南京理工大学EDA1实验报告模电部分.docx
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南京理工大学EDA1实验报告模电部分
EDA课程设计
（一）
实验报告
专业：
自动化
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
摘要
在老师的悉心指导下，通过实验学习和训练，我已经掌握基了于Multisim的电路系统设计和仿真方法。
在一周的时间内，熟悉了Multisim软件的使用，包括电路图编辑、虚拟仪器仪表的使用和掌握常见电路分析方法。
能够运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握EDA设计的基本方法和步骤。
实验一：
单级放大电路的仿真及设计，设计一个分压偏置的单管电压放大电路，并进行测试与分析，主要测试最大不失真时的静态工作点以及上下限频率。
实验二：
负反馈放大电路的设计与仿真，设计一个阻容耦合两级电压放大电路，给电路引入电压串联深度负反馈，，观察负反馈对电路的影响。
实验三：
阶梯波发生器的设计与仿真，设计一个能产生周期性阶梯波的电路，对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。
改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。
关键词：
EDA设计及仿真multisim放大电路反馈电路阶梯波发生器
实验一：
单级放大电路的仿真及设计
1、实验要求
1、设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率5kHz（峰值10mV），负载电阻5.1kΩ，电压增益大于50。
2、调节电路静态工作点（调节电位计），观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。
3、调节电路静态工作点（调节电位计），使电路输出信号不失真，并且幅度最大。
在此状态下测试：
（1）电路静态工作点值；
（2）三极管的输入、输出特性曲线和、rbe、rce值；
（3）电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；
（4）电路的频率响应曲线和fL、fH值。
2、实验步骤
1、设计分压偏置的单级放大电路如图1-1所示：
图1-1、单级放大电路原理图
2、电路饱和失真输出电压波形图
调节电位器的阻值，改变静态工作点，当电阻器的阻值为0%Rw，交流电压源为10mV时，显示饱和失真的波形图如图1-2所示：
图1-2、电路饱和失真输出电压波形图
饱和失真时的静态工作点：
Ubeq=636。
63mv,Uceq=443.586mv,
Ib=635.82uA,Ic=31.48uA
3、截止失真输出电压波形图
调节电位的阻值，改变静态工作点，当电阻器的阻值为100%Rw，交流电压源为20mV时，显示截止失真的波形图如图1-3所示：
图1-3、截止失真输出电压波形图
截止失真时的静态工作点：
Ubeq=597.62mv,Uceq=7.89417v,
Ib=2.822uA,Ic=367.621uA.
4、最大不失真输出电压波形图
调节滑动变阻器和信号源的幅值，并不断观察输出端示波器上的波形，在滑动变阻器划片位于43%的位置并且信号源为12mV时可以得到最大不失真波形，如图1-4所示：
图1-4、最大不失真输出电压波形图
最大不失真时的静态工作点：
Ubeq=615.27mv,Uceq=3.62729v,
Ib=5.113uA,Ic=568.666uA.
β=Ic/Ib=111.22
5.动态分析
5.1测试输入特性
测试放大电路输入特性的电路如图:
所以：
式rbe=
uBE/
IB=1.8553m/595.8599n=3.11kohms
5.2测试三极管输出特性曲线的实验图
拉杆数据：
rce=
uCE/
IC=29.6296m/1.343u=22.1kohms
6.测试最大不失真时电压增益
用开路短路法测量输出电阻，并在原电路图上节点3处加一探针，测量输入电阻。
开路短路法如图1—5.
