EDA设计（I）实验报告.doc

南 京 理 工 大 学eda设计（i） 实验报告作 者： 学 号： 学院(系)：电子工程与光电技术学院 专 业：电子信息工程_ 指导老师： 实验日期：2011-8-29至2011-9-2 2011年 9 月 摘 要 本次eda实验主要目的是通过实际操作电路仿真软件来体验电子设计自动化的基本流程。主要内容是以multisim电路仿真软件为工具，对模拟电子线路课程中所遇到的4个基本实验进行模拟与仿真，并对仿真结果进行误差分析。实验结果证明multisim能很好地对设计的电路进行仿真，eda能够有效缩短电子产品的设计周期。关键词 eda 模拟电子线路 multisimabstract the main purpose of this eda experiment is to experience the basicprocess of electronic design automation through practicing circuitsimulation software. the main content is to model and simulating fourbasic experiments of the course: analog electronic circuit with the helpof multisim and then analysis the results.the results prove that multisim can simulate the circuits we designed very well and we can largely shortenthe period of electronic product design.keywords eda simulate multisim目 次实验一1实验二13实验三21实验四31 eda设计（i）实验报告 第39 页 共40页 实验一 单级放大电路的设计与仿真一、实验目的(1)掌握放大电路静态工作点的调整和测试方法。(2)掌握放大电路的动态参数的测试方法。(3)观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。二、实验要求 (1)设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率10khz(峰值1mv) ，负载电阻5k，电压增益大于70。 (2) 调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。 (3)调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，使电路输出信号不失真，并且幅度最大。在此状态下测试： 电路静态工作点值； 三极管的输入、输出特性曲线和b 、 rbe 、rce值； 电路的输入电阻、输出电阻和电压增益； 电路的频率响应曲线和fl、fh值。三、实验步骤 (1)单级放大电路原理图(2)电路的饱和失真与截止失真 调节电位器的百分比，使之等于0%，双击示波器图标，打开其面板，单击仿真开关，此时可得到此时输出电压的失真波形如图1-2所示。观察波形，发现输出电压负半周出现了失真，对于npn管说明出现了饱和失真。此时静态工作点为=127、=3ma、=0.088v，如图1-3所示。图1-2 三极管放大电路的输出电压饱和失真波形图1-3 三极管放大电路的输出电压饱和失真静态工作点 调节电位器的百分比，使之等于60%，双击示波器图标，打开其面板，单击仿真开关，此时可得到此时输出电压的失真波形如图1-4所示。观察波形，发现输出电压正半周出现了失真，对于npn管说明出现了截止失真。此时静态工作点为=0.777、=0.103ma、=11.6v，如图1-5所示。图1-4 三极管放大电路的输出电压截止失真波形图1-5 三极管放大电路的输出电压截止失真静态工作点 失真原因分析输出电压出现饱和失真是因为静态工作点靠近三极管的饱和区，加上交流信号时，三极管就会从放大转为饱和，输出波形出现饱和失真；输出电压出现截止失真是因为静态工作点靠近三极管的饱和区，加上交流信号时，三极管就会从放大转为截止，输出波形出现截止失真。（3）确定最大不失真输出静态工作点对电位器进行微量调整，将电位器的增量设为1%。当电位器调到7%时仍有饱和失真，而当电位器调为9%有截止失真，当电位器调为8%时，输出波形上下基本没有失真，波形如图1-5所示。再加大输入信号到25mv,输出波形产生了上下同时失真，因此最大不失真输出静态工作点在8%处。此时测得静态工作点如图1-6所示，=10、=1.521ma、=6.054 v。 图1-5 最大不失真输出波形 图1-6 最大不失真输出静态工作点（4）三极管输入输出特性分析 将三极管输入特性测试电路连好，如图1-7所示。再利用multisim中的直流扫描分析法对实验三极管的输入特性进行分析，绘出输入特性曲线如图1-8所示。在输入特性曲线中找到q点，并求出q点附近斜率，实验结果如表1-1所示。求出r=3257 图1-7 三极管输入特性测试电路图1-8 三极管输入特性曲线 表1-1 r的计算 将三极管输出特性测试电路连好，如图1-9所示。再利用multisim中的直流扫描分析法对实验三极管的输入特性进行分析，绘出输出特性曲线如图1-10所示。在输出特性曲线中找到q点，并求出q点附近斜率，实验结果如表1-2所示。求出r=9627 ，=182.7 图1-9 三极管输出特性测试电路 图1-10 三极管输出特性曲线 表1-2 r、 的计算（5）求电压增益测量放大电路的电压放大倍数,可以根据电压放大倍数的定义用交流电压表分别测试输入电压和输出电压，为了保证放大电路工作在放大区，将交流输入电压峰值调小为1mv，测试电路如图1-11所示。 