测控电路课程设计.doc

目 录1、 实验基本内容.(1)1.1课程设计背景.(1)1.2实验任务、要求.(1)1.3实验内容.(1) 2、实验过程及原理.(1) 2.1元器件的可靠性检验.(1) 2.2原理方框图.(2) 2.3方波发生电路.(2) 2.4脉冲平衡调制电路.(4) 2.5放大器.(7) 2.6脉冲平衡式解调电路.(7) 2.7低通滤波器(9)3、分析误差原因.(10) 3.1三角波的顶端有时会有部分失真.(10) 3.2输出方波近似为梯形波.(10)3.3在方波信号接入该电路时出现带负载能力不足现象(10)3.4输出信号有毛刺.(10)3.5输出的调制后波形出现相邻波峰幅值不等现象(10) 4、分析电路中产生的故障.（11） 5、实验总结.（11）6、参考文献(12)1、实验的基本内容1.1课程设计背景 此次课程设计既是为了锻炼学生的动手能力，又是为了使同学们对所学习的理论知识有一个更加深刻的认识进而能够更好地掌握理论知识。同时课程设计的题目也与生活息息相关，在生活中我们经常听广播，经常会使用手机打电话，那么怎样减少音频或视频中的噪音就成了人们面临的主要问题。本次课设运用场效应管的开关特性能够有效地减少噪声，提高信噪比，使人们接受到更好的信号。1.2实验任务、要求1任务：利用场效应管的开关特性，实现低频信号的幅值调制与解调，以抑制噪声干扰，提高信噪比。2要求：参考指定的资料，设计出相应的各部分电路，组装与调试该电路，试验其抗干扰性能。1.2实验内容1、内容：（1）.分析各部分电路工作原理，选择相应的参数。（2）.画出完整的电路图。（3）.分析电路实验中产生的故障。（4）.分析误差原因。2、电路参数：调制信号：正弦波 频率f500HZ 幅值u5v。 3、时间安排建议：全部时间两周。其中：课题设定：2-3天，设计4-5天，调试2-3天，总结1天安排3天。2、实验过程及原理2.1元器件的可靠性检验1.运放的可靠性检验：先用运放搭成跟随器，输入正弦信号，用示波器检验器是否跟随；之后用运放搭成反向放大器，输入正弦信号看输出幅值与相位；2.稳压管的匹配：将稳压二极管串联电阻构成稳压电路，接入电源，测其性能参数，选择稳压值相近的两个稳压管。3导线的可靠性检验：把将要用到的导线全部用万用表检测其通断；2.2原理方框图 图2-2-1原理方框图 2.3方波发生电路 原理图如下： 图2-3-1方波发生电路原理图方波发生电路中，积分电路的电压电流关系: （2-3-1）其中是t=0时电容器已存储的电荷，由 得到： （2-3-2）常量根据初始条件确定，即t=0时：（0）=Q0/C （2-3-3）当输入为常量时，输出为： （2-3-4）可见输入为方波时输出为三角波。图2-3-2滞回比较电路上图为迟滞比较电路，该电路用的是同向迟滞比较电路。R1=0时， 接地，UR接输入， 接输出，门限电压由求得： （2-3-5）由稳压管确定.由此我们选定电阻R1=10K，R2=10K，R3=30K，R4=2.2K，电容C=0.01F，稳压管的稳压值为5V。综上所述，该电路前一部分是积分电路，后一部分为滞回比较器。作用：（a）积分电路：利用RC回路的充放电来产生三角波。（b）滞回电路：产生方波，方波的频率为： （2-3-6）计算可以得到：方波的频率f=7500Hz，方波的占空比为50%。该电路中调节R1，R2，R3的阻值和C的容值，可以改变振荡频率；调节R1，R2的阻值可以改变方波的幅值。由该方波发生电路为调制电路和解调提供开关信号 和，进而控制三极管的导通和截止，并且和是一对相位相反的方波信号，则可知该电路后应该接一个反向器用来产生相位相反的信号。方波发生电路的仿真电路如图所示：图2-3-3方波发生电路仿真图 方波发生电路产生的方波如下图所示：图2-3-4方波产生电路仿真结果2.4脉冲平衡调制电路脉冲平衡调制电路如下图所示，它由两个电子开关，一个运算放大器和两个脉冲信号 和组成。电路中电阻均为5.1K，接方波处的电阻为2.2K，放大器处的反馈电阻为10.2K。根据调制电路的中的香农定理，至少要求载波信号的频率大于10倍的调制信号的频率，解调时才可以较好的将调制信号与载波信号分开，检出调制信号，并且由乃奎斯特采样定理：为了保留一个频率分量的全部信息，一个周期的间隔至少抽样两次，即必须保证或者。该电路中输入的正弦波的频率f=400Hz，此时方波的脉宽为0.125ms时，则有频率f=4000Hz，满足香农定理的要求，可以防止频率混叠的现象。图2-4-1脉冲平衡调制电路图电路中的电子开关用两个晶体管构成。两个输入脉冲信号 与 的幅值和频率相等，相位相反。，如下图所示：图2-4-2输入信号，的波形图当为高电平时，Q1导通，Q2截止，a点接地，运算放大器则处于同向放大状态。其闭环增益为： （2-4-1）当为高电平时，Q2导通，Q1截止，b点接地，运算放大器则处于反向放大状态。其闭环增益为： （2-4-2） 由此可见，当增益为GI1时，输出信号为- , 而当第二种状态时，输出 信号为+ 。