模拟电子技术基础课程设计指导书.docx
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模拟电子技术基础课程设计指导书
《模拟电子技术基础》
课程设计指导书
一．课程设计的目的:
1．通过实际课题的设计提高学生综合运用所学知识能力。
2．学习电子工程师理想的设计工具PROTEUS电路仿真设计工具，熟悉PROTEUS软件基本操作，了解PROTEUS的电路仿真过程，学会绘制电路图，并能进行基本的仿真实验及性能分析。
二．课程设计的题目
课程设计题目分两类，一是综合设计性题目，该题目的目的是综合运用所学的知识，可在三个设计题目中任选其一。
一类是基础性实验题目，此类题目目的是通过仿真实验进一步复习巩固模拟电子技术的基础理论，掌握主要单元电路的性能分析方法，为实际应用打下基础，可选1-2个实验进行仿真，按实验指导书完成设计报告。
．综合设计性题目：
串联型直流稳压电源的设计水温测量与控制电路的设计数字逻辑电平测试仪的设计（任选其一）
.基础性实验题目：
（
、
实验中任选其二，按实验指导书写出实验报告）
实验一：
单管交流放大电路
实验二：
反馈放大电路
实验三：
集成运算放大器的基本应用
（一）
实验四：
集成运算放大器的基本应用
（二）
实验五：
低频功率放大器（上述实验参阅模拟电子技术实验指导书）
补充实验
1.射极跟随器（参考附录1）
2.RC正弦波振荡器（参考附录2）
3.差动放大电路（参考附录3）
二、课程设计的要求：
设计课题1：
串联型直流稳压电源的设计
设计要求：
在输入电压220V50HZ电压变化范围±10%条件下：
输出电压可调范围：
+9~+12V；
最大输出电流：
300mA;
测出设计电路的输出电阻（输入电压变化范围±10%下,满载），并将输出电阻尽量减到最小。
测出设计电路的稳压系数（最低输入电压下,满载），并将稳压系数减到最小。
学习PROTEUS的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行性能分析
预习要求：
.复习串联稳压电源工作原理。
.查阅有关电路相关资料。
.确定设计方案、计算元器件参数满足设计要求。
预习PROTEUS仿真软件
设计指导:
在所有的电子电路和电子设备中,通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电.小功率直流稳压电源主要有电源变压器、整流电路、滤波电路、和稳压电路4部分组成。
直流稳压电源的技术指标有：
输入电压、输出电压、输出电流、和输出电压范围；质量指标有稳压系数、电压调整率、电流调整率、纹波电压等。
1.设计参考电路
2.测量输出电压变化范围
在电路空载的条件下，在输出端接电压表，用电压表测量电路的输出电压。
单击仿真开关，进行仿真分析。
当电路处于稳态时，根据电压表的显示值，记录电路的输出电压。
调节电位器，观察输出电压的变化情况，记录输出电压的最大值和最小值。
3．输出电阻的测量
直流电源的输出电阻定义为：
当输入电压不变时，由于负载变化引起的输出端直流电压
变化量与输出电流变化量之比。
在如图所示直流稳压电源电路，在R6支路串入电流表。
单击仿真开关进行分析，电位器R5在50%处，输入电压Vi=220v不变的情况下,在开关K断开时,记录输出电压Vout;然后在开关K闭合时,测量输出电压Vout1和输出电流Iout.
输出电阻Ro=
在工程中也常常用IO从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化量来表征这一性能，称电流调整率。
4.稳压系数测定
稳压电源稳压系数Sr的定义:
当负载不变时,输出直流电压Vo的相对变化量与输入直流电压Vi的相对变化量之比。
该指标反映了电网电压波动的影响。
所谓稳压电路的输入电压Vo是指整流滤波后的直流电压。
由于工程上常常把电网电压波动±10%做为极限条件。
因此，也有将此时的输出电压的相对变化做为衡量指标，称为电压调整率。
保持负载电阻R6不变，调节稳压电路输入电压Vi,使输入电压在±10%的范围变化，观察输出电压波形，测试输出电压的变化值，计算出电路的稳定系数Sr。
设计课题2：
水温测量与控制
设计要求
水温测量,测量范围0～100oC
学习PROTEUS的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行分析
扩展功能：
在测温的基础上实现实时控制。
控温精度：
±1oC
控温通道输出为双向晶闸管或继电器，一组转换触点为市电（220V10A）
预习要求：
.复习集成运算放大器的线性区的应用（比例电路、比较器）。
.查阅AD590温度传感器的相关资料及典型应用
.
