微分电路的设计

1、摘 要在本设计中，使用运算放大器进行微分电路的设计，此电路是由电容C和电阻R进行反馈电路，实现了输入信号幅度5V，频率为0-1KH的微分电路。在设计过程中利用软件Multisim进行仿真，最后使用Protel画出电路图，并制PCB板。关键词：运算放大器；微分电路；幅度5V；频率0-1KHZ；Protel；Multisim目 录摘 要1目录21 绪论32 设计任务42.1 课程设计的目的及意义42.2 课程设计任务与要求42.2.1 设计任务42.2.2 设计要求42.3 实验器材52.4 课程设计指标53 微分电路工作原理64 微分电路设计与调试84.1 仿真软件介绍84.1.1 Multis

2、im软件介绍84.1.2 Protel软件介绍94.2 微分电路系统的实现104.2.1 微分电路参数计算104.2.2 微分电路元器件选择104.2.3 微分电路Multisim调试图114.2.4 微分电路Protel绘制电路图125 实验结果分析146 总结15致谢16参考文献171 绪论微分是积分的逆运算。将积分电路中R和C的位置互换，即可组成基本微分电路。微分电路使输出电压与输入电压的时间变化率成比例的电路。最简单的微分电路由电容器C和电阻器R组成。 它可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输

3、出的尖脉冲波形的宽度与RC有关（即电路的时间常数），RC越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。此电路的RC必须少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般RC少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。使输出电压与输入电压的时间变化率成比例的电路。微分电路主要用于脉冲电路、模拟计算机和测量仪器中微分电路的工作过程是：如RC的乘积，即时间常数很小，在即方波跳变时,电容器C 被迅速充电,其端电压，输出电压与输入电压的时间导数成比例关系。实用微分电路的输出波形和理想微分电路的不同。即使输入是理想的方波，在方波正跳变时，其输出电压幅度不可能是无穷大，也不会超过输入方波电压幅度

4、E0 在的时间内,也不完全等于零,而是如图1d的窄脉冲波形那样，其幅度随时间t的增加逐渐减到零。同理,在输入方波的后沿附近，是一个负的窄脉冲。这种RC微分电路的输出电压近似地反映输入方波前后沿的时间变化率，常用来提取蕴含在脉冲前沿和后沿中的信息。实际的微分电路也可用电阻器R和电感器L来构成。有时也可用 RC和运算放大器构成较复杂的微分电路，但实际应用很少。2 设计任务2.1 课程设计的目的及意义1、掌握滤微分电路的工作原理及应用；2、掌握带Multisim 和Protel两种软件的使用。2.2 课程设计任务与要求2.2.1 设计任务 微分电路 示波器观测 信号发生器（方波）频率可调 图2.1

5、微分电路实现框图1、在输入回路中接入一个电阻R1与微分电容串联，在反馈电路中接入一个电容C2与微分电阻并联，并使2、在正常的工作频率范围内，使,而。2.2.2 设计要求1、选取单元电路及元件根据设计要求输入信号幅度为5V，频率为0-1KH，确定微分电路的方案，计算和选取单元电路的元件及参数。2、整路体电的联调；3、撰写设计报告、总结报告。2.3 实验器材计算机Protel和Multisim软件,2.4 课程设计指标要求设计一个微分电路，输入信号幅度为5V，频率为0-1KH。根据要求，选用相应的元件实现微分电路，并对电路进行仿真，并能利用相关软件Protel和Multisim仿真测量其技术指标,

6、并且观察其波形及输出结果。最后制作PCB板。3 微分电路工作原理RC微分电路是一种那个应用十分广泛的的对脉冲信号进行变换的电路，它通常把矩形脉冲信号变换为正负双向尖脉冲。在数学上，这种尖脉冲近似等于矩形波的微分形式，故有微分电路之称。微分电路的特点是输出能很快反映输入信号的跳变成分。即它能把输入信号中的突然变化部分选择出来。其输出脉冲宽度很窄，与原来输入脉冲宽度的波形相比 ，包含有“微分”的意思。RC微分电路如下图3.1所示。电容C和电阻R串联作为输入端，电阻R两端为输出端。由于电路中有电容C和电阻R的存在，故在外加电压的作用下，存在着充、放电过程，当矩形脉冲输入后，在输出端可得到一对正负尖脉

7、冲。图3.1 RC微分电路微分电路的工作原理：当输入矩形波的电压从零突然上跳到E如下图3.2所示，这就相当于在RC回路中突然接通一个电压为E的“电池”。由于电容C两端的电压不能突变，也就是电容器上的电压需要经过一个充电过程才能逐渐上升，如下图3.3所示。在时刻电容C 两端的电于是全部落在电阻R上，因此t1时刻的输出电压。从t1以后到t2以前的时刻,输入电压开始对电容C充电，电容C两端的电压，按指数规律上升，而电阻R两端的输出电压按指数规律逐渐下降。RC电路的时间常数称为T, ，T的单位为妙(S)，R的电阻器两端的（等效）电阻值，单位为欧,C的电容器的电容量，单位为法（F）。若T值很小，使很快充

