模电设计报告模板波形发生器文档格式.docx
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5.2基本测量原理………………………………………………………(9)
5.3直流电流部分电路的分析与调试…………………………………(11)
5.4直流电压部分电路的分析与调试…………………………………(12)
5.5交流电压部分的电路分析与调试…………………………………(13)
5.6欧姆表部分电路的分析与调试……………………………………(13)
6整机组装及调试……………………………………………………………(15)
6.1电路组成……………………………………………………………(15)
7实验总结……………………………………………………………………(16)
8仪器仪表清单………………………………………………………………(19)
9参考文献……………………………………………………………………(21)
1.设计的目的和任务
1.1设计目的
1掌握电子系统的一般设计方法
2掌握模拟IC器件的应用
3培养综合应用所学知识来指导实践的能力
4掌握常用元器件的识别和测试
5熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法
1.2设计任务
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器
1.3课程设计的要求及技术指标
1设计、组装、调试函数发生器
2输出波形:
正弦波、方波、三角波;
3频率范围:
在10-10000Hz范围内可调;
4输出电压:
方波UP-P≤24V,三角波UP-P=8V,正弦波UP-P>
1V;
2.函数发生器总方案及原理框图
2.1电路设计原理框图
图2–1函数发生器电路组成框图
2.2电路设计方案设计
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;
也可以首先产生三角波—方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。
本课题采用先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法,
本课题中函数发生器电路组成框图如2-1所示:
2
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
差分放大器具有工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器时,可以有效地抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
3.各部分电路设计
3.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。
Uo通过R3对电容C正向充电,如图中实线箭头所示。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;
但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后,Uo又通过R3对电容C反向充电,如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;
但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正相充电。
上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
3.2方波---三角波转换电路的工作原理
图3-1方波—三角波产生电路
图3-2比较器的电压传输特性图3–3方波----三角波变换
3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理
图3-4三角波—正弦波变换电路
特别是作为直流放大器,可以有效的抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
分析表明,传输特性曲线的表达式为:
式中
——差分放大器的恒定电流;
——温度的电压当量,当室温为25oc时,UT≈26mV。
如果Uid为三角波,设表达式为
式中 Um——三角波的幅度;
T——三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波,由图可见:
(1)传输特性曲线越对称,线性区越窄越好;
(2)三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节三角波的幅度,Rp2调整电路的对称性,其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
电容C1,C2,C3为隔直电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。
3.4电路的参数选择及计算
3.4.1三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
即
取
,则
,取
,RP1为47KΩ的点位器。
取平衡电阻
当
时,取
,则
,为100KΩ电位器。
时,取
以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
。
三角波—>
正弦波变换电路的参数选择原则是:
隔直电容C3、C4、C5要取得较大,因为输出频率很低,取
,滤波电容
视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,
可取得较小,
一般为几十皮法至0.1微法。
RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联,以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线,调整RP4及电阻R*确定。
3.5总电路图
图3-5三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路
4.电路仿真
4.1方波---三角波发生电路的仿真
图4–1方波发生电路仿真
图4–2三角波发生电路仿真
图4–3方波—三角波发生电路仿真
4.2三角波---正弦波转换电路的仿真
图4–4正弦波发生电路仿真
图4–5三角波—正弦波发生电路仿真
5万用表制作和电路的安装
5.1指针式万用表的基本原理
5.1.1万用表概述
万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表(微安表)做表头,如图5-1。
当微小电流通过表头,就会有电流指示。
但表头不能通过大电流,所以,必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或分压,从而测出电路中的电流、电压和电阻。
图5-1万用表原理图
5.1.2MF47A技术指标
1、直流电压:
0-0.25V-1V-10V-50V-500V-1000V-2500V;
2、交流电压:
0-10V-50V-250V-500V-1000V-2500V;
3、直流电流:
0-50μA-0.5mA-5mA-500mA-5A;
4、电阻:
0-2KΩ-20KΩ-200KΩ-2MΩ-40MΩ;
5、音频电平:
-10dB-+22dB;
6、hFE(晶体管放大倍数):
0-300;
7、电感:
20H-1000H(50HZ);
8、电容:
0.001μF-0.3μF。
5.2基本测量原理
5.2.1直流电流测量原理
如图5-2(a)所示,通过转换开关,使万用表内的表头(磁电式)并联一个适当的电阻(称分流电阻)进行分流就可以扩展电流量程。
例1:
某表头满量程是50微安,表头内阻1千欧,现在要求扩展电流量程为5毫安,分流电阻R的阻值应选择多少欧姆?
