分析模擬電子技術實驗系統(tǒng)的設計

摘 要：隨著我國經濟的不斷發(fā)展和科技水平的不斷提升，計算機得到了越來越廣泛的應用，在大中專院校的實驗課程改革當中也逐漸開始利用計算機技術來管理教學與輔助實驗。大中專院校的實驗室是教學與科研的重要場所，受到大中專院校擴招、學生人數(shù)不斷增加的影響，實驗輔導教師和學生之間的比例也有所提高，模擬電子技術實驗系統(tǒng)的開發(fā)和應用，在減輕教師工作強度與壓力的同時，給學生利用網絡了解實驗儀器的實用知識、提高實驗操作基礎技能等提供了極大的便利，具有十分重要的現(xiàn)實意義。將對模擬電子技術實驗系統(tǒng)的設計做出淺要的分析。

關鍵詞：模擬電子技術；實驗系統(tǒng)；設計；信號源

模擬電子技術實驗系統(tǒng)的主要組成部分包括：輔助電源、簡易信號源、直流電壓電流表、二極管、三極管伏安特性測定單元以及單管共射共基放大電路多級放大電路負反饋放大電路模塊、分立元件和集成功率放大器模塊、差動放大集成運放線性非線性應用模塊、整流濾波和直流穩(wěn)壓電源模塊、測量單元以及功能擴展區(qū)。

一、簡易信號源的設計方案

簡易信號源主要包括CPLD、鍵盤、單片機控制模塊、LED顯示、D/A轉換模塊和鍵盤這幾個組成部分，借助DDFS技術，即直接數(shù)字頻率合成技術來產生遞減諧波、遞增諧波、三角波、方波、正弦波、階梯波信號，這一系統(tǒng)頻率具有步進小、范圍寬以及幅度、頻度精度高的特點。

1.直接數(shù)字頻率合成方案的確定

在DDS中由RAM來對輸出波形的完整周期與幅度值進行有序的存放，在RAM地址發(fā)生變化的情況下DAC會把該波形數(shù)據(jù)轉化成頻率和RAM地址變化速率成正比的電壓波形。DDFS的發(fā)生器在對波形在RAM中的地址進行控制時采用了相位累加技術，在產生RAM順序地址的過程當中利用加法器代替了計數(shù)器，存在于相位遞增寄存器（PIR）當中的常數(shù)在每一個時鐘周期都被加到相位累加器的結果當中，并以其輸出的最大有效位數(shù)來對波形在RAM中的具體地址做出確定。每個周期當中的點數(shù)會隨著PIR常數(shù)的改變而發(fā)生變化，從而使整個波形的頻率發(fā)生改變。在寄存器存入新的PIR常數(shù)的情況下波形的輸出頻率會隨著下一個時鐘周期發(fā)生相位的改變，給相位累加器改變RAM地址提供重要的依據(jù)。當PIR數(shù)值過小或較大時，相位累加器會分別以一步步經過每個RAM地址、跳躍某些RAM地址的方式來進行RAM地址的改變。DDFS彌補了傳統(tǒng)方法的不足，其頻率分辨率在相位累加器具備足夠大的位數(shù)N的情況下能夠獲得相應的分辨精度。不需要相位反饋控制使得DDFS的頻率建立、切換效率高，同時和頻譜純度、頻率分辨率之間互相獨立、互不干擾。由于DDFS主要依據(jù)時鐘相位特性來判斷相位誤差，使得其相位誤差相對較小，且連續(xù)變化的相位能夠形成具有良好頻譜的信號。由此可以確定DDFS方案是實現(xiàn)簡易信號源設計要求的最佳方案。

