模电课程设计文档.docx
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模电课程设计文档
设计任务书
（一）设计目的
1、学习逻辑信号电平测试器的设计方法；
2、掌握其各单元电路的设计与测试方法；
3、进一步熟悉电子线路系统的装调技术。
（二）设计要求和技术指标
在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要使用万用表和示波器对电路中的故障部位的高低电平进行测量，以便分析故障原因。
使用这些仪器能较准确地测出被测点信号电平的高低和被测信号的周期，但使用者必须一面用眼睛看着万用表的表盘或者示波器的屏幕，一面寻找测试点，因此使用起来很不方便。
本课题所设计的仪器采用声音来表示被测信号的逻辑状态，高电平和低电平分别用不同声调的声音来表示，使用者无须分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。
1、技术指标
（1）测量范围：
低电平<0.8V，高电平>3.5V；
（2）用1KHZ的音响表示被测信号为高电平；
（3）用800HZ的音响表示被测信号为低电平；
（4）当被测信号在0.8~3.5V之间时，不发出音响；
（5）输入电阻大于20KΩ；
（6）工作电源为5V。
2、设计基本要求
（1）设计输入与逻辑判断电路、音响产生电路和扬声器驱动电路；
（2）选定元器件和参数，并绘制电路原理图；
（3）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调试；
（4）拟定测试方案并进行测试；
（三）设计报告要求
（1）列出设计步骤，画出电路，标出元件数值。
（2）比较实测指标和设计要求指标。
（3）列出测试数据表格；
（4）分析静态工作点对放大器性能的影响。
（四）设计思考与总结
（1）总结放大器的设计方法和运用到的主要知识点。
（2）总结放大器主要参数的测试方法。
（3）分析信号源内阻对输出波形失真的影响。
（4）对测试数据进行误差分析。
第一章逻辑信号电平测试器的设计
1.1总体设计思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.2电路工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.2.1输入电路及判断电路原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.2.2音调产生电路原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
1.2.3扬声器输出控制电路原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
1.3参数的计算与元器件的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
1.3.1各部分参数的计算及元器件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
1.4模拟仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
1.4.1模拟仿真说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
1.4.2模拟仿真图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
1.4.3仿真结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
第二章电路的焊接与测试
2.1电路的焊接．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.2调试与检测．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.3电路的测试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.3.1测试过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.3.2测试结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.4数据记录与波形图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.4.1数据记录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.4.2波形图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.5误差分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
第三章总结与体会
3.1设计总结及心得．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
第四章参考文献及附录
4.1参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
4.2附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
4.2.1元器件清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
第一章逻辑信号电平测试器的设计
1.1总体设计思路
图1.1.1测试器原理框图