8、电到接近输入电压幅度E时，使很快下降到零，于是输出就形成一个正尖脉冲。如下图3.4所示。在时刻输入电压有E突然下跳到零；这就相当于在RC回路中，将“电池”E突然去掉，用短路线代替，此时的电容C两端的电压不能突变，它要通过电阻R进行一个放电阶段，因此电容两端的电压Uc便全部降落在电阻R两端，所以时刻输出电压。而从放电回路看，由于放电电流与充电电流相反，所以输出电压。在以后到第二个输入脉冲到来之前，在这段时间里，输入电压，相当于输入端短路。而电容C两端的电电阻R按指数规律进行放电，电阻两端电压Uo从-E很快的按指数规律上升，当电容放电即将结束，即时，则电阻R两端的输出电压也接近了0，于是在输出端就

9、形成一个负脉冲，如下图3.4所示。以后当第二个矩形脉冲输入时，将重复上述过程，即每输入一个矩形脉冲，在微分电来了的输出端就能得到一对正负尖脉冲。图3.2 矩形波图3.3 充放电过程图3.4 正尖脉冲4 微分电路设计与调试4.1 仿真软件介绍4.1.1 Multisim软件介绍Multisim本是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NI Multisim ，而V12.0是其（即NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。目前美

10、国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等

11、多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。NI Multisim 12的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没

12、有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。图4.1 Multisim主界面4.1.2 Protel软件介绍Protel 99SE主要有两大部分构成，每一部分又各有三个模块。a. 第一部分是电路图设计，主要有b. Advanced Schematic 99： 此模块主要用于原理图设计，包含原理图编c. 辑器，元器件库编辑器和相应报表生成器；d. Advanced PCB 99： 此模块用于电路板设计，主要包含电路板编辑器，e. 元器件编辑器和电路板组件管理器；f. Advanced Route 99： 用于PCB的自动布线器。g. 第二部分是电

13、路仿真和PLD设计，主要有h. Advanced PLD 99： 此模块用于可编程器件设计，含有语法功能的文i. 本编辑器，用于编译和仿真设计结果的PLD和观察仿真波形的Wavej. 工具；k. Advanced SIM 99： 此模块用于电路仿真，主要包含一个功能强大的l. 数/模混合信号仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真；m. Advanced Integrity 99： 此模块可进行高级信号完整性分析，包含一个n. 高级信号完整性仿真器，可分析PCB设计，检查设计参数，测试过冲、o. 下冲、阻抗和信号斜率。图4.2 Protel 99SE主界面4.2 微分电路系统的实现4.

14、2.1 微分电路参数计算电路中，, ,初始条件下，设,求微分变换下的R (4.1) (4.2) (4.3) 根据题目可得 , 4.2.2 微分电路元器件选择表4.1 微分电路元器件器件规格数量电容电源运算放大器交流电源电阻稳压管47nF4.7nFVSINE3554BM5V1005K10K02DZ4.72121111124.2.3 微分电路Multisim调试图图4.3 微分电路Multisim仿真图图4.4 微分电路Multisim分析图4.2.4 微分电路Protel绘制电路图图4.5 微分电路Protel电路图图4.6 微分电路PCB板正面图图4.7 微分电路PCB板反面图5 实验结果分析

15、根据Multisim软件分析，当输入信号频率升高时，电容的容抗减小，则放大倍数增大，造成电路对输入信号中的高频噪声非常敏感，因而输出信号中的噪声成分严重增加，信噪比大大下降，此时信号都会发生严重失真，只有采用实用微分电路，主要措施就是在输入回路中接入一个电阻与微分电容串联，在反馈回路中接入一个电容与微分电阻并联，对相位进行补偿，减少失真，提高电路的稳定性。再根据Protel软件可知，在电路元器件的选择上也要细致选择，选择合适的型号，以及在连线时注意节点，否则就会出现没有节点，连入无效。只有全部宏有效才能生成PCB板，在此过程中，二极管由于在原理图中的管脚标注是A，K而封装上的却是1，2就会出现

16、在PCB板中没有连线的问题，因此就要将原理图中管脚的标注A，K改为1，2即可解决此问题。而且在生成的PCB板中连线不可以有交叉。 6 总结通过这次微分电路设计，学习了微分电路的工作原理，对微分电路有了初步了解.在微分电路中，微分电路可使得方波信号变换成尖脉冲，电路的输出部分只反映输入波形的突变部分。在微分电路中=RC的时间要非常的短，要小于输入波形的宽度，一般取1t，这样输出的波形才能和输入的波形成微分关系中， 在系统的调试过程中，必须要分清每一部分的功能，才使整个电路的调试有所根据，要不然就会出现波形的失真，在不断地发现问题，探索方法后问题得到了很好的解决。这次的课程设计是考验我们所学知识的

17、掌握、运用以及Multisim和Protel软件的应用。若调试过程中单位的选取不一致，也会影响最终的调试波形，所以应该注意细节，以免出现电路断路而不能正常运行。虽然我们花了三周才将整个设计完成，但是努力是能换来的。在老师的严格指导下，我们渐渐完成了设计。经过了三个星期的思考，学习，研究，在发现问题和解决问题中，我们得到了很多益处，懂得了实践才是检验真理的唯一标准。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，能够熟练运用自己所学的知识，对已知的元器件进行编排，从而实现一定的功能。我们一定要培养自己的动手能力，实践能力，独立思考问题的能力。致谢能够完成这次设计，要感谢这次的指导老师，两位老师对我们这次的课程设计十分关心，从设计要求，到设计完成整个过程都陪着我们，正是这种指导和鼓励让我们顺利完成这次设计。还要感谢各位同学的团结合作，互相帮助，建议以及积极配合，正因为如此，我们才对知识掌握的更加全面，从而成功设计出电路，并且调试