南理工eda2實(shí)驗(yàn)報(bào)告 多功能數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

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1、南理工eda2實(shí)驗(yàn)報(bào)告 多功能數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名：郭立 學(xué)號：0904520216 專業(yè)：光電信息工程 指導(dǎo)教師：黃琳 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：9月5號至9月8號 1EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 實(shí)驗(yàn)一：單級放大電路的設(shè)計(jì)與仿真 一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整與測試方法。2.掌握放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)的測試方法。3.觀察靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇對輸出波形及電壓放大倍數(shù)的影響。二實(shí)驗(yàn)要求：1.設(shè)計(jì)一個(gè)分壓偏置的單管電壓放大電路，要求信號源頻率5kHz(峰值10mV) ，負(fù)載電阻5.1k，電壓增益大于50。2.調(diào)節(jié)電路靜態(tài)工作點(diǎn)(調(diào)節(jié)電位計(jì))，觀察電路出現(xiàn)飽和失真

2、和截止失真的輸出信號波形，并測試對應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)值。3.調(diào)節(jié)電路靜態(tài)工作點(diǎn)(調(diào)節(jié)電位計(jì))，使電路輸出信號不失真，并且幅度最大。在此狀態(tài)下測試：1電路靜態(tài)工作點(diǎn)值；2三極管的輸入、輸出特性曲線和b 、 rbe 、rce值；3電路的輸入電阻、輸出電阻和電壓增益；4電路的頻率響應(yīng)曲線和fL、fH值。 2EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1.設(shè)計(jì)單級放大電路原理圖如下： 2.放大電路三種工作狀態(tài)的分析如下：1最大不失真輸出用示波器同時(shí)測試電路輸入、輸出端的電壓波形，從0開始調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，一邊調(diào)節(jié)，一邊觀察波形，在肉眼看不出失真時(shí)，計(jì)算輸出波形波峰、波谷值的相對誤差要求其相對誤差控制在5%以

3、內(nèi)。經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電位器阻值為61%RW時(shí)，波形有最大不失真波形輸出，且滿足反向放大的原理，波形如下： 3EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 4EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立此時(shí)分析其波峰、波谷值，可得：408.581-388.611/408.581=4.89% 滿足誤差要求。 通過靜態(tài)分析，得靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)如下： 2飽和失真輸出為了能直觀看出失真，將電源換成頻率不變，但峰值為10mV的信號源，并將電位器調(diào)阻值至0%RW 。失真波形如下： 5EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 此時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)如下： 6EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 3截止失真輸出在飽和失真的根底上，將電位器阻值調(diào)至100%，得輸出波形如下： 此時(shí)，

4、計(jì)算波峰、波谷值誤差：624.836-546.698/624.836=12.51%5%所以判定為失真7EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立測得靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)如下： 3.三極管特性曲線測試如下：1輸入特性重新連接電路，使三極管物理量uBE、uCE為直流量。測試輸入特性曲線的電路如下： 8EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立運(yùn)用直流掃描分析可得三極管一般輸入特性曲線如下： 將測試電路中的V2 即uCE 固定為正常放大狀態(tài)的UCEQ=4.48892V，便可得到原電路正常放大狀態(tài)下的特性曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)如下： 9EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立由公式rbe=DuBEDiB得，3.514910-3rbe=3468W -61.013

5、510 2輸出特性同樣，重新連接電路，使物理量iB和uCE為直流量，電路如下： 運(yùn)用直流掃描分析可得三極管一般輸出特性曲線如下： 10EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立將測試電路中的I2 即iB 固定為正常放大狀態(tài)的IBQ=8.86921uA，便可得到原電路正常放大狀態(tài)下的特性曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)如下： 由公式rce=DuCEDiC得，8.403410-3rce=11.05kW 760.756710-9 3正常放大狀態(tài)下放大倍數(shù)確實(shí)定如下： iC1.2488910-3 由公式b=得，b=-6iB8.8692110 11EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立1輸入電阻的的測定其測量原理圖如下： 其中兩萬用表的測量數(shù)據(jù)為

6、用如上所示的電壓除以電流即可得輸入電阻為Ri=2781W 運(yùn)用模電理論知識，通過電路小信號等效模型可知： 其理論值為Ri=(R4+61%Rw)/R3/rbe=2634W誤差為E=(2781-2634)/2634=4.05%12EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立2輸出電阻的測定其測量原理圖如下： 其中兩萬用表的測量數(shù)據(jù)為： 同樣以如上所示的電壓除以電流即可得到輸出電阻為Ro=2939W 運(yùn)用小信號模型分析可得其理論值為：Ro=R1/rce=2937W那么誤差為E=(2939-2937)/2937=0.068% 13EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立3放大倍數(shù)的測定其測量原理圖如下： 其中兩萬用表的測量數(shù)據(jù)為：

