微分电路的设计.docx
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微分电路的设计
摘要
在本设计中，使用运算放大器进行微分电路的设计，此电路是由电容C和电阻R进行反馈电路，实现了输入信号幅度5V，频率为0-1KH的微分电路。
在设计过程中利用软件Multisim进行仿真，最后使用Protel画出电路图，并制PCB板。
关键词：
运算放大器；微分电路；幅度5V；频率0-1KHZ；Protel；Multisim
1绪论
微分是积分的逆运算。
将积分电路中R和C的位置互换，即可组成基本微分电路。
微分电路使输出电压与输入电压的时间变化率成比例的电路。
最简单的微分电路由电容器C和电阻器R组成。
它可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。
而对恒定部分则没有输出。
输出的尖脉冲波形的宽度与RC有关（即电路的时间常数），RC越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。
此电路的RC必须少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般RC少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。
使输出电压与输入电压的时间变化率成比例的电路。
微分电路主要用于脉冲电路、模拟计算机和测量仪器中
微分电路的工作过程是：
如RC的乘积，即时间常数很小，在
即方波跳变时,电容器C被迅速充电,其端电压，输出电压与输入电压的时间导数成比例关系。
实用微分电路的输出波形和理想微分电路的不同。
即使输入是理想的方波，在方波正跳变时，其输出电压幅度不可能是无穷大，也不会超过输入方波电压幅度
在
的时间内,也不完全等于零,而是如图1d的窄脉冲波形那样，其幅度随时间t的增加逐渐减到零。
同理,在输入方波的后沿附近，
是一个负的窄脉冲。
这种RC微分电路的输出电压近似地反映输入方波前后沿的时间变化率，常用来提取蕴含在脉冲前沿和后沿中的信息。
实际的微分电路也可用电阻器R和电感器L来构成。
有时也可用RC和运算放大器构成较复杂的微分电路，但实际应用很少。
2设计任务
2.1课程设计的目的及意义
1、掌握滤微分电路的工作原理及应用；
2、掌握带Multisim和Protel两种软件的使用。
2.2课程设计任务与要求
2.2.1设计任务
图2.1微分电路实现框图
1、在输入回路中接入一个电阻
与微分电容串联，在反馈电路中接入一个电容
与微分电阻并联，并使
2、在正常的工作频率范围内，使
而
。
2.2.2设计要求
1、选取单元电路及元件
根据设计要求输入信号幅度为5V，频率为0-1KH，确定微分电路的方案，计算和选取单元电路的元件及参数。
2、整路体电的联调；
3、撰写设计报告、总结报告。
2.3实验器材
计算机Protel和Multisim软件,
2.4课程设计指标
要求设计一个微分电路，输入信号幅度为5V，频率为0-1KH。
根据要求，选用相应的元件实现微分电路，并对电路进行仿真，并能利用相关软件Protel和Multisim仿真测量其技术指标,并且观察其波形及输出结果。
最后制作PCB板。
3微分电路工作原理
RC微分电路是一种那个应用十分广泛的的对脉冲信号进行变换的电路，它通常把矩形脉冲信号变换为正负双向尖脉冲。
在数学上，这种尖脉冲近似等于矩形波的微分形式，故有微分电路之称。
微分电路的特点是输出能很快反映输入信号的跳变成分。
即它能把输入信号中的突然变化部分选择出来。
其输出脉冲宽度很窄，与原来输入脉冲宽度的波形相比，包含有“微分”的意思。
RC微分电路如下图3.1所示。
电容C和电阻R串联作为输入端，电阻R两端为输出端。
由于电路中有电容C和电阻R的存在，故在外加电压的作用下，存在着充、放电过程，当矩形脉冲输入后，在输出端可得到一对正负尖脉冲。
图3.1RC微分电路
微分电路的工作原理：
当
输入矩形波的电压
从零突然上跳到E如下图3.2所示，这就相当于在RC回路中突然接通一个电压为E的“电池”。
由于电容C两端的电压不能突变，也就是电容器上的电压需要经过一个充电过程才能逐渐上升，如下图3.3所示。
在
时刻电容C两端的电
于是
全部落在电阻R上，因此
时刻的输出电压
。
从
以后到
以前的时刻,输入电压
开始对电容C充电，电容C两端的电压，按指数规律上升，而电阻R两端的输出电压按指数规律逐渐下降。
RC电路的时间常数称为T,
，T的单位为妙（S），R的电阻器两端的（等效）电阻值，单位为欧
C的电容器的电容量，单位为法（F）。
若T值很小，使
很快充电到接近输入电压幅度E时
，使
很快下降到零，于是输出
就形成一个正尖脉冲。
如下图3.4所示。
在
时刻输入电压
有E突然下跳到零；这就相当于在RC回路中，将“电池”E突然去掉，用短路线代替，此时的电容C两端的电压
不能突变，它要通过电阻R进行一个放电阶段，因此电容两端的电压
便全部降落在电阻R两端，所以
时刻输出电压
。
而从放电回路看，由于放电电流与充电电流相反，所以输出电压
。
在
以后到第二个输入脉冲到来之前，在这段时间里，输入电压
，相当于输入端短路。
而电容C两端的电
电阻R按指数规律进行放电，电阻两端电压
从-E很快的按指数规律上升，当电容放电即将结束，即
时，则电阻R两端的输出电压
也接近了0，于是在输出端就形成一个负脉冲，如下图3.4所示。
以后当第二个矩形脉冲输入时，将重复上述过程，即每输入一个矩形脉冲，在微分电来了的输出端就能得到一对正负尖脉冲。
图3.2矩形波
图3.3充放电过程
图3.4正尖脉冲
4微分电路设计与调试