根据所学知识得:
(其中n为量程扩大倍数,Rg为电流表的内阻。
所以:
因此,只要用一个10.10Ω的电阻与满量程为50uA内阻为1kΩ的表头相并联即可组成最大测量范围为5mA的电流表。
同理,也可组成测量范围为50mA、500mA或5A的电流表。
5.2.2测量直流电压(V)的原理
如图5-2(b)所示,通过转换开关,使万用表内的表头串接一个适当阻值的电阻(倍增电阻)进行降压,就可以扩展电压量程。
例如,有一块50uA、内阻1千欧的表头,现要使它成为最大量程为5V的电压表,问需串接一个多大阻值的电阻?
(其中n为量程扩大倍数,Rg为电流表的内阻,R为图中的降压电阻。
所以,要扩大直流电压的量程,需串联一个电阻就能达到目的。
5.2.3测量交流电压(V)的原理
因为万用表表头是直流电表,所以测量交流电压时,首先得将交流电压变换为直流电压,然后再通过表头指示,如图5-2(c)所示。
图中交流电变换为直流电是由D1和D2完成的。
扩展交流电压的方法与直流电压量程扩展原理相似,这里就不重复。
5.2.4测量电阻(Ω)的原理
如图5-2(d)所示,在表头上并联和串联适当的电阻,同时串接一节电池,电池的负极为万用表的正表笔。
当用万用表的表笔去测量电阻时,流过被测电阻的电流,其大小随着被测电阻的阻值变化而改变,且与流过表头的电流成比例,因而可以测量出被测电阻的阻值。
(a)(b)(c)(d)
5-2(a)直流电流测量原理图(b)测量直流电压原理图(c)测量交流电压原理图(d)测量电阻原理图
5.3直流电流部分电路的分析与调试
5.3.1电路分析
直流电流测试的电路如图5-3,图中R1、R2、R3、R4分别为500mA、50mA、5mA、0.5mA的分流电阻,可以通过转换开关控制电流的档位。
R19和R22为分流电阻,和表头的内阻(2.5K)串联为万用表的表头等效内阻,数值为5.2K。
D3、D4为保护表头。
FU为熔断器,起短路保护作用。
IX为被测电流,注意测试时万用表的正极要搭在被测电路二极管的正极上。
图5-3直流电流测试电路图
5.3.2安装调试
1、将V型电刷装入转换开关内,再将装配好的电路板装入表盒中,注意插管正对插孔,电路板嵌入卡口中。
2、用连接导线将测试口端和表头连接起来,注意正负极性并且正负连线间不能短路,以免烧坏表头。
3、将万用表转换开关置直流电流档。
4、将表棒插入输入插管,测试被测电路,注意二极管应该加正向电压,结果填入表5-1,观察测试结果是否相近计算值,若误差很大,则电流表安装有问题。
表5-1
电源电压(R=1K)
5V
12V
17V
计算值I(mA)
5.01
12.09
17.12
测量值I(mA)
4.76
11.58
15.50
相对误差(%)
5
4
9
5.3.3常见故障
①检测无电流,检查电路安装是否完整,断开表头,将红黑表棒短接,用万用表检测AB两端的电阻为2.5K左右,若电阻为无穷大,说明电路有开路,若电阻为零,说明电路有短路,按电路图逐一检查。
②检测有电流,但电流值和计算值相差很大,检查各个档位的电阻是否有装错,因为阻值读错,会导致分流不准确。
5.4直流电压部分电路的分析与调试
5.4.1电路分析
如图5-4所示,红虚线框内的是测量直流电压的降压电阻,蓝虚线框内是被测电压。
R5、R6、R6、R8分别为1V、2.5V、10V、50V量程的分压电阻,此时表头的等效内阻同直流电流测量部分,为5.2K。
图5-4直流电压部分电路图
5.4.2电路的调试
