。4. 原理分析與計算對于典型的差分式放大電路的傳輸特性：它的輸出電壓（電流）與輸入電壓之間的關系符合雙曲正切函數的變換規(guī)律。在本次設計中，當輸入信號三角波的正負峰峰值正好對應于差分式放大管的截止電壓時，晶體管集電極電流接近于正弦波。如圖31，因為輸入信號三

24、角波的頻率不太高，所以隔直電容取得較大，這里取；電容起著濾波的作用，其大小視輸出波形而定，若含高次諧波成分較多，則課取得較小，一般為幾十皮法至幾百皮法，本次設計中取。與想并聯(lián)，以減小差分式放大電路的線性區(qū)。差分放大電路的靜態(tài)工作點主要由恒流源決定（如圖33）.因為越小，恒流源越恒定，溫漂越小，放大器的輸入阻抗越大。但是也不能太小，這里取，則，從而可求得晶體管的輸入阻抗 為保證差分放大電路有足夠大輸入電阻，去，根據得，故取。因為要求輸出正弦波的峰峰值大于，所以應該使差分放大電路的電壓放大倍數。根據， 可求得電阻，進而選取。對于恒流源電路，其靜態(tài)工作點及元器件參數計算如下；發(fā)射極電阻一般取幾千歐，

25、這里選擇，所以。在原理圖（圖31）中用一個的電位器和一個的電阻來替代。5. 電路的仿真分析及結果利用multisim12完成原理圖的搭建并檢查無任何錯誤后，開始進行仿真。第一步，由信號發(fā)生器（Function Generator）輸出幅值為30mVpp，頻率為100Hz的正弦波加到放大電路的輸入端（其目的是檢查差分式放大電路的工作狀態(tài)），用示波器觀察輸出波形，如下圖：圖51圖51表明目前差分放大電路的各個器件的參數選擇合理且工作在線性區(qū)。第二步，由信號發(fā)生器（Function Generator）輸出幅值為30mVpp，頻率為100Hz的三角波加到放大電路的輸入端，用示波器觀察輸出波形為三角波

26、。在頻率不變，逐漸增大幅值的條件下，用示波器觀察輸出波形。在時的波形如圖52、圖53和圖54（注：標注有小三角形的曲線為輸出波形）；圖52圖53圖54由以上三張圖可知，當較小時，放大電路仍然工作在線性區(qū)；隨著的增大其靜態(tài)工作點逐漸向非線性區(qū)移動；若太大則輸出波形有明顯失真現(xiàn)象。綜上所述，當時，靜態(tài)工作點剛好進入非線性區(qū)，輸出波形逼真于正弦波。6. 實物連接與調試結果圖61、62和63分別為電路板的正面照片、反面照片和電路板調試后的效果圖照片。圖61圖62圖63（注：三角波為輸入波形，正弦波為輸出波形）對比圖53和63可知，在誤差允許范圍內實際電路板的輸出波形與仿真所得到的波形基本吻合，符合此次

27、課程設計要求。調試測得靜態(tài)工作點見表61：靜態(tài)電流 恒流源靜態(tài)電壓表617. 此次設計過程中所遇到的問題及解決措施在此次課程設計中，我遇到了一下幾個問題：1 仿真出錯，得不到理論上的轉換。2 拿到電路板和元器件后不知所措。3 焊好電路板后，雙電源哪里來以及怎么調試實際電路。解決措施如下：1 在對電路原理進行初步仿真時，不能得到理論分析所得的波形；在和同組成員一起討論后仍然沒有找到解決方法。最后我決定請教楊老師，經過楊老師的仔細分析和調試發(fā)現(xiàn)初始原理圖存在嚴重的不對稱性（由輸入端口串接的限幅電路造成）和過寬的線性區(qū)（因射極電阻太大），造成了輸出信號失真和放大器不能及時過渡到非線性區(qū)。在經歷了電路

28、元件參數的重新計算和了仿真調試后，我決定刪掉原有的限幅電路（輸入信號的幅值在信號發(fā)生器上手動調節(jié)）；射極電阻的阻值由調為（隨著輸入信號幅值的增加，使放大器迅速過渡到非線性區(qū)）。在經過了上訴措施后，重新仿真調試得到了預期的變換波形。2 因為是第一次做課程設計，在實物的布局和各個元件之間的走線情況都不知所措，也不知道焊烙鐵的正確使用方法；即便我已經透徹的理解了此次設計的工作原理。進入焊接室我參照了里面成形的電路板，學習了其實物布局和走線，并對比自己的原理圖；請教了實驗室有焊接技術基礎的同學，學習了焊烙鐵的正確使用方法，然后開始搭建自己的實物圖并焊接。3 在此次設計中我的放大器需要雙電源，因為實驗臺

29、上只有和可調電源，這顯然不能滿足我調試的需求。后來我想到了借助實驗臺上的九孔板和的電位器搭建一個簡易的串聯(lián)電路，并由電位器分得電壓；再由可調電源輸出電壓，這樣便完成了靜態(tài)所需雙電源的要求。借助實驗臺上的萬用表分別測得靜態(tài)工作點見表61，然后在逐漸增大輸入信號的同時微調來改善輸出波形。調試結果見圖63。由于分立元件的參數存在分散性，故差分放大器很難做到完全對稱，所以測得兩個管子的靜態(tài)不完全相同。但在誤差允許范圍內是可以接受的。8. 設計的心得體會在這次的模電課程設計中，我對模電有了更清晰的認識，成功的運用了書本知識。但是在一開始看見題目的時候，還是比較頭疼的，不知道如何下手分析原理和進行仿真調試，但是隨著慢慢的摸索，查找相關資料并向老師請教。最后成功解決了問題并順利完成了本次設計。課程設計本身要求將這學期所學的理論知識運用到實際的電路設計當中去，在電路的設計過程中，無形中加深了我們對模擬電路的認識及運用能力，對課本以及以前學