2.簡易信號源的設計內容

首先要在波形頻率范圍為20Hz-20kHz且步進為10Hz的條件下根據(jù)相關公式計算出相位累加器的時鐘頻率和頻率步進，從而確定D/A轉換器在轉換時間為1us且輸出頻率為1MHz的情況下能夠輸出64個樣點，并利用單片機對控制信號、數(shù)據(jù)進行輸出，以CPLD為系統(tǒng)實現(xiàn)。D/A轉換是保證幅度可調節(jié)與任意輸出的必要條件，從而對信號發(fā)生器的輸出電壓進行控制，在本系統(tǒng)當中采用的是8位D/A來控制幅度，其幅度分辨率是0.1V。在D/A輸出后可選用高速寬帶運放TL084和1MHz的截止頻率、20KHz以內的幅度平坦來確保信號的平滑，同時可選用波形失真小、頻率特性好、電流驅動能力強大的OCL功放電路來實現(xiàn)穩(wěn)幅輸出。

二、直流電壓電流表的設計方案

積分式直流數(shù)字電壓表借助積分器將被測電壓轉換為相應的時間，而后再由時間轉化為相應的數(shù)字量來計數(shù)，設計包括脈沖計數(shù)電路、模擬電壓雙積分電路、數(shù)據(jù)處理和顯示電路這三個模塊。在系統(tǒng)設計中采用以雙積分作為核心的電路實現(xiàn)，由控制電路將前置放大與整形后的待測電壓信號自動轉換為2V與200mV量程，而后使用定時處理電路、雙積分電路等組合成完整的數(shù)字電壓表，為了使系統(tǒng)精度、顯示分辨率進一步提高，處理采用了數(shù)字濾波與軟件補償，并利用單片機軟件設計來實現(xiàn)各種算法以及邏輯控制。

1.電路的基本工作原理

雙斜積分電路所構成的直流數(shù)字電壓表主要包括基準電壓、積分器、模擬開關、邏輯控制電路、時鐘脈沖發(fā)生器、電子計數(shù)器等組成部分，工作過程包括準備、采樣與比較階段。在準備階段當中由邏輯控制電路輸出相關指令，在積分器輸入電壓為零的情況下計數(shù)器復零，使得整個電路進入休止狀態(tài)。在采用階段由抽樣啟動器將時間指令輸出到邏輯控制電路來使主門開啟，同時使時鐘脈沖發(fā)生器起振并輸出相應頻率的時鐘脈沖，而后借助主門加到電子計數(shù)器中來進行計數(shù)。比較階段也是電壓值的積分階段，雙斜積分式直流電壓測量電路有兩個積分周期，分別對被測電壓定時積分、對基準電壓定值積分，并通過二者之間的比較來獲得測量結果。

2.電路和程序的設計

（1）電路的設計。在模擬電路模塊采用儀器運放INA2128、單運放芯片UA741和各類精密電阻，為滿足輸入高阻抗的要求設計了電壓跟隨器，并采用積分電路來處理電壓信號，電壓量程轉換對2V、200mV的電壓擋轉換進行自動控制。在數(shù)據(jù)處理模塊將脈沖作為單片機的外部中斷信號并利用集成計數(shù)芯片74LS393來實現(xiàn)分頻與記數(shù)。在自動校零模塊專門設計了自動校零電路，采集無輸入、輸入小于1mV時的偏移量來對數(shù)據(jù)進行校正，并在系統(tǒng)檢測到無電壓時借助單片機控制來實現(xiàn)每次清零。

（2）程序的設計。軟件使用了16位單片機80C196KB，主要包括軟件定時并完成電容的定時、放電來給被測電壓進行充電、對計數(shù)器閘門進行開啟和模擬開關的轉換，以確?；鶞孰妷涸诜烹娭亮汶妷汉蠓D過零比較器，出現(xiàn)中斷信號并使中斷處理程序在鎖存計數(shù)脈沖后進行讀數(shù)，根據(jù)相應的比例來對電壓值進行計算。在顯示電壓與真實值存在誤差的情況下采取線性插值法來做出軟件補償，從而使其達到相關精度指標的要求。

