EDA设计实验报告.doc

南 京 理 工 大 学EDA设计（）实验报告作 者:张梦甜学 号：1010200217学院(系):自动化专 业:自动化 指导老师： 吴少琴 实验日期： 2012年10月22日 2012年10月 EDA设计（）实验报告 第 50 页 共 50 页摘 要 本文包括了三个设计实验：单级放大电路、负反馈放大电路和阶梯波发生电路。通过对这些模拟电路的设计与仿真，给出了实验原理图，并将实验结果与理论值进行了比较，得出相对误差。实验一设计了一个分压偏置的单管电压放大电路，通过调节电路静态工作点，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试了对应的静态工作点值。在最大不失真条件下测试了电路的静态工作点，三极管的输入输出特性曲线和，的值，电路的输入输出电阻和电压增益，电路的频率响应曲线。 实验二设计了一个阻容耦合两级电压放大电路，第一级为差分放大电路，第二级是射级输出放大器。并给电路引入了电压串联负反馈，测试了负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。通过改变输入信号幅度，观察并记录了负反馈对电路非线性失真的影响。实验三设计了一个周期性下降阶梯波电路，对电路进行了分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。通过改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定了影响阶梯波电压范围和周期的元件。最后针对该实验作进一步探索，设计出了上升阶梯波。关键词 单级放大电路负反馈电路阶梯波仿真目 次摘要2实验一 单极放大电路的设计和仿真4一 实验目的4二 实验要求4三 实验步骤5四 实验小结16实验二 负反馈放大电路的设计与仿真17一 实验目的17二 实验要求17三 实验步骤18四 实验小结26实验三 阶梯波发生器电路的设计28一 实验目的28二 实验要求28三 实验步骤28四 实验小结48实验心得49参考文献50实验一 单级放大电路的设计与仿真一、实验目的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10k，电压增益大于100。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，并且幅度尽可能大。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、 、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、值。二、实验要求1. 给出单级放大电路原理图。2. 给出电路饱和失真和截止失真时输出电压的波形图。并给出两种状态下三极管的静态工作点值。分析出现失真原因。3. 电路工作在不失真状态下： （1）给出测试三极管静态工作点的测量值； （2）给出测试三极管输入、输出特性曲线和、 、值的实验图，并给出测试结果。 （3）给出输出波形图，求出放大倍数，并与理论计算值进行比较； （4）给出测量输入电阻和输出电阻的实验图，求出测试结果，并和理论计算值进行比较。 （5）给出电路的幅频和相频特性图，并给出电路的、值。三、实验步骤3.1 单级放大电路 实验原理图：3.1.1 饱和失真当电位器阻值为95% ，显示饱和失真波形如下图：此时静态工作点为：所以，I（BQ）=92.5443uA I(CQ)=3.38521mA U(BEQ)=0.67218V U(CEQ)=0.10573V3.1.2 截止失真当电位器阻值为5%时，显示截止失真波形如下图：此时静态工作点为：所以，I(BQ)=61.29678nA I(CQ)=5.11877uA U(BEQ)=461.65213mV U(CEQ)=11.97782V3.1.3 最大不失真输出当电位器阻值为85% 时，显示最大不失真波形如下图：此时静态工作点为：所以，I(BQ)=16.01874uA I(CQ)=2.32789mA U(BEQ)=0.7008V U(CEQ)=3.483V3.2 动态分析3.2.1 测试输入特性测试三极管输入特性曲线实验图：三极管输入特性曲线：拉杆数据：由以上数据可得3.2.2 测试输出特性测试三极管输出特性曲线的实验图：三极管输出特性曲线：测：拉杆数据：所以，3.2.3 测试电压增益测试放大电路在保持最大不失真输出时电压增益的电路如图：万用表显示值： 根据电压增益的定义， 的理论值为： 相对误差3.2.4 测试输入电阻最大不失真时测输入电阻：万用表显示值： 根据输入电阻的定义得 Ri的理论值为：相对误差3.2.5 测试输出电阻最大不失真时测输出电阻：万用表显示值： 根据输出电阻定义得 的理论值为：相对误差3.2.6 测试频率特性对实验电路进行交流分析，可得到如图所示的频率特性曲线:拉杆数据：可得此电路的通带为102.2251Hz到15.1889MHz，带宽为15.1888MHz。即=102.2251Hz,= 15.1889MHz。