模拟电子技术.docx
《模拟电子技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模拟电子技术
西安欧亚学院
信息工程学院
2016/2017学年第一学期
课程设计报告
课程名称：
模拟电子技术课程设计
班级：
统本通信1501班
学生姓名：
朱启乐
（2）周安进（25）
完成时间：
2016.12.16
目录
摘要1
一、任务设计2
1.1、设计任务2
1.2、设计目的2
1.3、设计要求2
二、电路方案的设计与比较2
2.1、总体选择方案2
2.1.1、方案一2
2.1.2、方案二2
2.2、选定电路方案3
三、单元电路设计3
3.1、跟随电路3
3.2、比较电路3
3.3、控制电路4
3.4、RC振荡电路（文氏电桥振荡电路）4
3.5、驱动电路5
3.6、功率放大电路5
四、电路的制作与调试6
4.1、电路的制作6
4.1.1、器件准备（见附录表一）6
4.1.2、单元电路连接6
4.1.3、总体电路连接6
4.2、电路的调试7
4.2.1、跟随电路7
4.2.2、比较电路7
4.2.3、控制电路8
4.2.4、振荡电路8
4.2.5、驱动电路9
4.2.6、功率放大电路9
五、实验的分析与结果10
5.1、实验的分析10
5.2、实验的结果10
六、实验心得体会与收获11
附录12
1、元器件清单12
2、总体电路图13
3、参考文献13
电压超限报警系统
摘要：
在现实生活中，常常会出现许多电器烧坏的现象，针对该问题我们设计出了简单的电压超限报警系统。
本次课程设计报告简单的介绍了电压超限报警系统设计思路和系统框图，并全面介绍总体工作过程或工作原理。
根据总功能框图的功能划分，分块设计单元电路，对每个单元路进行设计分析，最后对系统进行综述。
本次电压超限报警系统设计的要求为：
当电压超过5V或电流超过1A，指示灯亮，蜂鸣器报警；当电压和电流处于正常的工作范围时，指示灯与蜂鸣器都不工作；报警电路工作时声、光同时提示。
针对上述设计要求，我们在图书馆借阅了一些电路设计方面的书籍，以及在Internet网上查阅电路设计中所需要的元件特性，并结合《模拟电子技术》中实验电路的设计相关小节。
首先，我们在课程设计的要求下设计出了电压超限报警系统框图，将其分为跟随电路、电压比较电路、RC振荡电路、控制电路、驱动电路、功放电路和报警电路七个部分，使能够实现一定范围内的电压检测并实时对电压值进行比较、对超限电压进行蜂鸣报警及指示灯提示等功能。
总体方案以电压比较、振荡电路和功率放大为核心实现了超限电压指示和报警，对检测到的直流交流信号通过控制电路二极管控制和分析，实现实时电压比较，并对不正常电压通过指示灯指示，同时对不正常电压发出断续蜂鸣报警声。
其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍。
完成了单元电路设计分析之后，我们运用Multisim仿真软件来检验电压超限报警电路总体图的正确性；最后，进行总电路的拼接与调试。
最终得出当电压超过基准电压（5V）时，报警系统工作；当电压低于基准电压时，报警系统不工作。
关键词：
电压超限比较器振荡电路控制电路功率放大Multisim
一、任务设计
1.1、设计任务
（1）设计一个电压超限报警电路
1.2、设计目的
（1）能利用所学知识较熟练表述设计过程及设计原理。
（2）熟练使用测试仪器仪表，规范操作流程。
（3）会处理简单的故障。
1.3、设计要求
（1）当电压超过5V或电流超过1A，指示灯亮，蜂鸣器报警。
（2）当电压和电流处于正常的工作范围时，指示灯与蜂鸣器都不工作。
（3）报警电路工作时声、光同时提示。
二、电路方案的设计与比较
2.1、总体选择方案
2.1.1、方案一
根据设计要求，本系统可采用集成运放与分离器件组合进行设计。
前置级、增益控制级及音频放大器采用集成运放进行设计，输出级采用分离器件完成。
电路设计简单，增益易控制，系统调试容易。
该系统主要由跟随电路、电压比较电路、控制电路、振荡电路、驱动电路、功率放大电路等组成。
其组成框图如图2.1-1所示：
图2.1.1-1电压超限报警电路设计框图
2.1.2、方案二
根据设计要求，本系统可采用集成运放进行设计，电路设计原理简单，系统调试容易，但所用器件单一，所需成本较高。
该系统主要由跟随电路、窗口比较电路、555振荡电路等组成。
其组成框图如下图：
图2.1.2-1电压超限报警电路设计框图
2.2、选定电路方案
方案二主要使用集成芯片来完成超限报警电路的设计，其重点在于集成芯片的理解与运用，与模电所学相差较大，不利于对模电知识系统化学习，因此相比较两种方案，我们选用方案一。
三、单元电路设计
