南理工eda2實驗報告 多功能數(shù)字時鐘設(shè)計

1、EDA設(shè)計（I）實驗報告姓名：郭立學(xué)號：0904520126專業(yè)：光電信息工程指導(dǎo)教師：黃琳實驗時間：9月5號至9月8號實驗一：單級放大電路的設(shè)計與仿真一實驗?zāi)康模?.掌握放大電路靜態(tài)工作點的調(diào)整與測試方法。2.掌握放大電路的動態(tài)參數(shù)的測試方法。3.觀察靜態(tài)工作點的選擇對輸出波形及電壓放大倍數(shù)的影響。二實驗要求：1.設(shè)計一個分壓偏置的單管電壓放大電路，要求信號源頻率5kHz(峰值10mV) ，負(fù)載電阻，電壓增益大于50。2.調(diào)節(jié)電路靜態(tài)工作點(調(diào)節(jié)電位計)，觀察電路出現(xiàn)飽和失真和截止失真的輸出信號波形，并測試對應(yīng)的靜態(tài)工作點值。3.調(diào)節(jié)電路靜態(tài)工作點(調(diào)節(jié)電位計)，使電路輸出信號不失真，并且幅

2、度最大。在此狀態(tài)下測試：（1）電路靜態(tài)工作點值；（2）三極管的輸入、輸出特性曲線和 、 rbe 、rce值；（3）電路的輸入電阻、輸出電阻和電壓增益；（4）電路的頻率響應(yīng)曲線和fL、fH值。三實驗內(nèi)容及步驟：1.設(shè)計單級放大電路原理圖如下：2.放大電路三種工作狀態(tài)的分析如下：（1）最大不失真輸出 用示波器同時測試電路輸入、輸出端的電壓波形，從0開始調(diào)節(jié)滑動變阻器，一邊調(diào)節(jié)，一邊觀察波形，在肉眼看不出失真時，計算輸出波形波峰、波谷值的相對誤差（要求其相對誤差控制在5%以內(nèi)）。經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電位器阻值為61%RW時，波形有最大不失真波形輸出，且滿足反向放大的原理，波形如下：此時分析其波峰、波谷值，可

3、得：（408.581-388.611）/408.581=4.89% 滿足誤差要求。通過靜態(tài)分析，得靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)如下：也即： ICQ=1.24889mA IBQuA UCEQ UBEQ（2）飽和失真輸出 為了能直觀看出失真，將電源換成頻率不變，但峰值為10mV的信號源，并將電位器調(diào)阻值至0%RW 。失真波形如下：此時靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)如下：也即： ICQ=1.88089mA IBQ UCEQ19V UBEQ（3）截止失真輸出 在飽和失真的基礎(chǔ)上，將電位器阻值調(diào)至100%，得輸出波形如下：此時，計算波峰、波谷值誤差： （624.836-546.698）/624.836=12.51%5%所以判定為失真

4、測得靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)如下：也即： ICQ=853.60606uA IBQ UCEQ=8.58568-1.71827=6.86741V UBEQ3.三極管特性曲線測試如下：（1）輸入特性重新連接電路，使三極管物理量、為直流量。測試輸入特性曲線的電路如下：運用直流掃描分析可得三極管一般輸入特性曲線如下：將測試電路中的V2 即 固定為正常放大狀態(tài)的UCEQ=4.48892V，便可得到原電路正常放大狀態(tài)下的特性曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)如下：由公式得， （2）輸出特性 同樣，重新連接電路，使物理量和為直流量，電路如下：運用直流掃描分析可得三極管一般輸出特性曲線如下：將測試電路中的I2 即 固定為正常放大狀態(tài)的IBQ