1—5开路短路法测输出电阻
输出电阻万用表数值：
算得输出电阻为6.973kΩ，Ro（理）=R5//rce=10//22=6.875kΩ
相对误差E=1.43%
原电路图1-1，节点3处的探针：
经计算得到输入电阻为2.044kΩ，Ri（理）=R2//（R1+R3）//r（be）=1.8951kΩ
相对误差E=7.28%
以上误差皆在百分之10以内，可以接受。
由于在仿真的过程中，我选用的并不是理想元件，而是有误差的模拟实际元件，所以也会对实验结果的精确性造成一定的影响。
6、频率特性仿真
对电路中的5节点进行交流分析，可以得到电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图1-6所示：
图1-8、幅频和相频特性曲线
从特性图上可以看出Af的最大值，即maxy为68.9，用maxy的值乘以0.707即得到上下限频率所对应的幅值，约为48.72。
由此可得，下限频率fL=336.1343Hz，上限频率fH=8.0501MHz。
四、实验总结
此次试验，复习巩固了射级放大器的工作原理，使我熟悉了Multisim仿真软件的大致用法，掌握了三种电路分析方法，分别是直流工作点分析、直流扫描分析、交流分析。
可以运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握了EDA设计的基本方法和步骤。
不过实验结果不是很理想，数据的误差较大，连接电路时采用了大量的虚拟元件，导致模拟时最终结果失准，希望在以后的实验中能有所改进。
实验二：
负反馈放大电路的仿真及设计
1、实验目的
1、设计一个阻容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率10kHz（峰值1mv），负载电阻1kΩ，电压增益大于100，了解阻容耦合电路。
2、给电路引入电压串联负反馈,并分别测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。
改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响。
2、实验要求
1.给出引入电压串联负反馈电路的实验接线图。
2.给出两级放大电路的电路原理图。
3.给出负反馈接入前后电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻，并验证AF1/F。
4.给出负反馈接入前后电路的频率特性和fL、fH值，以及输出开始出现失真时的输入信号幅度。
5.分析实验结果
3、实验步骤
设计阻容耦合两级电压放大电路如图2-1所示
图2-1、阻容耦合两级放大电路
引入电压串联负反馈后电路图如图2-2所示：
图2-2、接入电压串联负反馈后电压放大电路
2、频率特性仿真
对阻容耦合两级电压放大电路中的13节点进行交流分析，可以得到接入负反馈前电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图2-3所示：
图2-3、接入负反馈前幅频和相频特性曲线
特性图上可以看出Af的最大值，即maxy为26.58，用maxy的值乘以0.707即得到上下限频率所对应的幅值，约为18.8。
由此可得，下限频率fL=102.7833Hz，上限频率fH=648.9639kHz。
对接入负反馈后的电路中的8节点进行交流分析，可以得到接入负反馈后电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图2-4所示：
从特性图上可以看出Af的最大值，即maxy为10.8，用maxy的值乘以0.707即得到上下限频率所对应的幅值，约为7.6。
由此可得，下限频率fL=49.9985Hz，上限频率fH=1.8168MHz。
3、出现失真时的输入信号幅度
接入负反馈前输出开始出现失真时的输入信号幅度如图2-5所示，约为3mV：
接入负反馈后输出开始出现失真时的输入信号幅度如图2-6所示，约为28mV
总结：
可见加入负反馈后，电路的动态范围增大，即电路可不失真放大的最大信号幅度增大。
负反馈可以减缓失真。
4、测量输入电阻
按图2-7，图2-8所示连接电路，分别测出输入电压Ui、输入电流Ii，输入电阻即为Ri=Ui/Ii，从而可分别算出引入负反馈前后的输入电阻。
a）未引入负反馈的输入电阻
如图2-7所示，测得输入电压Ui=1V，输入电流Ii=235nA，则Ri=Ui/Ii=4.3
。
图2-7、测量无负反馈时的输入电阻的探针显示值
b）引入负反馈后的输入电阻
如图2-8所示，测得输入电压Ui=1mV，输入电流Ii=173nA，则Ri=Ui/Ii=5.8
。
图2-8、测量有负反馈时的输入电阻的探针显示图
