南理工EDA1失真电路差分电路反馈电路阶梯波电路.docx

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南理工EDA1失真电路差分电路反馈电路阶梯波电路

南京理工大学

EDA设计（Ⅰ）

实验报告

作者:

学号：

学院（系）:

专业:

指导老师：

实验日期：

年月

摘要

通过实验学习和训练，掌握基于计算机和信息技术的电路系统设计和仿真方法。

要求：

1.熟悉Multisim软件的使用，包括电路图编辑、虚拟仪器仪表的使用和掌握常见电路分析方法。

2.能够运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握EDA设计的基本方法和步骤。

Multisim常用分析方法：

直流工作点分析、直流扫描分析、交流分析。

掌握设计电路参数的方法。

复习巩固单级放大电路的工作原理，掌握静态工作点的选择对电路的影响。

了解负反馈对两级放大电路的影响，掌握阶梯波的产生原理及产生过程。

关键字：

电路仿真Multisim负反馈阶梯波

实验一…………………………………………………………………………………………1

实验二…………………………………………………………………………………18

实验三………………………………………………………………………………24

实验三………………………………………………………………………………32

实验一单级放大电路的设计与仿真

一、实验目的

1．掌握放大电路的静态工作点的调整和测试方法。

2．掌握放大电路的动态参数的测试方法。

3.观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。

二、实验要求

1、设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率10KHZ，峰值5mv，负载电阻5.1kΩ，电压增益大于50。