电路由五部分组成：
输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。
如上图所示。
（1）输入电路：
该电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是高电平，也不是低电平。
此部分用于输入被测信号电平电压。
（2）逻辑判断电路：
用于判断被测电平的高低。
（3）音响声调电路：
此部分用于产生正弦波。
（4）扬声器输出控制电路：
用于驱动扬声器工作。
1.2电路工作原理
1.2.1输入电路及逻辑判断电路原理
图1.2.1为测试输入和逻辑判断电路原理图。
（1）输入电路：
由R1和R2组成。
两电阻构成分压结构。
Ui为输入端，输入被测信号。
电路作用是保证测试器输入端Ui悬空时，既不是高电平也不是低电平。
一般情况下，在输入端悬空时使Ui为1.4V。
根据技术指标要求输入电阻大于20kΩ。
（2）逻辑判断电路：
应用电压比较器进行模拟信号电压幅度的检测和鉴别。
A1和A2为两个运算器，利用A1和A2分别与它们外围电路组成两个电压比较器。
A1的反相端电压由R3和R4的分压决定，为3.5V左右，A2的同相端电压由R5和R6的分压决定，为0.8V左右。
当被测电压Ui<0.8时，A1反相端大于同相端电压，使A1输出端电压为负电源电压，经过二极管D3后，输出低电平（0V）。
而A2的反相端电压小于同相端电压，使A2输出端电压为正电源电压，经过二极管和稳压管作用后，经过D4输出为高电平（5.1V）。
当Ui在0.8-3.5V时，经D3、D4输出低电平。
图1.2.1输入和逻辑判断单元电路原理图
1.2.2音调产生电路原理
利用RC桥式正弦振荡电路实现，RC串并联电路既是正反馈电路，又是选频电路。
图1.2.2为音响产生电路单元电路图。
（a）高频波形产生电路
（b）低频波形产生电路
图1.2.2音响产生电路单元电路原理图
二极管D1、D2、D7、D8的作用是实现自动限幅。
利用二极管的正向电阻随所加电压而改变的特性，达到自动调节负反馈的目的。
采用两只二极管反相并联的目的是使输出电压正负半振幅相等，因此这两只二极管特性应相同，否则正负半周期振幅将不同。
此部分电路由放大电路和选频网络构成。
放大电路分别是由两个运算器A3和A4组成电压串联负反馈电路。
选频网络由C1到C4以及R14，R15，R19和R7组成，同时兼做正反馈网络。
而f=1/2πRC.根据要求，电路分别要产生1KHz和800Hz的频率。
电位器R21和R22可用来调节振荡幅度的大小。
1.2.3扬声器输出控制电路原理
扬声器驱动电路如图1.2.3所示。
该电路由4个NPN型晶体管组成，T2和T3基极分别是频率为1KHz和800Hz的正弦波，利用T1、T4基极电压来控制晶体管T1和T4的通断。
从而使扬声器发出不同的音调。
图1.2.3扬声器驱动电路
1.3参数的计算与元器件的选择
1.3.1各部分参数的计算与元器件的选择
（1）输入电路与逻辑判断电路：
计算阻值。
R2Vcc/（R1+R2）=1.4V且R1R2/（R1+R2）>20KΩ，Vcc为5V。
计算可得到R1=71kΩ，R2=27.6kΩ。
取标称值
R1=75kΩ,R2=30kΩ
R3和R4的作用是给A1的反相端输入提供一个3.5V的参考电压，因此要求
R4Vcc/（R3+R4）=3.5V
R3和R4取值过大容易引入干扰，过小则耗电量大，工程上一般去几十千欧到几百千欧，所以取标称值
R3=30KΩ，R4=68kΩ。
R5和R6的作用是给A2的同相输入端提供一个0.8V的参考电压，因此要求
R6Vcc/（R5+R6）=0.8V
同理选取标称值
R5=68kΩ，R6=13kΩ。
运放A1，A2选用LM324型号的；二极管D3，D4选用IN4148；稳压管D5，D6选用IN4733。
提供给运放的直流电压取正负5V。
该部分电路原理图如下：
图1.3.1输入电路与逻辑判断电路原理图
2音调产生电路：
当RC串并联电路中电阻相等，电容相等时，振荡频率为
f0=1/（2πRC）
为了产生频率为1KHz的正弦波，选取
C1=C2=10nF，R14=R15=15kΩ；
选取标称值
R14=R15=15kΩ
为了产生频率为800Hz的正弦波，选取
C3=C4=10nF，R7=R19=20kΩ。
选取标称值
R7=R19=20kΩ
根据振荡条件，要求满足幅值平衡，|AF|=1（实际电路中要求|AF|的值略大于1才能起振），即R16+R17=2（R13+R21）。
选取标称值
R16=18kΩ,R17=1kΩ,R13=5.1kΩ,
电位器R21根据实际电路调节，其理论值约为4.4KΩ。
同理，选取标称值
R8=1.8kΩ,R18=620Ω,R20=300Ω,R22=620Ω。
根据稳幅要求，二极管D1，D2，D7，D8选用IN4148.电源电压为正负5V。
该部分电路原理图如下：
图1.3.21KHz产生电路
图1.3.3800Hz产生电路
3扬声器输出控制电路：
电路由4个NPN型晶体管组成。
利用T2,T3管电路输入电阻大，输出电阻小的特点输入正弦波，利用UA、UB来控制晶体管T1和T4的通断。
根据其作用，4个晶体管选用SS9013.电源电压为正负5V。
该部分原理图如下：
图1.3.4扬声器输出控制电路原理图
1.4模拟仿真
1.4.1模拟仿真说明
用Mulsitim10.0软件进行仿真。
根据总的方案的设计和元器件的选择，连接电路图。
连接好电路图之后进行模拟测试，将仿真结果记录下来。
1.4.2模拟仿真图
图1.4.1逻辑电平测试原理图（图中电源部分省略）
1.4.3仿真结果
图一振荡电路产生的波形：
（a）振荡电路产生的低频波形
（b）振荡电路产生的高频波形
图二电路的输出波形：
（a）低频输出波形
（b）高频输出波形
第二章电路的焊接与测试
