模擬電子技術基礎課程設計指導書12頁

1、模擬電子技術課程設計指導書一課程設計的目的:1通過實際課題的設計提高學生綜合運用所學知識能力。2學習電子工程師理想的設計工具PROTEUS電路仿真設計工具，熟悉PROTEUS軟件基本操作，了解PROTEUS的電路仿真過程，學會繪制電路圖，并能進行基本的仿真實驗及性能分析。二課程設計的題目課程設計題目分兩類，一是綜合設計性題目，該題目的目的是綜合運用所學的知識，可在三個設計題目中任選其一。一類是基礎性實驗題目，此類題目目的是通過仿真實驗進一步復習鞏固模擬電子技術的基礎理論，掌握主要單元電路的性能分析方法，為實際應用打下基礎，可選1-2個實驗進行仿真，按實驗指導書完成設計報告。 I綜合設計性題目：

2、 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設計 水溫測量與控制電路的設計 數(shù)字邏輯電平測試儀的設計 （任選其一）II. 基礎性實驗題目：（II、III實驗中任選其二，按實驗指導書寫出實驗報告）實驗一：單管交流放大電路 實驗二：反饋放大電路 實驗三：集成運算放大器的基本應用（一）實驗四：集成運算放大器的基本應用（二）實驗五：低頻功率放大器 （上述實驗 參閱模擬電子技術實驗指導書）iii 補充實驗1. 射極跟隨器 （參考附錄1）2. RC正弦波振蕩器（參考附錄2）3.差動放大電路 （參考附錄3） 二、課程設計的要求：設計課題1：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設計設計要求：在輸入電壓220V 50HZ電壓變化范圍±10

3、%條件下： 輸出電壓可調范圍：+9+12V； 最大輸出電流：300mA; 測出設計電路的輸出電阻(輸入電壓變化范圍±10%下,滿載)，并將輸出電阻盡量減到最小。 測出設計電路的穩(wěn)壓系數(shù)( 最低輸入電壓下,滿載)，并將穩(wěn)壓系數(shù)減到最小。 學習PROTEUS的電路仿真過程，繪制電路圖，進行基本的仿真實驗對設計的電路進行性能分析預習要求： .復習串聯(lián)穩(wěn)壓電源工作原理。 .查閱有關電路相關資料。 .確定設計方案、計算元器件參數(shù)滿足設計要求。 預習PROTEUS仿真軟件設計指導:在所有的電子電路和電子設備中,通常都需要電壓穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源供電.小功率直流穩(wěn)壓電源主要有電源變壓器、整流電路、濾

4、波電路、和穩(wěn)壓電路4部分組成。直流穩(wěn)壓電源的技術指標有：輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、和輸出電壓范圍；質量指標有穩(wěn)壓系數(shù)、電壓調整率、電流調整率、紋波電壓等。1.設計參考電路2.測量輸出電壓變化范圍 在電路空載的條件下，在輸出端接電壓表，用電壓表測量電路的輸出電壓。 單擊仿真開關，進行仿真分析。當電路處于穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)電壓表的顯示值，記錄電路的輸出電壓。調節(jié)電位器，觀察輸出電壓的變化情況，記錄輸出電壓的最大值和最小值。3輸出電阻的測量直流電源的輸出電阻定義為：當輸入電壓不變時，由于負載變化引起的輸出端直流電壓變化量與輸出電流變化量之比。在如圖所示直流穩(wěn)壓電源電路，在R6支路串入電流表。單擊仿真開

5、關進行分析，電位器R5在50%處，輸入電壓Vi=220v不變的情況下,在開關K斷開時,記錄輸出電壓Vout;然后在開關K閉合時,測量輸出電壓Vout1和輸出電流Iout.輸出電阻Ro=在工程中也常常用IO 從零變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化量來表征這一性能，稱電流調整率。4.穩(wěn)壓系數(shù)測定穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)Sr的定義:當負載不變時,輸出直流電壓Vo的相對變化量與輸入直流電壓Vi的相對變化量之比。該指標反映了電網(wǎng)電壓波動的影響。所謂穩(wěn)壓電路的輸入電壓Vo是指整流濾波后的直流電壓。由于工程上常常把電網(wǎng)電壓波動±10%做為極限條件。因此，也有將此時的輸出電壓的相對變化做為衡量指標，稱為

