微分电路的设计.docx
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微分电路的设计
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微分电路的设计
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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
TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc391362981"摘要PAGEREF_Toc391362981\h1
HYPERLINK\l"_Toc391362982"目录PAGEREF_Toc391362982\h2
HYPERLINK\l"_Toc391362983"1绪论PAGEREF_Toc391362983\h3
HYPERLINK\l"_Toc391362984"2设计任务PAGEREF_Toc391362984\h4
HYPERLINK\l"_Toc391362985"2.1课程设计的目的及意义PAGEREF_Toc391362985\h4
HYPERLINK\l"_Toc391362986"2.2课程设计任务与要求PAGEREF_Toc391362986\h4
HYPERLINK\l"_Toc391362987"2.2.1设计任务PAGEREF_Toc391362987\h4
HYPERLINK\l"_Toc391362988"2.2.2设计要求PAGEREF_Toc391362988\h4
HYPERLINK\l"_Toc391362989"2.3实验器材PAGEREF_Toc391362989\h5
HYPERLINK\l"_Toc391362990"2.4课程设计指标PAGEREF_Toc391362990\h5
HYPERLINK\l"_Toc391362991"3微分电路工作原理PAGEREF_Toc391362991\h6
HYPERLINK\l"_Toc391362992"4微分电路设计与调试PAGEREF_Toc391362992\h8
HYPERLINK\l"_Toc391362993"4.1仿真软件介绍PAGEREF_Toc391362993\h8
HYPERLINK\l"_Toc391362994"4.1.1Multisim软件介绍PAGEREF_Toc391362994\h8
HYPERLINK\l"_Toc391362995"4.1.2Protel软件介绍PAGEREF_Toc391362995\h9
HYPERLINK\l"_Toc391362996"4.2微分电路系统的实现PAGEREF_Toc391362996\h10
HYPERLINK\l"_Toc391362997"4.2.1微分电路参数计算PAGEREF_Toc391362997\h10
HYPERLINK\l"_Toc391362998"4.2.2微分电路元器件选择PAGEREF_Toc391362998\h10
HYPERLINK\l"_Toc391362999"4.2.3微分电路Multisim调试图PAGEREF_Toc391362999\h11
HYPERLINK\l"_Toc391363000"4.2.4微分电路Protel绘制电路图PAGEREF_Toc391363000\h12
HYPERLINK\l"_Toc391363001"5实验结果分析PAGEREF_Toc391363001\h14
HYPERLINK\l"_Toc391363002"6总结PAGEREF_Toc391363002\h15
HYPERLINK\l"_Toc391363003"致谢PAGEREF_Toc391363003\h16
HYPERLINK\l"_Toc391363004"参考文献PAGEREF_Toc391363004\h17
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HYPERLINK"\t"_blank"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HYPERLINK"\t"_blank"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E0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HYPERLINK"\t"_blank"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
微分电路
示波器观测
信号发生器(方波)频率可调
图2.SEQ图_2.\*ARABIC1微分电路实现框图
1、在输入回路中接入一个电阻R1与微分电容串联,在反馈电路中接入一个电容C2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.SEQ图_3.\*ARABIC1RC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t1时刻的输出电压。
从t1以后到t2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Uc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Uo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.SEQ图_3.\*ARABIC2矩形波
图3.SEQ图_3.\*ARABIC3充放电过程
图3.SEQ图_3.\*ARABIC4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Commsim4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Commsim4个部分相互独立,可以分别使用。
Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4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.SEQ图_4.\*ARABIC1Multisim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。
第一部分是电路图设计,主要有
AdvancedSchematic99:
此模块主要用于原理图设计,包含原理图编
辑器,元器件库编辑器和相应报表生成器;
AdvancedPCB99:
此模块用于电路板设计,主要包含电路板编辑器,²
元器件编辑器和电路板组件管理器;
AdvancedRoute99:
用于PCB的自动布线器。
²
第二部分是电路仿真和PLD设计,主要有
AdvancedPLD99:
此模块用于可编程器件设计,含有语法功能的文²
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
工具;
AdvancedSIM99:
此模块用于电路仿真,主要包含一个功能强大的²
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;
AdvancedIntegrity99:
此模块可进行高级信号完整性分析,包含一个²
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、
下冲、阻抗和信号斜率。
图4.SEQ图_4.\*ARABIC2Protel99SE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
4.2.3微分电路Multisim调试图
图4.SEQ图_4.\*ARABIC3微分电路Multisim仿真图
图4.SEQ图_4.\*ARABIC4微分电路Multisim分析图
4.2.4微分电路Protel绘制电路图
图4.SEQ图_4.\*ARABIC5微分电路Protel电路图
图4.SEQ图_4.\*ARABIC6微分电路PCB板正面图
图4.SEQ图_4.\*ARABIC7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τ=RC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。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
随着科学技术发展的日新月异,能够熟练运用自己所学的知识,对已知的元器件进行编排,从而实现一定的功能。
我们一定要培养自己的动手能力,实践能力,独立思考问题的能力。
致谢
能够完成这次设计,要感谢这次的指导老师,两位老师对我们这次的课程设计十分关心,从设计要求,到设计完成整个过程都陪着我们,正是这种指导和鼓励让我们顺利完成这次设计。
还要感谢各位同学的团结合作,互相帮助,建议以及积极配合,正因为如此,我们才对知识掌握的更加全面,从而成功设计出电路,并且调试成功。
同时,我也学到了很多的知识,将学过的知识很好的结合并且实践拓展了自己的专业。
以后我也会好好学习。
拥有更多的知识储备,为以后的工作打下坚实的基础。
参考文献
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高等教育出版社
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高等教育出版社
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机械工业出版社
[4]熊伟.Multisim7电路设计及仿真应用[M].2010.北京:
清华大学出版社
[5]周荣富,曾技.电子线路CAD[M].2011.北京:
北京大学出版社
[6]赵明富.EDA技术基础[M].2011北京:
北京大学出版社
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