总结：
电压串联负反馈的引入，使得输入电阻增大。
5、测量输出电阻
按图2-9，图2-10所示连接电路，将电压源电压设置为零，在输出端加上一个电压源，分别测出输出电压Uo、输出电流Io，输出电阻即为Ro=Uo/Io，从而可分别算出引入负反馈前后的输出电阻。
a）未引入负反馈的输出电阻
如图2-9所示，测得输出电压Uo=505.73mV，输出电流Io=167.7672uA，则Ro=Uo/Io=3.01
。
图2-9、开路短路法测量无负反馈时的输出电阻的万用表数值
b）引入负反馈后的输出电阻
如图2-10所示，测得输出电压Uo=15.782mV，输出电流Io=38.654uA，则Ro=Uo/Io=408
。
图2-10、开路短路法测量有负反馈时的输出电阻的万用表数值
总结：
电压串联负反馈的引入，使得输出电阻减小。
6、测量放大倍数
分别测出输入电压Ui、输出电压Uo，放大倍数即为Au=Uo/Ui，从而可分别算出引入负反馈前后的电压放大倍数。
a）未引入负反馈的放大倍数
如图2-11所示，测得输入电压Ui=1mV，输出电压Uo=131.596mV，则Au=Uo/Ui=131.6。
图2-11、测量无负反馈时的电压放大倍数的电路图
b）引入负反馈后的放大倍数
如图2-12所示，测得输入电压Ui=1mV，输出电压Uo=11.279mV，则Au=Uo/Ui=11.3。
图2-12、测量有负反馈时的电压放大倍数的电路图
总结：
电压串联负反馈的引入，使得电压放大倍数明显减小。
7、AF1/F的验证
由于电压串联负反馈电路的AF=Auuf=Uo/Ui、F=Fuu=Uƒ/Uo，因此，需要测量输出电压Uo、输入电压Ui、反馈电压Uƒ。
测得Ui=1mV，Uo=11.279mV，Uƒ=953.458uF，则AF=Auuf=Uo/Ui=11.279，1/F=Uo/Uf=11.83，误差E=5%,AF1/F成立。
4、实验小结
本实验通过对二级阻容耦合放大电路引入电压串联负反馈前后进行电路仿真，由实验结果可以得出这样的结论：
引入电压串联负反馈，会减小电路的电压放大倍数，并增大电路可不失真放大的最大信号幅度，减小非线性失真；引入电压串联负反馈，会展宽了通频带，增大输入电阻，减小输出电阻。
最后通过测量计算验证了AF1/F的结果。
负反馈放大电路的设计与仿真实验比较简单，实验中并没有太多复杂的计算与推到。
但是我从这次的实验中提升了概括能力，由表及里，抓住现象看本质，我想这才是我们做实验最终的目的吧！
实验三：
阶梯波的仿真及设计
一、实验目的
1、设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在20ms左右，输出电压范围10V，阶梯个数5个。
（注意：
电路中均采用模拟、真实器件，不可以选用计数器、555定时器、D/A转换器等数字器件，也不可选用虚拟器件。
）
2、对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。
3、改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。
二、实验要求
1给出阶梯波发生器实验原理图，图中器件均要有型号和参数值标注。
2介绍电路的工作原理。
3给出电路的分段测试波形和最终输出的阶梯波，并回答以下问题：
（a）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？
（b）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？
3、实验步骤
1、实验原理框图如图3-1所示
图3-1、实验原理框图
为了设计一个负阶梯波发生器，首先考虑由一个方波电路产生方波，其次，经过微分电路输出得到上、下都有的尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再通过积分电路后，因脉冲作用时间很短，积分器输出就是一个负阶梯。
对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器的输出不变，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来的基础上进行积分，因此，积分器就起到了积分和累加的作用。
当积分累加到比较器的比较电压，比较器翻转，比较器输出正值电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。
同时，这正值电压使电子开关导通，使积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波输出。
