模拟除法器
目 录
一 题目要求与方案论证................................................................................. 2
1.1模拟除法器 . ....................................................................................................................... 2
1.1.1题目要求 . ................................................................................................................. 2 1.1.2 方案论证 . ................................................................................................................ 2 1.2(实训题题目)波形发生器与计数器 . ............................................................................ 2
1.2.1题目要求 . ................................................................................................................. 2 1.2.2方案论证 . ................................................................................................................. 3
二 电子线路设计与实现................................................................................. 5
2.1模拟除法器电路设计 . ....................................................................................................... 5 2.2波形发生器与计数器电路设计 . ....................................................................................... 6
三 结果与分析 ............................................................................................... 8
3.1模拟除法器的实现 . ........................................................................................................... 8 3.2波形发生与计数器的实现 . ............................................................................................... 9
3.2.1波形发生与计数器的实现 . ..................................................................................... 9 3.2.2 实际效果 . .............................................................................................................. 11
四 总结与体会 ............................................................................................. 13 参考文献(撰写格式如下) . .......................................................................... 14 附录 ................................................................................................................ 15 波形发生与计数器焊接PCB 图...................................................................... 16
一 题目要求与方案论证
1.1模拟除法器 1.1.1题目要求
利用变跨导模拟乘法器设计一个除法器。分析电路功能,列出电路的传递函数,并正确选择元件参数。
1.1.2 方案论证
图1 LM741引脚图 图2 模拟乘法器符号
如图1所示,LM741是一个简单的双电源单运放,2号脚为负向输入端,3号脚是正向输入端,4号脚和7号脚分别是电源负端和正端,一般为+12V和-12V 。图2是模拟乘法器的符号,X 、Y 端为电压输入端,K 为乘法器的增益系数,U O 为电压输出端,且满足公式;
U O =KU
X
⨯U Y
根据运放的虚短和虚段的原理,运放的5端和6端得输入的电压信号相等,且流过电阻R 2和电阻R 3的电流相等,将运放的输出信号作为模拟乘法器的其中一个输入信号
u x ,u y 信号有自己输入。利用公式即可得到除法器的结果!即u x
=u o /u y 。u x 即为
运放的输出电压,也就是我们想要的结果!
1.2(实训题题目)波形发生器与计数器 1.2.1题目要求
根据给定的用LM324及其给定参数的电阻、电位器、电容组成的方波-三角波产生电
路原理图及其PCB 板,分析电路结构,要求如下: (1)根据模拟电路和数字电路理论分析电路基本功能,得到方波和三角波频率计算式; (2)用Multisim 软件进行电路仿真,改变电位器的阻值,
查看计数器的
输出状态;并在电容C1为1 , 电位器 阻值为100 和50 时用虚拟示波器记录方波和三角波的波形,并分别记录其频率。 (3)焊接电路并测试。在电容C1为1uF, 电位器R21阻值为100K 和50K 时用数字示波器记录方波和三角波的波形,并分别记录其频率。当计数显示以1HZ 频率时,计下当前电位器的阻值。
1.2.2方案论证
表1 74LS90芯片功能
图3 74LS90芯片
分析74LS90芯片的引脚图和功能表[3]可知。要实现计数功能,必须将74LS90的2、3
引脚中的任意一个和6、7引脚中的任意一个接低电平,剩下的两脚随意接。为此在设计计数部分电路的时候,将2、3引脚和6、7引脚分别连接起来。6、7引脚接低电平,2、3引脚接于有开关控制的高电平。当开关闭合时,2、3引脚接入的是高电平,实现不了计数功能。当开关断开时,2、3引脚接入低电平,满足74LS90芯片要实现计数功能的要求。这样将引脚8、9、11、12通过相应的元器件连接到数码管便可计数了。
对于波形发生器部分,结合模电学习过程中学习到的相关知识,要产生一个矩形波,可在迟滞比较器的基础上,增加一个由Rf 、C 组成的积分电路,把输出电压经Rf 、C 反馈到比较器的反相端。电路图如图4 。
图4 矩形波产生电路
图5 波形转化得到三角波
而三角波部分,可在矩形波产生电路的右侧加接一个形如图5的电路。 要观察产生的矩形波和三角波的波形,可将V0端和U0端分别接到示波器上。为了观察计数功能,必须将波形产生端和计数器端连接起来,这样完整的波形发生器与计数器电路就形成了。而为了观察电阻阻值对波形的影响,可接入一滑动变阻器,通过改变接入阻值来观察波形。
二 电子线路设计与实现
2.1模拟除法器电路设计
10k Ω
图6 模拟除法器仿真图
利用变跨导模拟乘法器设计模拟除法器主要用到了LM741运放和一个变跨导模拟乘法器。
运放的负输入端即6端是一个输入信号u i ,另一个信号输入端在模拟乘法器的y 输入端,模拟乘法器的x 输入端接收运放的输出信号,根据运放的虚短和虚段的原理,运放的5端和6端得输入的电压信号相等,且流过电阻R 可以得到模拟除法器的计算公式:
2
和电阻R 3的电流相等。根据以上原理
u o =
(1+R 2/R 3) u i
Ku
,
r
其中u i 和u r 是输入信号,K 是变跨导模拟乘法器的相乘增益。调节输入信号u i 、u r 和K 的值可以改变输出信号u o 的大小。
2.2波形发生器与计数器电路设计
_5V
本波形发生与计数器的设计可以分为两个部分:波形发生部分及程序计数部分。波形发生部分主要是迷你电路,主要由两个LM324运算放大器构成,分别产生了矩形波和三角波,三角波由矩形波通积分电路得到。图中电位器,通过调节其阻值可以改变矩形波和三角波的频率,通过数字部分的数码显示部分可以直观的观察频率的变化。
数码显示部分主要是数字电路,主要有两片74LS90D 、两片4511BP_5V和两个数码管构成。
分析左侧波形产生部分。在接通电源的瞬间,输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和,那纯属偶然。设输出电压偏于正向饱和值,加到电压比较器同相端的电压为+FVz,而加于反相器的电压,由于电容器C 上的电压Vc 不能突变,只能有输出电压V0通过电阻R19按指数规律向C 充电来建立。显然,当加到反相器的电压Vc 略正于+FVz时,输出电压便立即从正饱和值(+Vz)迅速翻转到负饱和值(—Vz ),—Vz 又通过R19对C 进行反向充电,直到Vc 略负于—FVz 值时,输出状态在翻转回来。如此循环,便形成了矩形波输出。将滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统。比较器输出的矩形波经积分器积分便可得到三角波。