2.1电路的焊接
在焊接电路之前，我们先通过初步测试得到数据计算，再经过仿真，最后根据原理图，将所选元件一一焊接在万能板上。
焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。
．测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。
．注运算放大器的输入输出管脚和电路中二极管和三极管的极性，不应反接。
按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。
2.2调试与检测
一、调试所需器材：
1.直流稳压电源2.示波器3.数字万用表4.多功能试验台等。
二、调试流程：
1.连接RC振荡电路部分，利用示波器观察集成运算放大器A3和A4的输出端的电压波形是否满足设计要求。
2.连接输入和逻辑判断电路部分，调节输入电压Ui，利用数字万用表测试集成运算放大器A1和A2的输出端电压，是否满足设计要求。
3.连接输出电路部分，缓慢调节输入电压Ui，观察输入电压变化时，音频如何让变化。
2.3电路的测试
2.3.1测试过程
根据技术指标要求进行实际操作测试，用数字万用表及示波器等仪器设备进行测试，测得当输入分别为0.4V、5.0V和3.0V时的数据和波形，记录结果。
2.3.2测试结果
1．输入电压为0.4V（<0.8V）时，A1为低电平截止，A2为高电平导通，扬声器发出频率为670Hz的声响。
2．输入电压为5.0V（>3.5V）时，A1为高电平导通，A2为低电平截止，扬声器发出频率为830Hz的声响。
3．输入电压为3.0V（0.8-3.5V）时，T1、T4均为低电平截止，扬声器不发声。
2.4数据记录与波形图
2.4.1数据记录
实验数据记录如表2.4.1所示
表2.4.1数据测算表
技术指标
设计要求指标
实测指标
输入电阻Ri
＞20kΩ
21.5kΩ
高电平频率
1kHz
830Hz
低电平频率
800Hz
670Hz
2.4.2波形图
1振荡电路产生波形：
图2.4.1振荡电路低频波形
图2.4.2振荡电路高频波形
2测试器电路输出波形：
图2.4.3测试器电路低频输出波形
图2.4.4测试器电路高频输出波形
2.5误差分析
根据表2.4.1分析：
输入低电平0.4V时，根据波形测得频率f1=670Hz，而理论值为800Hz。
误差：
n1=|670-800|/800=16%
输入高电平5.0V时，根据波形测得频率f2=830Hz，而理论值为1000Hz。
误差：
n2=|830-1000|/1000=17%
由计算得到元件的理论值与实际标称值不同，选取的值与理论值不同。
测试仪器以及在读数时也存在一定误差，使得实验测量时有一定的误差，但所测结果基本符合设计要求。
第三章总结与体会
3.1设计总结及心得
一、设计总结
经过几周的努力，声调提示的逻辑电平测试器的设计得以完成，我们的设计主要采用了逻辑电平标准，放大器。
在这个过程中我完成了对声调提示的逻辑电平测试器的原理的熟悉，对各单元及整机电路的设计，以及电路中使用的元器的选型，同时在图书管和互联网上收集到大量的资料，给电路设计，元器件选型，以及后面写论文提供足够的参考材料。
该设计的原理就是通过LM324进行电平（电压）比较及通过RC电路产生脉冲信号来驱动扬声器来发出声音，都是模拟电路的一些知识，看起来是比较基础的，但是标准电平的种类是很多的，而却有高电平和低电平之间的差距是很小的，要实现对不同种类的逻辑电平的准确测量、准确的提示，要求我们在完成设要在精确，稳定上下功夫，通过仔细的计算和选型，选择最适合的电阻阻值，电容，二极管，三极管等，并通过示波器的测量值的对比来对该测试器的测量进行检验，即确定该测试期的检验结果是否符合要求。
虽然看似原理是不难的但要成完成预期的性能指标，但是要完成电路的设计，并且使之达到相应的功能和性能指标要求，还是要仔细认真的一步一步的分析，通过反复试验来做出来。
该论文以我们所学专业知识为主，充分发挥我们自己的主观能动性，锻炼我们的动手能力，巩固课堂所学知识，培养和锻炼了虚心求教、克服困难、刻苦钻研技术的精神，计算机网上查询检索能力，电子电路的应用能力以及智能仪器设计能力。
通过这次设对电子技术方面的知识也是一次很好的复习，尤其对测量、电子技术方面的专业知识在系统设计方面进行一次较完整训练，能较好地培养我们的工程实践能力，是一次难得的理论与实践相结合的机会。
二、心得
这次课程设计我收获颇为丰厚。
在这些日子里对简单要求的课程进行分析设计并最终焊接出实物电路，并且设计电路达到设计要求，使我更加坚定学好理论知识的重要性，同时动手能力也必须是要一起提高的，只有这样才能真正学而有用，学以致用！
在这次课程设计的过程中，在焊接的过程中，出现过失误，就是焊接时一不小心就把两个接点挨在一起了，结果导致在测试时烧掉了一个电容，让我认识到了，一切还得仔细认真，而且在那些仿真和绘图上，让我觉得还得多动手，多了解下那些软件，才能更好的完成设计，所以在以后的生活中，多动手，多实践，才能把理论的知识运用到生活中！
第四章参考文献及附录
4.1参考文献
[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试.华中科技大学出版社，2006
[2]金凤莲.模拟电子技术基础实验及课程设计.清华大学出版社，2009
4.2附录
表4.2.1元器件清单
序号
名称
型号与规格
数量
1
集成运算放大器
LM324
1
2
三极管
SS9013
4
3
二极管
IN4148，IN4733
8
4
电容
2A103J
4
5
电位器
100kΩ，620Ω
2
6
电阻
若干
7
扬声器
0.5W8Ω
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