查阅继电器相关资料，了解其工作原理及其应用。
预习PROTEUS仿真软件
设计指导
温度控制器是实现可测温度和控制温度的电路，通过对温度控制电路的设计、调试了解温度传感器的性能，学会在实际电路中的应用。
进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。
1.温度控制系统的基本原理
温度测量与控制原理框图如图下所示。
本电路有温度传感器，K-0C变换、控制温度设置、数字电压表（显示）和放大器等部件组成。
温度传感器的作用是把温度信号转换成电流信号或电压信号，K-OC变换将热力学温度K转换成摄氏温度OC。
信号经放大器放大和刻度定标后由数字电压表直接显示温度值，并同时送入比较器与预先设定的固定温度值进行比较，由比较器输出电平的高低变化来控制执行机构（如继电器）工作，实现温度的自动控制。
温度测量与控制原理框图
2.AD590温度传感器简介
AD590是单片集成感温电流源，具有良好的互换性和线性性质，能够消除电源波动，输出阻抗高达10MΩ。
器件采用B-1型金属封装。
其主要特征如下；
1）.流过器件的电流变化1µA,等于器件的热力学温度变化1K即转换当量为1µA/K。
2）测量温度范围为-55℃～+150℃
3）AD590的电源电压范围为4～30V。
电源电压可4～6V范围变化，可承受44V正向电压和20V的反相电压，器件反接也不会被损坏。
4.）精度高，AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
AD590为电流型PN结集成温度传感器，其输出电流正比于热力学温度。
0℃温度时输出电流为273.2µA，温度每变化1℃，输出电流变化1µA。
由于生产是经过精密校正，AD590的接口电路十分简单，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便于安装和调试。
3.单元电路参考设计
方案一：
温度-电压变换电路
温度-电压变换电路如图1。
由图得出
Uo1=（1µA/K）*R=R*10-6/K
如R=10K则Uo1=10mV/K
K-℃变换电路
因为AD590的温控电流值是对应热力学的温度K,而温控中需要采用摄氏温度℃
由运算放大器组成的加法器可实现这一转换，参考电路如图2所示。
其表达式满足如下关系：
图1温度-电压变换电路图图2.K--℃变换参考电路
UO2=-[
（-UR）]
元件参数的确定和-UR的选取的指导思想是：
0℃（即273K）时，UO2=0V。
放大器
设计一个反相比例运算放大器，进行参数调整，使其输出Uo3满足10mv/℃。
用数字电压表可实现温度显示。
温度比较电路
温度比较电路由电压比较器组成，如图3所示。
VREF为控制温度的设定电压（对应控制温度的），Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定控制温度的精度。
图图3比较器电路
图4继电器驱动电路
继电器驱动电路如图4所示。
当被测温度超过设定温度时，继电器动作，使触发器断开，停止加热；反之被测温度低于设置温度时，继电器闭合，进行加热。
NPN型晶体管VT作为开关管用来驱动继电器线圈是否得电，从而控制加热装置达到控制温的目的。
二极管VD的作用是继电器线圈断电瞬间，提供能量释放回路，防止击穿驱动晶体管VT。
测试要点
用温度计测量传感器处的温度T（OC）,若温度T=27OC（300K）,取R=10K,则UO1=3V,调整UR的值使UO2=-270mV,若反相比例放大器的放大倍数为-10倍，则UO3应为2.7V。
测量比较器的比较电压VREF的值,使其等于所要控制的温度乘0.1V。
如设定温度为50℃，则VREF的值为5V。
比较器的输出可接LED指示灯，在温度传感器加热（可用电吹风实现）到温度小于设定值钱LED一直处于点亮状态，反之，则熄灭。
如
果控温精度不良或过于灵敏造成继电器在被控触点抖动时，可改变电阻Rf2.
方案二：
温度测量电路也可以采用图5所示应用电路。
图5温度测量电路
图5中AD590的输出电流I=（273+T）µA（T为OC），因此测量的电压
U=（273+T）µA*10kΩ=2.73+T/100V,利用电压跟随器缓冲隔离，U=U2。
由于一般电源供应较多器件之后，电源是带噪声的，因此可使用稳压管利用可变电阻分压调整，使U1=2.73V.
使用差动放大器，其输出为UO=10（U2-U1））=T/10V。
如果T=28OC,则输出电压为2.8V。
设计课题3:
数字逻辑电平测试仪
设计要求：
测试高电平、低电平，发出不同的声响。
测量范围：
低电平＜0.8V,高电平＞3.5V，高低电平分别用1KHZ和800HZ.的声响表示；被测信号在0.8～3.5v之间不发声；工作电源为5V,输入阻抗大于20KΩ.