5、=，便可得到原電路正常放大狀態(tài)下的特性曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)如下：由公式得，（3）正常放大狀態(tài)下放大倍數(shù)的確定如下：由公式得，4.最大不失真狀態(tài)下電路基本參數(shù)的測定及理論誤差分析（1）輸入電阻的的測定其測量原理圖如下： 其中兩萬用表的測量數(shù)據(jù)為 用如上所示的電壓除以電流即可得輸入電阻為運用模電理論知識，通過電路小信號等效模型可知：其理論值為誤差為（2）輸出電阻的測定其測量原理圖如下：其中兩萬用表的測量數(shù)據(jù)為： 同樣以如上所示的電壓除以電流即可得到輸出電阻為 運用小信號模型分析可得其理論值為： 則誤差為（3）放大倍數(shù)的測定 其測量原理圖如下：其中兩萬用表的測量數(shù)據(jù)為： 兩電壓相除便可得到放大倍數(shù)絕對值為

6、 用小信號模型分析其理論絕對值為： 誤差為（4）頻率特性仿真對電路的2節(jié)點進(jìn)行交流仿真分析，便可得到電路的幅頻和相頻特性曲線如下： 同時左右調(diào)節(jié)滑竿，使縱坐標(biāo)為最大值19的（如上圖），可得相關(guān)數(shù)據(jù)如下： 則上限頻率fH=z 下限頻率fLz四實驗結(jié)果分析及小結(jié)：分析以上的實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：電路從飽和失真到不失真再到截止失真的過程中，UCEQ逐漸變大，ICQ逐漸變小，UBEQ基本不變。三極管的輸入、輸出曲線以及幅頻特性曲線也和我們已知的模電知識吻合的很好。通過對電路輸入、輸出電阻及電壓增益的實驗值與理論值的比較，發(fā)現(xiàn)誤差在所難免，但好在它并不是很大，因此我對實驗結(jié)果還較為滿意。這次的實驗比較基本，

7、使我對Multisim軟件有了清楚的認(rèn)識，學(xué)會并熟練掌握了一些基本的仿真方法。實驗中遇到的最大問題就是尋找最大不失真點，一方面，要波峰、波谷誤差盡可能小，另一方面，又要求UCEQ盡可能大，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，這本身是矛盾的，UCEQ越大，波峰、波谷誤差就越大，所以不可能同時滿足。所以，我在找尋最大不失真點時，盡量使UCEQ大一些，同時將波峰、波谷誤差控制在5%左右。實驗二：負(fù)反饋放大電路的設(shè)計與仿真一實驗?zāi)康模?.掌握多級阻容耦合放大電路靜態(tài)工作點的調(diào)試；2.掌握各種反饋（電壓、電流、串聯(lián)、并聯(lián)）的區(qū)別與接入方法；3.了解反饋對電路電壓增益、輸入輸出電阻以及非線性失真的影響；4.了解深度負(fù)反饋下

8、的電路特性，并驗證AF1/F。二實驗要求：1.設(shè)計一個阻容耦合兩級電壓放大電路，要求信號源頻率10kHz(峰值1mv) ，負(fù)載電阻1k，電壓增益大于100。2.給電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋：（1）測試負(fù)反饋接入前后電路放大倍數(shù)、輸入、輸出電阻和頻率特性。（2）改變輸入信號幅度，觀察負(fù)反饋對電路非線性失真的影響。三實驗內(nèi)容及步驟：1.引入負(fù)反饋前后的電路原理圖（1）未引入負(fù)反饋時的兩級放大測試電路如下：（2）引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后的測試電路如下：2.引入負(fù)反饋前后的輸入電阻、輸出電阻及電壓增益值（1）未引入負(fù)反饋時根據(jù)實驗一的輸入、輸出電阻及電壓增益的測量方法，可得如下實驗數(shù)據(jù)：電壓增益 輸入電阻 輸

9、出電阻 （2）引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后同理可得如下數(shù)據(jù)：電壓增益 輸入電阻 輸出電阻 3.關(guān)于深度負(fù)反饋下AF1/F的驗證補(bǔ)測負(fù)反饋電阻兩端電壓如下： 即UF=則 可見，深度負(fù)反饋下AF1/FfL、fH值（1）引入負(fù)反饋前：電路交流小信號分析圖如下相關(guān)數(shù)據(jù)如右所示則上限頻率fH=z下限頻率fL=Hz（2）引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后：電路交流小信號分析圖如下相關(guān)數(shù)據(jù)如右所示則上限頻率fH=z 下限頻率fL=1Hz5.負(fù)反饋對電路非線性失真的影響（1）引入負(fù)反饋前當(dāng)輸入信號源峰值為1mV時，波形如下：可以發(fā)現(xiàn)此時，波形并未失真但當(dāng)把信號源峰值改為5mV時，波形如下此時，波形已有明顯失真說明，信號源峰值從1m