按上图所示,将万用表转化开关置直流电压档,E为直流稳压电源,分别将直流输出电压调至下表中的值,用数字电压表和安装表测试电压值,比较两者之间的绝对误差,两者之间的误差应该很小,如果误差大的,说明安装表有误。
表5-2
电源电压
数字表测
4.98V
12.02V
17.01V
安装表测
5.10V
11.94V
16.98V
绝对误差
8
12
5.4.3常见故障
不能测电压。
电路有短路,对照上图和整机原理图,逐一检测电路是否通路,直到排除故障为止,可以先考虑排除表头故障,再检查电刷是否接触良好,最后再用万用表检查电路,可以迅速找出故障所在位置。
电压不准确。
重点检查R22和R5、R6、R7、R8的阻值是否正确。
5.5交流电压部分的电路分析与调试
5.5.1电路组成
电路如图5-5所示,黑色虚线框内为交流电流测量的分压电阻,R9、R10、R11、R12、R13分别为10V、50V、250V、500V、1000V量程的分压电阻,D1为半波整流元件,D2为泄放交流电负半周的电能,以保护电流表在负半周时不受损坏。
图5-5交流电压部分电路图
5.5.2电路调试
将转换开关置10V交流电压档,测试工作台的电源电压为,置50V档,测试工作台的电源电压为,结论:
。
常见故障:
①电压无指示:
检查熔断器是否烧断,如果烧断,则表明电路有短路,如果没有烧断,则表明电路有断路,根据上图,逐一检查各部分,直到排除故障位置。
②误差很大:
误差大,表明分压电阻安装有误,重点检查R9、R10、R11、R12、R13是否数值读错,引起安装错误。
5.6欧姆表部分电路的分析与调试
5.6.1电路组成
电路如图5-6所示,图中WH1为调零电位器,R21为限流保护电阻,YM1为压敏电阻,以保护电阻挡误测高电压时,引起电流过大烧坏表头,电阻R15、R16、R17、R18分别为R×
1、R×
10、R×
100、R×
1K电阻档的分流电阻,此时的电池电压为1.5V,R23为R×
10K档的分流电阻,由图中可以看出,此时的电池电压为12V。
BUZZ为短路报警,图中的喇叭为蜂鸣器,在短路时发出声音。
用于方便检测电路通断。
图5-6欧姆表部分电路图
5.6.2电路调试
1、将万用表置欧姆档,按整机原装配下图的标记,引出1.5V电源正负极线,将稳压电源调至输出1.5V,用连线连接欧姆表电池引出线(图5-7),完成下表前4项的测试。
电阻值可以由电阻箱或者现成的电阻提供。
用数字表测试同样的阻值填入表5-3。
2、按整机装配图的标记,引出9V电源的正极线,将稳压电源输出调制12V,正极连接9V正极端子,负极连接1.5V负极端子,完成下表第五项的测试,方法同上。
注意将电阻档至R×
10K档。
用数字表测试同样的阻值填表。
图5-7整机装配图
表5-3
标称值(R)
10Ω
(R×
1)
100Ω
10)
1.0KΩ
100)
10KΩ
1K)
100KΩ
10K)
99.7
1005
10.22
98.9
∞
113.2
1285
11.52
103.1
3、分析用数字表和安装表测得的结果,应该误差不大,如果误差很大,超过10%以上,则安装表有误,重点检查各电阻档的分流阻值是否有误。
5.6.3常见故障
1、不能测电阻,无指示重点检查电源回路是否有故障,按图8—1逐一检查是否有断路,直到排除故障为止。
2、误差很大,重点检查各档分流电阻值是否有误。
3、调零不能调,WH2损坏,电池电量不足。
6.整机组装及调试
6.1电路组成