学习PROTEUS的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行分析
预习要求：
.复习集成运算放大器组成的窗口比较器工作原理。
.查阅声响产生电路相关资料。
确定设计方案、计算元器件参数满足设计要求。
预习PROTEUS教程
设计指导：
1.概述
在数字电路测试、调试时和检修时，经常要对电路中的逻辑电平进行测试，采用万用表或示波器很不方便，而采用逻辑信号电平测试仪可以通过声音表示被测信号的逻辑状态，使用简单方便。
图示电路为数字逻辑电平测试仪的原理框图，电路由输入电路、逻辑电平识别电路和声响信号产电路等组成。
图1
2.各单元电路参考设计
输入及逻辑电平识别电路如图2所示，Ui是输入的被测逻辑电平信号，输入电路由电阻R1和R2组成，其作用是保证输入悬空时，Ui既不是高电平，也不是低电平。
A1和A2组成窗口比较器，参考电压VH和VL有电阻分压获得。
Ui
图2输入和逻辑识别电路
比较器的逻辑电平比较功能表如表1所示，从比较器的输出状态就能判别输入逻辑电平信号的高低。
表1逻辑电平比较功能表
输入
输出
VA
VB
Ui＜ＶL（＜ＶH）
低
高
ＶL＜Ui＜ＶH
低
低
Ui＞ＶH（VL）
高
低
根据技术指标的要求，设输入端悬空时，Vi=1.4V（取VH=3.5V与VL=0.8V的中间值），由Ui、VH、VL的值可以计算出R1、R2、R3、R4、R5、R6的值。
输入电阻Ri=R1//R2≥20KΩ,R3、R4、R5、R6取值过大容易引起干扰，取值过小是会增大功耗。
工程一般在几十至几百千欧。
声响信号产生电路
如图3所示声响产生电路，主要有两个比较器A3和A4组成，其工作原理如
图所示。
图3音响产生电路
1）当VA=VB=-5V（均为低电平）时，由于稳态时，电容C1两端电压为零，二极管VD1、VD2截止，电容C1无充电回路，而Up3=3V,即UP3＞UN3,故Uo输出为高电平。
输出Uo通过电阻R9为电容C2充电，稳态时达到高电平，使UP4＞UN4，运算放大器A4输出高电平，但由于二极管VD3的存在，电路的稳态不受影响。
故电路输出Uo一直保持高电平。
2）当VA=3.5v、VB=-5V时。
此时VD1导通,电容C1通过电阻R7充电,VC1按指数规律逐渐升高，使UN3＜UP3=3V,Uo保持高电平。
UN3＞UP3=3V时，UO从5V跳变为0V,使C2通过R9放电，VC2由5V逐渐下降，当VC2＜UN4=3V,A4的输出跳变为0V，二极管VD3导通，C1通过VD3和A4的输出电阻放电。
因为A4的输出电阻很小，所以VC1迅速降到0V左右，使UN3＜UP3，输出电压UO又跳变到5V,C1再次充电，如此循环，UO形成矩形脉冲信号，如图所示。
3）当VA=-5V、VB=3V时。
此时电路的工作过程与VA=3V、VB=0V时相似，区别在于VD2导通时，VB高电平通过R8向C1充电，时间常数改变了，使得UO的周期会发生相应变化。
有关参数计算如下：
根据一阶电路响应的特点，在t1期间电容充电
T=t1+t2
式中t1=1.2て1て1=R7C1
T2=0.36て2て2=R9C2
取て2=0.5msC2=0.01µF可计算R9的值。
选C1=0.1µF，由于技术指标要求，被测信号为高电平时，声响频率为1KHZ即T=1ms,可计算出R7的取值。
同理当被测信号为低电平时，声响频率为800HZ.,可求得R8的值。
声响驱动电路
图4音响驱动电路
声响驱动电路如图4所示。
电阻R10=5kΩR11=10kΩ。
由于声响负载较低且功耗小，驱动管的耐压等条件要求不高，选取9012做为驱动管，即能满足本电路的要求。
本设计的声响信号产生电路也可以利用555定时器完成。
将判别电路的输出接到555定时器的4脚，当判别的结果为高电平时，555定时工作，产生一定频率的矩形波信号，声响驱动电路工作，可利用二极管改变RC时间常数，可获得不同的震荡频率，满足本设计的要求，请同学自行设计。
3.发挥要求：
窗口宽度可调的窗口检波器
控制系统中，常用窗口检波器检测被测信号电平。
图5所示是窗口宽度可调的窗口检波器。
当输入电压Ui为正值时，VD3导通，VD2截止，运算放大器A2的输出电压为零。
如果Ui＜VL,则VD1截止，检波器输出Uo为零。
如果Ui＞VL，则VD1导通，通过VD1、R2构成的正反馈支路，使Uo输出为高电平VOH。
当输入电压Ui为负值时，VD1截止，检波器输出Uo由A2确定。
Ui与VL的和式正值时，A2的输出电压为负，VD3导通，VD2截止，Uo为零。
Ui与VL的和为负值时A2的输出电压为正值,VD2导通，R4、VD2为正反馈支路，使Uo输出为高电平VOH。
由此可知，当︱Ui︱＞VL时，检波器输出为VOH；当︱Ui︱＜VL时检波器输出为零，即窗口宽度为2VL。
调节电位器RW可调节窗口的宽度。
运算放大器A1、A2通过二极管VD1、VD2使其输出彼此隔离。
.
