江苏大学自动化专业电子技术专业课程设计样本.doc

江苏大学自动化专业电子技术专业课程设计

电
子
技
术
课
程
设
计
报
告

专业班级： 自动化1302
姓名学号：
指导老师：

2015年*月**日

学年学期： 2014年~2015年第二学期
设计题目: 音频小信号前置放大电路设计；‚信号发生器设计
设计同学：** 学号：********
同组同学：** 学号：********
分工情况：
****：选定课题，查阅资料，音频小信号前置放大电路设计，信号发生器参数设计及性能调试
****：资料查阅，参与音频小信号前置放大电路性能调试，信号发生器电路设计及性能调试。

一、音频小信号前置放大电路设计
1．设计要求
设计音频小信号前置放大电路，并用合适软件模拟，。具体要求如下：
（１） 放大倍数Au≥1000；
（２） 通频带20Hz~20KHz；
（３） 放大电路的输入电阻RI≥1M ;输出电阻RO＝600 W ；
（４） 绘制频响扫描曲线。
说明：设计方案和器件根据题目要求自行选择，但要求在通用器件范围内。
测试条件：技术指标在输入正弦波信号峰峰值Vpp=10mv 的条件进行测试（输入输出电阻通过设计方案保证）。【】

方案一、采用分立式元件
前置放大级：以单端输入双端输出且带恒流源的的差动放大电路作为第一级，以双端输入单端输出的差动放大电路作为第二级。
优点：双端输出的差动放大电路利用其电路的高度对称性以及局部交流负反馈可以很好的将共模干扰信号屏蔽。之后利用单端输出的差动放大电路将双端浮地输出转化为单端输出。
中间级：采用带射极旁路电容的共射放大电路。
优点：共射放大电路具有良好的优良的电压放大和电流放大作用。
输出级：采用共集组态的射极输出器电路。
优点：共集组态的射极输出器具有高输入电阻和低输出电阻，可以很好地降低对前置级电路的负荷，并具有良好的带负载能力。
方案二、采用两级运算放大器NE5532组成的放大电路。
优点：运算放大器NE5532具有体积小，噪音低，功耗小，一致性好等优点。特别的，运算放大器具有理想的输入输出稳定性，外部电路易调试。输出效果理想，失真度小。
考虑到电子课程设计安排时间较短，并且期间有概论论考试。总体时间较为紧迫。而采用分立式元件搭建电路时，各元件对电路影响较大，参数难以确定，电路调试颇为耗时，工作时间要求较长。在前两天采用方案一进行设计时，进度缓慢，难以在规定时间完成任务；因而综合考虑决定采用方案二进行电路设计。

关于音频小信号前置放大电路设计，现主要分为两大部分。
第一部分、高低通滤波电路
考虑到音频放大电路需要放大的频率范围为20Hz-20kHz。因而决定在放大电路的前级加上滤波电路，将频率高于20kHz以及低于20Hz的信号滤去。
滤波电路选用二阶压控电压源低通滤波电路和二阶压控电压源高通滤波电路。
第二部分、放大部分电路
采用两级NE5532放大电路。

低通滤波电路部分电路图

低通滤波10kHz波形

低通滤波20kHz波形

低通滤波30kHz波形

理论计算：
根据相关知识：该低通滤波电路的上限截止频率的平方与R1、R2、C1、C2的乘积成反比。。之所以调到这个值是因为在将电路组合后能够在20kHz后将增益衰减到1000倍以下。

高通滤波电路部分

高通滤波10Hz波形

高通滤波20Hz波形

高通滤波30Hz波形

理论计算：经过理论计算，该电路的下限截止频率约为20Hz。

放大部分电路

放大部分电路运行参数

放大部分电路工作原理
输入信号由C1左端进入，经C1滤波后一部分经1M 电阻接地，这样可以保证输入电阻为1M 。另一部分接入NE5532进行第一级放大，放大倍数由电阻R3和R4的倍数进行控制，第二级放大同理是由电阻R5和R6的倍数进行控制，其中R3=R4=10k ,R5=R6=1500k ，每一级都可以放大16倍，两级一共可以放大256倍左右，又因为滤波电路每级放大两倍，总共放大倍数达到1024倍，满足放大倍数达到1000倍的要求，两级放大之间的电容C2起到滤波作用，最后一级的输出经滤波电容C3后接600 的电阻最后接地。这样输出电阻可以达到600 。通频带由滤波电路控制在20Hz-20kHz之间，可以满足条件。

