模电课程设计多种波形发生器和直流电源

1、 电子技术课程设计 实验报告基于 Multisim10的电子电路设计与仿真学院:计算机学院 指导教师:陈勇 完成日期:2012-1-6姓 名 :班 级 :通 信 1001学 号 :姓 名 :班 级 :通 信 1002学 号 :目 录1 乙类推挽功率放大电路 . . 3 1.1 实验目的 . . 3 1.2 实验设备 . . 3 1.3 实验步骤 . . 31.4 数据分析处理 . . 72.4 设计不足和存在问题 . . 143.3 最后方案及完整电路 . . 204 参考文献 . . 211 乙类推挽功率放大电路1.1 实验目的1. 熟悉 Multisim10软件的使用2. 观察乙类推挽功放

2、输出波形的交越失真 , 学会消除交越失真的方法。3. 掌握乙类推挽功放 Q 点的调试和最大不失真输出电压的测量。1.2 实验设备双踪示波器、函数信号发生器、毫伏表、万用表1.3 实验步骤a 、按照图 1连接电路b 、调节电位器 Rp2的百分比为 0;开启仿真,用按键调节 Rp1的百分比, 使电压表指示在 6V 左右,即电路中 “M” 点电压为电源电压的一半。c 、关闭仿真开关,删除电压表;从虚拟仪器中调出虚拟函数信号发生器和 示波器, 按图 2连接电路, 将信号发生器设置成 1KHz , 10mV 的正弦信号; 开启仿真,观察输出正弦波存在的交越失真现象。d 、逐渐增大电位器 Rp2的百分比,

3、观察输出波形幅度和交越失真随 Rp2变化的情况。e 、逐渐增大输入信号的幅度,直至输出波形幅度最大且不失真,在示波器 上读出输入波形和输出波形的幅度。 图 1-1 步骤 a 、 b 图 1-2 步骤 c 图 1-3 步骤 d 图 1-4 步骤 e1.4 数据分析处理1、根据图 1计算该乙类功放电路的最大不失真输出电压幅度:UomM=Vcc -Uces Vcc =6V2、通过仿真实验,测量出的最大不失真输出电压幅度约为 2.73V 。3、简述交越失真产生的原因及消除的方法:产生原因:BJT 输入特性的非线性, 即 BJT 的 Je 结的正偏电压小于阈值电压thU , 管 内几乎没有基级电流;两管

4、工作在乙类状态,即每当输入电压过零前后,有段时间两管的 i B 、Ci 和输出端的i 、u 均为 0。消除方法:调节电位器 Rp2的百分比和输入信号的幅度 , 即将静态工作点稍高于截止 点,使放大器工作在甲乙类放大状态。2 多种波形发生器设计2.1 设计要求设计能产生方波、三角波和正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。要求:(1输出的各种波形工作频率范围 0.02Hz 20KHz连续可调;(2正弦波幅度10V ,失真度小于 1.5%;(3方波幅度10V ;(4三角波峰 -峰值 20V ;(5各种输出波形的幅度均连续可调;(6设计电路所需的直流电源。2.2 设计思路1、输出方波:利用输入端的 R

5、C 自激振荡电路,反相输入迟滞电路而形成,反相输 入端增加一个电位器以调节频率。 输出电路利用一个 10V 双向稳压管接地来稳幅。 在输 出端加一个电位器调节输出幅度。2、输出三角波:以方波为输入信号,输入到积分电路。同时为了提高三角波的负载 能力并且减少方波频率对三角波幅值的影响, 将积分电路的输出反馈给滞回比较器的输 入。通过改变方波的频率改变三角波的频率。在电路中串联一个电位器调节输出幅度。 3、输出正弦波:实际是一个一阶反相输入的低通滤波器。在积分电路中的电容上并 联一个电阻来降低通带放大倍数。在电路中串联一个电位器调节输出幅度。将上述三种波形输出电路按一定顺序连接,分别输出相应波形,

