南理工EDA設(shè)計(jì)

1、EDA設(shè)計(jì)（）實(shí)驗(yàn)報(bào)告 第 32 頁 共 32 頁南 京 理 工 大 學(xué)EDA設(shè)計(jì)（）實(shí)驗(yàn)報(bào)告作 者:學(xué) 號(hào)：學(xué)院(系):自動(dòng)化院專 業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)老師： 付文紅 實(shí)驗(yàn)日期： 2014.10.13-2014.10.19 2014 年 10 月摘要學(xué)習(xí)基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真方法。以放大電路、反饋電路以及階梯波發(fā)生電路等模擬電路為基礎(chǔ)，采用Multisim仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真。針對(duì)電路中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，計(jì)算，并與理論值比較，驗(yàn)證理論的正確性。采用理論設(shè)計(jì)和仿真分析相結(jié)合的方法，對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求數(shù)據(jù)計(jì)算，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖，并進(jìn)行軟件仿真，測定相關(guān)參數(shù)

2、并與理論值比較，驗(yàn)證理論分析的正確性。關(guān)鍵字 模擬電路 仿真 參數(shù)測定 MultisimAbstractLearning circuit based on the technology of computer and information system design and simulation method. With the ladder wave generating circuit amplification circuit, feedback circuit and analog circuit as the foundation, such as using Multisim s

3、imulation software for simulation. The related parameters of the circuit for measuring, calculate, and compared with the theoretical value, prove the validity of the theory. By adopting the combination of theoretical design and simulation analysis method, to verify this theory. According to experime

4、ntal data calculation, design, experimental circuit diagram and software simulation, determination of related parameters and compared with the theoretical value, verify the correctness of the theoretical analysis.Keywords  artificial circuit simulat parametric measurement Multisim目 錄實(shí)驗(yàn)一 單級(jí)放大電路的

5、設(shè)計(jì)與仿真4一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)要求4三、實(shí)驗(yàn)原理圖4四、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果51電路的飽和失真和截止失真分析5 2電路基本參數(shù)測定.93幅頻相頻特性曲線.11五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .12實(shí)驗(yàn)二 負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)與仿真13一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3二、實(shí)驗(yàn)要求13三、實(shí)驗(yàn)原理圖13四、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果141.阻容耦合兩級(jí)放大電路.142負(fù)反饋接入前電路工作狀態(tài)153負(fù)反饋接入后電路工作狀態(tài)18五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析22實(shí)驗(yàn)三 階梯波發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)23一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3二、實(shí)驗(yàn)要求23三、電路原理框圖23四、實(shí)驗(yàn)過程與仿真結(jié)果241.方波發(fā)生器242.微分電路253.限幅電路264.積分電路27 5階梯波電路.28五

6、、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.29實(shí)驗(yàn)總結(jié).30參考文獻(xiàn).31實(shí)驗(yàn)一 單級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)與仿真一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 掌握放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整和測試方法。2) 觀察靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇對(duì)輸出波形的影響。3) 掌握電路輸入電阻、輸出電阻的測試方法。4) 觀察電路的頻率響應(yīng)曲線以及掌握電路上、下限頻率的測試方法。二實(shí)驗(yàn)要求1) 設(shè)計(jì)一個(gè)分壓偏置的單管電壓放大電路，要求信號(hào)源頻率5kHz(幅度1mV) ，負(fù)載電阻5.1k，電壓增益大于50。2) 調(diào)節(jié)電路靜態(tài)工作點(diǎn)(調(diào)節(jié)電位計(jì))，觀察電路出現(xiàn)飽和失真和截止失真的輸出信號(hào)波形，并測試對(duì)應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)值。3) 調(diào)節(jié)電路靜態(tài)工作點(diǎn)(調(diào)節(jié)電位計(jì))，使電路輸出信號(hào)不失真，并且幅度最

7、大。在此狀態(tài)下測試：電路靜態(tài)工作點(diǎn)值；電路的輸入電阻、輸出電阻和電壓增益；電路的頻率響應(yīng)曲線和fL、fH 值。三實(shí)驗(yàn)原理圖當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)具有電流放大作用，只有給放大電路中的三極管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)才能保證三極管工作在放大區(qū)，如果靜態(tài)工作點(diǎn)不合適，輸出波形則會(huì)產(chǎn)生非線性失真飽和失真和截止失真，而不能正常放大。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在合適的位置時(shí)，即保證三極管在交流信號(hào)的整個(gè)周期均工作在放大區(qū)時(shí)，三極管有電流放大特性。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，可?shí)現(xiàn)電壓放大。表征放大電路放大特性的交流參數(shù)有電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。由于電路中有電抗組件電容，另外三極管中的PN結(jié)有等效電容存在，因此，對(duì)于不同