四．课程设计方法与步骤：
1、课程设计方式：
集体辅导与分散设计相结合
机房调试
2、课程设计单位或场所：
理工分院机房
五、课程设计总结内容及要求
1：
按着设计任务要求画出电路图，写明电路参数及必要的计算过程。
2.画出仿真电路图，及使用仪表
3.写出仿真结果，使其指标达到设计要求值
4.写出总结报告，包括排除故障的方法，设计仿真的体会
七、考核方式与成绩评定标准：
1.考核方式：
课程设计报告
答辩情况
出勤率
2.成绩评定标准
评定项目
评分成绩
1.选题合理、目的明确（15分）
2.设计方案正确，具有可行性、创新性（25分）
3.设计结果（例如：
硬件成果、软件程序）（25分）
4.态度认真、学习刻苦、遵守纪律（20分）
5.设计报告的规范化、参考文献充分（15分）
总分（100分）
备注：
成绩等级：
优（90分—100分）、良（80分—89分）、中（70分—79分）、及格（60分—69分）、60分以下为不及格。
八、教材及主要参考资料：
1.模拟电子技术基础华成英主编
2.proteus教程----电子线路设计、制版与仿真
3．Multisim9电子技术基础仿真实验
4.基于Multisim9的电子系统设计、仿真与综合应用
5.电子技术实验教程赵利民等
附录：
1
补充实验1射极跟随器
一、实验目的
1.掌握射极跟随器的特性及测试方法
2.进一步学习放大器各项参数测试方法
二、实验仪器
1.双踪示波器
2.万用表
3.交流毫伏表
4.信号发送器
三、实验原理
图示电路为射极跟随器，输出取自发射器，，故称其为射极跟随器。
RB调到最小值时易出现饱和失真，RB调到最大时易出现截止失真，由于本实验不需要失真情况。
故RW=100K取值比较适合，若想看到饱和失真RW=0,增加输入幅度可出现，若想看到截止失真使RW=1M，增加输入幅度可出现，有兴趣的同学可以验证一下。
现分析射极跟随器的特点。
1.输入电阻Ri高
Ri=rbe+（1+β）RЕ
如果考虑偏置电阻RB和负载电阻RL
的影响，则
Ri=RB//[rbe+（1+β）RЕ//RL]
由于上式可知射极跟随器的输入电阻Ri比共射极单管放大器的输入电阻Ri=RB//rbe要高的多。
输入电阻的测试方法同单管放大器，实验电路如实验电路图所示。
Ri=
即只要测得A、B两点的对地电位即可。
2.输出电阻Ro低
Ro=
≈
如考虑信号源内阻Rs，则
Ro=
//RE≈
由于上式可知射极跟随器的输出电阻Ro比共射极单管放大器的输出电阻Ro=RC低得多。
三极管的β愈高，输出电阻愈小。
输出电阻Ro的测试方法亦同单管放大器，即先测出空载输出电压Uo,再测接入负载RL后的输出电压UL,根据
UL=
RL
即可求出Ro
Ro=（
RL
3.电压放大倍数近似1
按电路可以得
AV
∠1
上式说明射极跟随器的电压放大倍数小于近似1且为正值。
这是深度电压负反馈的结果。
但它的射极电流仍比基极电流大（1+β）倍，所以它具有一定的电流和功率放大作用。
四．实验内容
1.按实验电路连接电路，负载开路
2.静态工作点的调整
打开直流电源开关，在B点加入频率为1KZ、峰峰值为1V的正弦信号Ui.，输出端用示波器监视，调节RW及信号源的输出幅度，使在示波器的屏幕上得到一个最大不失真输出波形，然后置Ui=0,用万用表测量晶体管各极对地电位，将测的数据记入表1
在下面整个测试过程中保持RW和Rb不变。
（即IE不变）。
表1
UE（V）
UB（V）
UC（V）
IE=UE/RE（mA）
3.测量电压放大倍数AV
接入负载RL=1K，，在B点加入频率为1KZ、峰峰值为1V的正弦信号Ui.，调节输入信号幅度，用示波器的观察输出波形UO,在输出最大不失真情况下，用毫伏表测Ui、Uo值。
将测得数据记入表2
表2
Ui（V）
Uo（V）
AV=Uo/Ui
4.测输出电阻Ro