分析右侧计数电路部分。计数部分采用74LS90芯片结合接地电源和接开关的5V 电源来控制完成计数功能。计数器采用下降沿触发计数,当波形达到下降沿时,计数器累加。数码管由00到99进行累加计数。累加速度和左侧波形变化速度保持一致。
根据模拟电路和数字电路理论分析电路基本功能,得到方波和三角波频率计算式:
电路的振荡频率:f 0=
R 164R 19RwC
Z
1
方波的幅值:U 0=-U 三角波的幅值:U lm =-
R 19U Z
R 16
三 结果与分析
3.1模拟除法器的实现
利用变跨导模拟乘法器设计模拟除法器主要用到了LM741运放和以一个变跨导模拟乘法器。
运放的负输入端即6端是一个输入信号u i ,另一个信号输入端在模拟乘法器的y 输入端,模拟乘法器的x 输入端接收运放的输出信号,根据运放的虚短和虚段的原理,运放的5端和6端得输入的电压信号相等,且流过电阻R 可以得到模拟除法器的计算公式:
2
和电阻R 3的电流相等。根据以上原理
u o =
(1+R 2/R 3) u i
Ku
r
,
其中u i 和u r 是输入信号,K 是变跨导模拟乘法器的相乘增益。调节输入信号u i 、u r 和K 的值可以改变输出信号u o 的大小。
表2 模拟除法器的仿真结果
序号(4)
序号(5) 序号(6)
3.2波形发生与计数器的实现 3.2.1波形发生与计数器的实现
(1)在电容C1为1uf , 电位器R 形,并分别记录其频率:
T =4⨯100ms =400ms f =
1T
=2. 5HZ
21
阻值为100k Ω时用数字示波器记录方波和三角波的波
,
图8 R
21
=100k Ω时的波形图
21
(2)在电容C1为1uf , 电位器R 并分别记录其频率:
阻值为50k Ω时用数字示波器记录方波和三角波的波形,
T =2. 5⨯100ms =250ms f =
1T
=4HZ
图9 R
21
=100k Ω时的波形图
(3)当计数显示以1HZ 频率时,计下当前电位器的阻值。
R
21
=120k Ω
图10 f =1HZ 时的波形
3.2.2 实际效果
焊接完成的电路,在接入0.5V 电压下实现计数功能的效果图和多圈电位器的阻值调到50k Ω和100k Ω情况下的波形图如下。
图11电路板实物图
如图12 所示,该图为焊接完成的电路在接入5V 电压下实现的计数功能。实际观察时,可以发现数码管从0计数到99。当按下按钮后, 从0开始重新计数。
如图9和图10分别是多圈电位器的阻值在
50k Ω和100k Ω情况下的波形图。由图9观察可知,此时波形周期T=5.0*50ms=250ms,即其频率为
f=4Hz;而图
10 的波形周期为
图11电路板实物图
T=5.1*100ms=510ms,即其频率为f=1.96Hz。分析 可知,改变多圈电位器的阻值可以改变波形的周期
图12 R
21
=100k Ω情况下波形
图13 R
21
=50k 情况下波形
图14 f =1HZ 的波形图
四 总结与体会
两周的数电实训让我们对数电方面的知识以及芯片74LS138、74LS195D 有了更深的了解,也让我们认识到了数电是怎样运用到实际方面的,在做数电设计时所用到的mulitisim 仿真软件更是做数电设计时必不可少的好助手。这次做的程序计数分频器的结构主要包括一块74LS138芯片和两块74LS195D 芯片,虽然看上去结构有点简单,但它实现的功能却不简单,它可以通过控制开关来实现程序计数的分频,该程序计数分频器可实现2-8的分频,另外做的波形发生器和计数器虽然一半是模拟电路一半是数字电路,但它却让我们看到了模电和数电的融合,这就暗示了我们在学好数电的同时还得学好模电,因为模拟和数字的结合在现在的电子领域中运用非常广泛,学好了数电和模电肯定会在以后的工作中大有帮助的。
参考文献(撰写格式如下)
[1] 康华光,陈大钦等. 电子技术基础模拟部分[m].高等教育出版社,2008 [2] 康华光,邹寿彬等. 电子技术基础数字部分[m].光通信技术,2008
[3] 电子电路计算机仿真设计与分析. [m].Network Communications, 2:1, 2000.85~96 [4] 杨今强等. 全光波长转换技术[m].红外与激光工程,1997
[5] 邵钟浩,张国强等. 全光波长转换技术及其新进展[m].光电子技术,2001 [6] 方捻,黄肇明. 全光波长转换器及其研究进展[m].光通信技术,2002 [7] 杨淑雯. 全光光纤通信网[m].北京: 科学出版社, 2004 [8] 廖延彪. 光纤光学. 清华大学出版社,2006.243~259
[9] 钱士雄等. 《非线性光学原理与发展》[m].上海:复旦大学出版社,2001 [10] 顾畹仪等. 《全光通信网》[m].北京:北京邮电大学出版社,1999
附录
波形发生与计数器焊接PCB 图