6、总体设计结构框图如 图 2-1。 图 2-1 总体设计结构示意框图实验电路及方波输出波形如图 1-2所示,其中双向稳压管电压为 10V 。电路由迟滞型电压比较器和 RC 延迟网路构成,图中 2R 和 4C 元件组成具有延迟作用的反馈网络,电容器上的电压 u C 就是反馈电压,双向稳压管 Z VD 对输出电压进行限幅, 5R 是其限流电阻。 图 2-2 方波发生电路及输出方波波形电路通过 RC 充放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压 0z U U =+,则同相输入端电位 +P T U U =。 0U 通过 3R 对电容 C 正向充电。反相输入端电位 n 随时间 t 的增长而逐渐增高,当

7、 t 趋于无穷时, n U 趋于 Z U +;但是,一旦 n T U U =+,再稍增大,0U 从 Z U +跃变为 Z U -,与此同时 P U 从 T U +跃变为 T U -。随后, 0U 又通过 3R 对电容 C 反向充电。 n U 随时间逐渐增长而减低,当 t 趋于无穷大时, n U 趋于 Z U +;但是,一旦n T U U =-,再减小, 0U 就从 -Z U 跃变为 +Z U , P U 从 T U -跃变为 T U +,电容又开始正相 充电。上述过程周而复始,电路产生了自激振荡,便形成了方波信号输出。通过调节 2R 改变 4C 上端的电位进而改变输出方波的频率,通过电位器 5

8、R 改变输出方波 的幅度,实现调频调幅。方波 -三角波转换实验电路及三角波波输出波形如图 2-3所示。 图 2-3 方波 -三角波转换实验电路及三角波波输出波形若 a 点断开,运算发大器 A1与 R1、 R3及 R4组成电压比较器。运放的反相端接基 准电压, 即 U-=0, 同相输入端接输入电压 Uia 。 比较器的输出 Uo1的高电平等于正电源 电压 +Vcc,低电平等于负电源电压 -Vee (|+Vcc|=|-Vee| , 当比较器的 U+=U-=0时,比 较器翻转,输出 Uo1从高电平跳到低电平 -Vee, 或者从低电平 Vee 跳到高电平 Vcc 。设 Uo1=+ Vcc,则(4111

9、44=+=+iaccURRRVRRRU将上式整理,得比较器翻转的下门限单位 Uia_为CCcciaVRRVRRRU14144(-=+=-若 Uo1=EEV-, 则比较器翻转的上门限电位 Uia+为CCEEiaVRRVRRRU14144(=-+=+比较器的门限宽度:图 2-4 电压传输特性图 CCiaiaHIRRUUU142=-=-+由以上公式可得比较器的电压传输特性如图 1-4所示。a 点断开后,运放 A2与 R9、 C2及 R8组成反相积分器,其输入信号为方波 Uo1, 则 积 分 器 的 输 出 Uo2为 :dtUCRUoo -=12921CCoVU +=1时,tCRVU CCo292-=

10、EEoVU -=1时,tCRVU CCo292=图 2-5 方波 -三角波波形关系图可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波 形关系如图 1-5所示。比较器与积分器形成闭环电路,则自动产生方波 -三角波。三角波的幅度为:CComVRRU142=方波 -三角波的频率 f 为:29414CRRRf =正弦波转换电路 图 2-6 三角波 -正弦波转换电路转换电路由一个一阶反相输入的低通滤波器构成,低通滤波器是容许低于截止频率 的信号通过, 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。其中积分电路中的电 容上通过并联上一个电阻来降低通带放大倍数。如图 2-6所示,该例即

11、为一有源低通滤 波器,其截止频率(Hz 定义为: 或者(弧度每秒 :通带增益是 21R R -,由于是一阶滤波器,其阻带滚降速率为每倍频 6dB 。 许多情况下, 一个简单的增益或者抑制放大器通过添加电容 C 转换成低通滤波器。 这 样就减弱了高频率下的频率响应,并且避免了放大器内部的震荡。2.3 总体电路1、方波 -三角波部分2R 和 4C 元件组成具有延迟作用的反馈网络, 对输出波形的频率有直接影响, 故我们 在实电路的设计过程中选择了 30nf 的可变电容和 100k 的可变电阻, 实际运行时也却 是实现了频率在 1hz 到 1khz 连续可变的效果。电阻 R8的作用是调节输出波形的幅度