6、電壓調整率。保持負載電阻R6不變，調節(jié)穩(wěn)壓電路輸入電壓Vi, 使輸入電壓在±10%的范圍變化，觀察輸出電壓波形，測試輸出電壓的變化值，計算出電路的穩(wěn)定系數(shù)Sr。 設計課題2：水溫測量與控制設計要求 水溫測量, 測量范圍 0100 oC 學習PROTEUS的電路仿真過程，繪制電路圖，進行基本的仿真實驗對設計的電路進行分析擴展功能 ：在測溫的基礎上實現(xiàn)實時控制?？販鼐?：±1 oC控溫通道輸出為雙向晶閘管或繼電器，一組轉換觸點為市電（220V 10A）預習要求：.復習集成運算放大器的線性區(qū)的應用(比例電路、比較器)。.查閱AD590溫度傳感器的相關資料及典型應用 查閱繼電器相

7、關資料，了解其工作原理及其應用。 預習PROTEUS仿真軟件 設計指導溫度控制器是實現(xiàn)可測溫度和控制溫度的電路，通過對溫度控制電路的設計、調試了解溫度傳感器的性能，學會在實際電路中的應用。進一步熟悉集成運算放大器的線性和非線性應用。溫度控制系統(tǒng)的基本原理溫度測量與控制原理框圖如圖下所示。 本電路有溫度傳感器，K- 0C變換、控制溫度設置、數(shù)字電壓表（顯示）和放大器等部件組成。溫度傳感器的作用是把溫度信號轉換成電流信號或電壓信號，K-OC變換將熱力學溫度K轉換成攝氏溫度OC。信號經(jīng)放大器放大和刻度定標后由數(shù)字電壓表直接顯示溫度值，并同時送入比較器與預先設定的固定溫度值進行比較，由比較器輸出電平的

8、高低變化來控制執(zhí)行機構（如繼電器）工作，實現(xiàn)溫度的自動控制。 溫度測量與控制原理框圖 1. AD590溫度傳感器簡介AD590是單片集成感溫電流源，具有良好的互換性和線性性質，能夠消除電源波動，輸出阻抗高達10M。器件采用B-1型金屬封裝。其主要特征如下；1).流過器件的電流變化1µA,等于器件的熱力學溫度變化1K即轉換當量為1µA/K。2）測量溫度范圍為-55+1503）AD590的電源電壓范圍為430V。電源電壓可46V范圍變化，可承受44V正向電壓和20V的反相電壓，器件反接也不會被損壞。4.）精度高，AD590 共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55

9、+150范圍內，非線性誤差為±0.3。AD590為電流型PN結集成溫度傳感器，其輸出電流正比于熱力學溫度。0溫度時輸出電流為273.2µA，溫度每變化1，輸出電流變化1µA。由于生產是經(jīng)過精密校正，AD590的接口電路十分簡單，不需要外圍溫度補償和線性處理電路，便于安裝和調試。2. 單元電路參考設計方案一：溫度-電壓變換電路溫度-電壓變換電路如圖1 。由圖得出Uo1 =(1µA/K)*R = R * 10 -6/K如R= 10K 則 Uo1 = 10mV/K K-變換電路因為AD590的溫控電流值是對應熱力學的溫度K,而溫控中需要采用攝氏溫度由運算放大器

10、組成的加法器可實現(xiàn)這一轉換，參考電路如圖2所示。其表達式滿足如下關系： 圖1 溫度-電壓變換電路圖 圖2. K- 變換參考電路 UO2=-（-UR)元件參數(shù)的確定和-UR 的選取的指導思想是：0（即273K）時，UO2=0V。 放大器設計一個反相比例運算放大器，進行參數(shù)調整，使其輸出Uo3 滿足10mv/。用數(shù)字電壓表可實現(xiàn)溫度顯示。溫度比較電路溫度比較電路由電壓比較器組成，如圖3所示。VREF為控制溫度的設定電壓（對應控制溫度的），Rf2用于改善比較器的遲滯特性，決定控制溫度的精度。 圖3 比較器電路 圖4 繼電器驅動電路 繼電器驅動電路如圖4所示。當被測溫度超過設定溫度時，繼電器動作，使觸