8、頻率的輸入交流信號(hào)，電路的電壓放大倍數(shù)不同，電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系定義為頻率特性，頻率特性包括：幅頻特性即電壓放大倍數(shù)的幅度與頻率的關(guān)系；相頻特性即電壓放大倍數(shù)的相位與頻率的關(guān)系。四實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果1. 電路的飽和失真和截止失真分析設(shè)計(jì)一個(gè)分壓偏置的單管電壓放大電路，要求信號(hào)源頻率5kHz(幅度1mV) ，負(fù)載電阻5.1k，電壓增益大于50。單級(jí)放大的設(shè)計(jì)原理圖如下： 圖1.1 單級(jí)放大電路若把調(diào)節(jié)電位器的大小，從而使電路具有不同的靜態(tài)工作點(diǎn)，則從與之相連的示波器上可以觀察到飽和失真、截止失真、不失真三種不同的現(xiàn)象。.飽和失真現(xiàn)象調(diào)小電位器R3，為了看到波形的飽和失真現(xiàn)象,增大信號(hào)源電壓為20

9、mV，在示波器可以看到波形如下：圖1.2 飽和失真現(xiàn)象此時(shí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)如下：圖1.3 飽和失真靜態(tài)工作點(diǎn)由圖可得，靜態(tài)工作點(diǎn)處于飽和區(qū)，其波形的下半部被削去一塊，產(chǎn)生飽和失真。.截止失真調(diào)大電位器R3，為了看到波形的截止失真現(xiàn)象,增大信號(hào)源電壓為20mV，可以看到波形如下:圖1.4 截止失真現(xiàn)象其直流靜態(tài)工作點(diǎn)分析如下：圖1.5 截止失真靜態(tài)工作點(diǎn)從儀表中可以讀出: ,靜態(tài)工作點(diǎn)處于截止區(qū)，其波形的上半部被削去一塊，產(chǎn)生截止失真。.不失真的正常工作狀態(tài)下調(diào)節(jié)電位器，使之產(chǎn)生的輸出波形有最大幅值且不失真，多次試驗(yàn)下，觀察到當(dāng)電位器為40%時(shí)，產(chǎn)生的波形最大且不失真，其波形如下：圖1.6 最大

10、不失真其靜態(tài)直流工作點(diǎn)如下：圖1.7 最大不失真靜態(tài)工作點(diǎn) 從分析結(jié)果可以得出，此時(shí)其靜態(tài)工作點(diǎn)處于放大區(qū)，輸出波形沒有產(chǎn)生失真。 2.電路基本參數(shù)測定.輸入電阻的測量 圖1.8 輸入電阻測量在原來的原理圖的輸入端上，串聯(lián)入一個(gè)交流電流表，并在交流信號(hào)源兩邊并聯(lián)交流電壓表，根據(jù)交流表讀出的示數(shù)，可以計(jì)算出電路的輸入電阻。此時(shí)電流表的讀數(shù)為253.4nA，電壓表讀數(shù)為999.974uV。輸入電阻的理論值：相對(duì)誤差：*100%=1.67%.輸出電阻的測量幅頻信號(hào)圖1.9 輸出電阻測量在原來原理圖的基礎(chǔ)上，把信號(hào)源短路，負(fù)載開路，并在負(fù)載端接入信號(hào)源和交流電流表，此時(shí)電壓表示數(shù)為19.999mV,電

11、流表的讀數(shù)為9.692uA，可以得到：輸出電阻的理論值：認(rèn)為為無窮大，則=2.4K輸出電阻的相對(duì)誤差：*100=14%由此可知實(shí)際值與理論值相差不大，誤差可能是由于忽略引起的。.電壓增益的測量圖1.10 電壓增益測量由電壓表可知電壓增益的理論值為：電壓增益的相對(duì)誤差為：3.07%3.幅頻相頻特性曲線對(duì)電路圖的節(jié)點(diǎn)6進(jìn)行交流分析，得到的結(jié)果如下圖： 圖1.11 幅頻相頻特性曲線測量由圖中數(shù)據(jù)可知：在中頻段，節(jié)點(diǎn)6的大小約為51.左右，由此可以得到近似的下限和上限截止頻率為：五.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從靜態(tài)工作點(diǎn)的測試情況可以看出，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)的信號(hào)源的電壓幅值維持在1mV左右時(shí)，調(diào)節(jié)電位器從示波器中很難觀

