微分電路的設(shè)計(jì)

1、摘 要在本設(shè)計(jì)中，使用運(yùn)算放大器進(jìn)行微分電路的設(shè)計(jì)，此電路是由電容C和電阻R進(jìn)行反饋電路，實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)幅度5V，頻率為0-1KH的微分電路。在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用軟件Multisim進(jìn)行仿真，最后使用Protel畫(huà)出電路圖，并制PCB板。關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；微分電路；幅度5V；頻率0-1KHZ；Protel；Multisim目 錄摘 要1目錄21 緒論32 設(shè)計(jì)任務(wù)42.1 課程設(shè)計(jì)的目的及意義42.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求42.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)42.2.2 設(shè)計(jì)要求42.3 實(shí)驗(yàn)器材52.4 課程設(shè)計(jì)指標(biāo)53 微分電路工作原理64 微分電路設(shè)計(jì)與調(diào)試84.1 仿真軟件介紹84.1.1 Multis

2、im軟件介紹84.1.2 Protel軟件介紹94.2 微分電路系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)104.2.1 微分電路參數(shù)計(jì)算104.2.2 微分電路元器件選擇104.2.3 微分電路Multisim調(diào)試圖114.2.4 微分電路Protel繪制電路圖125 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析146 總結(jié)15致謝16參考文獻(xiàn)171 緒論微分是積分的逆運(yùn)算。將積分電路中R和C的位置互換，即可組成基本微分電路。微分電路使輸出電壓與輸入電壓的時(shí)間變化率成比例的電路。最簡(jiǎn)單的微分電路由電容器C和電阻器R組成。 它可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波，此電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對(duì)恒定部分則沒(méi)有輸出。輸

3、出的尖脈沖波形的寬度與RC有關(guān)（即電路的時(shí)間常數(shù)），RC越小，尖脈沖波形越尖，反之則寬。此電路的RC必須少于輸入波形的寬度，否則就失去了波形變換的作用，變?yōu)橐话愕腞C耦合電路了，一般RC少于或等于輸入波形寬度的1/10就可以了。使輸出電壓與輸入電壓的時(shí)間變化率成比例的電路。微分電路主要用于脈沖電路、模擬計(jì)算機(jī)和測(cè)量?jī)x器中微分電路的工作過(guò)程是：如RC的乘積，即時(shí)間常數(shù)很小，在即方波跳變時(shí),電容器C 被迅速充電,其端電壓，輸出電壓與輸入電壓的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成比例關(guān)系。實(shí)用微分電路的輸出波形和理想微分電路的不同。即使輸入是理想的方波，在方波正跳變時(shí)，其輸出電壓幅度不可能是無(wú)窮大，也不會(huì)超過(guò)輸入方波電壓幅度

4、E0 在的時(shí)間內(nèi),也不完全等于零,而是如圖1d的窄脈沖波形那樣，其幅度隨時(shí)間t的增加逐漸減到零。同理,在輸入方波的后沿附近，是一個(gè)負(fù)的窄脈沖。這種RC微分電路的輸出電壓近似地反映輸入方波前后沿的時(shí)間變化率，常用來(lái)提取蘊(yùn)含在脈沖前沿和后沿中的信息。實(shí)際的微分電路也可用電阻器R和電感器L來(lái)構(gòu)成。有時(shí)也可用 RC和運(yùn)算放大器構(gòu)成較復(fù)雜的微分電路，但實(shí)際應(yīng)用很少。2 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1 課程設(shè)計(jì)的目的及意義1、掌握濾微分電路的工作原理及應(yīng)用；2、掌握帶Multisim 和Protel兩種軟件的使用。2.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 微分電路 示波器觀測(cè) 信號(hào)發(fā)生器（方波）頻率可調(diào) 圖2.1