四、实验小结4.1 实验结论当三极管工作在放大区时具有电流放大作用，只有给放大电路中的三极管提供合适的静态工作点才能保证三极管工作在放大区，如果静态工作点不合适，输出波形则会产生非线性失真，即饱和失真和截止失真，从而无法正常放大。当静态工作点设置在合适的位置时，即保证三极管在交流信号的整个周期均工作在放大区时，三极管具有电流放大特性，通过合适的外接电路，可实现电压放大。表征放大电路放大性能的交流参数有电压放大倍数，输入电阻，输出电阻。由于电路中存在电抗性元件，因此，对于不同频率的输入交流信号，电路的电压放大倍数不同，电压放大倍数和频率的关系定义为频率特性。频率特性包括幅频特性和相频特性，前者指电压放大倍数的幅度与频率的关系，后者指电压放大倍数的相位和频率的关系。4.2 实验中遇到的问题和解决的办法（1）遇到问题：设计的元器件参数在仿真之后，发现电路始终存在失真，所得的静态工作点不合适； 解决办法：仔细复习了模拟电子线路的第二章，调节了参数，重新按照新的参数进行设计，这次放大器可以很好地实现放大效果。（2） 遇到问题：实验结果有的与理论值有差异； 解决办法：其原因可能是实际器件与理论不是十分符合，存在一定差异。在电路特性的研究中，尤其是在电路非线性失真部分，可以将，处添加相应大小的滑动变阻器，这样可以简化电路调节中繁琐的替换操作。4.3 实验体会 本次实验让我更进一步巩固了射级放大器的工作原理，熟悉了Multisim仿真软件的用法，掌握了三种电路分析方法，分别是直流工作点分析、直流扫描分析、交流分析。可以运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握了EDA设计的基本方法和步骤。实验二 负反馈放大电路的设计与仿真一、实验目的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5mv) ，负载电阻10k，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。二、实验要求1. 给出引入电压串联负反馈电路的实验接线图。2. 给出负反馈接入前后电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻，并验证。3. 给出负反馈接入前后电路的频率特性和、值，以及输出开始出现失真时的输入信号幅度。4. 分析实验结果。三、实验步骤）负反馈接入前1）阻容耦合的两级放大电路的原理图2）动态参数的计算 求输入电阻求输出电阻求电压增益3） 频率特性通频带范围=21.0258Hz =144.7730kHz输出开始失真时的情况 a、未失真时的输入输出波形图：b、调节输入信号幅度而开始失真的输入输出波形：此时的输入信号为8mV）负反馈接入后（接入电压串联负反馈） 1）引入负反馈后的实验接线图2）动态参数的计算求输入电阻 求输出电阻求电压增益3）频率特性 通频带范围=2.4335Hz =2.8072MHz输出开始失真时的情况a、 未失真时的输入输出波形图：b、调节输入信号幅度而开始失真的输入输出波形：此时输入信号幅度为160mV4、 实验小结4.1 实验结论1） 引入反馈前后各参数的比较接入反馈前接入反馈后54.385k636.937k1.932k37.79349519.821.0258Hz2.4335Hz144.7730kHz2.8072MHz 由表格可以清楚地看出，加入电压串联负反馈后输入电阻增大，输出电阻减小，电压增益显著减小，而通频带变宽。2） 电压增益显著减小的原因分析 由模电中所学知识可知，其中，是负反馈放大电路的放大倍数，是电路断开反馈时的放大倍数，是反馈网络的反馈系数。所以，当，就有。3） 验证由上图，可以求出 而，可以知道当引入的负反馈更深时，两者的值就越接近。这是由于，当时，。4） 比较引入反馈前后输出失真的情况 由上面的分析可知，引入负反馈前，输出开始失真时的输入信号幅度为8mV；引入反馈后，输出开始失真时的输入信号幅度为160mV，可见，失真在引入负反馈后变得更难了，引入的负反馈改善了电路的性能，但这是以牺牲电压增益来实现的。4.2 实验中遇到的问题和解决的办法 遇到问题：引入电压串联负反馈后，不能达到； 解决办法：调节的值，使得两级放大器可以实现深度负反馈。4.3 实验体会通过本实验中对于无反馈与带反馈电路的设计与分析比较，我深刻体会到负反馈电路在模拟电路的分析与设计中的作用，并重温和巩固了负反馈方面的知识。知道了负反馈所起到的作用，即用电压的增益来换电路的非线性失真的减小。实验四 阶梯波发生电路的设计一、实验目的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40ms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。二、实验要求1. 给出阶梯波发生器实验原理图。2. 介绍电路的工作原理。3. 给出电路的分段测试波形和最终输出的阶梯波，并回答以下问题： (a) 调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？ (b) 调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？（c） 调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的阶梯个数？ 4.说明设计和调试过程中出现的问题与解决办法。三、实验步骤1.电路工作原理设计负阶梯波发生器，先考虑产生一个方波，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，再通过积分电路，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，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来的基础上进行积分，因此，积分器就起到了积分和累加的作用。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，使震荡控制电路起作用，方波停振。同时，这个正电压是电子开关导通，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，这样震荡控制电路起不了作用，方波输出，同时是电子开关断开，积分器进行累加，如此循环，就形成了一系列阶梯波。其原理框图如下图。2.设计电路的分步实现2.1 方波发生电路通过调整器件参数值使得周期为40ms.因为最终的要求是阶梯波的周期为40ms,所以每个台阶的时长为8ms,也就是说每个尖脉冲的周期为8ms，所以方波的周期为8ms。需要调整相关元件的值，使得方波的周期控制在8ms左右。通过调整元器件参数，并对输出波形进行检测，可以发现：电路中电阻R1的大小影响最终周期的大小，R1阻值越大，周期也就越大。 接下来就是一边不断增大R1的阻值，一边观察输出波形周期。直到R1阻值增大到26.9k时，方波周期达到8ms，当然会存在一定误差。最后得到的方波波形如下图。由上图可以知道：T=T2-T1=8.022ms，满足设计要求。2.2尖脉冲发生电路加上尖脉冲发生电路后的电路如下图。如上图所示，在原有方波发生电路的基础上增加一个电阻和一个电容便可以构成尖脉冲发生电路。增加的阻容电路是一个微分电路，可以改变方波的形状，形成尖脉冲。脉冲越尖，脉冲信号就越理想。因此，通过不断调整电阻、电容的参数值，通过观察输出波形的尖锐程度，以确定较为合适的阻容值，最后得到的尖脉冲信号如下图。由于尖脉冲是方波经过微分变换的来，所以周期应该同方波一致，从图中也可以看出周期大约为8.022ms,与上面的方波周期一致。2.3 限幅电路尖脉冲发生电路得到的尖脉冲在正负两个平面内都存在。但是我们要得到的是下降阶梯波，而后面的积分累加电路是一个反相电路，所以在此处我们必须通过增加一个限幅电路，将上半平面内的尖脉冲过滤掉。这里利用了二极管的“正向导通，反向截止”的原理，利用还有二极管的限幅电路来滤除下半部分的尖脉冲。增加限幅电路后具体的总电路图如下图。下图为经过限幅电路后的波形，由图中可以看出，经过限幅电路后，下半部分的波形已被彻底滤除，而且脉冲的周期还保持在8.022ms.2.4 积分累加电路由模电知识可知，一个尖脉冲经过积分累加电路便可以形成一个下降的阶梯，因此增加了一个积分累加电路后的电路输出波形应该由若干个下降的阶梯波组成。具体电路如下图。该电路的输出波形如下图。从图中可以看出，每个阶梯的周期仍约为8.022ms，波形较为准确。2.5 最终的阶梯波发生电路将上述电路增加一个电压比较器，并配合电子开关等辅助原件，便可以得到最终的阶梯波发生电路。电压比较器的作用是形成周期性的下降阶梯波波形。具体的电路如下图。测试输出端波形，得到如下图的最终阶梯波波形。3 对输出阶梯波相关参数的检测3.1 对阶梯波周期的检测每个阶梯的周期：上图给出的是每个台阶的周期测量，可以看出，每个台阶的周期大约为8.209ms,与要求的8ms很接近。阶梯波周期：由上图可知，阶梯波的周期约为40.299ms，而题目要求的周期为40ms，相对误差为：E=(40.299-40)/400.75，误差较小，可近似认为相等。3.2 对阶梯波输出电压的检测上图给出了每个台阶电压范围的检验结果，由图可以看出，每个台阶的电压范围大约为2.539V，与理论的2.5V还是比较接近的。上图给出了阶梯波输出电压范围的检验结果，由图中可以看出，最后得到的阶梯波的电压输出为10.302V，与要求的10V相比，相对误差大约为：E=(10.302-10)/10=3.02相对误差在5%范围以内，符合设计要求。4、探究各元件参数对于输出阶梯波的影响及相关问题的解答4.1 逐一测试元件对波形的影响这里采用控制变量的方法，每次只改变电路中的一个元件值，对电路中所有的电阻及电容元件进行逐一测试，判断期对于输出波形的影响。相关测试结果以及结论已在下面给出。