积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关截止，积分器进行积分累加，如此循环往复，就形成了一系列阶梯波。
产生阶梯波电路原理如图3-2所示：
图3-2、产生阶梯波电路原理图
2、方波发生器原理图如图3-3所示：
图3-3、方波发生器原理图
图3-3为方波发生器，首先使用一个运放构成滞回比较器，其上下门限电压为UT=+_R3/（R2+R3）UZ。
再由C1和R4发生多谐震荡信号，由滞回比较器的特性曲线可得运放输出的波形为方波，并可以求得周期T=2R4C1*In（1+2R3/R2）。
可以调整C1和R4的电容或电阻值来改变方波的周期。
方波的周期即为后面阶梯波每一级之间的时间间隔，因此，调整准方波的周期对于整个阶梯波发生器电路来说是非常重要的。
其产生的波形如图3-4所示：
图3-4、方波波形
3、方波发生器+微分电路原理图如图3-5所示：
图3-5方波加微分电路原理图
微分电路由电容C2和电阻R5构成。
由方波发生器产生的方波信号，经过微分电路变为了一个个向上或向下的脉冲波形
其产生波形如图3-6所示：
图3-6、方波加微分电路产生波形
4、方波发生器+微分+限幅电路原理图如图3-7所示：
图3-7、方波发生器+微分+限幅电路原理图
限幅电路由一个二极管构成，所利用的就是二极管的单向导电性。
经过限幅电路，我们将上一步微分电路所得的尖脉冲波形的负半周滤掉，得到单边尖脉冲波形。
如果不滤去负半周的尖脉冲信号，我们后面所得到的波形将仍然是一个方波，而无法得到阶梯波。
其产生的波形如图3-8所示：
图3-8、方波加微分加限幅电路产生波形
5、方波发生器+微分+限幅+积分累加电路原理如图3-9所示：
图3-9、方波加微分加限幅加积分累加电路原理图
积分电路可将前一步所得到的尖脉冲信号进行积分，得到一级级下降的阶梯信号。
阶梯波每一级下降的高度与R6和C3成反比，由此可以通过调节R6和C3的数值来调整阶梯波每一级高度
其产生的波形如图3-10所示：
图3-10、方波加微分加限幅加积分电路产生波形
6、阶梯波
由于要求不断产生阶梯个数为5个的阶梯波，所以需要在积分电路输出端电压下降到某一值时使其发生跳变，这一功能可以用比较器和电子开关来实现。
完成以上步骤后，按照图3-2连接好电路图，即可产生阶梯波，如图3-11所示，阶梯波周期约为20ms,电压变化范围在10V左右，阶梯个数为5个。
图3-11阶梯波形图
四、实验分析
1.调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的周期？
阶梯波是由单边正尖脉冲通过积分累加得到，而单边正尖脉冲又是通过方波经过微分、限幅达到的，所以阶梯波的周期取决于方波发生器所发出的方波的周期。
方波周期的公式:
T=2R4C1*In（1+2R3/R2）
因此，改变R4、C1和R2、R3的值均可以改变阶梯波的周期。
当然，改变阶梯波的输出电压范围和阶梯个数也是会改变阶梯波的周期的。
A、C1变为原来的2倍：
可见周期也变为原来的2倍。
B、R4变为原来的2倍时：
周期也变为原来的2倍。
C、R3变为1000倍时：
周期也变为原来的8.53倍。
D、R2变为原来的1/1000倍时：
周期也变为原来的8.5倍。
E、C3变为原来的2倍：
可见周期也变为原来的2倍。
F、R1变为原来的10倍：
周期变大
G、R6变为原来的5倍：
周期变大。
F、当把稳压管由IN749A改为IN4372A时：
周期变大。
通过分析以上两个二极管的型号得出影响波形图的主要原因是二极管的稳压值变化了IN4372A的稳压值是3.011V而IN749A得稳压值是4.318V。
所以D1D2的稳压值与输出波形的阶梯个数成反比。
2.调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？
输出电压的范围是由比较器控制的，取决于比较器U3正向输入端所输入的参考电压。
A、C2变为原来的4倍：
可见：
输出电压幅值变大，周期变小了。
B、R5变为原来的10倍：
可见：
输出电压幅值变大且周期变小。
C、R10变为原来的2倍：
输出电压幅值变小，周期变小
D、R11变为原来的2倍：
幅值变大，周期变大
五、实验小结
阶梯波发生器电路比较复杂，在设计时采用了模块化、结构化的设计思想，使得我在设计电路时思路比较清晰，设计出的电路也便于理解。
同时在电路调试过程中，出现了问题也便于对电路进行检查。
本次实验中的元器件的值都很敏感，只要稍微变一下产生的波形就会发生变化，所以本次实验的难点是选择好每个元器件的型号以及值。
耐心细致的态度是做好本次试验的关键。
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