7、兩電壓相除便可得到放大倍數(shù)絕對值為Au=用小信號模型分析其理論絕對值為：Au=284.143=80.4 3.535b(R5|R1)誤差為E=(91.0-80.4)/91.0=11.6% 14EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立4頻率特性仿真對電路的2節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交流仿真分析，便可得到電路的幅頻和相頻特性曲線如下： 可得相關(guān)數(shù)據(jù)如下： 12如上圖， 15EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 四實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及小結(jié)：分析以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：電路從飽和失真到不失真再到截止失真的過程中，UCEQ逐漸變大，ICQ逐漸變小，UBEQ根本不變。三極管的輸入、輸出曲線以及幅頻特性曲線也和我們的模電知識吻合的很好。通過對電路輸入、輸

8、出電阻及電壓增益的實(shí)驗(yàn)值與理論值的比擬，發(fā)現(xiàn)誤差在所難免，但好在它并不是很大，因此我對實(shí)驗(yàn)結(jié)果還較為滿意。這次的實(shí)驗(yàn)比擬根本，使我對Multisim軟件有了清楚的認(rèn)識，學(xué)會(huì)并熟練掌握了一些根本的仿真方法。實(shí)驗(yàn)中遇到的最大問題就是尋找最大不失真點(diǎn)，一方面，要波峰、波谷誤差盡可能小，另一方面，又要求UCEQ盡可能大，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，這本身是矛盾的，UCEQ越大，波峰、波谷誤差就越大，所以不可能同時(shí)滿足。所以，我在找尋最大不失真點(diǎn)時(shí)，盡量使UCEQ大一些，同時(shí)將波峰、波谷誤差控制在5%左右。 16EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 實(shí)驗(yàn)二：負(fù)反應(yīng)放大電路的設(shè)計(jì)與仿真一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握多級阻容耦合放大電路

9、靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試；2.掌握各種反應(yīng)電壓、電流、串聯(lián)、并聯(lián)的區(qū)別與接入方法；3.了解反應(yīng)對電路電壓增益、輸入輸出電阻以及非線性失真的影響；4.了解深度負(fù)反應(yīng)下的電路特性，并驗(yàn)證AF1/F。 二實(shí)驗(yàn)要求：1.設(shè)計(jì)一個(gè)阻容耦合兩級電壓放大電路，要求信號源頻率10kHz(峰值1mv) ，負(fù)載電阻1k，電壓增益大于100。2.給電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反應(yīng)：1測試負(fù)反應(yīng)接入前后電路放大倍數(shù)、輸入、輸出電阻和頻率特性。2改變輸入信號幅度，觀察負(fù)反應(yīng)對電路非線性失真的影響。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1未引入負(fù)反應(yīng)時(shí)的兩級放大測試電路如下：17EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 2引入電壓串聯(lián)負(fù)反應(yīng)后的測試電路如下： 2.引入負(fù)反

10、應(yīng)前后的輸入電阻、輸出電阻及電壓增益值1未引入負(fù)反應(yīng)時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的輸入、輸出電阻及電壓增益的測量方法，可得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 18EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立電壓增益 輸入電阻 輸出電阻 19EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立2引入電壓串聯(lián)負(fù)反應(yīng)后 同理可得如下數(shù)據(jù)：電壓增益 輸入電阻 Ri=707079=15475W 45693輸出電阻 20EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立3.關(guān)于深度負(fù)反應(yīng)下AF1/F的驗(yàn)證補(bǔ)測負(fù)反應(yīng)電阻兩端電壓如下： 那么 AF=UoUO1385=Au=1.959 1/F=1.960 UiUF706.61可見，深度負(fù)反應(yīng)下AF1/F 4.引入負(fù)反應(yīng)前后電路的頻率特性及fL、fH值1引入負(fù)反應(yīng)

11、前：電路交流小信號分析圖如下 21EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立相關(guān)數(shù)據(jù)如右所示 2引入電壓串聯(lián)負(fù)反應(yīng)后： 電路交流小信號分析圖如下 22EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立相關(guān)數(shù)據(jù)如右所示 1引入負(fù)反應(yīng)前當(dāng)輸入信號源峰值為1mV時(shí)，波形如下： 可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)，波形并未失真但當(dāng)把信號源峰值改為5mV時(shí)，波形如下 23EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 此時(shí)，波形已有明顯失真說明，信號源峰值從1mV逐漸變大到5mV的過程中，輸出波形開始出現(xiàn)失真 2引入電壓串聯(lián)負(fù)反應(yīng)后我們先直接將信號源峰值調(diào)為5mV，所得波形如下所示： 發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)失真；將信號源峰值改為100mV時(shí)，得到波形如下 發(fā)現(xiàn)也沒有出現(xiàn)明顯的失真 24EDA設(shè)