（1）对R1的测量：表1：只改变R1的值其他值不变,R1/ K变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺5026.866410.264无无7540.299410.264无无10053.358410.264无无结论：R1的变化会引起周期的变化，R1的值越小周期越小。而对阶梯个数及输出电压范围无影响。对R2的测量：表2：只改变R2的值其他值不变,R2/ K变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺0.540.299410.264无无140.299410.264无无240.299410.264无无结论：R2的变化不会引起周期的变化，同时对阶梯个数及输出电压范围也无影响。对R3的测量：表3：只改变R3的值其他值不变,R3/ k变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺1559.328410.264无无3040.299410.264无无4530.970410.264无略微结论：R3的变化会引起周期的变化，R3的值越大周期越小。而对阶梯个数及输出电压范围无影响。对R4的测量：表4：只改变R4的值其他值不变,R4/ K变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺1020.709410.264无无26.940.299410.264无无4050.746410.264无无结论：R4的变化会引起周期的变化，R4的值越大周期越大。而对阶梯个数及输出电压范围无影响。对R5的测量:表5：只改变R5的值其他值不变,R5/ K变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺148.50759.742有有240.299410.264无无332.09038.617有有结论：R5的变化会引起周期、阶梯个数以及输出电压的变化对R6的测量:表6：只改变R6的值其他值不变,R6/ K变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺148.50759.142有有5.140.299410.264无无1032.09038.136有有结论：R6的变化会引起周期、阶梯个数及输出电压范围的变化。对R7的测量：表7：只改变R7的值其他值不变,R7/ 变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺50032.46338.749有有74040.299410.264无无200056.34359.544有有结论：R6的变化会引起周期、阶梯个数及输出电压范围的变化。对R8的测量：表8：只改变R8的值其他值不变,R8/ K变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺0.1有有140.299410.264无无2有有结论：R8的变化影响周期、阶梯个数、输出电压等的变化。原因：是由于R8的变化使得运算放大器正极端电位发生变化。对R9的测量： 表9：只改变R9的值其他值不变,R9/ K变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺0.524.62727.085有有1.2540.299410.264无无5有有结论：R9的变化影响周期、阶梯个数、输出电压等的变化。原因：是由于R9的变化使得运算放大器正极端电位发生变化。对R10测量：表10：只改变R10的值其他值不变,R10/K 变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺0.75有有140.299410.264无无3有有结论：R10变化周期变小，阶梯数变小，形状、电压有变化。原因：是由于R9的变化使得运算放大器正极端电位发生变化。对R11测量表11：只改变R11的值其他值不变,R11/K 变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺0.532.46337.728有有140.299410.264无无540.299410.325无有结论：一定范围内R11变化周期变大，阶梯个数变大，电压变大，形状有变化。但当增大到一定值时，对周期、阶梯个数、电压影响就不大了。（12）对C1测量：表12：只改变C1值其他值不变,C1/ nF变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺3628.358410.264无无5140.299410.264无无6248.881410.264无无结论：周期随C1的增大而增大，随C1的减小而减小；C1不影响电压和阶梯个数及波形形状。原因：T=2R4C1ln(1+2R2/R3)。所以，可以看出，电容C1减小周期减小。