模電課程設(shè)計多種波形發(fā)生器和直流電源.doc

1、電子技術(shù)課程設(shè)計實驗報告基于Multisim10的電子電路設(shè)計與仿真學(xué)院： 計算機(jī)學(xué)院 指導(dǎo)教師： 陳勇 完成日期：2012-1-6姓名： 班級： 通信1001 學(xué)號：姓名： 班級： 通信1002 學(xué)號：目 錄1 乙類推挽功率放大電路31.1 實驗?zāi)康?1.2 實驗設(shè)備31.3 實驗步驟31.4 數(shù)據(jù)分析處理72 多種波形發(fā)生器設(shè)計72.1 設(shè)計要求72.2 設(shè)計思路72.3 原理說明82.3.1 方波發(fā)生電路82.3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路92.3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路112.3 總體電路122.3.1 器件選擇以及參數(shù)說明122.3.2 總電路圖以及功能實現(xiàn)132.4 設(shè)計不足和存

2、在問題143 實驗所需的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計143.1 直流電源設(shè)計思路143.2 直流電源基本原理143.2.1 變壓電路153.2.2 整流電路163.3.3 濾波電路173.3.4 穩(wěn)壓電路193.3 最后方案及完整電路204 參考文獻(xiàn)211 乙類推挽功率放大電路1.1 實驗?zāi)康?.熟悉Multisim10軟件的使用2.觀察乙類推挽功放輸出波形的交越失真,學(xué)會消除交越失真的方法。3.掌握乙類推挽功放Q點的調(diào)試和最大不失真輸出電壓的測量。1.2 實驗設(shè)備雙蹤示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、毫伏表、萬用表1.3 實驗步驟a、按照圖1連接電路b、調(diào)節(jié)電位器Rp2的百分比為0；開啟仿真，用按鍵調(diào)節(jié)Rp1的

3、百分比，使電壓表指示在6V左右，即電路中“M”點電壓為電源電壓的一半。c、關(guān)閉仿真開關(guān)，刪除電壓表；從虛擬儀器中調(diào)出虛擬函數(shù)信號發(fā)生器和示波器，按圖2連接電路，將信號發(fā)生器設(shè)置成1KHz，10mV的正弦信號；開啟仿真，觀察輸出正弦波存在的交越失真現(xiàn)象。d、逐漸增大電位器Rp2的百分比，觀察輸出波形幅度和交越失真隨Rp2變化的情況。e、逐漸增大輸入信號的幅度，直至輸出波形幅度最大且不失真，在示波器上讀出輸入波形和輸出波形的幅度。圖1-1 步驟a、b圖1-2 步驟c圖1-3 步驟d 圖1-4 步驟e1.4 數(shù)據(jù)分析處理1、 根據(jù)圖1計算該乙類功放電路的最大不失真輸出電壓幅度： UomM=Vcc-U

4、cesVcc=6V2、通過仿真實驗，測量出的最大不失真輸出電壓幅度約為2.73V。3、 簡述交越失真產(chǎn)生的原因及消除的方法： 產(chǎn)生原因：BJT輸入特性的非線性，即BJT的Je結(jié)的正偏電壓小于閾值電壓，管內(nèi)幾乎沒有基級電流；兩管工作在乙類狀態(tài)，即每當(dāng)輸入電壓過零前后，有段時間兩管的、和輸出端的、均為0。 消除方法：調(diào)節(jié)電位器Rp2的百分比和輸入信號的幅度,即將靜態(tài)工作點稍高于截止點，使放大器工作在甲乙類放大狀態(tài)。2 多種波形發(fā)生器設(shè)計2.1 設(shè)計要求設(shè)計能產(chǎn)生方波、三角波和正弦波等多種波形信號輸出的波形發(fā)生器。要求：（1）輸出的各種波形工作頻率范圍0.02Hz 20KHz連續(xù)可調(diào)；（2）正弦波幅