12、計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立當(dāng)信號源峰值為300mV時(shí) 波形便出現(xiàn)了嚴(yán)重失真也就是說，接入反應(yīng)后，至少在信號源峰值大于100mV時(shí)，才有可能出現(xiàn)失真。 四實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及小結(jié)：本次實(shí)驗(yàn)主要是對引入電壓串聯(lián)負(fù)反應(yīng)前后一些參數(shù)進(jìn)行比擬，從中得出的結(jié)論和我們已學(xué)知識吻合的很好。由于我引入了深度負(fù)反應(yīng)，所以很輕松驗(yàn)證了AF1/F。分析比照本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，可得如下結(jié)論：負(fù)反應(yīng)的引入對電路參數(shù)影響很大，它大大降低了電路電壓增益從504.89降到1.959；并且電路輸入電阻明顯增大從6252W增大到15475W，輸出電阻明顯減小從2216W減小到116.92W；電路的頻帶寬度也明顯變寬表達(dá)在fH明顯變大，fL明顯變

13、??；同時(shí)，也大大減小了電路的非線性失真表達(dá)在引起失真的輸入信號幅度明顯變大。 25EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 實(shí)驗(yàn)三：階梯波發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真 一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握階梯波發(fā)生器電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；2.掌握階梯波發(fā)生器電路的工作原理；3.學(xué)習(xí)復(fù)雜的集成運(yùn)算放大電路的設(shè)計(jì)。 二實(shí)驗(yàn)要求：1.設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生周期性階梯波的電路，要求階梯波周期在20ms左右，輸出電壓范圍10V，階梯個(gè)數(shù)5個(gè)。(注意：電路中均采用模擬、真實(shí)器件，不可以選用計(jì)數(shù)器、555定時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器等數(shù)字器件，也不可選用虛擬器件。)2.對電路進(jìn)行分段測試和調(diào)節(jié)，直至輸出適宜的階梯波。3.改變電路元器件參數(shù)，觀察輸出波形的變化，確定影響

14、階梯波電壓范圍和周期的元器件。 三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：階梯波發(fā)生器的原理框圖如下所示26EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 1方波發(fā)生器電路原理如下所示：其中節(jié)點(diǎn)5為輸出節(jié)點(diǎn) 27EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立輸出的方波波形如下所示 圖中可讀出方波周期約為4ms電路工作原理分析：方波發(fā)生器實(shí)際上是由一個(gè)簡單的滯回比擬器和由R4、C1構(gòu)成的充放電回路所組成的。穩(wěn)壓管D1、D2使得輸出電壓穩(wěn)定為UZ=5V，它決定了方波的峰值，同時(shí)通過R4、C1回路的充放電，使得閾值電壓和輸出電壓有規(guī)律的變化。舉例說明：當(dāng)輸出正電壓時(shí)，此時(shí)閾值電壓為+UT，輸出電壓通過R4、C1回路對C1充電，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1電位大于+UT，輸出電壓跳變

15、為負(fù)電壓，同時(shí)閾值電壓跳變?yōu)?UT，于是C1通過回路放電，節(jié)點(diǎn)1電位小于-UT時(shí)，輸出又是正電壓，從而進(jìn)入規(guī)律循環(huán)。28EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立2微分電路加上微分電路的電路圖如下： 電路工作原理分析：微分電路是由C3和R5組成的充放電回路，它將節(jié)點(diǎn)5輸出的方波波形變?yōu)橹芷诓蛔兊囊幌盗屑饷}沖，其中，微分回路每次充放電的時(shí)間為t=R5*C3，一般要求t盡可能的小，因?yàn)橹挥挟?dāng)t遠(yuǎn)小于方波周期的一半，才能使實(shí)際波形盡可能接近理想的脈沖波形，以便后面形成較為完美的階梯波后面給出具體波形 29EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立 經(jīng)微分電路后輸出的波形如下：周期約為4ms 3限幅電路電路工作原理分析：在上述電路的

16、根底上加上一個(gè)由二極管D3和電阻R6組成的限幅電路，該電路的作用是：利用二極管的單向?qū)щ娦赃^濾掉節(jié)點(diǎn)8輸出的尖脈沖波形中的負(fù)尖脈沖成分，從而得到單邊正尖脈沖波形。后面給出具體電路和波形 30EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立加上限幅電路后的電路圖如下： 其產(chǎn)生的波形如下：周期約為4ms 31EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立4積分電路加上積分電路后的電路如下所示： 該電路產(chǎn)生的波形如下所示： 32EDA設(shè)計(jì)I實(shí)驗(yàn)報(bào)告 郭立電路工作原理分析：積分電路是由一個(gè)簡單的積分器構(gòu)成，它對節(jié)點(diǎn)9輸出的單邊尖脈沖信號進(jìn)行積分，從而得到一級級下降的階梯信號。積分電路可以說是階梯波發(fā)生器的核心器件。其輸出電壓公式為：U11=-