（13）对C2测量：表13：只改变C2的值其他值不变,C2/ nF变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺3648.50759.795有有4740.299410.264无无6232.090310.244有有结论：周期和阶梯个数随C2的增大而减小，随C2的减小而增大；同时C2值影响输出电压范围和波形。原因：由阶梯高度公式;V02C2/C1V01可以得出当C2变小时，阶梯高度变小，故阶梯数变多。(14)对C3测量：表14：只改变C3的值其他值不变,C3/ nF变周期/ms阶梯个数输出电压/V形状有无变化有无尖刺10032.46238.530有有11040.299410.264无无15048.14359.434有有结论：周期和阶梯个数随C3的减小而减小，随C3的增大而增大；影响输出电压范围和波形。原因：因为R7*C3与阶梯波的阶梯高度成反比，C3变小，高度变大，阶梯就越少。4.2 对相关问题的回答(1) 调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？答：要改变阶梯波的周期，只要改变方波的周期即可。方波的一个周期就是尖脉冲的一个周期，遇到一个尖脉冲积分累加电路会产生一个负的台阶，故一个方波的周期将是一个台阶的持续时间，改变方波的周期即可改变阶梯波周期。当然，由于电路中各元件的相互影响，其它元件也可能会对阶梯波周期产生影响，所以要结合以上测试结果来来看。在本电路中其值对阶梯波的周期有影响的元件有：R1、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、C1和C3。(2) 调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？答：输出电压的范围，也就是阶梯幅度，可以通过改变方波幅度，积分电路的R、C值等来改变，也可以改变积分器或者微分器的参数改变每个阶梯的幅度，同时要结合测试结果来看。 在本电路中其值对阶梯波的输出电压有影响的元件有：R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、C2和C3。（3） 调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的阶梯个数? 答：由测试结果可以看出，当一个周期的阶梯没有平缓的过渡到下一个周期，而是出现突变的过渡，这样就可能会出现尖刺，阶梯波的周期及输出电压范围也可能出现变化，这时阶梯个数将随着上述现象的产生发生变化。通过改变上述两个问题中所涉及的元件的值都可能改变最终的台阶个数。 所以电路中可以改变阶梯波的阶梯个数的元件有：R1、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、C1、C2、C3。5.提高部分正向阶梯波发生电路的设计5.1 电路设计思路基于前面能够产生下降阶梯波的电路设计思路，阶梯是由脉冲信号通过积分累加电路产生的，前面向上的尖脉冲信号经过积分累加器后产生了下降的阶梯波，所以这里最基本的思路便是将向下的尖脉冲信号全部保留而去除向上的尖脉冲，利用向下的尖脉冲经过积分累加产生上升的阶梯波。 所以，我们可以将限幅电路中的二极管方向反过来，将电压比较器里的正向输入的15V电源方向反过来，将电子开关处的NPN场效应管换成PNP场效应管以及将此处的二极管反向。最终得到的电路图如下图。5.2输出波形其输出波形如下图。波形较为准确，但存在尖刺。5.3 对上升阶梯相关参数的测试1）对于阶梯周期的测定由上图可知：上升阶梯的周期大约为40.299ms，与实验要求的40ms基本相同，因此可以认为阶梯周期是准确的。2） 对于阶梯波输出电压的测定由上图可知：阶梯波的输出电压约为9.641V，虽然与要求的10V相比有一定误差，但误差不大，可认为是基本准确的。四、实验小结1 实验结论这是一个综合性的实验，综合运用到了模拟电路中运算放大器的知识。需要我们综合使用比较器、积分器、微分器等知识对要求的阶梯波发生电路进行设计。当面对较为复杂且综合了许多不同知识的电路设计要求时，首先必须理清思路，明确复杂电路是由哪些简单电路组成的。在这个过程中只需先基本了解电路组成，不必深究具体原理。当我们将复杂的问题分解成各个较为简单的部分后，就开始逐一攻破每一个小难点。通过仔细回顾小电路所涉及的原理知识，准确细致地设计出电路，并考量好具体参数，最后将各个小电路拼接整合成完整的大电路2 实验中遇到的问题和解决的办法（1）遇到问题：在设计产生尖脉冲的电路时刚开始产生的尖脉冲不够尖； 解决办法：是微分器电容充放电时间过长引起的，将微分器的电容值进行适当的增大，得到了较为理想的尖脉冲。（3） 遇到问题：设计上升阶梯波时，当设计到积分累计器部分时，从示波器里并没有观察到预期的波形，而观察到的是接近于直线的一条线； 解决办法：这是由于电容两端电压限制引起的，将后面的电压比较器以及相关电路一起连好后，最终得到了应该改得到的上升阶梯波的波形。3 实验体会为了弄清楚电路里分别是哪些元件会影响阶梯波的周期、输出电压范围以及阶梯个数，我现根据原理考虑然后结合相关测试。在测试时，采用控制变量的方法，只改变其中某一