摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科技水平的不斷提升，計(jì)算機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在大中專院校的實(shí)驗(yàn)課程改革當(dāng)中也逐漸開始利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來管理教學(xué)與輔助實(shí)驗(yàn)。大中專院校的實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)與科研的重要場(chǎng)所，受到大中專院校擴(kuò)招、學(xué)生人數(shù)不斷增加的影響，實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)教師和學(xué)生之間的比例也有所提高，模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，在減輕教師工作強(qiáng)度與壓力的同時(shí)，給學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)了解實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)用知識(shí)、提高實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)技能等提供了極大的便利，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。將對(duì)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做出淺要的分析。

關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù)；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；信號(hào)源

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要組成部分包括：輔助電源、簡(jiǎn)易信號(hào)源、直流電壓電流表、二極管、三極管伏安特性測(cè)定單元以及單管共射共基放大電路多級(jí)放大電路負(fù)反饋放大電路模塊、分立元件和集成功率放大器模塊、差動(dòng)放大集成運(yùn)放線性非線性應(yīng)用模塊、整流濾波和直流穩(wěn)壓電源模塊、測(cè)量單元以及功能擴(kuò)展區(qū)。

一、簡(jiǎn)易信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案

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

1.直接數(shù)字頻率合成方案的確定

在DDS中由RAM來對(duì)輸出波形的完整周期與幅度值進(jìn)行有序的存放，在RAM地址發(fā)生變化的情況下DAC會(huì)把該波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(duì)波形在RAM中的地址進(jìn)行控制時(shí)采用了相位累加技術(shù)，在產(chǎn)生RAM順序地址的過程當(dāng)中利用加法器代替了計(jì)數(shù)器，存在于相位遞增寄存器（PIR）當(dāng)中的常數(shù)在每一個(gè)時(shí)鐘周期都被加到相位累加器的結(jié)果當(dāng)中，并以其輸出的最大有效位數(shù)來對(duì)波形在RAM中的具體地址做出確定。每個(gè)周期當(dāng)中的點(diǎn)數(shù)會(huì)隨著PIR常數(shù)的改變而發(fā)生變化，從而使整個(gè)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(huì)隨著下一個(gè)時(shí)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(dāng)PIR數(shù)值過小或較大時(shí)，相位累加器會(huì)分別以一步步經(jīng)過每個(gè)RAM地址、跳躍某些RAM地址的方式來進(jìn)行RAM地址的改變。DDFS彌補(bǔ)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(yīng)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(shí)和頻譜純度、頻率分辨率之間互相獨(dú)立、互不干擾。由于DDFS主要依據(jù)時(shí)鐘相位特性來判斷相位誤差，使得其相位誤差相對(duì)較小，且連續(xù)變化的相位能夠形成具有良好頻譜的信號(hào)。由此可以確定DDFS方案是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易信號(hào)源設(shè)計(jì)要求的最佳方案。

2.簡(jiǎn)易信號(hào)源的設(shè)計(jì)內(nèi)容

首先要在波形頻率范圍為20Hz-20kHz且步進(jìn)為10Hz的條件下根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出相位累加器的時(shí)鐘頻率和頻率步進(jìn)，從而確定D/A轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us且輸出頻率為1MHz的情況下能夠輸出64個(gè)樣點(diǎn)，并利用單片機(jī)對(duì)控制信號(hào)、數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，以CPLD為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。D/A轉(zhuǎn)換是保證幅度可調(diào)節(jié)與任意輸出的必要條件，從而對(duì)信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓進(jìn)行控制，在本系統(tǒng)當(dāng)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(yùn)放TL084和1MHz的截止頻率、20KHz以內(nèi)的幅度平坦來確保信號(hào)的平滑，同時(shí)可選用波形失真小、頻率特性好、電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)大的OCL功放電路來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅輸出。