17、1U9+U0U11和U9分別為節(jié)點(diǎn)11和節(jié)點(diǎn)9 的輸出電壓,U0R7C4為初始電壓。 5比擬器及電子開關(guān)電路上述電路的根底上，加上一個(gè)復(fù)雜的比擬器和電子開關(guān)電路后便可得到最終的階梯波發(fā)生器。電路如下所示：節(jié)點(diǎn)11為輸出節(jié)點(diǎn) 33最終的階梯波波形如下： 圖中可讀出：輸出電壓范圍約為10V，周期約為20ms 電路工作原理分析：首先，從比擬器開始分析，它位于電路的最右端，由積分電路的輸出波形可知，剛開始節(jié)點(diǎn)11即反向輸入端的電位必然大于節(jié)點(diǎn)12即同向輸入端的電位，所以節(jié)點(diǎn)14輸出為-15V，由電路定理分析計(jì)算可知，此時(shí)的閾值電壓為-10V。也就是說，當(dāng)積分電路的輸出電壓低于-10V時(shí)，節(jié)點(diǎn)14的輸出

18、電壓就會(huì)跳變到15V。接著因?yàn)槎O管D4導(dǎo)通，使得場效應(yīng)管由于UGS=0V而導(dǎo)通相當(dāng)于開關(guān)閉合。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)11的電位等于節(jié)點(diǎn)10的電位，為0電位由“虛短特性可知。從而，積分電路的輸出波形跳回0點(diǎn)，此時(shí)同向輸入端電壓也為0V，但在實(shí)際電路中稍稍大于反向輸入端由后文附上的波形及相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，所以節(jié)點(diǎn)14的輸出跳變到-15V。以后過程重復(fù)上述過程，進(jìn)入循環(huán)，從而輸出要求的階梯波。(后文將附上節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)14的輸出電壓變化規(guī)律及相關(guān)數(shù)據(jù))另外，二極管D5其實(shí)對最后的波形影響不大，但卻有一個(gè)重要的作用:同步方波波形和階梯波波形，使他們的變化規(guī)律一致，從而得到嚴(yán)格周期變化的階梯波。方波和階

19、梯波的變化規(guī)律比照方下列圖： 現(xiàn)附上節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)14的輸出電壓變化規(guī)律及相關(guān)數(shù)據(jù)如下： 節(jié)點(diǎn)12的電壓輸出波形如下： 圖中可以讀出比擬器閾值電壓約為-9.7V或-295mV節(jié)點(diǎn)14的電壓輸出波形如下： 圖中可以讀出比擬器輸出電壓約為15V節(jié)點(diǎn)11的電壓輸出波形如下： 從圖中可以讀出節(jié)點(diǎn)11電壓從-9V跳變到-198mV 四實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及小結(jié)：1調(diào)節(jié)電路中那些元器件值可以改變階梯波的周期？結(jié)合上文分析的電路原理并采用控制變量法解答如下：.通過改變電阻R8、R9、R10以改變階梯波電壓輸出范圍即積分電路的閾值電壓，從而改變周期。. 由上面提到的積分器公式U11=-1U9+U0可知：通過

20、改變R7、C4以改變階梯波每一級壓降，R7C4進(jìn)而改變階梯個(gè)數(shù)，從而改變周期。.每一級階梯的周期是由方波周期決定的，由方波周期公式T=2R4C1ln(1+C1、R1、R2可以改變周期。 2R1)可知：通過改變R4、R2 2調(diào)節(jié)電路中那些元器件值可以改變階梯波的輸出電壓范圍？ 在上一問題中已做出答復(fù)，電壓輸出范圍就是最后一個(gè)比擬器的閾值電壓，由電路定理可知：改變電阻R8、R9、R10均能實(shí)現(xiàn)。本次實(shí)驗(yàn)是一個(gè)設(shè)計(jì)性自主實(shí)驗(yàn)。剛開始，看到該實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，可以說是手足無措，感覺很迷茫，不知從何下手。但通過對參考電路的分段波形分析以及所學(xué)的模電理論知識，漸漸弄懂了電路每一層次的含義和原理，從而設(shè)計(jì)出了符合要求的電路。經(jīng)過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的歷練，我不僅提高了自己的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，還發(fā)現(xiàn)其實(shí)科學(xué)是一門有趣的藝術(shù)，你只有不斷地進(jìn)行嘗試、摸索，才能在真理的康莊大道上有所斬獲，才能揭開科學(xué)神秘的面紗，那種喜悅不言而喻。