2、调节电路静态工作点，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。

3、在正常放大状态下测试：

1　电路静态工作点值；

2　三极管的输入、输出特性曲线和、rbe、rce值；

3　电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；

4　电路的频率响应曲线和fL、fH值。

三、实验原理：

图1.1实验原理图

实验一中所用元件参数如下表：

元件编号

元件名称

元件参数

元件编号

元件名称

元件参数

V1

信号源

10mv5khz

R1

电阻

9KΩ

C1

电容

10uf

R3

定值电阻

2.4KΩ

C2

电容

10uf

R4

定值电阻

1.5KΩ

C3

电容

10uf

R5

定值电阻

20KΩ

R6

滑动变阻器

250KΩ

Q1

NPN三极管

2N2222A

V2

电源

GND

地线

—

表1.2实验一元件参数表

四、实验步骤

1、给出电路在不同状态时输出电压的波形和对应的静态工作点

1.1电路处于饱和失真状态

当滑动变阻器调节到1%的位置时，输出电压呈现饱和失真状态。

饱和失真时输出电压波形如图1.3

图1.3饱和失真

图1.4饱和失真时静态工作点

饱和失真对应静态工作点

IB=187.99uAIC=2.984mAVCE=VBE-VBC=73.034mV

●饱和失真原因分析：

由模拟电路的知识可知，电路的静态工作点的位置决定电路是否出现失真及出现失真的类型。

当静态工作点偏高时，接近饱和区，

的正半周和

的负半周被削平，出现饱和失真。

VCE的静态工作点偏高，因此出现了饱和失真。

1.2电路处于截止失真状态。

当滑动变阻器调节到90%的位置时，输出电压呈现截止失真的状态。

截止失真时输出电压波形如图1.5

图1.5输出电压截止失真波形图

为了方便观察，把电源电压调整为10mV，截止失真如下图

图1.5.1输出电压截止失真波形放大图

图1.6截止失真时静态工作点

截止失真对应静态工作点

IB=59.8332nAIC=4.9596μAVCE=11.996V

●截止失真原因分析：

由模拟电路的知识可知，电路的静态工作点的位置决定电路是否出现失真及出现失真的类型。

当静态工作点偏低时，接近截止区，

的负半周和

的正半周被削平，出现截止失真。

1.3电路处于最大不失真状态

图1.7输出电压最大不失真图

图1.8输出电压最大不失真波形图

图1.9最大不失真时的静态工作点

最大不失真输出对应静态工作点

IB=15.40677uAIC=2.02221mAVCE=4.0795V

2、测试三极管输入输出特性曲线并求出、rbe、rce值

2.1测试三极管

值

由最大不失真输出时对应的静态工作点可知

三极管

值的实验值为

139.8

2.2测试三极管输入特性曲线

图1.10测试三极管输入特性曲线电路

三极管输入特性曲线如图1.11所示

图1.11三极管输入特性曲线

图1.11.1三极管输入特性数据

利用输入特性曲线求出

的值

5.237kΩ

2.3测试三极管输出特性曲线

图1.13三极管输出特性曲线

图1.14三极管输出特性数据

利用三极管输出特性曲线求出

的值

20.717KΩ

3、测量放大电路的输入电阻、输出电阻和电压增益

3.1测量放大电路的输入电阻与电压增益。

实验电路如图1.14所示。

图1.15测量放大电路的输入电阻

输入电阻=1.07KΩ

3.2测量放大电路的输出电阻

实验电路如图1.16所示。

图1.16测量放大电路的输出电阻

输出电阻=1.616KΩ

3.3测量放大电路的电压增益

图1.17测量放大电路的电压增益

电压增益131

4、测量频率响应曲线和fL、fH值

测出的频率响应曲线如图1.17所示。

图1.18测出的频率响应曲线

根据表中数据可知

FL=681.7702FH=14.667M

四、实验小结

实验结果有的与理论值有差异，其原因可能是实际器件与理论不是十分符合，存在一定差异。

在做本实验过程中，刚开始对软件还不是很熟悉，模电知识也有些模糊了，所以花了一定的时间来熟悉软件与回顾模电知识，之后电路不是很难搭，但是要实验结果符合要求的话却耗费不少时间，将来在实验的过程中，要先看清楚要求，然后在逐步设计，这样效率会提高。

五、数据分析

对照上面实验原理图1.1，画出交流通路，进行理论分析，可得

放大倍数=141

输入电阻=1.0KΩ

输出电阻=1.5KΩ

误差分析

放大倍数的相对误差=（141-131）/141=7.09%

输入电阻的相对误差=（1.07-1.0）/1.0=7.00%

输出电阻的相对误差=（1.616-1.5）/1.5=6.6%

六、实验感想

实验中主要存在的问题是最终的误差过大，个人认为原因在于我在连接电路时采用了大量的虚拟元件，导致模拟时最终结果失准。

这也说明了实验前预习的重要性，只有预习充分了，实验才能顺利。

这是我所做的第一个EDA设计实验，经过了一个暑假的休息，对于模电中的一些知识已经有点淡忘了。

同时我对Muitisim软件也不是特别熟悉，所以这个实验可以说是我在摸索中前行，不过上面的所有结果毕竟都是自己做出来的，这位我后面的两个实验打下了坚实的基础。

实验二差动放大电路的设计与仿真

一、实验目的

1）掌握射级输出器电路静态工作点的调试方法。

2）加深理解该电路的特点——电压跟随的特性。

3）掌握射级跟随器的电压放大倍数、输入特性、输入电阻的测试方法。

观察交流参数的特点。

4）改变负载的大小，观察负载对输出打的影响，加深理解该电路打的带负载能力强的特点。

二、实验要求

1．设计一个带恒流源的差动放大电路，要求空载时AVD大于20。

2．给电路输入直流小信号，在信号双端输入状态下分别测试电路的Avd、Avd1、Avc、Avc1的值。

三、实验步骤

1.实验所用的电路电路图如下图１所示：

图2-1差动放大电路原理图

2.计算双端输入直流小信号空载时Avd、Avd1、Avc、Avc1

计算电路空载时的Avd:

在计算时先测出双端输入直流差模小信号时电路双端输出的电压值然后减去在双端同时接地时电路双端输出的电压值

图2-2双端输入直流差模小信号时电路双端输出的电压

图2-3双端同时接地时电路双端输出的电压值

AVD=420/20=21

3双端输入单端输出的AVD1

先将输入两端电压源置零，测出电压

图2-4双端输入单端输出的AVD1输入两端电压源置零

然后恢复电压源，继续测电压

图2-5双端输入单端输出的AVD1

所以AVD1=（4260-3204）/20=52.8

4共模输入双端输出的电压增益

图2-5共模输入双端输出的电压增益无电压

然后恢复电压源，继续测电压

图2-6共模输入双端输出的电压增益

Avc=

=（12.6p-7.182p）/10m

=

0.0005，理论分析可知AVC理=0

计算电路空载时的AVC1:

在计算时先测出双端输入直流共模小信号时电路单端输出的电压值然后减去在双端同时接地时电路单端输出的电压值，由于输入全为直流信号而且用电压表测量小数据时的误差较大，改用静态工作点分析来测量输出的电压值