10、V逐漸變大到5mV的過程中，輸出波形開始出現(xiàn)失真2）引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后我們先直接將信號源峰值調(diào)為5mV，所得波形如下所示：發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)失真；將信號源峰值改為100mV時，得到波形如下發(fā)現(xiàn)也沒有出現(xiàn)明顯的失真當(dāng)信號源峰值為300mV時波形便出現(xiàn)了嚴(yán)重失真也就是說，接入反饋后，至少在信號源峰值大于100mV時，才有可能出現(xiàn)失真。四實驗結(jié)果分析及小結(jié)：本次實驗主要是對引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋前后一些參數(shù)進(jìn)行比較，從中得出的結(jié)論和我們已學(xué)知識吻合的很好。由于我引入了深度負(fù)反饋，所以很輕松驗證了AF1/F。分析對比本次實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，可得如下結(jié)論：負(fù)反饋的引入對電路參數(shù)影響很大，它大大降低了電路電壓增益（從

11、504.89降到1.959）；并且電路輸入電阻明顯增大（從增大到），輸出電阻明顯減小（從減小到）；電路的頻帶寬度也明顯變寬（體現(xiàn)在fH明顯變大，fL明顯變?。?；同時，也大大減小了電路的非線性失真（體現(xiàn)在引起失真的輸入信號幅度明顯變大）。實驗三：階梯波發(fā)生器的設(shè)計與仿真一實驗?zāi)康模海?。二實驗要求?.設(shè)計一個能產(chǎn)生周期性階梯波的電路，要求階梯波周期在20ms左右，輸出電壓范圍10V，階梯個數(shù)5個。(注意：電路中均采用模擬、真實器件，不可以選用計數(shù)器、555定時器、D/A轉(zhuǎn)換器等數(shù)字器件，也不可選用虛擬器件。)2.對電路進(jìn)行分段測試和調(diào)節(jié)，直至輸出合適的階梯波。3.改變電路元器件參數(shù)，觀察輸出波形

12、的變化，確定影響階梯波電壓范圍和周期的元器件。三實驗內(nèi)容及步驟：階梯波發(fā)生器的原理框圖如下所示波形及工作原理（1）方波發(fā)生器電路原理如下所示：（其中節(jié)點5為輸出節(jié)點）輸出的方波波形如下所示（圖中可讀出方波周期約為4ms）電路工作原理分析：方波發(fā)生器實際上是由一個簡單的滯回比較器和由、構(gòu)成的充放電回路所組成的。穩(wěn)壓管、使得輸出電壓穩(wěn)定為，它決定了方波的峰值，同時通過、回路的充放電，使得閾值電壓和輸出電壓有規(guī)律的變化。舉例說明：當(dāng)輸出正電壓時，此時閾值電壓為+UT，輸出電壓通過、回路對充電，當(dāng)節(jié)點1電位大于+UT，輸出電壓跳變?yōu)樨?fù)電壓，同時閾值電壓跳變?yōu)?UT，于是通過回路放電，節(jié)點1電位小于-U

13、T時，輸出又是正電壓，從而進(jìn)入規(guī)律循環(huán)。（2）微分電路加上微分電路的電路圖如下：電路工作原理分析： 微分電路是由和組成的充放電回路，它將節(jié)點5輸出的方波波形變?yōu)橹芷诓蛔兊囊幌盗屑饷}沖，其中，微分回路每次充（放）電的時間為，一般要求t盡可能的小，因為只有當(dāng)t遠(yuǎn)小于方波周期的一半，才能使實際波形盡可能接近理想的脈沖波形，以便后面形成較為完美的階梯波（后面給出具體波形）經(jīng)微分電路后輸出的波形如下：（周期約為4ms）（3）限幅電路電路工作原理分析：在上述電路的基礎(chǔ)上加上一個由二極管和電阻組成的限幅電路，該電路的作用是：利用二極管的單向?qū)щ娦赃^濾掉節(jié)點8輸出的尖脈沖波形中的負(fù)尖脈沖成分，從而得到單邊正尖