接入负载RL=1K，，在B点加入频率为1KZ、峰峰值为1V的正弦信号Ui.，用示波器的观察输出波形UO，用毫伏表测空载输出电压Uo，带负载时输出电压UL，，记入表3
表3
Uo（V）
UL（V）
Ro=（UO/UL-1）RL（KΩ）
5.测输入电阻Ri
在A点加入频率为1KZ、峰峰值为1V的正弦信号US.，用示波器的观察输出波形UO，用毫伏表测出A、B点对地的电位Us（V）、Ui（V）,记入表4
表4
Us（V）
Ui（V）
Ri=
6.测射极跟随器的跟随特性
接入负载RL=1K，，在B点加入频率为1KZ的正弦信号Ui.，逐渐增大信.号Ui幅度，用示波器监视输出波形直至输出波形最大不失真，测所对应的UL值，计算出AV记入表5
表5
1
2
3
4
Ui（V）
UL（V）
AV
五．预习要求
1.复习射极跟随器的工作原理
2.根据图示电路估算静态工作点、AV、、Ri、Ro
六．实验报告
1.整理实验数据，，画出曲线UL=f（Ui）
2.分析射极跟随器的性能和特点
3.实验的收获体会
附录2.
图5.34RC串并联网络振荡器原理图
振荡频率为
（5-44）
起振条件为
|
|＞3（5-45）
该电路可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡波形。
3．双T选频网络振荡器
双T选频网络振荡器电路如图5.35所示。
图5.35双T选频网络振荡器原理图
振荡频率为
（5-46）
起振条件为
，且|
|＞1（5-47）
该电路选频特性好，但调频困难，适于产生单一频率。
四、实验内容
1．RC串并联选频网络振荡器
（1）按图5.36所示组接电路。
图5.36RC串并联选频网络振荡器
（2）断开RC串并联网络，测量放大电路静态工作点及电压放大倍数。
（3）接通RC串并联网络，并使电路起振，用示波器观测输出电压信号uo的波形，调节Rf获得满意的正弦信号，记录波形及其参数。
（4）测量振荡频率，并与计算值进行比较。
（5）改变R或C值，观察振荡频率变化情况。
（6）观察RC串并联网络幅频特性。
将RC串并联网络与放大电路断开，函数信号发生器产生正弦信号输入RC串并联网络，保持输入信号的幅度不变（约3V），频率由低到高变化，RC串并联网络输出幅值将随之变化，当信号源达某一频率时，RC串并联网络的输出将达最大值（约1V），且输入/输出同相位，此时信号源频率为
（5-48）
2．双T选频网络振荡器
（1）按图5.37组接电路。
（2）断开双T网络，调试T1管静态工作点，使UC1为6～7V。
（3）接入双T网络，用示波器观察输出波形。
若不起振，调节Rw1，使电路起振。
（4）测量电路振荡频率，并与计算值比较。
图5.36RC串并联选频网络振荡器
（2）断开RC串并联网络，测量放大电路静态工作点及电压放大倍数。
（3）接通RC串并联网络，并使电路起振，用示波器观测输出电压信号uo的波形，调节Rf获得满意的正弦信号，记录波形及其参数。
（4）测量振荡频率，并与计算值进行比较。
（5）改变R或C值，观察振荡频率变化情况。
（6）观察RC串并联网络幅频特性。
将RC串并联网络与放大电路断开，函数信号发生器产生正弦信号输入RC串并联网络，保持输入信号的幅度不变（约3V），频率由低到高变化，RC串并联网络输出幅值将随之变化，当信号源达某一频率时，RC串并联网络的输出将达最大值（约1V），且输入/输出同相位，此时信号源频率为
（5-48）
2．双T选频网络振荡器
（1）按图5.37组接电路。
（2）断开双T网络，调试T1管静态工作点，使UC1为6～7V。
（3）接入双T网络，用示波器观察输出波形。
若不起振，调节Rw1，使电路起振。
（4）测量电路振荡频率，并与计算值比较。
图5.37双T网络RC
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