双端同时接地时1点电位

AVC1=

≈（6.6997-6.6901）/10≈0

3．分析实验结果

从结果我们可以发现测量的AVD、AVD1和AVC、AVC和理论存在较大的差距，出现这样的结果是因为模拟电路的器件无法做到完全一致。

应对的办法可以是选取同型号高质量的三极管。

四、实验小结

差放电路实用性很大，且适合做多级直接耦合放大电路的输出端，因此这次的练习也是为下一个实验奠定了基础。

差动放大电路相较于一般放大电路较为复杂，需要对其有通彻的理解，尽管实验过程并不困难，每一步之间没有太大区别，但如果半知半解，那做起来还是很头疼的。

总的来说，相较于第一次的实验，有了较大的进步，在给定时间内完成了任务。

随着对软件的熟练运用，并加以适当地练习，定能成为一名出色的工程师。

实验三在负反馈放大电路的设计与仿真

一、实验目的

1.掌握两种耦合方式的多级放大电路（直接耦合放大电路和阻荣耦合放大电路）静态工作点调试方法

2.掌握多级放大电路的电压放大倍数，输入电阻，输出电阻的测试方法

3.掌握两种多级放大电路的频率特性，比较两种电路的各自特点

4.掌握三种组态基本放大电路不同组合组成的多级放大电路的不同特性

二、实验要求

1.设计一个阻容耦合两级放大电路，要求信号源频率10KHZ，峰值1ｍＶ，负载电阻２０ｋΩ，电压增益大于１００

２.给电路引入电压串联负反馈：

　　　　（１）测试服反馈介入前后电路放大倍数，输入输出电阻，幅频相频特性

（２）改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响

三、实验步骤

一．实验原理图

图1两级阻容耦合放大电路原理图

二、电路频率特性测试

1、未引入电压串联负反馈前的电路频率特性

此时电路为未引入电压串联负反馈的情况，对电路进行频率仿真，得到如图2所示电路频率特性图：

图2未引入负反馈的频率特性曲线和通频带指针读数

fL=239.7699Hz,上限频率fH=1１８.２３０８KHz

调节信号源的幅度，当信号源幅度为1mV时，输出波形不失真，如图3：

图3　　输出波形不失真

继续调节信号源的幅度，当信号源幅度为3mV时，输出波形出现了较为明显的失真，如图4：

图4　　　　输出波形出现了较为明显的失真

2、引入电压串联负反馈后的电路频率特性

此时电路引入电压串联负反馈，对电路进行频率仿真，得到如图5所示的引入电压串联负反馈后的电路频率特性图。

图5　　引入电压串联负反馈后的电路频率特性图

再来观察引入电压串联负反馈后，整个电路的最大不失真电压值。

继续增大至35mV时，输出波形开始出现了饱和失真，如图7

图7　　　输出波形开始出现了饱和失真

三、电路的放大倍数、输入和输出电阻

1、测量放大倍数

分别测出有无反馈时的输入电压Ui、输出电压Uo，放大倍数即为Au=Uo/Ui，从而可分别算出引入负反馈前后的电压放大倍数。

a）未引入负反馈的放大倍数

如图８　　未引入负反馈的放大倍数

如图８，测得输入电压Ui=１mV，输出电压Uo=1.095V，则Au=Uo/Ui=1095

b）引入负反馈后的放大倍数

图9引入负反馈后的放大倍数

如图9，测得输入电压Ui=1mV，输出电压Uo=0.0489V，则Au=Uo/Ui=48.9

2、测量输入电阻

按图10，图11所示连接电路，分别测出J1打开和闭合时的输入电压Ui、输入电流Ii，输入电阻即为Ri=Ui/Ii，从而可分别算出引入负反馈前后的输入电阻。

a）未引入负反馈的输入电阻

图10未引入负反馈的输入电阻

如图10，测得输入电压Ui=1mV，输入电流Ii=0.203uA，则Ri=Ui/Ii=4.876

b）引入负反馈后的输入电阻

图11引入负反馈后的输入电阻

如图11，测得输入电压Ui=1mV，输入电流Ii=0.139uA，则Ri=Ui/Ii=7.19

3、测量输出电阻

分别测出有无反馈时的输出电压Uo、输出电流Io，输出电阻即为Ro=Uo/Io，从而可分别算出引入负反馈前后的输出电阻。

a）未引入负反馈的输出电阻

图12未引入负反馈的输出电阻

如图12，测得输出电压Uo=1mV，输出电流Io=0.311uA，则Ro=Uo/Io=3.21

。

b）引入负反馈后的输出电阻

图13引入负反馈后的输出电阻

如图13，测得输出电压Uo=1mV，输出电流Io=6.668uA，则Ro=Uo/Io=149.68

五、AF1/F的验证

按如图14所示连接电路。

由于电压串联负反馈电路的AF=Auuf=Uo/Ui、F=Fuu=Uƒ/Uo，因此，需要测量输出电压Uo、输入电压Ui、反馈电压Uƒ。

图14AF1/F的验证

测得Ui=0.707mV，Uo=0.0325V，Uƒ=0.691mF，则AF=Auuf=Uo/Ui=52.27，1/F=Uo/Uf=47,因此AF1/F得到验证。

