模電課程仿真設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上模電課程仿真設(shè)計一、設(shè)計要求：使用一片通用四運放芯片LM324組成電路框圖如圖12（a），實現(xiàn)下述功能：使用低頻信號源產(chǎn)生，的正弦波信號，加至加法器輸入端，加法器的另一輸入端加入由自制振蕩器產(chǎn)生的信號，如圖12（b）所示，允許有的誤差。低頻信號源三角波產(chǎn)生器加法器比較器濾波器（a）（b）圖12 圖中要求加法器的輸出電壓。經(jīng)選頻濾波器濾除頻率分量，選出信號為，為峰峰值等于9V的正弦信號，用示波器觀察無明顯失真。信號再經(jīng)比較器在負(fù)載上得到峰峰值為2V的輸出電壓。電源選用±12V和±5V兩種單電源，由穩(wěn)壓電源供給。不得使用額外電源和其它型號運算放大器。要

2、求預(yù)留、和的測試端子，以方便測試。1.1課程設(shè)計目的：（1）掌握lm324芯片的基本組成電路； （2）熟悉一些基本器件的應(yīng)用; （3）設(shè)計一個用集成運算放大器構(gòu)成的基本電路。熟悉集成運算放大器波形變換與三角波，正弦波等的產(chǎn)生電路的工作原理，并且知道其設(shè)計和調(diào)試方式。 1.2 課程設(shè)計原理：本次實驗主要是考察運算放大器的應(yīng)用，模擬電路知識的掌握。利用LM324中的4個運算放大器分別設(shè)計三角波發(fā)生電路，加法器電路，濾波電路以及比較器電路。利用電阻和電容將12V DC變成±6V的電源給運算放大器供電，合理分配運算放大器實現(xiàn)一個信號調(diào)制解調(diào)的過程。二、設(shè)計方案 2.1、三角波產(chǎn)生器使用一片通

3、用的四運放芯片LM324制作產(chǎn)生三角波信號，利用函數(shù)信號發(fā)生產(chǎn)生正弦信號，達(dá)到設(shè)計要求。2.2、加法器利用LM324芯片設(shè)計加法器電路，將三角波信號與函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號相加。2.3、濾波器設(shè)計制作濾波電路，將通過加法器的信號濾除三角波產(chǎn)生的信號，達(dá)到設(shè)計要求。2.4、比較器設(shè)計制作比較器電路，通過濾波器的信號與三角波產(chǎn)生的信號做比較，最后在負(fù)載上產(chǎn)生的信號達(dá)到設(shè)計要求。三設(shè)計原理 3.1三角波模塊設(shè)計產(chǎn)生方波、三角波的方案有多種，本次設(shè)計主要采用用電壓比較器和積分器同時產(chǎn)生方波和三角波。其中電壓比較器產(chǎn)生方波，對其輸出波形進(jìn)行一次積分產(chǎn)生三角波。根據(jù)模擬電路理論，方波三角波發(fā)生電路主

4、要參數(shù)為：方波的幅度： (式3.1)三角波的幅度： (式3.2)方波、三角波的頻率： (式3.3)從式3.2和式3.3可以看出，調(diào)節(jié)電位器Rw1可改變?nèi)遣ǖ姆?，但會影響方波、三角波的頻率。調(diào)節(jié)電位器Rw2可改變方波、三角波的頻率，但不會影響方波、三角波的幅度。由以上公式可以計算出：Uz取值為3.3V的穩(wěn)壓二極管，R2取值為20K的電阻，R1取值為10K的電阻，R取值為2.5K的電阻，C取值為0.1uF的電容可達(dá)到設(shè)計要求。而振蕩周期，積分器輸出電壓從-Uth增加到+Uth所需的時間為振蕩周期T的一半。 由積分器關(guān)系式：則振蕩頻率為：方波三角波發(fā)生器的輸出波形圖3.2加法器模塊設(shè)計如圖3.3

5、所示為同相加法器運算電路，它是利用同相比例運算電路實現(xiàn)的。圖中輸入信號u1、u2均加至同相輸入端，為使直流電阻平衡，要求：R1/R3/R4=R1/Rf (式3.7)圖3.3 同相輸入加法運算原理圖利用迭加原理求出及 (式3.8) (式3.9) (式3.10) 因為：U_=U+所以： (式3.11) 當(dāng)兩輸入端外電路平衡時，有當(dāng)時。實現(xiàn)兩信號相加，且運算同相，相比較而言，從反相輸入端輸入加量的運算簡單的多。根據(jù)以上公式可以計算出R1，R2，R3的取值為10K，R的取值為1K，反饋電阻Rf的取值為20K，可達(dá)到設(shè)計要求。3.3濾波器模塊設(shè)計電容器是一個儲存電能的倉庫，在電路中當(dāng)有電壓加到電容器兩端

6、的時候，便對電容器充電，把電能儲存在電容器中；當(dāng)外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲存的電能再放出來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越大，負(fù)載電阻值越大，充電和放電所需要的時間越長。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔(dān)濾波的任務(wù)。在模擬電路，由Rc組成的無源濾波電路中，如圖3.4濾波電路原理圖。圖3.4濾波電路原理圖在圖3.4濾波電路原理圖中，跟積分電路有些相似（電容C都是并在輸出端），但他們是應(yīng)用在不同的電路功能上。積分電路主要是利用電容C充電時的積分作用，在輸入方波情形下，來產(chǎn)生周期