12、察到飽和失真與截止失真的波形，因此考慮增大信號(hào)源電壓20mV進(jìn)行觀測。從三極管的參數(shù)上可以查到，三極管的放大系數(shù)的理論值是300，而本次實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果測試出來的值為152，與理論值的誤差49%。我認(rèn)為由于三極管的放大系數(shù)本身也會(huì)隨著結(jié)溫的變化而變化，故今后在使用三極管的時(shí)候，不應(yīng)該僅僅只看其手冊(cè)上的放大系數(shù)來做計(jì)算，而應(yīng)該讓三極管工作在一個(gè)環(huán)境中，去實(shí)際測試它的工作狀態(tài)下的放大系數(shù)，這樣使用起來才比較準(zhǔn)確。再者，在計(jì)算電壓增益的時(shí)候，本次實(shí)驗(yàn)沒有考慮三極管的輸出電阻，把其當(dāng)作無窮大的電阻予以忽略，并沒有帶來很大誤差，說明遠(yuǎn)大于,若誤差較大的話，需要將考慮進(jìn)去。實(shí)驗(yàn)二 負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)與仿真一

13、.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?） 掌握阻容耦合方式構(gòu)成的兩級(jí)放大電路的工作原理2） 掌握負(fù)反饋電路的工作原理3） 掌握兩級(jí)放大電路的電壓增益、輸入電阻、輸出電阻、頻率特性曲線的測量方法、了解負(fù)反饋引入前后對(duì)于電路工作狀態(tài)的影響二.實(shí)驗(yàn)要求1) 給出阻容耦合兩級(jí)放大電路的實(shí)驗(yàn)接線圖。2) 引入串聯(lián)電壓深度負(fù)反饋，分別給出負(fù)反饋接入前后電路的放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻的測試電路 和測試結(jié)果，并驗(yàn)證AF»1/F。3) 給出負(fù)反饋接入前后電路的頻率特性和fL、fH值，以及輸出開始出現(xiàn)失真時(shí)的輸入信號(hào)幅度。4) 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于電子系統(tǒng)，在輸入信號(hào)一定時(shí)，要求輸出信號(hào)是穩(wěn)定的，但由于各種因素的影響，輸

14、出信號(hào)會(huì)發(fā)生不應(yīng)有的變化。因此，需要設(shè)法將輸出信號(hào)的變化送回到輸入回路，讓輸入信號(hào)根據(jù)輸出量的變化作調(diào)整，以保持輸出量的穩(wěn)定，這一過程就是“回饋”。將輸出量（電壓、電流）的一部分或全部通過一定的網(wǎng)絡(luò)回饋到輸入回路的過程，稱為回饋。負(fù)責(zé)饋送輸出信號(hào)變化量的元器件和線路構(gòu)成回饋網(wǎng)絡(luò)；它們的作用是對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣量(回饋信號(hào))送回輸入回路；它們的位置特點(diǎn)是既屬于輸入回路，又屬于輸出回路，或者跨接在輸入和輸出回路之間。負(fù)反饋引入后對(duì)電路的影響如下：放大電路增益的穩(wěn)定性提高后，在輸入量一定時(shí)，就可得到較穩(wěn)定的輸出。由于增益帶寬積是不變的，負(fù)反饋放大電路可以擴(kuò)展通頻帶。而如果信號(hào)輸出發(fā)生了失真

15、，失真的回饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)產(chǎn)生相反的失真，即又可以從而彌補(bǔ)了放大電路本身的非線性失真。直流負(fù)反饋能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，串聯(lián)負(fù)反饋使得輸入電阻升高，并聯(lián)負(fù)反饋使得輸入電阻減小。電壓負(fù)反饋能夠穩(wěn)定輸出電壓，使得輸出電阻減?。浑娏髫?fù)反饋能夠穩(wěn)定輸出電流，使得輸出電阻增大。四.實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果1. 設(shè)計(jì)一個(gè)阻容耦合兩級(jí)電壓放大電路，要求信號(hào)源頻率10kHz(幅度1mv) ，負(fù)載電阻1k，電壓增益大于100。圖2.1 阻容耦合雙級(jí)放大電路從示波器上觀察到不失真圖形如下：圖2.2 阻容耦合雙級(jí)放大電路波形2.負(fù)反饋接入前電路的工作狀態(tài).測量電路的放大系數(shù)圖2.3 放大系數(shù)測量測量電路的輸入電阻圖2.4 輸入電