3.1、跟随电路
跟随电路一般由晶体管或集成运算放大器构成。
跟随电路具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，是最常用的阻抗变换和匹配电路，电压跟随器常用作电路的输入缓冲级和输出缓冲级。
作为整个电路的高阻抗输入级，可以减轻对信号源的影响；作为整个电路的低阻抗输出级，可以提高带负载的能力。
由于集成运放具有极高的开环增益，所以集成运放电压跟随器的性能非常接近理想状态，并且无外围元件且无须调整。
集成运放电压跟随器电路如图3.1-1所示：
图3.1-1跟随电路
如图图3.1-（a），该电路的
，这表明输出电压几乎全部以共模的形式施加到运放输入端。
它实际上就是
或
，反馈系数F=l时的同相输入放大器，其中
具有限流保护作用。
由于集成运放本身的高增益特性，用集成运放构成的电压跟随器具有极高的输入阻抗，几乎不从信号源汲取电流，同时具有极低的输出阻抗，向负裁输出电流时几乎不在内部引起电压降，可视为电压源。
3.2、比较电路
电压比较器（简称比较器）的功能是比较两个电压的大小。
通过输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压的大小关系。
电压比较器可以用集成运算放大器组成，也可采用专用的集成电压比较器。
而输出信号只有两种可能的状态：
高电平
（1）和低电平（0）。
电压比较器可以把正弦波或其他周期的波形变换成同频率的矩形波或方波。
简单比较其结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差。
滞回比较器能克服简单比较器抗干扰能力差的缺点，但干扰幅度超过回差电压，滞回比较器的正常功能也会受到破坏。
回差电压越大，抗干扰能力越强，但灵敏度越低。
窗口比较器又称为双限比较器，该比较器用于电压范围的比较，因此不适用于该电路。
对比简单比较器与滞回比较器的优缺点，可知简单比较器符合超限电压报警电路。
首先，简单比较器可以满足方案一中比较器的运用条件；其次，简单比较器在满足条件的情况下性价比较低。
集成运放电压同相比较器电路如图3.2-1所示：
图3.2-1比较电路
在本试验中，我们采用74LS311芯片作为同相比较器进行电压比较,比较器同相输入端
接跟随电路输出端
，比较器反相输入端输入Ur=5V的电压作为基准电压，并将Ur=5V电压的负极接地，比较器输出端为U0。
同相比较器的原理为：
当输入电压
小于基准电压
时，输出电压
为低电压；当输入电压
小于基准电压
时，输出电压
为高电压。
3.3、控制电路
在本试验中，采用一个硅型二极管1N4001作为控制电路，二极管最重要的特性就是单方向导电性。
当加在二极管两端的正向电压很小时，整流二极管不能导通，流过二极管的正向电流也十分微弱；只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门限电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.7V）以后，二极管才能直正导通，导通后二极管两端的电压基本上保持不变。
1N4001最大有效值电压35V，其额定正向工作电流为1A。
3.4、RC振荡电路（文氏电桥振荡电路）
正弦波振荡电路也称信号产生电路，通常也称振荡器，它用于产生一定频率和幅度的信号。
本次振荡电路采用RC串并联网络正弦波振荡电路，其包括以下四个组成部分：
放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路。
放大电路：
保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。
选频网络：
确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。
反馈网络：
引入正反馈使放大电路的输入信号等于反馈信号。
稳幅电路：
是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。
其中反馈网络和选频网络由串并联电路组成。
有RC串并联网络的选频特性得知，其相移
，为了使振荡电路满足相位条件
。
若使电路振荡，还应满足起振条件:
即
。
它的振荡频率为：
它主要用于低频振荡。
RC串并联网络正弦波振荡电路如下图3.4-1所示：
图3.4-1RC振荡电路
3.5、驱动电路
在本驱动电路中，主要运用三极管（PNP型硅管）的输入特性和输出特性实现驱动LED的功能。
输入特性：
当
不变时，输入回路中的电流
与电压
之间的关系曲线称为输入特性。
