1、1电子系统综合设计一、实验目的：本次电子设计要求学生自行完成脉宽调制法电容/电压(C/V)转换器电路设计和方波-三角波发生器电路设计，并运用电子仿真软件 multisim 对所设计的电路进行分析、测试，直至测试结果符合设计要为止，使学生了解、掌握电子仿真软件 multisim 的应用，并通过仿真软件的仿真结果，使学生进一步掌握脉宽调制法电容/电压(C/V)转换器和方波-三角波发生器的电路设计思路、电路结构、元器件参数的选取及计算过程，最后根据电路原理图进行电路板焊接和调试，对模拟仿真结果进行验证，从而为学生以后的科研工作打下一个坚实的基础。二、 实验器材：电脑一套，multisim 仿真软件一
2、套。三、实验进度安排：(1) 根据所给题目要求，自行设计电路原理图，并对电路设计原理进行分析。(2) 运用 multisim 仿真软件对电路进行仿真，用虚拟示波器观察各点波形，根据波各点波形对器件参数进行适当的修改，直道测试结果满意为止，从而加深了学生对电路设计原理的进一步掌握。(3) 按照电路原理图焊接电路、调试电路，用示波器观察各点波形，分析测得波形与虚拟示波器观察各点波形是否一样。四、实验内容：实验一、方波-三角波发生器仿真分析实验二、脉宽调制法电容/电压 (C/V)转换器仿真分析五、实验原理：实验内容一、方波-三角波发生器仿真分析： 设计要求：设计振荡频率为 设计振荡频率为500Hz的
3、方波- 三角波发生器，要求方波输出电压为12V，三角波输出电压为6V。 要求写出设计思路、电路结构、元器件参数的计算过程，运用multisim仿真软件对所设计的电路进行分析、测试；若测试结果不满足设计要求，调整电路结构或改变电路元器件参数，直至测试结果符合设计要求。 设计思路：设计波形发生器电路通常考虑两个方面的因素：一是选择什么样的输出波形电路，其次是确定该电路的振荡频率。对于10KHz 以下的振荡电路，通常对器件（即运放性能）要求不高，选择余地较大。当要求的工作频率较高时，需要考虑性能较好的专用集成运算放大器。在确定振荡频率时，应先选择积分电容的大小，一般在0.01uF-0.33uF之间，
4、然后再确定电阻的大小，一般在几k-100k之间。 确定电路形式：一般来说，方波-三角波发生器是由一个迟滞比较器和一个积分电路组成，电路框图和电路设计原理图如图1和图2所示： 图1 电路框图2 电路设计原理图：R110k1%R210k1%0 R45.11k1%RW210kKey=B50%RW120kKey=A 50%R310k1% 45R5 10k1%0 VDD12VU1ALM358AM32481U2BLM358AM3248112C1100nFVEE-12V6VDDVEE8XSC1A BGT073V02V01图2 电路原理图 计算元器件参数：由于三角波最大输出电压为： CWmVRV13202由此
5、可以得到： 613202C若取 ,则 ; 取 的电位器；平KR102 KRW13 KW20,013衡电阻 。根据方波三角波的频率公式： CRRCRf WWW2424224213 1可以得到： ,取f24 10K.502C1,1.0 6-W24uFC则取 , 的电位器，平衡电阻为 .5KR4为 R5其中：图中的 =20K电位器是调节三角波幅值的， =10K电位器是调整频率的。1W 2W 选取元器件，画电路图，进行仿真分析，仿真结果如图3所示：3图3 仿真波形由分析结果可知：方波-三角波的频率： 。HzTf50123三角波的幅值： 。V602方波的幅值： ,这是由于运放的输出级 NPN 和 PNP
6、 两种晶体管组成复合互补电9.71路，输出方波时，两个管子交替导通，由于导通是输出电阻的影响，使方波的输出幅度小于电源电压值。可以提高直流电源，使 , 。VC4E14（二） 、脉宽调制法电容/电压 (C/V)转换器仿真分析题目设计要求：利用脉冲宽度调制法(简称脉宽调制法，英文缩写为 PWM)可以测量电容量。首先利用被测电容 Cx 的充放电过程去调制一个频率和占空比均固定的脉冲波形，使其占空比 D 与Cx 成正比，然后经过滤波电路取出直流电压/Vo，送至 A/D 转换器中。显然测量电容量的转换过程为：CxD/V，反之亦然，由此可完成 C/V 转换，将被测电容量转换成直流电压，实现对电容量进行数字
