模电课程设计三角波正弦波变换设计

1、目录1. 设计要求22. 总体方案23. 设计原理33.1总体电路图33.1.1硬件电路分析33.1.2差分式放大电路43.13镜像恒流源电路43.2设计所用软件简介54. 原理分析与计算55. 电路的仿真分析及结果66. 实物连接与调试结果87. 此次设计过程中所遇到的问题及解决措施11&设计的心得体会129.参考文献121 设计要求在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源， 由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、 测量被测者的输出响应，以分析和确定它们的性能参数。而波形发生器是它们中一种更为常用

2、的信 号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次课程设计应用所学电路设计 构成可由生三角波变换为正弦波。可根据需要对该正弦波进行利用或者是进一步处理。在本设计方案中，三角波一一正弦波的变换电路主要由差分式放大器来完成。差分式放大电路 的工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强，可以有效的抑制零点漂移。利用差分放人器可将低频 的三角波转换成正弦波。波形变换是利用差分放大电路的非线性特性。2 总体方案三角波一正弦波变换设计有以下两种种方案：1）由三角波的傅里叶级数可知，它含有基波和3、5次等基次谐波，因此可以通过低通滤波器除去 基波，滤出高次谐波，可将三角波转换为正弦波。图212）

3、三角波一一正弦波变换电路课采用非线性有源电路形成法即利用差分式放人电路来实现。三角波图22输入电压和输出电压波形如图2-3所示:图23上述方案的优缺点：优点：对于方案一所需元器件少，节约了成本，更重要的是利于焊接和调试；对于方案二可适 用于不同频率条件，正好弥补了方案一的缺点。缺点：方案一只适合固定频率或者频率变化很小的场合；方案二中所需元件较多，焊接与调试 有一定难度。此次设计我采用方案二，利用BJT射极耦合差分放大电路的单端输入和单端输出和BJT镜像 电流源来实现。3 设计原理31总体电路图；VCCL12VI -C6-:土叩嘶RdRc2 .4-1147QjF:6：.8kQ：:1 2N222

4、2 而淫R.q Rb2 :6：.8kQ10QIQp9-rahooa :%7： ： : : KeyBIo&EZZJ二 47kQVEEQ32N2222 广|ReO 2kdRe42kQp*|：10kQRtKey=C :50.5 %：:图31311硬件电路分析分析表明，传输特性曲线的表达式为：】C = %= 1+；U式中a = Ic/IEl；IQ为差分放人器的恒定电流；S为温度的电压当量，当室温为25 C 时 UT = 26mV。根据理论分析，如果差分式电路的差模输入信号Ud为三角波，贝畀门与的波形近似为正弦 波。因此，单端输出电压U。也近似于正弦波，从而实现三角波一正弦波的变换。且差分式放人

5、电路 传输特性曲线的线性区越窄，其输出波形越接近于正眩波。如图31所示得电路中，R中用于调节 电路的对称性，/?栏使得差分式放人电路的传输特性的线性区变窄。电容C5、Ce分别为隔直电容和 滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形。此次设计中，差分式放人电路采用单端输入一单端输出的电路形式，实际电路中四只晶体管选 用集成电路的差分对称管双三极管S3DG6（仿真电路中选用2N222替代）。A = A = A = A = 60 - 直流电源去+ V_c = +12, -匕£ = 12。3.1.3镜像恒流源电路:Io Q3.2K2222 7kQ 工；:njIlOkQRi2N2222 -K?ey

6、=C:53.5%：VEEnRe2 J J 2kQRe42kQ图33由于差分式放大电路的静态工作点由恒流源打决定，故镜像恒流源电路是为了获得人。仃一 般为一亳安或者几亳安，这里设定人的值为1mA °3.2设计所用软件简介因为我比较熟悉和擅长使用multisim系列电力电子仿真软件，所以此次设计所用仿真软件为 multisiml2omultisiml2是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/ 数字电路板的设计工作。12.0是目前该软件的最高版本，现在已经成功破解，并且完全汉化，用户 可放心使用，下面附带详细安装图文教程。软件包含了电路原理图的图形输

7、入、电路硬件描述语言 输入方式，具有丰富的仿真分析能力，再结合了直观的捕捉和功能强人的仿真，能够快速、轻松、 高效地对电路进行设计和验证。凭借multisiml2.0汉化破解版，用户可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE 模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计 进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与Nl LabVlEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强人 技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。multisiml2的专业特色：1、模拟和数字应用的系统级闭环仿真配合Multisim和LabV