三、系統(tǒng)實驗內容的設計

1.二極管的伏安特性。二極管的陰極電位低于陽極電位時稱之為二極管正向偏置，即正偏；反之，當二極管的陰極電位高于陽極電位時被稱為反向偏置，即反偏。二極管的反偏截止與正偏導通特性是單向導電性。二極管的伏安特性方程是：I=IS（eu/UT-1）（其中Is表示反向飽和電流，在室溫下是常數(shù)；u表示二極管兩端的電壓；UT表示溫度的電壓當量，在室溫27℃下為26mV），根據(jù)公式所計算出來的伏安特性越小，就說明二極管的反向性能越好。

2.三極管的設計。作為一種電流控制器件，三極管的電流放大作用即基極電流的微小變化對集電極電流的較大變化進行了控制。三極管中各電極電流、電壓間的關系曲線被稱為伏安特性曲線或者特性曲線，最常用到的包括輸入、輸出特性曲線。特性曲線隨著三極管在電路中的連接方式的不同而各有差異。

3.分立元件放大電路。在分立元件放大電路的交流通路當中信號由基極輸入并由發(fā)射極輸出，集電極是輸入與輸出回路的公共端，因此被稱為共集電極電路。共集電路具有電壓跟隨特性好、輸入電阻低和輸出電阻高的特點，可用作高輸入電阻的輸入級、低輸出電阻的輸出級和多級放大電路的中間級。

4.負反饋放大電路。負反饋可以用來對放大器的性能進行改善、減少非線性失真現(xiàn)象、擴展通頻帶、改變輸入與輸出電阻。電流、電壓的負反饋分別能夠確保輸出電流、輸出電壓的穩(wěn)定。

5.集成運算放大器。在運放低頻小信號時可視為理想化的集成運放，理想集成運放線性應用具有虛短、虛斷的特性。通常線性集成運放在負反饋的電路組態(tài)下可被應用在放大、運算等線性應用電路當中，非線性集成運放在正反饋、開環(huán)的電路組態(tài)下可應用于信號轉換與比較、產生、自動和測試系統(tǒng)當中。

6.功率放大電路。按照信號頻率可將功率放大電路分為低頻功放和高頻功放，低頻功放電路的輸出功率是輸出電壓和輸出電流的有效值的乘積，在參數(shù)確定時電路負載上可獲得的最大交流功率便是低頻功放的最大輸出功率，其負載上所得到的有用信號功率和電源供給的直流功率之比便是其效率。

7.整流濾波與穩(wěn)壓電路。濾波電路能夠在保留整流后輸出電壓直流成分的基礎上濾掉脈動成分，從而使輸出電壓趨于平滑并接近理想直流電壓，常用的濾波電路有電感濾波、電容濾波電路等。在穩(wěn)壓電路當中，可以借助差動放大器來作為比較放大器對零點漂移進行抑制，從而使穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性得到提升，可利用輔助電源構成基準電壓源電路來對電源的穩(wěn)壓系數(shù)進行提升，為避免調整管電流過大、電壓過高而損壞穩(wěn)壓電源，可以采取限流保護電路的措施。

四、總結

模擬電子技術實驗教學主要為了讓學生了解電子技術實驗相關知識，掌握實驗的基本技能，使學生在對模擬電路理論做出深刻了解的基礎上提高自身的觀察能力、動手能力、分析能力以及解決問題的能力，通過與課程體系緊密關聯(lián)的實驗系統(tǒng)的建立實現(xiàn)了對實驗教學內容的系統(tǒng)化組合，是實驗教學內容信息化、現(xiàn)代化與綜合化的重要體現(xiàn)。本文對模擬電子技術實驗系統(tǒng)進行了研究與設計，通過對市場上現(xiàn)有的實驗設備設計的借鑒來設計出更加適合大中專院校學生學習的實驗系統(tǒng)，對于高級技術應用型人才的培養(yǎng)、學生專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力的提升、高校教學質量的提高都具有十分重要的意義。

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編輯 張珍珍