这样，由于两个晶体管受到两个相位相反的脉冲控制，使输入信号 的极性不断地“变换”，所以在输出端就得到与输入信号相反的脉冲平衡调制波 调制电路仿真图如下所示：图2-4-3调制电路仿真图 仿真电路（调制电路）产生的波形如图所示：图2-4-4调制电路仿真结果图2.5放大器 由于调制信号的幅值较小不便于后续的测量，要经过放大电路的放大后再送入解调电路。要求的调制信号的参数：调制信号：正弦波.频率500HZ ，幅值0.1v。可知放大5倍，幅值为0.5V，作为解调电路的输入信号。2.6脉冲平衡式解调电路 下图为双极性振幅调制电路的电路图，在这里研究该电路的解调。图为现行较好的脉冲平衡式双开关解调电路，由两个运算放大器和两个电子开关组成。其中，A2为反向放大器，A1位反向加法器。晶体管Q1和Q2是两个电子开关，C为交流耦合电容，起隔直流作用。图2-6-1双极性振幅调制电路电路图反向器A2使A点电压与输入信号反相，B点电压与输入信号相同。由于所有元件全是对称匹配的，所以与也是反相对称的。与是两个极性相反的脉冲序列，其频率和幅值是相同的。由这两个脉冲信号交替控制电子开关。当为正电平，为负电平，即电子开关Q4导通，Q3截止时，O点对地短路，B点电压不能输给A2，P点电压可输给A2,其输出为： （2-6-1） 假设 为正电平，当t从0t1时，输入信号 由包线路1决定，即由正的载波决定。在Q3截止Q4导通的条件下， 首先被A1反相，即A点电压 ，将这个关系带入Uo（t）得到： （2-6-2）可见，输出 也是正值，与 同相位。在A点电压为： （2-6-3）与此同时，控制方波脉冲 Ua与Ub也反向，即Ua为负电平Ub为正电平，电子开关Q3导通，Q4截止。因此P点对地短路，A点电压不能传输给A2，而Q点对地“断路”,B点电压可以传输给A2。所以A2地输出为： （2-6-4）由方程显然可以知道，增益仍然为R6/(R3+R5),与线段1的增益相同。 在电路中，如果取值R6=R3+R5,，则输出曲线与输入信号曲线的包络线相同。而且，由于这是用运算放大器构成的解调电路，所以对小信号也可以得到良好得线性度。 电路中输出所存在的纹波，可以进行适当的滤波。如果输入信号 需要阻抗变换以增加其带负载的能力，可以在A1的前面另外一个缓冲放大器，即为（五）中的放大器。 解调电路的仿真图如下：图2-6-2解调电路仿真图仿真电路（解调电路）产生的波形如图：图2-6-3解调电路仿真结果图2.7低通滤波器低通滤波器的参数：R1=5.1K，C1=200pF，解调信号中的低频信号可以通过。滤除解调信号中的的干扰信号，进而更好的还原出来原来的波形。3、分析误差原因经计算后搭建的电路两路方波幅值相等，相位相反，占空比为50%，与预期效果基本相同，但仍存在一定问题。在设计时临时把场效应管换成9013三极管，由于场效应管有负夹断电压，而三极管只能在PN结呈正电压时才开启，所以要把原来的原理图进行改变，把用于反向导通的二极管换成限制基极电流的限流电阻。3.1三角波的顶端有时会有部分失真 产生原因：通过匹配R、C使理论输出幅值大于运放的线性放大输出范围，而使输出出现非线性失真，如果门限电压选择较高可能会导致无输出或输出错误； 解决办法：选择合适的运放，计算好RC环节，选取合适的电阻与电容，适当减小门限电压。3.2输出方波近似为梯形波 产生原因：由于运算放大器在比较输出时会经过一个线性区，由高向低（后有低向高）的过渡而产生； 解决办法：通过匹配R2与R3可以减小线性区但不能消除。3.3在方波信号接入该电路时出现带负载能力不足现象解决办法：由UA、UB接跟随器以提高其带负载能力。3.4输出信号有毛刺 产生原因：因输入脉冲信号不是标准的方波而是近似梯形波，在线性区会由Q3与Q4同时开的时刻，此时输出会有短暂的低电平毛刺现象 解决办法：输出信号接入低通滤波器根据输出频率算出匹配电阻与电容即可，有源无源滤波器皆可，现象都很好。3.5输出的调制后波形出现相邻波峰幅值不等现象 产生原因：输入含有直流分量，在经调制后与直流分量符号同向的正弦波形幅值变高，与直流分量符号相反的正弦波形幅值变小。而且会有输入越小复制相差越大，的现象。 解决办法：匹配电容滤去部分直流分量，小输入可以先做放大处理，滤波后接入调制电路。4、分析电路实验中产生的故障1、 信号发生器产生的方波信号作为载波信号输入下一级时，发现幅值出现衰减，分析电路原因，是方波信号的带负载能力差，所以在方波信号后面加了一个跟随器，同时，跟随器还有隔离电路的作用。2、 调制后波形有因方波边沿不平滑引起的毛刺现象，最后可以在电路后面加一低通滤波电路可以减小毛刺现象。3、 因输入信号含有直流分量而使调制后波形同一周期的两幅值不等。5、实验小结：本次课程设计让我学到了很多东西，尤其是电路的设计与调试。在课程设计过程中遇到了许多课本上不会出现的问题，比如：波形不是很理想，有毛刺，电路的调试中的故障等，经过老师的指点和同学们的细心研究后都被一一克服。这让我体会到了实践的快乐，这些都是在平时体会不到的。经过了这次的课程设计，我对所学的知识也有了更深刻的理解，比如测控电路的波形的产生，调制和解调等等。整个课程设计的过程都很有趣，不仅让我明白了实践的重要性，更让我体会到了小小的成就感。希望我们能在这次实践的鼓舞和带动下更加认真的学习，更加努力地学习课程知识并且寻找更多