5、度10V，失真度小于1.5%；（3）方波幅度10V；（4）三角波峰-峰值20V；（5）各種輸出波形的幅度均連續(xù)可調(diào)；（6）設(shè)計電路所需的直流電源。2.2 設(shè)計思路1、輸出方波：利用輸入端的RC自激振蕩電路，反相輸入遲滯電路而形成，反相輸入端增加一個電位器以調(diào)節(jié)頻率。輸出電路利用一個10V雙向穩(wěn)壓管接地來穩(wěn)幅。在輸出端加一個電位器調(diào)節(jié)輸出幅度。2、輸出三角波：以方波為輸入信號，輸入到積分電路。同時為了提高三角波的負(fù)載能力并且減少方波頻率對三角波幅值的影響，將積分電路的輸出反饋給滯回比較器的輸入。通過改變方波的頻率改變?nèi)遣ǖ念l率。在電路中串聯(lián)一個電位器調(diào)節(jié)輸出幅度。3、輸出正弦波：實際是一個一階

6、反相輸入的低通濾波器。在積分電路中的電容上并聯(lián)一個電阻來降低通帶放大倍數(shù)。在電路中串聯(lián)一個電位器調(diào)節(jié)輸出幅度。將上述三種波形輸出電路按一定順序連接，分別輸出相應(yīng)波形，總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1。圖2-1 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)示意框圖2.3 原理說明2.3.1 方波發(fā)生電路 實驗電路及方波輸出波形如圖1-2所示，其中雙向穩(wěn)壓管電壓為10V。電路由遲滯型電壓比較器和RC延遲網(wǎng)路構(gòu)成，圖中和元件組成具有延遲作用的反饋網(wǎng)絡(luò)，電容器上的電壓就是反饋電壓，雙向穩(wěn)壓管對輸出電壓進(jìn)行限幅，是其限流電阻。 圖2-2 方波發(fā)生電路及輸出方波波形 電路通過RC充放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時刻輸出電壓，則同相輸入端電

7、位。通過對電容C正向充電。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時，趨于；但是，一旦，再稍增大，從躍變?yōu)椋c此同時從躍變?yōu)?。隨后，又通過對電容C反向充電。隨時間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時，趨于；但是，一旦，再減小，就從躍變?yōu)椋瑥能S變?yōu)?，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩，便形成了方波信號輸出。通過調(diào)節(jié)改變上端的電位進(jìn)而改變輸出方波的頻率，通過電位器改變輸出方波的幅度，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)幅。2.3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路 方波-三角波轉(zhuǎn)換實驗電路及三角波波輸出波形如圖2-3所示。 圖2-3 方波-三角波轉(zhuǎn)換實驗電路及三角波波輸出波形 若a點斷開，運(yùn)算發(fā)大器A

8、1與R1、R3及R4組成電壓比較器。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+ Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia_為 若Uo1=,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 比較器的門限寬度： 圖2-4 電壓傳輸特性圖 由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性如圖1-4所示。 a點斷開后，運(yùn)放A2與R9、C2及R8組成反相積分器，

9、其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為： 時， 時， 圖2-5 方波-三角波波形關(guān)系圖 可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系如圖1-5所示。比較器與積分器形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為： 方波-三角波的頻率f為： 2.3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路圖2-6 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電路由一個一階反相輸入的低通濾波器構(gòu)成，低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。其中積分電路中的電容上通過并聯(lián)上一個電阻來降低通帶放大倍數(shù)。如圖2-6所示，該例即為一有源低通濾波器，其截止頻率（H

10、z）定義為： 或者（弧度每秒）： 通帶增益是 ，由于是一階濾波器，其阻帶滾降速率為每倍頻6dB。許多情況下，一個簡單的增益或者抑制放大器通過添加電容 C 轉(zhuǎn)換成低通濾波器。 這樣就減弱了高頻率下的頻率響應(yīng)，并且避免了放大器內(nèi)部的震蕩。2.3 總體電路2.3.1 器件選擇以及參數(shù)說明1、 方波-三角波部分和元件組成具有延遲作用的反饋網(wǎng)絡(luò)，對輸出波形的頻率有直接影響，故我們在實電路的設(shè)計過程中選擇了30nf的可變電容和100k 的可變電阻，實際運(yùn)行時也卻是實現(xiàn)了頻率在1hz到1khz連續(xù)可變的效果。電阻R8的作用是調(diào)節(jié)輸出波形的幅度，經(jīng)過計算，我們選取了阻值為10k的電位器。2、 三角波-正弦波部