7、化测量的目的。设计思路：如图 4 所示，给出了专配 3 位数字电压表的五量程电容测量电路。S 为量程转换开关。5 个电容档依次为 2000pF、20nF、200nF 、2uF、20uF，可以测量 1pF20uF 的电容量，准确度为2.5%，最高分辨率达 1pF。IC 采用一片 CMOS 双定时 ICM7556，它具有输入阻抗高、微功耗、电源电压范围宽(318V)、适合在低压条件下工作等优点。ICM7556 片内包含两个相同的定时器 ICa、IC b，二者共用一套电源。定时器采用负逻辑电路，每个定时器内包括比较器 A、比较器 B、RS 触发器、反相器 F1F3，放电管(NMOS 场效应管)，还有
8、 3 只阻值相同的电阻 R。4TRIG6 Q 5R4CVolt3 THR 2DIS1VCC14GND7U1ANE556TRIG8 Q 9R10CVolt11 THR 12DIS13U1BNE556VDDR6 150KR5300KR11MR2100KR310KR41K R111M R12300KR712K R87.5KR9100KR10100KC6103 C7104 C1220pFC810pFC4103 C22200pFC90.33uFC100.33uFC110.33uFC30.02uFSbC510uFRP1 2KSaRP22KR14820KACX待待待待R131M EB C D图 4 五量程电
9、容测量电路ICM7556 采用 DIP-14 封装，V DD 为正电源端。以定时器 ICa 为例(对应于 813 脚) ，各管脚的功能如下：TRIG(8) 触发端。 TRIG=1 时输出端为低电平，TRIG =0 时输出端呈高电平。Q(9) 输出端(OUT2) 。负载电阻可接在 Q 与 VDD 之间，也可接在 Q 与 VSS 之间，最大输出电流为200mA。R(10) 复位端。当 R=0 时 Q=0， R=1 时 ICa 可正常工作。CVolt(11) 控制电压端。为减少外界干扰，通常在此端与 VSS 之间接 0.01uF 的高频滤波电容.THR(12) 阈值端，亦称门限端。作信号发生器使用时
10、在 THR 与 VSS 之间接定时电容，并将 TH2 端与/TR2 端短接。一旦 ICa 被触发到高电平状态， THR 端就监测定时电容上的电压 Vc，当 Vc2/3VDD 时，迫使 ICa 输出低电平。DIS(13)放电端。Q=0 时，定时器电容通过放电管放电。 Q=1 时此端开路，V DD 经外部定时电阻给定电容放电。由 ICa 和外部定时电阻 R5、R 6 定时电容 C6(或 C7)构成的脉冲发生器电路如图 5 所示。 TRIG8 Q 9R10CVolt11 THR 12DIS 13U1BNE556VDDR6 150KR5300KC6103C7104SbA B图 5 脉冲发生电路5图 6
11、 A 点波形图 7 B 点波形其工作原理分析如下：通电后，V DD 经过 R6、R 5 向 C6 充电。当 Vc2/3VDD 时，内部比较器 A 翻转，RS 触发器 R=1 (高电平) ，S=0(低电平)，将触发器置 “0”，经过内部 F1 和 F2 两次反相后，使 Q=0。与此同时，F 1 输出的高电平还使NMOS 管导通， C6 经过 NMOS 放电管和 R5 放电。当 Vc1/3VDD 时，比较器 A 再次翻转，R=0，S=1，将6触发器置“1”，因为 F1 输出低电平，令 NMOS 管截至，故 VDD 再次对 C6 或 C7 充电。如此循环往复，随着 C6 或 C7 的充、放电过程，从
12、第 9 脚(Q)就输出连续的脉冲波形。震荡频率及波形占空比由下式而定(1) 6561)2(4.CRf(2)将%0DC6=0.01uF，R 6=150K，R 5=300K 一并带入式(1)中得到 f1=200Hz，对应于周期 T1=1/f1=1/200=5ms。若将 C6 改作 C7(0.1uF),则 f2=20Hz,T2=50ms.由式(2)不难看出，占空不比 D 与定时电容(C 6 或 C7)无关，占空比固定为D1=（150K+300K）/（150K+2x300K ）x 100%=60%需要指出，由于电容测量范围较宽(020uF)，为使触发脉冲的周期能覆盖所有量程，脉冲发生器设置两套。200