8、lEW能在设计过程中有效节省时间。2、全新的数据库改进包括了新的机电模型，AC/DC电源转换器和用于设计功率应用的开关模式电源。3、超过2,000个来自于亚诺德半导体，美国国家半导体，NXP和飞利浦等半导体厂商的全新数据库 元件。4、超过90个全新的引脚精确的连接器使得NI硕件的自定制附件设计更加容易。4.原理分析与计算对于典型的差分式放人电路的传输特性：它的输出电压（电流）与输入电压之间的关系符合双 曲正切函数的变换规律。在本次设计中，当输入信号三角波的正负峰峰值正好对应于差分式放人管 的截止电压时，晶体管集电极电流接近于正弦波。如图3-1,因为输入信号三角波的频率不太高，所以隔直电容取得较

9、大，这里取C5 =470wF ； 电容Cs起着滤波的作用，其大小视输出波形而定，若含高次谐波成分较多，则课取得较小，一般为 几十皮法至几百皮法，本次设计中取C6 = 100pF o /?£1=10Q与心4 = 1°°。想并联，以减小差分 式放人电路的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源人决定（如图3-3）.因为人越小， 恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越大。但是人也不能太小，这里取Io = lniA ,则 Icl = IC2 = O.SniA ,从而可求得晶体管的输入阻抗300Q + (1 + /7) = 300Q+(1 + 60)x|q«

10、;3.4/CQ为保证差分放犬电路有足够大输入电阻去RJ20KG ,根据尺=2（伙+心J得 Rb、6.6KG,故取%严R* = 6.8Kd 因为要求输出正弦波的峰峰值大于IV ,所以应该使差 分放大电路的电压放大倍数440。根据，2（心+么）可求得电阻尺137CQ,进而选取Rc = Rq=5KG° 对于恒流源电路，其静态工作点及元器祚参数计算如卞:/. = 1（ %"7 = r + r = 一（一12）+0.7 kq= 11.3KG 心R + Re1发射极电阻一般取几千欧，这里选择心3 = Re4 = 2KG,所以R； = 9.3/CQo在原理图（图31） 中&用一个

11、10KG的电位器和一个4.7KQ的电阻来替代。5 电路的仿真分析及结果利用multisiml2完成原理图的搭建并检查无任何错误后，开始进行仿真。第一步，由信号发生 器（Function Generator）输出幅值为30mVpp,频率为100Hz的正弦波加到放犬电路的输入端（其目 的是检查差分式放大电路的工作状态），用示波器观察输出波形，如下图：SaveExt. triggerair TimeChannel AChannelJ612.175 ms6.713 7612.175 ms6.713 VJ 0.000 s0.000 VReverseChannel AScale: L 伽TimebaseS

12、cale: jms/DivX pos.(Div):| Ypos.(Div): »5,2 弓图51图51表明目前差分放人电路的各个器件的参数选择合理且工作在线性区。第二步，由信号发 生器（Function Generator）输出幅值为30mVpp,频率为100Hz的三角波加到放人电路的输入端，用 示波器观察输出波形为三角波。在频率不变，逐渐增人幅值的条件下，用示波器观察输出波形。在 U, = 70mVpp J40mVppieOmVpp时的波形如图52、图5-3和图5-4 （注：标注有小三角形 的曲线为输出波形）；ri T2-T1Time 72.015 ms 72.015 ms0.00

13、0 sChannel_A2.552 V2.552V0.000 VChannel.B-13.580 mV-13.580 mV0.000 VTimebaseScale:(2ms/DivXpos.(0iv): 0阿阿丽屈Channel BScale: mVQiv ；Y pos.(Div): 0Aciroifocin *ReverseSave _Ext. triggerTriggerEdger 因匡R|b |Ext|Level:oSingle Normal Auto None图52T1T2Time504.159 ms504.159 ms0.000 sChanneLA4.005 V4.005 V0.00

14、0 VChanneLB90.576 mV90.576 mV0.000 VReverseTimebaseChannel AChannel BTriggerScale: 2ms/DivScale: 2 V/DivScale:100 mV/DivEdge:不国 A B ExtX pos.(Div): 0Y pos.(t)iv):也_|自Y pos.(Div): 0Level:0|v 1丽 Add B/A A/BAC OJIPCJ AC odc|卜SingleNormalAutoNoneT2-T1Ext. trigger图53SaveTL T2 g1T2-T1TimebaseScale: 2 ms/D