11、分該部分電路元器件選擇的關(guān)鍵是組成低通濾波器的電容大小，根據(jù)有源低通濾波電路原理及其截至頻率計算式，最終選取了400nf的電容。并聯(lián)電阻用來降低通帶放大倍數(shù)，通過運(yùn)行，多次修改，最后選擇了阻值為50k。2.3.2 總電路圖以及功能實現(xiàn) 圖2-7 總電路圖以及功能實現(xiàn)2.4 設(shè)計不足和存在問題（1）設(shè)計之初，利用R1進(jìn)行調(diào)頻，調(diào)頻范圍很小。改進(jìn)后，利用電位器R2以及可變電阻C4調(diào)節(jié)頻率，頻率能夠很大程度上連續(xù)可調(diào)，但是可調(diào)頻率范圍是100Hz 20KHz，沒有達(dá)到設(shè)計要求的0.02Hz 20KHz頻率范圍。（2）正弦波的失真率基本可以控制在5%之內(nèi)，但是沒有達(dá)到實驗設(shè)計要求的小于1.5%。3 實

12、驗所需的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計3.1 直流電源設(shè)計思路直流穩(wěn)壓電源的一般設(shè)計思路為：（1） 電網(wǎng)供電電壓為交流220V（有效值）50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源電壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要的交流電壓。（2） 降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但是幅度變化大。（3） 脈動大的直流電壓經(jīng)過濾波電路變成平滑、脈動較小的直流電，即將交流成分濾掉，保留直流成分。（4） 濾波后的直流電壓，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)壓直流電壓輸出，供給電壓表。（5） 實驗中所需要的直流電源為12到18V左右，可以設(shè)計可調(diào)電源，使其在可調(diào)范圍之內(nèi)。3.2 直流電源基本原理直流穩(wěn)壓

13、電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分組成。直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)及其各部分對應(yīng)的波形變化如圖3-1。圖3-1 直流穩(wěn)壓電源基本原理結(jié)構(gòu)框圖3.2.1 變壓電路 電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P 1=(3-1)式中，為變壓器的效率。經(jīng)變壓器后，電壓的波形圖如下： 圖3-2 變壓電路及波形3.2.2 整流電路選用單相橋式整流電路。橋式整流利用二極管接成橋式電路（如圖3-3所示），在正弦交流電壓正負(fù)半周都有電流從同一方向流過負(fù)載，從而在負(fù)載上獲得如圖3-4所示中的 波形，這種方式成為全波整流。

14、單相橋式整流電路的實際電路仿真如圖3-5所示，它用4個二極管組成了橋式電路。 圖3-3 橋式整流典型電路結(jié)構(gòu) 圖3-4 電路中電壓和電流波形圖3-5 橋式整流實驗電路 橋式整流電路相當(dāng)于理想二極管，及正偏時導(dǎo)通，電壓降為零，相當(dāng)于理想開關(guān)閉合；反偏時截止，電流為零，相當(dāng)于理想開關(guān)斷開。在交流電壓的整個周期始終有同方向的電流流過負(fù)載電阻R，故R上得到單方向全波脈動的直流電壓。在橋式整流電路中，由于每兩只二極管只導(dǎo)通半個周期，故流過每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，在輸入電壓的正半周期，D1和D3導(dǎo)通時，可將它們看成短路，這樣D2和D4就并聯(lián)在輸入電壓上。 同理D2和D4導(dǎo)通時，D1和D3截

15、止，其承受的反向峰值電壓值，大小與上式相同。整流后電壓波形圖如圖3-6。 圖3-6 整流后電壓波形圖3.3.3 濾波電路 整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，但其中含有大量的交流成分(稱為紋波電壓)。為了獲得平滑的直流電壓，應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，以濾去交流部分。 在整流器的輸出端并聯(lián)一個電容器，就是電容濾波器，一個實際的單相橋式整流濾波電路圖如圖3-7。圖3-7 單相式整流濾波電路其工作原理為:當(dāng)負(fù)載R未接入時的情況，設(shè)電容兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)輸入電壓V為正半周期時，V通過、向電容C充電，V為負(fù)半周期時，經(jīng)D2 、D4向電容充電，充電電流方向相同。充電時間常數(shù)=RC .(