5、微分電路實(shí)現(xiàn)框圖1、在輸入回路中接入一個(gè)電阻R1與微分電容串聯(lián)，在反饋電路中接入一個(gè)電容C2與微分電阻并聯(lián)，并使2、在正常的工作頻率范圍內(nèi)，使,而。2.2.2 設(shè)計(jì)要求1、選取單元電路及元件根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入信號(hào)幅度為5V，頻率為0-1KH，確定微分電路的方案，計(jì)算和選取單元電路的元件及參數(shù)。2、整路體電的聯(lián)調(diào)；3、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告、總結(jié)報(bào)告。2.3 實(shí)驗(yàn)器材計(jì)算機(jī)Protel和Multisim軟件,2.4 課程設(shè)計(jì)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)一個(gè)微分電路，輸入信號(hào)幅度為5V，頻率為0-1KH。根據(jù)要求，選用相應(yīng)的元件實(shí)現(xiàn)微分電路，并對(duì)電路進(jìn)行仿真，并能利用相關(guān)軟件Protel和Multisim仿真測(cè)量其技術(shù)指標(biāo),

6、并且觀察其波形及輸出結(jié)果。最后制作PCB板。3 微分電路工作原理RC微分電路是一種那個(gè)應(yīng)用十分廣泛的的對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行變換的電路，它通常把矩形脈沖信號(hào)變換為正負(fù)雙向尖脈沖。在數(shù)學(xué)上，這種尖脈沖近似等于矩形波的微分形式，故有微分電路之稱(chēng)。微分電路的特點(diǎn)是輸出能很快反映輸入信號(hào)的跳變成分。即它能把輸入信號(hào)中的突然變化部分選擇出來(lái)。其輸出脈沖寬度很窄，與原來(lái)輸入脈沖寬度的波形相比 ，包含有“微分”的意思。RC微分電路如下圖3.1所示。電容C和電阻R串聯(lián)作為輸入端，電阻R兩端為輸出端。由于電路中有電容C和電阻R的存在，故在外加電壓的作用下，存在著充、放電過(guò)程，當(dāng)矩形脈沖輸入后，在輸出端可得到一對(duì)正負(fù)尖脈

7、沖。圖3.1 RC微分電路微分電路的工作原理：當(dāng)輸入矩形波的電壓從零突然上跳到E如下圖3.2所示，這就相當(dāng)于在RC回路中突然接通一個(gè)電壓為E的“電池”。由于電容C兩端的電壓不能突變，也就是電容器上的電壓需要經(jīng)過(guò)一個(gè)充電過(guò)程才能逐漸上升，如下圖3.3所示。在時(shí)刻電容C 兩端的電于是全部落在電阻R上，因此t1時(shí)刻的輸出電壓。從t1以后到t2以前的時(shí)刻,輸入電壓開(kāi)始對(duì)電容C充電，電容C兩端的電壓，按指數(shù)規(guī)律上升，而電阻R兩端的輸出電壓按指數(shù)規(guī)律逐漸下降。RC電路的時(shí)間常數(shù)稱(chēng)為T(mén), ，T的單位為妙(S)，R的電阻器兩端的（等效）電阻值，單位為歐,C的電容器的電容量，單位為法（F）。若T值很小，使很快充

8、電到接近輸入電壓幅度E時(shí)，使很快下降到零，于是輸出就形成一個(gè)正尖脈沖。如下圖3.4所示。在時(shí)刻輸入電壓有E突然下跳到零；這就相當(dāng)于在RC回路中，將“電池”E突然去掉，用短路線(xiàn)代替，此時(shí)的電容C兩端的電壓不能突變，它要通過(guò)電阻R進(jìn)行一個(gè)放電階段，因此電容兩端的電壓Uc便全部降落在電阻R兩端，所以時(shí)刻輸出電壓。而從放電回路看，由于放電電流與充電電流相反，所以輸出電壓。在以后到第二個(gè)輸入脈沖到來(lái)之前，在這段時(shí)間里，輸入電壓，相當(dāng)于輸入端短路。而電容C兩端的電電阻R按指數(shù)規(guī)律進(jìn)行放電，電阻兩端電壓Uo從-E很快的按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)電容放電即將結(jié)束，即時(shí)，則電阻R兩端的輸出電壓也接近了0，于是在輸出端就

