微分电路的设计.docx

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1、微分电路的设计（总17页）-本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可-内页可以根据需求调整合适字体及大小-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目录摘要错误!未定义书签。目录错误!未定义书签。1绪论错误!未定义书签。2设计任务错误!未定义书签。课程设计的目的及意义错误!未定义书签。课程设计任务与要求错误!未

2、定义书签。设计任务错误!未定义书签。设计要求错误!未定义书签。实验器材错误!未定义书签。课程设计指标错误!未定义书签。3微分电路工作原理错误!未定义书签。4微分电路设计与调试错误!未定义书签。仿真软件介绍错误!未定义书签。Multisim软件介绍错误!未定义书签。Protel软件介绍错误!未定义书签。微分电路系统的实现错误!未定义书签。微分电路参数计算错误!未定义书签。微分电路元器件选择错误!未定义书签。微分电路Multisim调试图错误!未定义书签。微分电路Protel绘制电路图错误!未定义书签。5实验结果分析错误!未定义书签。6总结错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。参考文献错误!未定

3、义书签。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

4、路。微分电路主要用于脉 冲电路、模拟计算机和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t = 0,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 度在0 t T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，U0(t)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

5、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。课程设计任务与要求设计任务图2.1微分电路实现框图1、在输入回路中接入一个电阻Ri与微分电容串联，在反馈电路中接入一个电容c：与微分电阻并联，并使q R1 C2 R22、在正常的工作频率范围内，使R1 1WC，而）WfC人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

6、及参数。2、整路体电的联调；3、撰写设计报告、总结报告。实验器材计算机Protel和Multisim软件,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Prote l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

7、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3.1 RC微分电路微分电路的工作原理：当t = t1输入矩形波的电压从零突然上跳到E如下图所示，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，如下图所示。在t时刻 1电容C两端的电Ue=

8、0于是U,全部落在电阻R上，因此n时刻的输出电压U 0 = U = E。从|以后到r以前的时刻，输入电压U = E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 = RC , T的单位为妙（S）, R的电阻器两端的（等效）电阻 值，单位为欧Q ,C的电容器的电容量，单位为法（F）。若T值很小，使Uc很快 充电到接近输入电压幅度E时Uo= Ui -气，使Uo很快下降到零，于是输出Uo就 形成一个正尖脉冲。如下图所示。在：时刻输入电压七有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，

9、此时的电容C两端的电压=E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L 一便全部降落在电阻R两 端，所以t2时刻输出电压U = U = U。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UE : 在气以后到第二个输入脉冲到来之前，在这段时间里，输入电压气=0，相当 于输入端短路。而电容C两端的电Uc电阻R按指数规律进行放电，电阻两端电压 ,从-E很快的按指数规律上升，当电容放电即将结束，即U,= 0时，则电阻R两 端的输出电压Uo也接近了 0，于是在输出端就形成一个负脉冲，如下图所示。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

10、了的输出端就能得到一对正负尖脉冲。图3.3充放电过程图3.2矩形波图3.4正尖脉冲4微分电路设计与调试仿真软件介绍Multisim软件介绍Multisim本是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics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NI Multisim，而是其（即 NI， National Instruments）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

11、与设计模块Commsim 4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 Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及 Commsim 4 个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）x 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。NI Multisim 10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

12、和仪 表，实现了 “软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设 计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim 10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。NI Multisim 12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4.1 Mu

13、ltisim主界面Protel软件介绍Protel 99SE主要有两大部分构成，每一部分又各有三个模块。a. 第一部分是电路图设计，主要有b. Advanced Schematic 99：此模块主要用于原理图设计，包含原理图编c. 辑器，元器件库编辑器和相应报表生成器；d. Advanced PCB 99 :此模块用于电路板设计，主要包含电路板编辑器，e. 元器件编辑器和电路板组件管理器；f. Advanced Route 99 :用于PCB的自动布线器。g. 第二部分是电路仿真和PLD设计，主要有h. Advanced PLD 99：此模块用于可编程器件设计，含有语法功能的文i. 本编辑器，

14、用于编译和仿真设计结果的PLD和观察仿真波形的Wavej. 工具；k. Advanced SIM 99：此模块用于电路仿真，主要包含一个功能强大的l. 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；m. Advanced Integrity 99 :此模块可进行高级信号完整性分析，包含一个n. 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、o.下冲、阻抗和信号斜率。图 4.2 Protel 99SE 主界面微分电路系统的实现微分电路参数计算电路中，C = C，R = R , V = 5V , V =-5V 1312+-初始条件下，f = 1KHZ，设。广47

15、nF，求微分变换下的RR1R2C R寄 C2 R2根据题目可得=100。,R2 = 5 K。微分电路元器件选择表微分电路元器件器件规格数量电容47nF21电源VSINE2运算放大器3554BM1交流电源5V1电阻10015K110K1稳压管2微分电路Multisim调试图图4.3微分电路Multisim仿真图Channel A scale: 5 V/tirvChannel 3scale： 5 VjDivTriggerEdge:伺匡囚间可 pcjs.ipiv): 0.4 pQE.(piV)! -1LeveJi qv acFo Tdc；I -() Sngle Nonn己 1 Auto Non.Ti

16、mebage5caie: 500 us/Div pos.(pii/)! 3 回瓯画迥Oscillcicope-XSClReversel+lffisTl口r2r2-TimeChannel_AChannel_B67.5DD ms5.00D V6.201 mV67.5DD ms5.00D V6.201 mVO.ODD b0.00D V0.00D VSave _一1 Ext. Tigger图4.4微分电路Multisim分析图微分电路Protel绘制电路图图4.5微分电路Protel电路图图4.6微分电路PCB板正面图图4.7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

17、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

18、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Mult

19、isim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

20、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1 邱关源.电路第5版M.2006.北京：高等教育出版社2 康华光.电子技术基础模拟部分M.2006.北京：高等教育出版社3 王丽娟.Multisim电路仿真M.2011.北京：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CADM.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