完整电路

完整电路10Hz运行结果

完整电路20Hz运行结果

完整电路10kHz运行结果

完整电路20kHz运行结果

完整电路30kHz运行结果

二、信号发生器设计
1、 设计任务和要求
设计一个能够输出正弦波、三角波和矩形波的信号源电路，电路形式自行选择。输出信号的频率可通过开关进行设定，具体要求如下：
1、输出信号的频率范围为100Hz~2kHz，频率未定度较高；
2、步进为100Hz，要求输出的是正弦波信号，信号无明显失真；
3、三角波和矩形波占空比连续可调；
4、利用软件示波器测量出其输出频率的上限和下限及其输出电压的范围。 【】

2、 总体方案设计
555多谐振荡器积分电路
方波

正弦波

三角波

↑ ↑ ↑
低通滤波器
积分电路
555多谐振荡器

图1 方波、正弦波、三角波、信号器原理图

设计思路原理
首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。

3、各组成部分的工作原理
方波发生电路的工作原理

如下图 图2

图2 方波发生电路
利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。 
用555定时器组成的多谐振荡器如图2所示。接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R2、R3放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容器C2放电所需的时间为 ：
t= ( R2 +R3) C2ln2                                                   
当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2、R3 向电容器C2充电，Vc由Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的时间为 ：
tH= (R1+R2+ R3) C2ln2=( R1+R2+ R3) C2                    
当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其震荡频率为 ：
f=1/（tL+tH）=(R1+2R2+2R3) C2 

方波、三角波

图 3 积分电路产生三角波

RC积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。此外，RC积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。 
由555定时器组成的多谐振荡器输出的方波经C4耦合输出，如图3所示为RC积分
电路，再经R与C积分，构成接近三角波。其基本原理是电容的充放电原理。

三角波——正弦波转换电路的工作原理

图4 三角波产生正弦波原理图
PS:此采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。

图中所需的元件数值大小由计算得出。

整体函数发生器的设计电路如下：

图5 设计总电路图
总电路图的原理：555定时器接成多谐振荡器工作形式，CX为定时电容，C2的充电回路是R1→R3→R2→C2；CX的放电回路是CX→R2→R3→IC的7脚(放电管)。由于R2+R3>>R1，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为500Hz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C4积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C5、R6、C6低通滤波电路，输出近似的正弦波。C7是电源滤波电容。发光二极管LED1用作电源指示灯。

为达成要求中的步进，故将CX设计成20个电容的串联，以达到步进的目的，实际电路图如下：

用Multisim 

图6 实际连接线路
输出结果截图

方波信号

三角波信号

正弦波信号

图7 汇总波形

步进设计
设计电路图：

图8采用电容串联的形式达到步进的结果

图9 起始100Hz

图10 步进100Hz
.
.

图11 步进至2000Hz
三、设计心得体会
通过对音频小信号前置放大电路以及函数信号发生器的设计，使我对模电，数电的基本知识的使用更加熟练，同时也增加了我对它们的一些认识，在作业完成过程中通过和同学的交流，也增加了合作的技巧。通过查阅以下资料也学到了一些课本上没有的东西，拓宽了自己的知识面，增加了学好电子方面课程的信心。  
在这次课程设计中，我真正体会到了合作的重要性，遇到很多问题时，当我看书查资料不能解决时，这是去找同组同学讨论一下，陈雾蒙同学给我的帮助很大，我的收获也很大。在设计的过程中，我们一开始选定的是“音频信号放大系统”设计，后来由于设计难度较大，关于双声道部分始终无法理解，为了保证顺利完成设计，我们选择了改变课题，但在更改课题后的设计也同样遇到很多问题，遇到问题解决问题基本上达到了：询问同学、查询资料、询问老师、上网搜查等众多方式方法和途径，争取最大限度的达到完美。
经过这次的课程设计，加深了我对电子元器件的理解和认识。我发现实际器件与理论知识是有很大差别的，我一直以为分立式元件是很简单的，但是在搭建电路时发现，各个元件的参数不同，对整个电路会产生很大的影响。可谓是，设计简单调试难，说的容易做着难。尤其在一开始的失败设计中，我清楚地认识到元件参数调试的困难度。也发现了集成元件的巨大优势！

四、参考文献： 
[1] 数字电子技术基础/：科学出版社， 

[2] 模拟电子技术基础/毕满清主编.—北京：电子工业出版社，
[3] 模拟电子技术/：东南大学出版社， 2006.