9、形成一個(gè)負(fù)脈沖，如下圖3.4所示。以后當(dāng)?shù)诙€(gè)矩形脈沖輸入時(shí)，將重復(fù)上述過(guò)程，即每輸入一個(gè)矩形脈沖，在微分電來(lái)了的輸出端就能得到一對(duì)正負(fù)尖脈沖。圖3.2 矩形波圖3.3 充放電過(guò)程圖3.4 正尖脈沖4 微分電路設(shè)計(jì)與調(diào)試4.1 仿真軟件介紹4.1.1 Multisim軟件介紹Multisim本是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡(jiǎn)稱(chēng)IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，被美國(guó)NI公司收購(gòu)后，更名為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、國(guó)NI公司的EWB的包含有電路仿真設(shè)計(jì)的模塊Multisim、PCB設(shè)計(jì)軟件Ultiboard、布線(xiàn)引擎Ultiroute及通信電路分析與設(shè)計(jì)模塊Commsim 4個(gè)部分，能完成從電路的仿真設(shè)計(jì)到電路版圖生成的全過(guò)程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4個(gè)部分相互獨(dú)立，可以分別使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4個(gè)部分有增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)版（Power Professional）、專(zhuān)業(yè)版（Professional）、個(gè)人版（Personal）、教育版（Education）、學(xué)生版（Student）和演示版（Demo）等

11、多個(gè)版本，各版本的功能和價(jià)格有著明顯的差異。NI Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。NI Multisim 10是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。NI Multisim 10的元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)，而且建庫(kù)所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊(cè)中查到，因此也很方便的在工程設(shè)計(jì)中使用。NI Multisim 12的虛擬測(cè)試儀器儀表種類(lèi)齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)

12、有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。圖4.1 Multisim主界面4.1.2 Protel軟件介紹Protel 99SE主要有兩大部分構(gòu)成，每一部分又各有三個(gè)模塊。a. 第一部分是電路圖設(shè)計(jì)，主要有b.  Advanced Schematic 99： 此模塊主要用于原理圖設(shè)計(jì)，包含原理圖編c. 輯器，元器件庫(kù)編輯器和相應(yīng)報(bào)表生成器；d. Advanced PCB 99： 此模塊用于電路板設(shè)計(jì)，主要包含電路板編輯器，²e. 元器件編輯器和電路板組件管理器；f. Advanced Route 99： 用于PCB的自動(dòng)布

13、線(xiàn)器。²g. 第二部分是電路仿真和PLD設(shè)計(jì)，主要有h. Advanced PLD 99： 此模塊用于可編程器件設(shè)計(jì)，含有語(yǔ)法功能的文²i. 本編輯器，用于編譯和仿真設(shè)計(jì)結(jié)果的PLD和觀察仿真波形的Wavej. 工具；k. Advanced SIM 99： 此模塊用于電路仿真，主要包含一個(gè)功能強(qiáng)大的²l. 數(shù)/?；旌闲盘?hào)仿真器，能提供連續(xù)的模擬信號(hào)和離散的數(shù)字信號(hào)仿真；m. Advanced Integrity 99： 此模塊可進(jìn)行高級(jí)信號(hào)完整性分析，包含一個(gè)²n. 高級(jí)信號(hào)完整性仿真器，可分析PCB設(shè)計(jì)，檢查設(shè)計(jì)參數(shù)，測(cè)試過(guò)沖、o. 下沖、阻抗和信號(hào)斜

14、率。圖4.2 Protel 99SE主界面4.2 微分電路系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.2.1 微分電路參數(shù)計(jì)算電路中，, ,初始條件下，設(shè),求微分變換下的R (4.1) (4.2) (4.3) 根據(jù)題目可得 , 4.2.2 微分電路元器件選擇表4.1 微分電路元器件器件規(guī)格數(shù)量電容電源運(yùn)算放大器交流電源電阻穩(wěn)壓管47nF4.7nFVSINE3554BM5V1005K10K02DZ4.72121111124.2.3 微分電路Multisim調(diào)試圖圖4.3 微分電路Multisim仿真圖圖4.4 微分電路Multisim分析圖4.2.4 微分電路Protel繪制電路圖圖4.5 微分電路Protel電路圖圖4.6