图1-11 电压增益测试电路测量值：av= = -73 理论值：av= = -77.8相对误差：6.2%（6）测量输入电阻和输出电阻输入电阻的测试电路如图1-12所示。单击仿真开关，分别读出输入电流和输入电压的值。 图1-12 输入电阻测试电路测量值：=2372 理论值： =2271相对误差： 4.4%输出电阻的测试电路如图1-13所示。单击仿真开关，分别读出输入电流和输入电压的值。 图1-13 输出电阻测试电路测量值：=1942 理论值：1921相对误差： 1.1%（7）测量放大电路的频率特性利用multisim中的交流分析法对实验三极管的频率特性进行分析，绘出幅频和相频特性曲线如图1-14所示。根据上限频率和下限频率的定义当放大倍数下降到中频的0.707倍处，读出指针的示数（如表1-3所示），即：= 743.5hz = 29.87mhz 图1-14 幅频和相频特性曲线 表1-3 、的测量四、实验小结 实验结论：1. 通过调节偏置电阻的阻值可以改变放大电路静态工作点的位置，不同的静态工作点处，三极管的电流放大倍数不同。2. 当q点设置过高时，输出波形会出现饱和失真；当q点设置过低时，输出波形会出现截止失真；当 q点设置在交流负载线的中间时，会获得最大不失真输出。3. 可利用multisim中的直流扫描分析来对三极管的动态参数进行分析。实验中遇到的问题及解决方法：1. 观察失真输出波形时，应稍微加大信号源幅度。2. 当最佳静态工作点确定后，要确保以后的实验电位器的阻值恒定。3. 在用直流扫描分析三极管输入输出特性时，默认ib,ic为负，应在方针时把输出量改为-ib，-ic。实验二 差动放大电路的设计与仿真一、实验目的（1）掌握长尾差动放大电路的静态工作点的调试方法；（2）掌握长尾差动放大电路的动态参数的测试方法。（3）掌握长尾差动放大电路的差模电压放大倍数、共模电压放大倍数的测试方法。二、实验要求（1）设计一个长尾的差动放大电路，要求空载时的avd大于20。（2）测试电路差分对管的静态工作点值和b 、 rbe值。（3）给电路输入直流小信号，在信号双端输入状态下分别测试电路的avd,avd1,avc,avc1值。三、实验步骤 （1）测试电路差分对管的静态工作点 实验的长尾差动放大电路原理图如图2-1所示。测其静态工作点时，输入端交流信号源短路，测得静态工作点值如图2-2所示。 图2-1 长尾差放电路原理图 图2-2 静态工作点测量图i=0.355ua,i=115ua,v=11.401v （2）测量差分对管的和r值将三极管输入特性测试电路连好，再利用multisim中的直流扫描分析法对差分对管的输入特性进行分析，绘出输入特性曲线如图2-2所示。在输入特性曲线中找到q点，并求出q点附近斜率，实验结果如表2-1所示。求出r=66.65k。 图2-2 差分对管的输入特性曲线 表2-1 r的计算 将三极管输出特性测试电路连好，再利用multisim中的直流扫描分析法对差分对管的输出特性进行分析，绘出输出特性曲线如图2-3所示。在输入特性曲线中找到q点，求出，如表2-2所示。=327 图2-3 差分对管的输出特性曲线 表2-2 的计算 （3）测试电路的、 在差动放大电路的两个输入端接入差模直流小信号，在信号双端输出状态下测量，结果如图2-4所示。 图2-4 测量电路测量值：-39.7 理论值：-49.0相对误差：19%在差动放大电路的两个输入端接入差模直流小信号，在信号单端输出状态下测量，结果如图2-5所示。图2-5 测量电路测量值：-19.85 理论值：24.5相对误差：19%在差动放大电路的两个输入端接入共模直流小信号，在信号双端输出状态下测量，结果如图2-6所示。图2-6 测量电路测量值：0 理论值：0相对误差：0% 在差动放大电路的两个输入端接入共模直流小信号，在信号单端输出状态下测量，结果如图2-7所示。图2-7测量电路 测量值：-0.1 理论值：-0.1相对误差：0%四、实验小结实验结论：长尾差动放大电路在双端输出状态时，可以放大差模信号并有效地抑制共模信号，而由于发射极长尾高电阻的存在，长尾差动放大电路在单端输出状态 下对共模信号也有很好的抑制作用。实验中遇到的问题及解决方法：测量单端输出的电压增益时，存在静态工作点电压vc的干扰，可以将点压表的一端接在输出端，另一端接另一相同电路的静态工作点vc处，以消除干扰。实验三 负反馈电路的设计与仿真一、实验目的（1）掌握阻容耦合多级放大电路的静态工作点的调试方法。（2）掌握多级放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法。（3）掌握阻容耦合多级放大电路的频率特性。二、实验要求（1）设计一个阻容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率20khz(峰值1mv) ，负载电阻5.1k，电压增益大于100。（2）给电路引入电压串联负反馈： 测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。 改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响。三、实验步骤 （1）设计一个引入电压串联负反馈的电路，电路图如图3-1所示。 图3-1 电压串联负反馈电路图（2）测试负反馈接入前后电路的放大倍数 负反馈接入前电路的放大倍数的测量如图3-2所示。 图3-2 测试负反馈接入前电路的放大倍数av=234 负反馈接入后电路的放大倍数的测量如图3-3所示。 图3-3 测试负反馈接入后电路的放大倍数 av=19 (3)测试负反馈接入前后电路的输入电阻 负反馈接入前电路的输入电阻测量如图3-4所示。 