二、直流電壓電流表的設(shè)計(jì)方案

積分式直流數(shù)字電壓表借助積分器將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時(shí)間，而后再由時(shí)間轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量來計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)包括脈沖計(jì)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(gè)模塊。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用以雙積分作為核心的電路實(shí)現(xiàn)，由控制電路將前置放大與整形后的待測(cè)電壓信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為2V與200mV量程，而后使用定時(shí)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(jìn)一步提高，處理采用了數(shù)字濾波與軟件補(bǔ)償，并利用單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)來實(shí)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(gòu)成的直流數(shù)字電壓表主要包括基準(zhǔn)電壓、積分器、模擬開關(guān)、邏輯控制電路、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、電子計(jì)數(shù)器等組成部分，工作過程包括準(zhǔn)備、采樣與比較階段。在準(zhǔn)備階段當(dāng)中由邏輯控制電路輸出相關(guān)指令，在積分器輸入電壓為零的情況下計(jì)數(shù)器復(fù)零，使得整個(gè)電路進(jìn)入休止?fàn)顟B(tài)。在采用階段由抽樣啟動(dòng)器將時(shí)間指令輸出到邏輯控制電路來使主門開啟，同時(shí)使時(shí)鐘脈沖發(fā)生器起振并輸出相應(yīng)頻率的時(shí)鐘脈沖，而后借助主門加到電子計(jì)數(shù)器中來進(jìn)行計(jì)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(cè)量電路有兩個(gè)積分周期，分別對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)積分、對(duì)基準(zhǔn)電壓定值積分，并通過二者之間的比較來獲得測(cè)量結(jié)果。

2.電路和程序的設(shè)計(jì)

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

（2）程序的設(shè)計(jì)。軟件使用了16位單片機(jī)80C196KB，主要包括軟件定時(shí)并完成電容的定時(shí)、放電來給被測(cè)電壓進(jìn)行充電、對(duì)計(jì)數(shù)器閘門進(jìn)行開啟和模擬開關(guān)的轉(zhuǎn)換，以確?；鶞?zhǔn)電壓在放電至零電壓后翻轉(zhuǎn)過零比較器，出現(xiàn)中斷信號(hào)并使中斷處理程序在鎖存計(jì)數(shù)脈沖后進(jìn)行讀數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的比例來對(duì)電壓值進(jìn)行計(jì)算。在顯示電壓與真實(shí)值存在誤差的情況下采取線性插值法來做出軟件補(bǔ)償，從而使其達(dá)到相關(guān)精度指標(biāo)的要求。

三、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

1.二極管的伏安特性。二極管的陰極電位低于陽(yáng)極電位時(shí)稱之為二極管正向偏置，即正偏；反之，當(dāng)二極管的陰極電位高于陽(yáng)極電位時(shí)被稱為反向偏置，即反偏。二極管的反偏截止與正偏導(dǎo)通特性是單向?qū)щ娦浴６O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(dāng)量，在室溫27℃下為26mV），根據(jù)公式所計(jì)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(shè)計(jì)。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(duì)集電極電流的較大變化進(jìn)行了控制。三極管中各電極電流、電壓間的關(guān)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(dāng)中信號(hào)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(diǎn)，可用作高輸入電阻的輸入級(jí)、低輸出電阻的輸出級(jí)和多級(jí)放大電路的中間級(jí)。

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

5.集成運(yùn)算放大器。在運(yùn)放低頻小信號(hào)時(shí)可視為理想化的集成運(yùn)放，理想集成運(yùn)放線性應(yīng)用具有虛短、虛斷的特性。通常線性集成運(yùn)放在負(fù)反饋的電路組態(tài)下可被應(yīng)用在放大、運(yùn)算等線性應(yīng)用電路當(dāng)中，非線性集成運(yùn)放在正反饋、開環(huán)的電路組態(tài)下可應(yīng)用于信號(hào)轉(zhuǎn)換與比較、產(chǎn)生、自動(dòng)和測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中。

6.功率放大電路。按照信號(hào)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(shí)電路負(fù)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(fù)載上所得到的有用信號(hào)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(chǔ)上濾掉脈動(dòng)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(dāng)中，可以借助差動(dòng)放大器來作為比較放大器對(duì)零點(diǎn)漂移進(jìn)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(gòu)成基準(zhǔn)電壓源電路來對(duì)電源的穩(wěn)壓系數(shù)進(jìn)行提升，為避免調(diào)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(hù)電路的措施。

四、總結(jié)

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要為了讓學(xué)生了解電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)的基本技能，使學(xué)生在對(duì)模擬電路理論做出深刻了解的基礎(chǔ)上提高自身的觀察能力、動(dòng)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(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)化組合，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容信息化、現(xiàn)代化與綜合化的重要體現(xiàn)。本文對(duì)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，通過對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的借鑒來設(shè)計(jì)出更加適合大中專院校學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)于高級(jí)技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)、學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力的提升、高校教學(xué)質(zhì)量的提高都具有十分重要的意義。

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編輯 張珍珍