V，从三极管的输入回路来看，相当于两个PN结（发射结和极电结）的并联。
当b、e间加上正电压时，三极管的输入特性就是两个正向二极管的伏安特性。
输出特性：
当IB不变时，输出回路中的电流
与电压
之间的关系曲线称为输出特性。
在输出特性上可以分为三个区域：
截止区、放大区、饱和区。
图3.5-1三极管输出特性曲线
3.6、功率放大电路
功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路，它一般直接驱动负载，带载能力强。
功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级，要求放大电路有足够大的输出功率。
在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，如驱动扬声器使之发声。
这样的放大电路统称为功率放大电路。
在本次试验中，我们采用LM386芯片作为功率放大电路的核心部分，LM386芯片是常用的音频功率放大器，使用时外围元件少,电压增益内置为20，但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,最大可调至200。
输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使其运用场合广泛。
LM386芯片引脚图3.6-1如下：
图3.6-1LM386芯片引脚图
其引脚图功能为：
1与8脚为增益调整端，当两脚开路时，电压放大数为20倍，当两脚间接10uf电容时，电压放大倍数为200倍；2脚为反相输入端；3脚为同相输入端；4脚为地端；5脚为输出端；6脚为电源正端；7脚为旁路端；6脚与地之间接10uf电容可消除可能产生的自激震荡，如无震荡7脚可悬空不接。
四、电路的制作与调试
4.1、电路的制作
4.1.1、器件准备（见附录表一）
4.1.2、单元电路连接
在面包板上用导线将上述元器件逐个连接形成单元电路，用万用表或示波器分别检测单元电路是否正常工作，若单元电路没有正常工作，则进行检查调试。
在单元电路是正常工作的情况下将所有单元电路连接形成总体电路。
4.1.3、总体电路连接
根据要求所设计出来的电路图，如下图4.1-1所示：
图4.1-1总体连接电路图
4.2、电路的调试
4.2.1、跟随电路
在本电路中，在输入+12V电压时，采用一个LM741芯片和两个3KΩ电阻组成一个跟随电压为6V的跟随电路（其中R1和R2去起分压作用），其电路仿真图如下图4.2.1-1，图4.2.2-2：
`图4.2.1-1跟随电路输入电压测量仿真图
图4.2.2-2跟随电路输出电压测量仿真图
如上图中的
，
，则
，此时，该电路构成电压跟随器。
在误差允许的范围内，该电路满足电压跟随器的要求。
在通电+12V的情况下，用万用表分别测LM741集成运放同相输入端电压和输出端电压，若同相输入端电压和输出端电压的值不相等，则检查线路是否连接错误，或是接触不良所致，进行调整再测试；若同相输入端电压和输出端电压的值相等，则电路工作正常，进行下一单元电路调试。
4.2.2、比较电路
按单元电路设计连接实物图，在跟随电路正常工作的情况下，用万用表测LM311集成运放同相输入端电压和反相输入端电压，同相输入端电压应等于上级电路输出端电压，反相输入端电压应等于基准电压5V，通过LM311集成运放的比较，运用示波器测量LM311集成运放输出端的输出波形。
若上级电路输出端电压小于5V则没有输出波形。
若上级电路输出端电压大于5V，输出波形为高电平，则正常，否则重新检查线路在测试。
其电路仿真图及波形如下图4.2.2-1，图4.2.2-1：
图4.2.2-1比较电路仿真图
图4.2.2-2比较电路输出波形图
如上图所示，比较器同相输入端Ui=6V，比较器反相输入端Ur=5V，由于
即输出为高电平。
通过仿真模拟示波器观察74LS311比较器输出的波形为为高电平，即符合设计要求。
4.2.3、控制电路
采用一个硅型二极管1N4001作为控制电路，运用二极管最重要特性单方向导电性实现控制功能。
二极管1N4001正极接电压比较器输出端输出电压U0,二极管1N4001负极接光指示电路和音频电路。
若U0>0.7V,则二极管1N4001正向导通，否则不导通。
4.2.4、振荡电路
按单元电路设计连接实物图，用示波器测量LM741集成运放输出端的输出波形。
在本试验中运用一个74LS741芯片、两个3300uf的电容、一个150KΩ电位器和三个不同阻值的电阻（1个56KΩ、1个47KΩ、1个20KΩ）构成RC串并联网络正弦波振荡电路，其仿真电路图、其起振波形和振荡波形如下图4.2.4-1,图4.2.4-2：