15、ivTimeChannel AChannel B36.005 ms9.538 V95.680 mV36.005 ms9.538 V95.680 mV0.000 s0.000 V0.000 VChannel AChelBTriggerScale: £V/T)ivXpos.Div)s |o Ypos.(Div): ”2.6 弓 Ypos.(Div):"*'函回叵口|Y/r|ftdd| 丽acPF|dcScale: 100 mV/DivLevel:0V 1SingleNormal AutoNoneEdge： EE aatext图54由以上三张图可知，当/较小时，放人电路仍

16、然工作在线性区；随着/的增人其静态工作点 逐渐向非线性区移动；若S太大则输出波形有明显失真现彖。综上所述，当4=140函”时，静 态工作点刚好进入非线性区，输出波形逼真于正弦波。6实物连接与调试结果图61、6-2和63分别为电路板的正面照片、反面照片和电路板调试后的效果图照片。巫611 tcftftft IZ9或29或gQqemo（注：三角波为输入波形，正弦波为输出波形）对比图5-3和6-3町知，在误差允许范I韦I内实际电路板的输出波形与仿真所得到的波形基本吻合，符合此次课程设计要求。调试测得静态工作点见表6-1：静态电流CQ1【BQLCQ2BQ1【CQ0A06mA0.522/nABQ7.94

17、 IM&235M恒流源打%1mA4.704V静态电压CEQlUcEQ2UcEQ6.625V4.903V表617 此次设计过程中所遇到的问题及解决措施在此次课程设计中，我遇到了一下几个问题： 仿真出错，得不到理论上的转换。 拿到电路板和元器件后不知所措。 焊好电路板后，双电源哪里来以及怎么调试实际电路。解决措施如卜： 在对电路原理进行初步仿真时，不能得到理论分析所得的波形；在和同组成员一起讨论后 仍然没有找到解决方法。最后我决定请教杨老师，经过杨老师的仔细分析和调试发现初始原理图存 在严重的不对称性（由输入端II串接的限幅电路造成）和过宽的线性区（因射极电阻尺门太人）， 造成了输出信号失

18、真和放人器不能及时过渡到非线性区。在经历了电路元件参数的重新计算和了仿 真调试后，我决定删掉原有的限幅电路（输入信号的幅值在信号发生器上手动调节）；射极电阻尺曰 的阻值由100Q调为10Q （随着输入信号幅值的增加，使放人器迅速过渡到非线性区）。在经过了 上诉措施后，重新仿真调试得到了预期的变换波形。 因为是第一次做课程设计，在实物的布局和各个元件之间的走线情况都不知所措，也不知 道焊烙铁的正确使用方法；即便我已经透彻的理解了此次设计的工作原理。进入焊接室我参照了里 面成形的电路板，学习了其实物布局和走线，并对比自己的原理图；请教了实验室有焊接技术基础 的同学，学习了焊烙铁的正确使用方法，然后

19、开始搭建自己的实物图并焊接。在此次设计中我的放人器需要±12U双电源，因为实验台上只有±15U和18V可调电源， 这显然不能满足我调试的需求。后来我想到了借助实验台上的九孔板和10KG的电位器搭建一个简 易的串联电路，并由电位器分得-12U电压；再由18U可调电源输出+ 12V电压，这样便完成了静 态所需双电源的要求。借助实验台上的万用表分别测得静态工作点见表61,然后在逐渐增人输入 信号的同时微调心2和&来改善输出波形。调试结果见图6-3o由于分立元件的参数存在分散性， 故差分放人器很难誠到完全对称，所以测得两个管子的静态不完全相同。但在误差允许范围内是可 以接受

20、的。8 设计的心得体会在这次的模电课程设计中，我对模电有了更清晰的认识，成功的运用了书本知识。但是在一开 始看见题目的时候，还是比较头疼的，不知道如何下手分析原理和进行仿真调试，但是随着慢慢的 摸索，查找相关资料并向老师请教。最后成功解决了问题并顺利完成了本次设计。课程设计本身要求将这学期所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程 中，无形中加深了我们对模拟电路的认识及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的 总结与理解；平时的模电实验只是针对某一个小的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的 设计的要求更严格，这需要通过翻阅复习这学期学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细 化进行各模块的设计，进而一步步调试排除错误。在整个过程中要求的是绝对的用心和细致，稍有 错误，就很难在错综复杂的线路中检查出来，有时候就是一个小问题，却会浪费了我很多时间，这 印证了一句话“细节决定成败！”不管做的题目有多么复杂或者多么简单，我们都应该抱着一颗谨 慎细致的心去完成它，遇到困难不毛躁，一个个排除，一定会得到我们想要的结果的。虽然只有短短一周的课程设计，