7、性的鋸齒波（三角波）。因此電容C及電阻R是根據(jù)方波的Tw來選取，設(shè)計中利用Rc濾波來濾除三角波信號，和按照設(shè)計要求濾除高頻信號。根據(jù)公式：f=1/2Rc (式3.12)確定Rc的參數(shù)值，達(dá)到設(shè)計要求。計算出電容C1的取值為0.1uF，電阻R1的取值約為2K，電容的參數(shù)值是參照低頻點的數(shù)值來確定，對于電源的濾波電路，理論上C值愈大愈好。 3.4比較器模塊設(shè)計 比較器電路可以看作是運算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高。另外有電源V+及地(這是個單電源比較器)，同相端輸入電壓Va，反相端

8、輸入Vb。Va>Vb時，Vout輸出高電平(飽和輸出)；Vb>Va時，Vout輸出低電平。輸出電平變化與Va、Vb的輸入端有關(guān)。  圖 3.5 比較器電路原理圖圖3.5是由運算放大器組成的比較器電路，如果輸入電壓Va經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，那么Vb通過輸入電阻R1接在反相端，Rf為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與Va、Vb及4個電阻的關(guān)系式為：Vout=(1+Rf/R1)·R3/(R2+R3)Va-(Rf/R1)Vb。如當(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于R1、R2短路)，R3=Rf=(相當(dāng)于R3、Rf開路)時，Vout=。增益將成為無窮大

9、，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。根據(jù)公式可以計算出R1，R2的取值都為20K，反饋電阻Rf為5.1K，R3取1K，由于元件的誤差實際的取值有較小的變動。實際上運放是處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無窮大。四、電路設(shè)計4.1、電源模塊的設(shè)計4.2、三角波產(chǎn)生器模塊設(shè)計4.3、加法器模塊設(shè)計4.4、濾波器模塊設(shè)計4.5、比較器模塊設(shè)計4.6、完整電路圖通過圖4.1、圖4.2、圖4.3、圖4.4、圖4.5連起來得到完整的電路圖，如圖4.6所示：圖4.6 信號變換器仿真原理圖五、仿真結(jié)果圖5.1、三角波和低頻信號源仿真三角波和低頻信

10、號源輸出的正弦波的仿真圖如圖5.1所示：圖5.1 三角波產(chǎn)生和低頻信號源輸出的正弦波的仿真圖三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計過程是比較艱辛的，我使用過很多種方法都沒有把波形調(diào)整到最好，通過查看相關(guān)資料和請求同學(xué)的幫助和指導(dǎo)，不斷地完善電路，最終把波形和幅值都做到比較接近設(shè)計要求。5.2、加法器仿真加法器產(chǎn)生的波形如圖5.2所示：圖5.2 加法器仿真波形圖電路仿真圖中XFG1是連接信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為500 Hz的正弦信號，要求經(jīng)過加法器后，將正弦信號放大10倍并與三角波信號相加，最終得到圖9的波形。5.3、濾波器仿真濾波器產(chǎn)生的波形如圖5.3所示：圖5.3 濾波器仿真波形圖根據(jù)以上所介紹的設(shè)計原理，計

11、算出各個外圍原件的取值，通過調(diào)試實驗，盡量減小實驗誤差，最終得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。通過實驗數(shù)據(jù)與分析，所設(shè)計的電路能夠達(dá)到題目要求。實驗過程的數(shù)據(jù)，設(shè)計要求是經(jīng)過濾波器后的峰峰值要達(dá)到9V的正弦信號，從數(shù)據(jù)中波形的峰峰值為9.3v,基本上達(dá)到了要求。5.4、比較器仿真比較器產(chǎn)生波形圖如圖5.4所示：圖5.4 比較器仿真波形圖設(shè)計要求是使經(jīng)過比較器后的電路在負(fù)載為1k上產(chǎn)生的峰峰值為2V的信號，實驗中分析由于元件的誤差等客觀因數(shù)導(dǎo)致一定的誤差存在。其設(shè)計達(dá)到的實際數(shù)據(jù)，峰峰值基本能夠達(dá)到設(shè)計要求，已達(dá)到了1.86V的峰峰值。六、總結(jié)本次設(shè)計始終圍繞通用的四運放芯片展開，根據(jù)原理公式計算出需要的參數(shù)值并

12、運用于電路。將各個設(shè)計的模塊組合實現(xiàn)總的功能。設(shè)計過程中遇到了很多看似很小但影響非常大的問題，這才知道自己學(xué)到的知識并不能很好地運用到設(shè)計中去，通過不斷的查閱資料，在同學(xué)的幫助下終于解決了相關(guān)問題。這次設(shè)計很好的檢驗了我們在大二所學(xué)的相關(guān)知識，同時也提高了我們的動手能力，遇到問題后便要不斷的收集資料，不斷的分析，嘗試怎樣去解決問題。采取哪種方法更好，能夠更有效的解決出現(xiàn)的問題。模塊與模塊之間的鏈接存在相互影響， 雖然單個模塊運行仿真較好，但是連接為整個的電路圖時，各功能模塊的波形會受到其他模塊的影響，有點失真。處理辦法是在各模塊之間加入耦合電容或電容電阻組成的低通網(wǎng)路作為接口電路。 通過這次課程設(shè)計，不僅對于模擬電子線路有了新的認(rèn)識，加深了理論與實際之間的聯(lián)系，同時學(xué)習(xí)到了書本上沒有的知識，如怎樣運用軟件搭建電路，如何結(jié)合理論計算的參數(shù)和實際仿真結(jié)果對電路的元件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。電路調(diào)試的花費了很多設(shè)計時間，通過對本次課程設(shè)