图4.2.4-1振荡电路仿真图
图4.2.4-2振荡电路输出波形图
4.2.5、驱动电路
在本试验中，PNP型（硅管）三极管9013作为驱动电路，当基极电流
≥0.7V时，三极管导通，LED在回路中通过三极管导通被点亮，实现报警提示，其仿真电路图如下图4.2.5-1：
图4.2.5-1驱动电路仿真图
4.2.6、功率放大电路
按单元电路设计连接实物图，在本次试验中，整个放大电路由两个电阻（1KΩ和10Ω）、两个电容（0.1uf和0.01uf）和LM386芯片构成，其外接元件少，增益为20，仿真电路图如下图4.2.6-1：
图4.2.6-1功率放大电路仿真图
按照仿真电路图连接实物图，在前连级电路正确连接时，蜂鸣器发出“嘟嘟”的声音则电路正常，否则重新检查线路在测试。
五、实验的分析与结果
5.1、实验的分析
本次实验中，根据仿真图在面包板上正确连接出的实际图后。
如果输入一个12V的直流电压，首先经过两串联电阻（
），
与
对输入电压进行分压，
上的压降为6V。
因此输入741的电压为6V，经过同相跟随器之后输出电压为6V；该电压输入LM311H的同相端，与311的基准电压相比较，输入电压大于基准电压，故311输出电压为高电压。
高电压使1N4001正向导通，RC振荡电路振荡产生的正弦波，由于在RC振荡电路的输出端添加了一个电容，电容起到阻直流通交流，使得比较器所产生的直流电压不会对RC振荡电路产生影响。
通过二极管后的电压就是9013基极电压，集电极的电压大于基极电压，因此集电结反偏；基极电压大于发射极电压，因此发射结正偏，故9013三极管能够正常工作，发光二极管也正常工作。
功放电路将输出功率放大，使得蜂鸣器能够处于工作状态。
如果输入一个6V的直流电压，首先经过两串联电阻（
），
与
对输入电压进行分压，
上的压降为3V。
因此输入741的电压为3V，经过同相跟随器之后输出电压为3V；该电压输入LM311H的同相端，与311的基准电压相比较，输入电压小于基准电压，故311输出电压为低电压。
低电压使1N4001，反向截止,发光二极管和蜂鸣器都不正常工作。
5.2、实验的结果
经过单元电路调试及系统调试，该报警器可以正常工作，总体仿真电路图如图5.2-1,总体实物电路图如图5.2-2:
图5.2-1电压超限报警电路总体仿真图
图5.2-2电压超限报警电路总体实物图
六、实验心得体会与收获
本次电压超限报警电路设计比较好的锻炼了我们电路设计、资料的查找、方案确定、分析问题和解决问题等各方面的能力。
通过本次实验我们提高了自身的实验素养，培养了我们对问题分析与解决能力，学会将理论运用到实践当中，学会实验调试过程的分析和处理。
我们可以自己动手完成一个简单的可以达到相应设计要求的电压超限报警器。
掌握了电桥设计的方案以及对各个模块电路的理解，了解了自身的不足之处，并且知道了如何提高自身在实验操作与检验的能力。
在用Multisim软件进行了仿真过程中，有许多地方都和理论计算存在不同程度的出入，但最终的结果还是符合要求的。
这次课程设计虽然结束了，但是却留下许多不尽人意的地方，比如说：
振荡电路调试出现了波形调不出来的情况，或者调出的是有干扰的杂波等问题。
同时在本次的课程设计过程中也收获了许多，它不仅培养了独立思考、动手操作的能力，团队协作能力；更重要的是我们学会了如何去发现问题、分析问题、解决问题，将理论付诸于实践。
在今后的学习中我们会更加注意将理论与实践相结合，因为再好的理论，都必须由实践去证明，实践是检验真理的唯一标准。
附录
1、元器件清单
表一：
元器件清单表
序号
器材
型号
个数
备注
1
集成运放
74LS741
2
跟随电路、振荡电路
LM311
1
比较电路
LM386
1
功率放大电路
2
三极管
9013
1
驱动电路
3
电阻
10Ω
1
1KΩ
2
2KΩ
3
3KΩ
2
5KΩ
1
47KΩ
1
56KΩ
1
4
电位器
112KΩ
1
5
5
电容
电容
0.01uf
1
220uf
1
10uf
1
3300uf
2
6
二极管
LED灯
1
控制电路
7
蜂鸣器
---
1
2、总体电路图
图一：
总体电路图
3、参考文献
[1]《模拟电子技术》（第四版）江晓安付少峰杨振江西安电子科技大学出版社2016.4；
[2]《电工电子实验与课程设计指导》朱小龙梁秀荣中国矿业大学出版社2013；
[3]《电子技术实验与课程设计》毕满青机械工业出版社2006；
[4]《电子电路EDA技术》赵世强等编西安电子科技大学出版社2012；
[5]《电子技术基础课程设计》梁宗善主编华中科技大学出版社2009；
[6]集成电路查询网
[7]大学生电子设计联盟
[8]电子电路网
[9]电子技术设计
升级会员 