14、脈沖波形。（后面給出具體電路和波形）加上限幅電路后的電路圖如下：其產(chǎn)生的波形如下：（周期約為4ms）（4）積分電路加上積分電路后的電路如下所示：該電路產(chǎn)生的波形如下所示：電路工作原理分析：積分電路是由一個簡單的積分器構(gòu)成，它對節(jié)點9輸出的單邊尖脈沖信號進(jìn)行積分，從而得到一級級下降的階梯信號。積分電路可以說是階梯波發(fā)生器的核心器件。其輸出電壓公式為：（U11和U9分別為節(jié)點11和節(jié)點9 的輸出電壓,U0為初始電壓）。（5）比較器及電子開關(guān)電路上述電路的基礎(chǔ)上，加上一個復(fù)雜的比較器和電子開關(guān)電路后便可得到最終的階梯波發(fā)生器。電路如下所示：（節(jié)點11為輸出節(jié)點）最終的階梯波波形如下：（圖中可讀出：輸

15、出電壓范圍約為10V，周期約為20ms）電路工作原理分析：首先，從比較器開始分析，它位于電路的最右端，由積分電路的輸出波形可知，剛開始節(jié)點11（即反向輸入端）的電位必然大于節(jié)點12（即同向輸入端）的電位，所以節(jié)點14輸出為-15V，由電路定理分析計算可知，此時的閾值電壓為-10V。也就是說，當(dāng)積分電路的輸出電壓低于-10V時，節(jié)點14的輸出電壓就會跳變到15V。接著因為二極管導(dǎo)通，使得場效應(yīng)管由于UGS=0V而導(dǎo)通（相當(dāng)于開關(guān)閉合）。此時，節(jié)點11的電位等于節(jié)點10的電位，為0電位（由“虛短”特性可知）。從而，積分電路的輸出波形跳回0點，此時同向輸入端電壓也為0V，但在實際電路中稍稍大于反向輸

16、入端（由后文附上的波形及相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出），所以節(jié)點14的輸出跳變到-15V。以后過程重復(fù)上述過程，進(jìn)入循環(huán)，從而輸出要求的階梯波。(后文將附上節(jié)點11、節(jié)點12、節(jié)點14的輸出電壓變化規(guī)律及相關(guān)數(shù)據(jù))另外，二極管其實對最后的波形影響不大，但卻有一個重要的作用:同步方波波形和階梯波波形，使他們的變化規(guī)律一致，從而得到嚴(yán)格周期變化的階梯波。方波和階梯波的變化規(guī)律對比如下圖： 現(xiàn)附上節(jié)點11、節(jié)點12、節(jié)點14的輸出電壓變化規(guī)律及相關(guān)數(shù)據(jù)如下：節(jié)點12的電壓輸出波形如下：（圖中可以讀出比較器閾值電壓約為-9.7V或-295mV）節(jié)點14的電壓輸出波形如下：（圖中可以讀出比較器輸出電壓約為）節(jié)點11的電壓輸出波形如下：（從圖中可以讀出節(jié)點11電壓從-9V跳變到-198mV）四實驗結(jié)果分析及小結(jié)：（1）調(diào)節(jié)電路中那些元器件值可以改變階梯波的周期？結(jié)合上文分析的電路原理并采用控制變量法解答如下：.通過改變電阻、以改變階梯波電壓輸出范圍（即積分電路的閾值電壓），從而改變周期。. 由上面提到的積分器公式可知：通過改變、以改變階梯波每一級壓降，進(jìn)而改變階梯個數(shù)，從而改變周期。.每一級階梯的周期是由方波周期決定的，由方波周期公式可知：通過改變、可以改變周期。（2）調(diào)節(jié)電路中那些元器件值可以改變