4.1仿真软件介绍
4.1.1Multisim软件介绍
Multisim本是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NIMultisim，而V12.0是其（即NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。
目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块msim4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。
Multisim、Ultiboard、Ultiroute及msim4个部分相互独立，可以分别使用。
Multisim、Ultiboard、Ultiroute及msim4个部分有增强专业版（PowerProfessional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。
NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。
NIMultisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
NIMultisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。
NIMultisim12的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
图4.1Multisim主界面
4.1.2Protel软件介绍
Protel99SE主要有两大部分构成，每一部分又各有三个模块。
a.第一部分是电路图设计，主要有
b. AdvancedSchematic99：
此模块主要用于原理图设计，包含原理图编
c.辑器，元器件库编辑器和相应报表生成器；
d.AdvancedPCB99：
此模块用于电路板设计，主要包含电路板编辑器，
e.元器件编辑器和电路板组件管理器；
f.AdvancedRoute99：
用于PCB的自动布线器。
g.第二部分是电路仿真和PLD设计，主要有
h.AdvancedPLD99：
此模块用于可编程器件设计，含有语法功能的文
i.本编辑器，用于编译和仿真设计结果的PLD和观察仿真波形的Wave
j.工具；
k.AdvancedSIM99：
此模块用于电路仿真，主要包含一个功能强大的
l.数/模混合信号仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真；
m.AdvancedIntegrity99：
此模块可进行高级信号完整性分析，包含一个
n.高级信号完整性仿真器，可分析PCB设计，检查设计参数，测试过冲、
o.下冲、阻抗和信号斜率。
图4.2Protel99SE主界面
4.2微分电路系统的实现
4.2.1微分电路参数计算
电路中，
，
初始条件下，
，设
求微分变换下的R
（4.1）
（4.2）
（4.3）
根据题目可得
4.2.2微分电路元器件选择
表4.1微分电路元器件
器件
规格
数量
电容
电源
运算放大器
交流电源
电阻
稳压管
47nF
4.7nF
VSINE
3554BM
5V
100
5K
10K
02DZ4.7
2
1
2
1
1
1
1
1
2
4.2.3微分电路Multisim调试图
图4.3微分电路Multisim仿真图
图4.4微分电路Multisim分析图
4.2.4微分电路Protel绘制电路图
图4.5微分电路Protel电路图
图4.6微分电路PCB板正面图
图4.7微分电路PCB板反面图
5实验结果分析
根据Multisim软件分析，当输入信号频率升高时，电容的容抗减小，则放大倍数增大，造成电路对输入信号中的高频噪声非常敏感，因而输出信号中的噪声成分严重增加，信噪比大大下降，此时信号都会发生严重失真，只有采用实用微分电路，主要措施就是在输入回路中接入一个电阻与微分电容串联，在反馈回路中接入一个电容与微分电阻并联，对相位进行补偿，减少失真，提高电路的稳定性。
再根据Protel软件可知，在电路元器件的选择上也要细致选择，选择合适的型号，以及在连线时注意节点，否则就会出现没有节点，连入无效。
只有全部宏有效才能生成PCB板，在此过程中，二极管由于在原理图中的管脚标注是A，K而封装上的却是1，2就会出现在PCB板中没有连线的问题，因此就要将原理图中管脚的标注A，K改为1，2即可解决此问题。
而且在生成的PCB板中连线不可以有交叉。
6总结
通过这次微分电路设计，学习了微分电路的工作原理，对微分电路有了初步了解.
在微分电路中，微分电路可使得方波信号变换成尖脉冲，电路的输出部分只反映输入波形的突变部分。
在微分电路中
的时间要非常的短，要小于输入波形的宽度，一般取1t，这样输出的波形才能和输入的波形成微分关系中，
在系统的调试过程中，必须要分清每一部分的功能，才使整个电路的调试有所根据，要不然就会出现波形的失真，在不断地发现问题，探索方法后问题得到了很好的解决。
这次的课程设计是考验我们所学知识的掌握、运用以及Multisim和Protel软件的应用。
若调试过程中单位的选取不一致，也会影响最终的调试波形，所以应该注意细节，以免出现电路断路而不能正常运行。
虽然我们花了三周才将整个设计完成，但是努力是能换来的。
在老师的严格指导下，我们渐渐完成了设计。
经过了三个星期的思考，学习，研究，在发现问题和解决问题中，我们得到了很多益处，懂得了实践才是检验真理的唯一标准。
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