12、, 经过计算,我们选取了阻值为 10k 的电位器。2、三角波 -正弦波部分该部分电路元器件选择的关键是组成低通滤波器的电容大小, 根据有源低通滤波电 路原理及其截至频率计算式, 最终选取了 400nf 的电容。 并联电阻 2R 用来降低通带放大 倍数,通过运行,多次修改,最后选择了阻值为 50k 。 图 2-7 总电路图以及功能实现2.4 设计不足和存在问题(1设计之初,利用 R1进行调频,调频范围很小。改进后,利用电位器 R2以及可变 电阻 C4调节频率, 频率能够很大程度上连续可调, 但是可调频率范围是 100Hz 20KHz, 没有达到设计要求的 0.02Hz 20KHz频率范围。(2

13、正弦波的失真率基本可以控制在 5%之内, 但是没有达到实验设计要求的小于 1.5%。3 实验所需的直流稳压电源的设计3.1 直流电源设计思路直流稳压电源的一般设计思路为:(1 电网供电电压为交流 220V (有效值 50Hz ,要获得低压直流输出,首先必 须采用电源电压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。(2 降压后的交流电压,通过整流电路变成单向直流电,但是幅度变化大。(3 脉动大的直流电压经过滤波电路变成平滑、脉动较小的直流电,即将交流成 分滤掉,保留直流成分。(4 滤波后的直流电压,再经过稳压电路稳压,便可得到基本不受外界影响的稳 压直流电压输出,供给电压表。(5 实验中所需要的直流电

14、源为 12到 18V 左右,可以设计可调电源,使其在可 调范围之内。3.2 直流电源基本原理直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。直 流稳压电源的基本结构及其各部分对应的波形变化如图 3-1。 图 3-1 直流稳压电源基本原理结构框图电源变压器 T 的作用是将电网 220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流 电压 ui 。变压器副边与原边的功率比为P2/P 1= (3-1式中, 为变压器的效率。经变压器后,电压的波形图如下: 图 3-2 变压电路及波形选用单相桥式整流电路。桥式整流利用二极管接成桥式电路(如图 3-3所示 , 在正弦交流电压 2u 正负半

15、周都有电流从同一方向流过负载,从而在负载 LR 上获得如图 3-4所示中的 波形,这种方式成为全波整流。单相桥式整流电路的实际电路仿真如图 3-5所示,它用 4个二极管组成了桥式电路。 图 3-3 桥式整流典型电路结构 图 3-4 电路中电压和电流波形图 3-5 桥式整流实验电路桥式整流电路相当于理想二极管,及正偏时导通,电压降为零,相当于理想开关闭 合;反偏时截止,电流为零,相当于理想开关断开。在交流电压的整个周期始终有同方 向的电流流过负载电阻 R ,故 R 上得到单方向全波脉动的直流电压。在桥式整流电路中,由于每两只二极管只导通半个周期,故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一 半,在

16、输入电压的正半周期, D1和 D3导通时,可将它们看成短路,这样 D2和 D4就并联 在输入电压上。同理 D2和 D4导通时, D1和 D3截止,其承受的反向峰值电压值,大小与上式相同。 整流后电压波形图如图 3-6。 图 3-6 整流后电压波形图整流电路将交流电变为脉动直流电,但其中含有大量的交流成分 (称为纹波电压 。 为了获得平滑的直流电压,应在整流电路的后面加接滤波电路,以滤去交流部分。 在整流器的输出端并联一个电容器,就是电容滤波器,一个实际的单相桥式整流滤 波电路图如图 3-7 。图 3-7 单相式整流滤波电路其工作原理为 :当负载 R 未接入时的情况,设电容两端初始电压为零,接入