图3-4 测试负反馈接入前电路的输入电阻 6.13k负反馈接入后电路的输入电阻测量如图3-5示。图3-5 测试负反馈接入后电路的输入电阻7.25k （4）测试负反馈接入前后电路的输出电阻 负反馈接入前电路的输出电阻测量如图3-6所示。 图3-6 测试负反馈接入前电路的输出电阻1.94k 负反馈接入后电路的输出电阻测量如图3-7所示。图3-7 测试负反馈接入后电路的输出电阻52.6（5）验证 实验电路如图3-8所示。 图3-8 验证因为，则要验证，只要验证即可。试验中，=1mv =0.989mv 所以在误差允许的范围内，是成立的。（6）测试负反馈接入前后电路的频率特性 负反馈接入前电路的频率特性曲线如图3-9所示，与的求解如图3-10所示。 图3-9 负反馈接入前电路的频率特性曲线 图3-10 与的求解=545hz =902khz 负反馈接入后电路的频率特性曲线如图3-11所示，与的求解如图3-12所示。图3-11 负反馈接入后电路的频率特性曲线图3-12 与的求解=135.6hz =12.2mhz (7)观察负反馈对电路非线性失真的影响 负反馈接入前输出开始失真时的输入信号幅度为1.5mv，测试电路和输出的失真波形分别如图3-13、3-14所示。 图3-13 负反馈接入前的初始失真电路 图3-14 负反馈接入前的初始失真波形负反馈接入后输出开始失真时的输入信号幅度为40mv，测试电路和输出的失真波形分别如图3-15、3-16所示。图3-15负反馈接入后的初始失真电路 图3-14 负反馈接入后的初始失真波形四、实验小结 实验结论：（1） 串联负反馈可以增大基本放大电路的输入电阻，减小输出电阻。（2） 串联负反馈可以减小基本放大电路的增益。（3） 串联负反馈可以扩展基本放大电路的通频带。（4） 串联负反馈可以改善基本放大电路的非线性失真。（5） 当放大电路达到深度负反馈时，增益仅与反馈系数f有关，这样可以是电路的增益稳定。实验中遇到的问题和解决方法：（1） 阻容耦合两级放大电路的增益要控制在一千以内，保证输入1mv的小信号时，输出波形不会失真。（2） 反馈系数f的选取要适中，大概在0.010.1之间，f太小，电路就达不到深度负反馈；f太大，电路的放大性能不显著。实验四 阶梯波发生器电路的设计一、实验目的（1）掌握阶梯波发生器电路的结构特点。（2）掌握阶梯波发生器电路的工作原理。（3）学习复杂的集成运算放大电路的设计。二、实验要求（1）设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在20ms左右，输出电压范围10v，阶梯个数4个。(注意：电路中均采用模拟、真实器件，不可以选用计数器、555定时器、d/a转换器等数字器件，也不可选用虚拟器件。)（2）对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。（3）改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。三、实验步骤 （1）阶梯波发生器实验原理图 实验原理图如图4-1所示。图4-1 阶梯波发生器实验原理图 （2）电路的工作原理 负阶梯波发生器首先会产生一个方波，其次，经过微分电路输出得到上、下都有的尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再经过积分电路，实现累加而输出一个负阶梯。对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变，在下一个脉冲到来时，积分器就在原来的基础上进行积分，因此，积分器起到了积分、累加的作用。当积分累加到比较器的比较电压时，比较器翻转，比较器输出正电压，是真荡控制电路起作用，方波停振。同时，正电压使电子开关导通，积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波输出。积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关断开，积分器进行累加，如此循环往复，就形成了一系列的阶梯波。 （3）电路的分段测试波形 方波发生器的原理图与测试波形分别如图4-2、图4-3所示。 图4-2 方波发生器实验原理图 图4-3 方波发生器输出波形的周期测试 方波发生器+微分电路的原理图与测试波形分别如图4-4、图4-5所示。图4-4 方波发生器+微分电路原理图 图4-5 微分电路输出波形 方波发生器+微分电路+限幅电路的原理图与测试波形分别如图4-6、图4-7所示。图4-6方波发生器+微分电路+限幅电路原理图图4-7 限幅电路输出波形 方波发生器+微分电路+限幅电路+积分累加电路的原理图与测试波形分别如图4-8、4-9所示。 图4-8 方波发生器+微分电路+限幅电路+积分累加电路原理图图4-9 积分累加电路输出波形图（4）阶梯波发生电路的原理图和最终输出波形的测试分别如图4-10、图4-11、图4-12所示。 图4-10 阶梯波发生电路原理图 图4-11 输出波形的周期测试图4-12 输出波形幅度测试 （5）正阶梯波发生电路的原理图和最终输出波形的测试分别如图4-13、图4-14、图4-15所示。 图4-13 正阶梯波发生电路原理图 图4-14 输出波形的周期测试 图4-15 输出波形的幅度测试四、实验小结（1）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？答：阶梯波的周期等于5个方波的的周期，而方波的周期公式，因此改变、的大小可以改变阶梯波的周期。（2）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压