11、發(fā)器斷開，停止加熱；反之被測溫度低于設置溫度時，繼電器閉合，進行加熱。NPN型晶體管VT作為開關管用來驅動繼電器線圈是否得電，從而控制加熱裝置達到控制溫的目的。二極管VD的作用是繼電器線圈斷電瞬間，提供能量釋放回路，防止擊穿驅動晶體管VT。 測試要點 用溫度計測量傳感器處的溫度T(OC),若溫度T=27 OC (300K),取R=10K,則UO1=3V,調整UR的值使UO2=-270mV,若反相比例放大器的放大倍數(shù)為-10倍，則UO3應為2.7V。測量比較器的比較電壓VREF 的值,使其等于所要控制的溫度乘0.1V。如設定溫度為50，則VREF的值為5V。比較器的輸出可接LED指示燈，在溫度傳

12、感器加熱（可用電吹風實現(xiàn)）到溫度小于設定值錢LED一直處于點亮狀態(tài)，反之，則熄滅。如果控溫精度不良或過于靈敏造成繼電器在被控觸點抖動時，可改變電阻Rf2.方案二：溫度測量電路也可以采用圖5所示應用電路。圖5 溫度測量電路 圖5中 AD590的輸出電流I=(273+T)µA（T為OC），因此測量的電壓U=(273+T)µA*10k=2.73+T/100V,利用電壓跟隨器緩沖隔離，U=U2。由于一般電源供應較多器件之后，電源是帶噪聲的，因此可使用穩(wěn)壓管利用可變電阻分壓調整，使U1=2.73V.使用差動放大器，其輸出為 UO=10(U2-U1) )=T/10V。如果T=28OC,

13、則輸出電壓為2.8V。 設計課題3:數(shù)字邏輯電平測試儀設計要求：測試高電平、低電平，發(fā)出不同的聲響。測量范圍： 低電平0.8V, 高電平3.5V ，高低電平分別用1KHZ和800HZ.的聲響表示；被測信號在0.83.5v之間不發(fā)聲；工作電源為5V ,輸入阻抗大于20K.學習PROTEUS的電路仿真過程，繪制電路圖，進行基本的仿真實驗對設計的電路進行分析預習要求：.復習集成運算放大器組成的窗口比較器工作原理。.查閱聲響產生電路相關資料。確定設計方案、計算元器件參數(shù)滿足設計要求。預習PROTEUS教程設計指導： 1.概述在數(shù)字電路測試、調試時和檢修時，經(jīng)常要對電路中的邏輯電平進行測試，采用萬用表或

14、示波器很不方便，而采用邏輯信號電平測試儀可以通過聲音表示被測信號的邏輯狀態(tài)，使用簡單方便。圖示電路為數(shù)字邏輯電平測試儀的原理框圖，電路由輸入電路、邏輯電平識別電路和聲響信號產電路等組成。圖1 2.各單元電路參考設計輸入及邏輯電平識別電路如圖2所示，Ui 是輸入的被測邏輯電平信號，輸入電路由電阻R1和R2組成，其作用是保證輸入懸空時，Ui既不是高電平，也不是低電平。A1和A2組成窗口比較器，參考電壓VH和VL有電阻分壓獲得。Ui 圖2 輸入和邏輯識別電路比較器的邏輯電平比較功能表如表1所示，從比較器的輸出狀態(tài)就能判別輸入邏輯電平信號的高低。表1 邏輯電平比較功能表輸 入 輸 出 VA VB Ui