17、交流电 源后,当输入电压 V 为正半周期时, V 通过D1、D3向电容 C 充电, V 为负半周期时, 经 D2 、 D4向电容充电,充电电流方向相同。充电时间常数 =RC .(3-2式中 R 为包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管 D 的正向电阻。 由于 R 一般很小, 故充 电的时间常数也就很小, 因此电容器上的电压很快充电到交流电压 v 的最大值 1.414 2u 。 因而使整流二极管的外加要么为反向电压,要么为零电压;此时,电容器无放电回路, 故输出电压 V (即电容两端的电压 保持在 1.414 2u , 输出为恒定的直流, 如图 3-8 所示。图 3-8 滤波后的电压波形滤波电路通

18、常由电抗元件组成,由于电抗元件在电路中有储能的作用,并联的电容 C 在电源供给的电压升高时,可以把部分能量储存起来,而当电源电压降低时,又可以 把电场能量释放出来,使负载电压比较平滑,即电容 C 具有平波的作用。滤波电路形式 多种多样,依不同的划分标准又可进行不同的分类,根据需要选择。在整流电路采用电 容滤波后使二极管得到的时间缩短, 由于电容 C 充电的瞬时电流较大, 形成了浪涌电流, 容易损坏二极管,故在选择二极管时,必须留有足够的电流余量,以免烧坏。三端集成稳压器分为固定式和可调式两种。在此选用 LM317可调式三端集成稳压器。 LM317三端可调正输出稳压器的输出电压范围为 1.2-3

19、7V , 最大输出电流为 1.5A , 最 小输入输出电压差(Vi -V o min =3V, 最大输入输出电压差(Vi -V o max=40V。 为保证稳压器能正常工作,对输入直流电压也有所要求,一般输入直流电压比输 出直流电压高出 3-5V ,不宜高出太多,高出太多会使稳压器功耗过大,易损坏稳压器。 同时电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线电阻上产生误差。317系列集成稳压器的典型应用电路如图 3-9。 图 3-9 317系列集成稳压器典型应用电路(1稳压系数 SV当输出电流不变(且负载为确定值时,输入电压变化将引起输出电压变化,则 输出电压相对变化量于输入电压相对变化量之比,定义为稳压

20、系数,用 SV 表示SV =VOVi/ViV o (3-3测量时,如选用多位直流数字电压表,可直接测出当输入电压 Vi 增加或 减少 10%时,其相应的输出电压 V o 、 V o1 、 V o2,求出 VO1、 V o2 ,并将其中数值较大的 VO 代入 SV 表达式中。显然 SV 愈小,稳压效果愈好。(2输出电阻 RO输入电压不变,当负载变化使输出电流增加或减小,会引起输出电压发生很小的变 化,则输出电压变化量与电流变化量之比,定义为稳压电源的输出电阻,用 RO 表示。 RO =VO /IL (3-4式中 IL =ILmax-ILmin (ILmax为稳压器额定输出电流, ILmin=0。

21、测量时,令 Vi=常数,用直接测量法分别测出 Ilmax 时的 V o1和 ILmin=0时的 VO2,求出 VO ,即可算出 RO 。(3纹波电压纹波电压是指输出电压交流分量的有效值,一般为毫伏数量级。测量时,保持输出电 压 VO 和输出电流 IL 为额定值,用交流电压表直接测量即可。3.3 最后方案及完整电路按照通常的设计方案,经变压器变压获得所需的电压值,然后通过整流电路将交流 电压变为脉动的直流电压,整流电路有四个二极管(IN4001组成;在此脉动的直流电 压中还含有较大的纹波,所以必须通过滤波电路加以滤除,选用两个 2200uF/25V的电 容用来滤波,从而可以得到平滑的直流电压。经滤波之后也并不能保证输出稳定的电压,它还会随电网电压波动、负载和温度的 变化而变化,故在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路,这里采用 LM317可变三 端集成稳压器,稳压器内部含有过流、过热保护电路,用以稳定输出直流电压。R1 与 R2 组成电压输出调节电路,输出电压V o=1.25(1+R1