15、 微分電路PCB板正面圖圖4.7 微分電路PCB板反面圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)Multisim軟件分析，當(dāng)輸入信號(hào)頻率升高時(shí)，電容的容抗減小，則放大倍數(shù)增大，造成電路對(duì)輸入信號(hào)中的高頻噪聲非常敏感，因而輸出信號(hào)中的噪聲成分嚴(yán)重增加，信噪比大大下降，此時(shí)信號(hào)都會(huì)發(fā)生嚴(yán)重失真，只有采用實(shí)用微分電路，主要措施就是在輸入回路中接入一個(gè)電阻與微分電容串聯(lián)，在反饋回路中接入一個(gè)電容與微分電阻并聯(lián)，對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償，減少失真，提高電路的穩(wěn)定性。再根據(jù)Protel軟件可知，在電路元器件的選擇上也要細(xì)致選擇，選擇合適的型號(hào)，以及在連線(xiàn)時(shí)注意節(jié)點(diǎn)，否則就會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有節(jié)點(diǎn)，連入無(wú)效。只有全部宏有效才能生成PCB板，在此過(guò)

16、程中，二極管由于在原理圖中的管腳標(biāo)注是A，K而封裝上的卻是1，2就會(huì)出現(xiàn)在PCB板中沒(méi)有連線(xiàn)的問(wèn)題，因此就要將原理圖中管腳的標(biāo)注A，K改為1，2即可解決此問(wèn)題。而且在生成的PCB板中連線(xiàn)不可以有交叉。 6 總結(jié)通過(guò)這次微分電路設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)了微分電路的工作原理，對(duì)微分電路有了初步了解.在微分電路中，微分電路可使得方波信號(hào)變換成尖脈沖，電路的輸出部分只反映輸入波形的突變部分。在微分電路中=RC的時(shí)間要非常的短，要小于輸入波形的寬度，一般取1t，這樣輸出的波形才能和輸入的波形成微分關(guān)系中， 在系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，必須要分清每一部分的功能，才使整個(gè)電路的調(diào)試有所根據(jù)，要不然就會(huì)出現(xiàn)波形的失真，在不斷地發(fā)現(xiàn)

17、問(wèn)題，探索方法后問(wèn)題得到了很好的解決。這次的課程設(shè)計(jì)是考驗(yàn)我們所學(xué)知識(shí)的掌握、運(yùn)用以及Multisim和Protel軟件的應(yīng)用。若調(diào)試過(guò)程中單位的選取不一致，也會(huì)影響最終的調(diào)試波形，所以應(yīng)該注意細(xì)節(jié)，以免出現(xiàn)電路斷路而不能正常運(yùn)行。雖然我們花了三周才將整個(gè)設(shè)計(jì)完成，但是努力是能換來(lái)的。在老師的嚴(yán)格指導(dǎo)下，我們漸漸完成了設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)了三個(gè)星期的思考，學(xué)習(xí)，研究，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題中，我們得到了很多益處，懂得了實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實(shí)際問(wèn)題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，能夠熟練運(yùn)用自己所學(xué)的知識(shí)，對(duì)已知的元器件進(jìn)行編排，從而實(shí)現(xiàn)一定的功能。我們一定要培養(yǎng)自己的動(dòng)手能力，實(shí)踐能力，獨(dú)立思考問(wèn)題的能力。致謝能夠完成這次設(shè)計(jì)，要感謝這次的指導(dǎo)老師，兩位老師對(duì)我們這次的課程設(shè)計(jì)十分關(guān)心，從設(shè)計(jì)要求，到設(shè)計(jì)完成整個(gè)過(guò)程都陪著我們，正是這種指導(dǎo)和鼓勵(lì)讓我們順利完成這次設(shè)計(jì)。還要感謝各位同學(xué)的團(tuán)結(jié)合作，互相幫助，建議以及積極配合，正因?yàn)槿绱?，我們才?duì)知識(shí)掌握的更加全面，從而成功設(shè)計(jì)出電路，并且調(diào)試