15、L(H) 低 高 L UiH低低UiH（VL）高低根據(jù)技術指標的要求，設輸入端懸空時，Vi=1.4V(取VH=3.5V 與VL=0.8V的中間值)，由Ui 、VH、VL的值可以計算出R1、 R2 、R3、 R4、R5、 R6 的值。輸入電阻Ri = R1/R220K, R3、 R4、 R5、 R6取值過大容易引起干擾，取值過小是會增大功耗。工程一般在幾十至幾百千歐。聲響信號產生電路如圖3所示聲響產生電路，主要有兩個比較器A3和A4組成，其工作原理如圖所示。 圖3 音響產生電路1） 當VA =VB = -5V (均為低電平)時，由于穩(wěn)態(tài)時，電容C1兩端電壓為零，二極管VD1、VD2截止，電容C1

16、無充電回路，而 Up3 =3V,即UP3UN3, 故Uo輸出為高電平。輸出Uo通過電阻R9為電容C2充電，穩(wěn)態(tài)時達到高電平，使UP4UN4，運算放大器A4輸出 高電平，但由于二極管VD3的存在，電路的穩(wěn)態(tài)不受影響。故電路輸出Uo一直保持高電平。2） 當VA =3.5v、VB = -5V時。此時VD1導通,電容C1通過電阻R7充電,VC1按指數(shù)規(guī)律逐漸升高，使UN3UP3 = 3V, Uo保持高電平。 UN3UP3 = 3V時，UO從5V跳變?yōu)?V, 使C2通過R9放電，VC2由5V逐漸下降，當VC2UN4 =3V, A4的輸出跳變?yōu)?V，二極管VD3導通，C1通過VD3和A4的輸出電阻放電。因

17、為A4的輸出電阻很小，所以VC1迅速降到0V左右 ，使UN3UP3，輸出電壓UO又跳變到5V, C1再次充電，如此循環(huán)，UO形成矩形脈沖信號，如圖所示。3） 當VA =-5V、VB =3V時。此時電路的工作過程與VA =3V 、VB =0V時相似，區(qū)別在于VD2導通時，VB高電平通過R8向C1充電，時間常數(shù)改變了，使得UO的周期會發(fā)生相應變化。有關參數(shù)計算如下：根據(jù)一階電路響應的特點，在t1期間電容充電 T = t1 + t2式中t1=1.2 1 1 =R7C1 T2=0.36 2 2 =R9C2取2=0.5ms C2 =0.01µF 可計算R9的值。選C1=0.1µF，由

18、于技術指標要求，被測信號為高電平時，聲響頻率為1KHZ即T=1ms,可計算出R7的取值。同理當被測信號為低電平時，聲響頻率為800HZ.,可求得R8的值。 聲響驅動電路 圖4 音響驅動電路聲響驅動電路如圖4所示。電阻R10 =5k R11 =10k。由于聲響負載較低且功耗小，驅動管的耐壓等條件要求不高，選取9012做為驅動管，即能滿足本電路的要求。本設計的聲響信號產生電路也可以利用555定時器完成。將判別電路的輸出接到555定時器的4腳，當判別的結果為高電平時，555定時工作，產生一定頻率的矩形波信號，聲響驅動電路工作，可利用二極管改變RC時間常數(shù)，可獲得不同的震蕩頻率，滿足本設計的要求，請同學自行設計。3.發(fā)揮要求： 窗口寬度可調的窗口檢波器控制系統(tǒng)中，常用窗口檢波器檢測被測信號電平。圖5所示是窗口寬度可調的窗口檢波器。當輸入電壓Ui為正值時，VD3導通，VD2截止，運算放大器A2的輸出電壓為零。如果Ui VL , 則VD1截止，檢波器輸出Uo為零。如果Ui VL，則VD1導通，通過VD1、R2構成的正反饋支路，使Uo輸出為高電平VOH。當輸入電壓Ui為負值時，VD1截止，檢波器輸出Uo由A2確定。Ui與VL的和式正值時，A2的輸出電壓為負，VD3導通，VD2截止，Uo為零。Ui與VL的和為負值時A2的輸出電壓為正值,VD2導通，R4 、VD2為正反饋支