16、阻測量在輸入端串入一個(gè)交流電壓表，在信號(hào)源兩邊并聯(lián)交流電壓表，根據(jù)仿真結(jié)果可得：.測量電路的輸出電阻圖2.5輸出電阻測量信號(hào)源短路，把負(fù)載開路，在負(fù)載端連入一個(gè)交流電壓表和交流信號(hào)源，如圖所示，可得：.頻率特性圖2.5 幅頻相頻特性曲線對(duì)節(jié)點(diǎn)12進(jìn)行交流分析，得到結(jié)果如圖。由圖可得：.臨界失真信號(hào)圖2.6 臨界失真信號(hào)調(diào)節(jié)信號(hào)源的幅值，從示波器上觀察其峰值，在當(dāng)信號(hào)源的峰值到1.8mV的時(shí)候，波形出現(xiàn)了失真。3.負(fù)反饋接入后電路的工作情況.測量電路的放大系數(shù)閉合開關(guān)，用交流電壓表測出，如圖：由圖可得:=999.962uV=992.817uV從數(shù)據(jù)上可以看出，電路工作在深度負(fù)反饋的條件下，因此=

17、2.835圖2.7 反饋系數(shù)測量圖2.8 放大系數(shù)測量. 測量電路的輸入電阻圖2.9 輸入電阻測量在輸入端串入一個(gè)交流電流表，在信號(hào)源兩端并聯(lián)一個(gè)交流電壓表。根據(jù)仿真結(jié)果可得：.測量電路的輸出電阻圖2.10 輸出電阻測量信號(hào)源短路，把負(fù)載開路，在負(fù)載端連入一個(gè)交流電壓表和交流信號(hào)源，如圖所示，可得：.頻率特性圖2.11 幅頻相頻特性曲線對(duì)節(jié)點(diǎn)12進(jìn)行交流分析，得到結(jié)果如圖。由于引入了負(fù)反饋，頻率特性曲線發(fā)生了變化，由圖中可得：.臨界失真信號(hào)圖2.12 臨界失真信號(hào)調(diào)節(jié)信號(hào)源的幅值，從示波器上觀察其波形，在當(dāng)信號(hào)源的峰值到150mV的時(shí)候，波形出現(xiàn)了失真。五.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析回饋引入前回饋引入后輸入

18、電阻7.37k59.9k輸出電阻2.04k24放大倍數(shù)414.5962.835下限截止頻率492Hz46.49Hz上限截止頻率532kHz16.34MHz臨界失真信號(hào)1.8mV150mV表2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析引入負(fù)反饋后，對(duì)于電路的工作狀態(tài)產(chǎn)生了很大的影響。電路放大倍數(shù)大大減小，同時(shí)，串聯(lián)電壓負(fù)反饋能夠使輸出電阻大大減小，輸入電阻大大增大，同時(shí) 穩(wěn)定輸出電壓。由于增益帶寬積是不變的，負(fù)反饋放大電路可以擴(kuò)展通頻帶。而如果信號(hào)輸出發(fā)生了失真，失真的回饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)產(chǎn)生相反的失真，即又可以從而彌補(bǔ)了放大電路本身的非線性失真。如果用該反饋電路作為輸入端時(shí)，那么增大輸入電阻就會(huì)使得對(duì)于電路獲得更大分