16、3-2)式中R為包括變壓器二次繞組的直流電阻和二極管D的正向電阻。由于R一般很小，故充電的時間常數(shù)也就很小，因此電容器上的電壓很快充電到交流電壓v的最大值1.414 。因而使整流二極管的外加要么為反向電壓，要么為零電壓；此時，電容器無放電回路，故輸出電壓V（即電容兩端的電壓）保持在1.414 ，輸出為恒定的直流，如圖3-8所示。圖3-8 濾波后的電壓波形濾波電路通常由電抗元件組成，由于電抗元件在電路中有儲能的作用，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升高時，可以把部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓降低時，又可以把電場能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用。濾波電路形式多種多樣，依不同的劃

17、分標(biāo)準(zhǔn)又可進(jìn)行不同的分類，根據(jù)需要選擇。在整流電路采用電容濾波后使二極管得到的時間縮短，由于電容C充電的瞬時電流較大，形成了浪涌電流，容易損壞二極管，故在選擇二極管時，必須留有足夠的電流余量，以免燒壞。3.3.4 穩(wěn)壓電路 3.3.4.1 三端集成穩(wěn)壓器三端集成穩(wěn)壓器分為固定式和可調(diào)式兩種。在此選用LM317可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器。LM317三端可調(diào)正輸出穩(wěn)壓器的輸出電壓范圍為1.2-37V，最大輸出電流為1.5A，最小輸入輸出電壓差（Vi -Vo）min =3V,最大輸入輸出電壓差（Vi -Vo）max=40V。 為保證穩(wěn)壓器能正常工作，對輸入直流電壓也有所要求，一般輸入直流電壓比輸出直流電壓

18、高出3-5V，不宜高出太多，高出太多會使穩(wěn)壓器功耗過大，易損壞穩(wěn)壓器。同時電阻要緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線電阻上產(chǎn)生誤差。317系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖3-9。圖3-9 317系列集成穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路3.3.4.2 穩(wěn)壓器主要參數(shù)及測試方法（1）穩(wěn)壓系數(shù)SV當(dāng)輸出電流不變（ 且負(fù)載為確定值）時，輸入電壓變化將引起輸出電壓變化，則輸出電壓相對變化量于輸入電壓相對變化量之比，定義為穩(wěn)壓系數(shù)，用SV表示 SV =VOVi/ViVo (3-3) 測量時，如選用多位直流數(shù)字電壓表，可直接測出當(dāng)輸入電壓Vi 增加或 減少10%時，其相應(yīng)的輸出電壓Vo 、Vo1 、Vo2，求出VO1、Vo2

19、,并將其中數(shù)值較大的VO 代入SV 表達(dá)式中。顯然SV愈小，穩(wěn)壓效果愈好。（2）輸出電阻RO輸入電壓不變，當(dāng)負(fù)載變化使輸出電流增加或減小，會引起輸出電壓發(fā)生很小的變化，則輸出電壓變化量與電流變化量之比，定義為穩(wěn)壓電源的輸出電阻，用RO 表示。RO =VO /IL (3-4)式中IL =ILmax-ILmin (ILmax為穩(wěn)壓器額定輸出電流，ILmin=0)。 測量時，令Vi=常數(shù)，用直接測量法分別測出Ilmax時的Vo1和ILmin=0時的VO2，求出VO，即可算出RO。（3）紋波電壓紋波電壓是指輸出電壓交流分量的有效值，一般為毫伏數(shù)量級。測量時，保持輸出電壓VO 和輸出電流IL 為額定值，用交流電壓表直接測量即可。3.3 最后方案及完整電路按照通常的設(shè)計方案，經(jīng)變壓器變壓獲得所需的電壓值，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，整流電路有四個二極管（IN4001）組成；在此脈動的直流電壓中還含有較大的紋波，所以必須通過濾波電路加以濾除，選用兩個2200uF/25V的電容用來濾波，從而可以得到平滑的直流電壓。經(jīng)濾波之后也并不能保證輸出穩(wěn)定的電壓，它還會隨電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度的變化而變化，故在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路，這里采用LM317可變?nèi)思煞€(wěn)壓器，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流