电路如图6-1,阅读整机电路图,除了以上分析的电路以外,还有图中红线框内的部分电路没有分析到,从图中可以看出,D5、D6、C2为直流电流档保护电路,可以短路交流信号,保护表头,R28为分流电阻,用于测量10A大电流,测试时要将表棒的红笔插入右侧的10A插孔。
R24、R25用于测量三极管的放大倍数,当三极管插入相应插孔时,给基极和集电极提供偏置。
R26、R27为高电压分压电阻,可以将交直流电压的量程扩大到2500V,测试时注意将红表笔插入右侧的2500V插孔,黑表笔不动。
SW1是转换开关,合上是为短路检测档,即置BUZZ档,电路短路时蜂鸣器会发出声音。
图6-1整机电路图
6.1.2整机调试
在以上几个部分的调试结束,电路均正常后,做以下工作。
1.焊接好电池夹子和连接线,检查是否连接可靠。
方法对照整机原装配图标示。
2.将调试用测试口拆除,连接好表头线,注意正负极性。
3.将电路板装入表盒内,注意卡口到位,以免电刷接触不良。
4.将电池装入电池盒内,插入表棒。
5.将量程开关置电阻R×
1档,红黑表棒短接,观察指针变化情况,若基本正常,则该表的电阻挡安装基本正常。
6.将转换开关置R×
10K档,同上检查该档的情况。
7.将开关置直流电压档,直接测稳压电源的输出电压,观察结果是否正确。
8.将开关置交流电压250V档,测工作台电源电压,是否在220V左右。
9.如果上述几个步骤调试基本正确,表明安装基本没有问题。
10.调试表头内阻:
脱开表头线负端(B-),用数字万用表的电阻20K档,一端接表头电路板A端,另一端接电路板(B-),调节WH2,使阻值显示为2.5K,调试好以后焊上表头负端,整个安装过程结束。
11.若有故障,按上述单元电路,先找出故障所在单元,按原理图逐一检查,直至故障排除。
安装完各元件后的得到的电板实物图如6-2、6-3所示:
图6-2实物上层
图6-3实物底层
7.实验总结
在这次模拟电子课程设计中,我学习了万用表制作和电路的安装,此次课程设计对我的耐心以及动手能力具有很高的要求。
耐心主要体现在:
核对万用表器件时对电阻的读数,焊接元件时细心与小心,安装电表时严谨与认真。
动手能力就是指焊接安装万用表需要一步一个脚印,不能急于求成,需要用心去做,不急不躁。
在实验中,由于需要用到电焊,我们尤其要注意安全问题,每结束一步骤就需把实验器材正确的放置在铁架上,一定要小心电焊烫到自己以及别人,对此造成伤害。
安装中,由于表头部分属于精密仪表,需倍加小心,避免零件的丢失。
万用表注意事项:
1.虽然此万用表采用过压、过流自熔断保护电路及表头过载限幅保护等多重保护,但使用时仍应遵守规程避免意外损失。
2.测量高压或者大电流时,为避免烧坏开关,应在切断电源情况下,变换量限。
3.测量高压时,要站在干燥绝缘板上,并一手操作,防止意外事故。
8.仪器仪表清单
设计所用仪器及器件如表一所示:
表一仪器清单表
9.参考文献
类型
规格
数量
备注
电阻
滑动变阻器
芯片
电容
开关
[1]康华光.电子技术基础(数字部分)[M].第五版.北京:
高等教育出版社,2006.414-424
[2]稻叶保.振荡电路的设计与应用[M].北京:
科学出版社,2004.29-99
[3]黄培根奚慧平.电子技术实验[M].浙江:
浙江大学出版社,2005
[4]成立.模拟电子技术.[M].南京:
东南大学出版社,2006
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