19、壓。輸出的如果是電壓信號(hào)，那么引入一個(gè)電壓負(fù)反饋能降低輸出電阻，使得負(fù)載上可以得到更多的分壓。當(dāng)電路需要在更高的頻率下工作時(shí)，引入負(fù)反饋可以擴(kuò)展帶寬，使得電路工作于正常放大區(qū)。而且，對(duì)于電子系統(tǒng)，在輸入信號(hào)一定時(shí)，要求輸出信號(hào)是穩(wěn)定的，但由于各種因素的影響，輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生不應(yīng)有的變化。因此，將輸出信號(hào)的變化送回到輸入回路，讓輸入信號(hào)根據(jù)輸出量的變化作調(diào)整，以保持輸出量的穩(wěn)定。即通過負(fù)反饋電路可以不失真情況下對(duì)應(yīng)的幅值大大增加，這一點(diǎn)有時(shí)是十分有必要的。因此，在某些特定的情況下，根據(jù)不同的情況，引入不同的回饋，可能對(duì)于電路的工作狀態(tài)產(chǎn)生很多改善，這點(diǎn)在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中可能會(huì)有很大的幫助。實(shí)驗(yàn)

20、三 階梯波發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?） 掌握階梯波發(fā)生器電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2） 掌握階梯波發(fā)生器電路中各組件的作用3） 掌握階梯波發(fā)生器電路的工作原理二. 實(shí)驗(yàn)要求1) 設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生周期性階梯波的電路，要求階梯波周期在20ms左右，輸出電壓范圍10V，階梯個(gè)數(shù)5個(gè)。(注意：電路中均采用模擬、真實(shí)器件，不可以選用計(jì)數(shù)器、555定時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器等數(shù)字器件，也不可選用虛擬器件。)2) 對(duì)電路進(jìn)行分段測試和調(diào)節(jié)，直至輸出合適的階梯波。3) 改變電路元器件參數(shù)，觀察輸出波形的變化，確定影響階梯波電壓范圍和周期的元器件。三. 實(shí)驗(yàn)原理為了設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)階梯波的發(fā)生器，首先必須先產(chǎn)生一個(gè)方波。把方波的

21、信號(hào)輸入到微分電路，從微分電路的輸出端就可以得到周期性的尖脈沖。通過一個(gè)限幅電路后，只留下正的尖脈沖。這個(gè)真的尖脈沖通過積分電路，便可以實(shí)現(xiàn)累加而輸出一個(gè)負(fù)階梯。對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖就是一個(gè)負(fù)階梯，在沒有尖脈沖的時(shí)候，積分器保持輸出不變，在下一個(gè)尖脈沖來臨的時(shí)候，積分器在原來的值上積分，因此，通過積分器的積分和累加，使得輸出波形為一個(gè)負(fù)階梯。在負(fù)階梯的輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)比較器，輸出值達(dá)到這個(gè)比較電位的時(shí)候，比較器的輸出端便翻轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)正電壓。這個(gè)正電壓使得電子開關(guān)導(dǎo)通，積分電容放電，積分器輸出對(duì)地短路，復(fù)位，完成一個(gè)周期的輸出。如此循環(huán)，便形成了一系列的階梯波。其原理圖如下：圖3.1 階梯波發(fā)生器原理圖

22、四. 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果.方波發(fā)生器原理圖圖3.2 方波發(fā)生器其輸出波形如下：圖3.3 方波波形.微分電路工作原理圖圖3.4 微分電路圖其輸出波形如下：圖3.5 微分電路波形.限幅電路工作原理圖圖3.6 限幅電路圖其輸出波形如下：圖3.7 限幅電路波形從實(shí)驗(yàn)原理圖和示波器波形圖中可以看出：經(jīng)過限幅電路，得到一個(gè)只有正尖脈沖的波形。.積分累加電路工作原理圖圖3.8 積分電路圖其輸出波形如下：圖3.9 積分電路波形從實(shí)驗(yàn)原理圖和波形圖可以看出：經(jīng)過積分累加電路，波形的輸出發(fā)生累加，產(chǎn)生了階梯波。.階梯波發(fā)生器工作原理圖圖3.10 階梯波發(fā)生器原理圖其輸出波形如下：圖3.11 階梯波波形由示波器的波形圖中可以看出：一個(gè)周期內(nèi)，階梯的個(gè)數(shù)為5個(gè)，周期約為20ms，輸出電壓范圍約10V左右，符合實(shí)驗(yàn)要求。五. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析階梯波的周期是由方波發(fā)生器的參數(shù)決定的，改變電路中這些組件的參數(shù)，便可以改變方波發(fā)生器的周期，從而改變階梯波的周期。電路中的輸出范圍是由滯回比較器的門限電壓來決定的。的大小及電壓源的大小決定了翻轉(zhuǎn)電壓，調(diào)節(jié)這三個(gè)組件的值即可以調(diào)節(jié)輸出電壓范圍。如圖，其下限電壓