13、0pF2uF 量程选定时电容 C6=0.01uF，对应于 T1=5ms；20uF 量程的定时电容 C7=0.1uF，对应于T2=50ms。前者适于测量小电容，后者专用于测较大电容。ICa 输出的脉冲经 C8 隔断直流分量，送至 ICb 的第 6 脚(TRIG)。定时器 ICb 对应于 26 脚，它与被测电容 Cx、R 1(或 R2、R 3、R 4)等组成单稳态电路。2000pF 档的简化电路见图 8 所示。TRIG6 Q 5R4CVolt3 THR 2DIS 1VCC14GND7U1ANE556 R11MR2100KR310KR41KR9100KR10100K C1220pFC810pFC41
14、03 C22200pFC30.02uFC510uFSaCX待待待待C DVo2图 8 2000pF 档电路图 9 C 点波形7图 10 D 点波形利用 Cx 的充、放电过程来对脉冲宽度进行调制。电路的工作过程分析如下：当正脉冲加至 TRIG(6)端时，内部 RS 触发器 R=1，触发器置“0”，此时 NMOS 放电管道通，C x 放电，单稳电路处于稳态。当负脉冲来到时电路进入暂态，由于内部 RS 触发器置“1”NMOS 管截至，C x 又开始充电，V c 逐渐升高。当 Vc2/3VDD 时，内部 RS 触发器置 “0”NMOS 管道通，C x 再次放电，电路又恢复稳态。显然，C x 愈大，充电
15、时间愈长。被调制后的脉冲波从 Q(5)端输出。仍以 2000pF 档为例，取 R1=1M，Q(5)输出脉冲宽度为（3）xCRt 6110.3ln脉冲占空比(4)%102.5. 82 xmsTD式 4 中 Cx 单位为(F)。显然，当 Cx=0 时，D 2=0；当 Cx=2000pF=2 x 10-9F 时，D 2=44%，D 2 与 Cx 成正比。Vo2 经过滤波电路取出直流电压 /Vo，送数字电压表中 A/D 转换器，而/Vo 与 Cx 成正比。这就是脉宽调制法的基本原理。图 1 中 R7、RP 1 和 R8 为 Q 端的负载电阻兼分压电阻，调整 RP1(2K)可对电容档进行满量程校准，对应
16、于 Cx=2000pF，使/Vo=200mV。由于 C/V 转换器本身存在失调电压 Vos，会导致不测电容时仪表在个位甚至十位上出现非零值，因此必须增加手动调零电路，由 R14、RP 2 组成。RP 2 即是调零电位器(ZERO ADJ)。R 14 的上端 V-，由电位器RP2(2K)的滑动触头上可获取某一负压 -Vo。适当调节 RP2，使-V o=Vos，V os+(-Vo)=0,即可实现零点补偿，在未接 Cx 时/V=0 ，仪表显示为零。使用数字电容表时，每次测量之前应调整 RP2，使读数为零，方可进行测量。特别是更换电容档时，由于各档的失调电压相差较大，必须重新调零。具体方法是在未接入电
17、容时调整 RP2，使仪表显示值为 000。此外，20uF 档的时间常数较大，测量大电容时须经历较长时间才能得到稳定读数。图 1 中，R 9、R 10 为偏置电阻，实取 R9=R10=100K，无触发信号时可将 TRIG(6)端的电位偏置在(V + - Vcom)/2 上。C 9、R 11、C 10、R 12、C 11 构成两级 型阻容滤波器。对于 20nF20uF 档，被测电容 Cx 还分别与补偿电容 C1C3 相并联。以 20nF 档为例。C x|C1=Cx+220pF。式 3 变成(5)ln)20(1pFtx对 2000pF 档而言，R1 的下端未接补偿电容。20uF 档与 2uF 档共用
18、一只补偿电容 C3(0.02uF)。在 20uF 档测 10uF 电容时，用 multisim 仿真软件仿图 1 中 A、B、C 、D 、E 各点的波形如图 6、图 7、图9、图 10 和图 11 所示。8图 11 E 点波形使用脉宽调制法测量电容也存在不足，就是每次测量前均需手动调节电容档的零点，使显示值为零。9TRIG6 Q 5R4CVolt3 THR 2DIS 1VCC14GND7U1ANE556TRIG8 Q 9R10CVolt11 THR 12DIS 13U1BNE556VDDR6 150KR5300KR11MR2100KR310KR41K R111M R12 300KR7 12K R8 7.5KR9100KR10100KC6103C7104C1220pFC8 10pFC4103 C22200pFC90.33uFC100.33uFC110.33uFC30.02uFSbC510uFRP1 2KSaRP22KR14 820KACX待待待待R131M EB C D