六、实验结果分析

本实验通过对二级阻容耦合放大电路引入电压串联负反馈前后进行电路仿真，由实验结果可以得出这样的结论：

对电路引入电压串联负反馈，会减小其下限频率，增大其上限频率，从而使其通频带变宽；引入电压串联负反馈，会减小电路的电压放大倍数，并增大电路可不失真放大的最大信号幅度，减小非线性失真；引入电压串联负反馈，会增大输入电阻，减小输出电阻。

最后通过测量计算验证了AF1/F的结果.本次实验完成地比较成功。

实验四阶梯波发生电路的设计

一、实验目的

1.设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在20ms左右，输出电压范围10V，阶梯个数5个。

（注意：

电路中均采用模拟、真实器件，不可以选用计数器、555定时器、D/A转换器等数字器件，也不可选用虚拟器件。

）

2.对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。

3.改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。

二、实验要求

1.给出阶梯波发生器实验原理图，图中器件均要有型号和参数值标注。

2.介绍电路的工作原理。

3.给出电路的分段测试波形和最终输出的阶梯波，并回答以下问题：

（a）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？

（b）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？

三、实验设计原理

要设计一个阶梯波发生器，首先要考虑产生一个方波，其次经过微分电路输出得到上下都有尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再经过积分电路，实现累加而输出一个负阶梯。

对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变，在下一个尖脉冲到来时积分器在原来的基础上进行积分，因此积分器保持就起到积分累加的作用。

当积分累加到比较器的比较电压时，比较器翻转，比较器输出正电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。

同时，这个正电压使电子开关导通，积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯输出。

积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出负值，这样震荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关断开积分器进行积分累加，如此循环，就形成一系列阶梯波。

其原理框图如下所示：

图4.1原理图

四、实验步骤

1、方波发生器原理图

图4.2方波发生器原理图

图4.3方波波形图

2、方波发生器+微分电路原理图

图4.4方波发生器+微分电路原理图

图4.5微分波形图

3.发生器+微分+限幅电路原理图：

图4.6发生器+微分+限幅电路原理图

图4.7发生器+微分+限幅电路波形图

4、发生器+微分+限幅电路原理图：

：

图4.8发生器+微分+限幅电路原理图

图4.9发生器+微分+限幅电路波形图：

5、设计周期阶梯波，在4的基础上加上电压比较器和开关控制电路，就组成了完整的阶梯波发生电路，其原理图如下图所示

图4.10周期阶梯波原理图

图4.11周期阶梯波波形图

阶梯波周期约为44.126ms,电压变化范围在0-10V内，阶梯个数为4个。

理想振荡周期T=2R4*C1*Ln（1+2R1/R3）=4.000ms，符合实验要求

6、改变电路元器件参数，观察输出波形的变化

1）发现改变R8和C3可以改变阶梯波高度，所以得出R8C3与阶梯波高度成反比。

2）发现改变R3和C1可以改变阶梯波的周期，，所以阶梯波的周期与R3C1成正比。

五．实验小结

本次实验主要是设计一个周期阶梯波产生电路，要实现阶梯波产生电路需实现几个部分，因为阶梯波是由及部分实现的。

第一部分是方波产生电路，该部分主要是产生一系列需要的方波；第二部分是微分电路，该部分主要是对方波进行微分产生一系列的脉冲波；第三部分是限幅电路，该部分主要是把第二部分产生的双边脉冲波变成单边脉冲波形；第四部分是积分累加电路，该部分主要是产生阶梯波。

最后两部分是比较器与振荡控制电路，这两部分是让第四部分产生的阶梯波生成周期阶梯波。

了解以上几部分的功能后就一部分一部分的设计，一部分一部分的调试。

结论

这次实验使我对上学期学过的《模拟电路》书本上的知识有了更深一层的了解，学会了如何利用给定的要求来设计放大电路，如何求放大倍数，也学会了如何给电路引入负反馈，还学会了如何设计阶梯波发生器电路。

在实验过程中，学会了MULTISIM这一电路软件的使用方法，并能运用它来进行电路仿真。

在仿真的过程中还锻炼了动手动脑能力，开拓了视野，培养了创新思维。

经过了此次实验，我想我更明白了理论与实践的结合是多么重要，只有将理论应用到实践中，我们才能真正的掌握知识，利用知识。

最后，在这里诚挚地感谢EDA实验室的老师在本次实验中对学生的悉心帮助与指导。

参考文献

[1]周淑阁,付文红,等.模拟电子技术基础[M].北京:

高等教育出版社,2004

[2]温平平，贾新章．模拟乘法器的建模及其应用[J]．电子科技，2004.3

[3]付文红、花汉兵《EDA技术与实验》机械工业出版社2007年

[4]王建新、姜萍《电子线路实践教程》科学技术出版社2003年