电子系统综合设计

一、 实验目的：

本次电子设计要求学生自行完成脉宽调制法电容/电压(C/V)转换器电路设计和方波-三角波发生器电路设计，并运用电子仿真软件multisim对所设计的电路进行分析、测试，直至测试结果符合设计要为止，使学生了解、掌握电子仿真软件multisim的应用，并通过仿真软件的仿真结果，使学生进一步掌握脉宽调制法电容/电压(C/V)转换器和方波-三角波发生器的电路设计思路、电路结构、元器件参数的选取及计算过程，最后根据电路原理图进行电路板焊接和调试，对模拟仿真结果进行验证，从而为学生以后的科研工作打下一个坚实的基础。

二、实验器材：

电脑一套，multisim仿真软件一套。

三、 实验进度安排：

(1) 根据所给题目要求，自行设计电路原理图，并对电路设计原理进行分析。

(2) 运用multisim仿真软件对电路进行仿真，用虚拟示波器观察各点波形，根据波各点波形对器件参数进行适当的修改，直道测试结果满意为止，从而加深了学生对电路设计原理的进一步掌握。

(3) 按照电路原理图焊接电路、调试电路，用示波器观察各点波形，分析测得波形与虚拟示波器观察各点波形是否一样。

四、 实验内容：

实验一、方波-三角波发生器仿真分析

实验二、脉宽调制法电容/电压(C/V)转换器仿真分析

五、 实验原理：

实验内容一、方波-三角波发生器仿真分析：

 设计要求：

设计振荡频率为设计振荡频率为500Hz的方波-三角波发生器，要求方波输出电压为±12V，三角波输出电压为±6V。

要求写出设计思路、电路结构、元器件参数的计算过程，运用multisim仿真软件对所设计的电路进行分析、测试；若测试结果不满足设计要求，调整电路结构或改变电路元器件参数，直至测试结果符合设计要求。

 设计思路：

设计波形发生器电路通常考虑两个方面的因素：一是选择什么样的输出波形电路，其次是确定该电路的振荡频率。对于10KHz以下的振荡电路，通常对器件（即运放性能）要求不高，选择余地较大。当要求的工作频率较高时，需要考虑性能较好的专用集成运算放大器。在确定振荡频率时，应先选择积分电容的大小，一般在0.01uF--0.33uF之间，然后再确定电阻的大小，一般在几kΩ-100kΩ之间。

 确定电路形式：

一般来说，方波-三角波发生器是由一个迟滞比较器和一个积分电路组成，电路框图和电路设计原理图如图1和图2所示：

图1电路框图

 电路设计原理图：

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图2电路原理图

计算元器件参数：

所以三角波最大输出电压为：

由此可以得到：

若取,则;取的电位器；平衡电阻。

根据方波—三角波的频率公式：

可以得到：,取

取,的电位器，平衡电阻为.

其中：图中的=20K电位器是调节三角波幅值的， =10K电位器是调整频率的。

 选取元器件，画电路图，进行仿真分析，仿真结果如图3所示：

图3仿真波形

由分析结果可知：

方波-三角波的频率：。

三角波的幅值： 。

方波的幅值：,这是所以运放的输出级NPN和PNP两种晶体管组成复合互补电路，输出方波时，两个管子交替导通，所以导通是输出电阻的影响，使方波的输出幅度小于电源电压值。可以提高直流电源，使,。

（二）、脉宽调制法电容/电压(C/V)转换器仿真分析

题目设计要求：利用脉冲宽度调制法(简称脉宽调制法，英文缩写为PWM)可以测量电

容量。首先利用被测电容Cx的充放电过程去调制一个频率和占空比均固定的脉冲波形，使其占空比D与Cx成正比，然后经过滤波电路取出直流电压/Vo，送至A/D转换器中。显然测量电容量的转换过程为：Cx↑→D↑→/V↑，反之亦然，由此可完成C/V转换，将被测电容量转换成直流电压，实现对电容量进行数字化测量的目的。

设计思路：如图4所示，给出了专配3½位数字电压表的五量程电容测量电路。S为量程转换开关。5个电容档依次为2000pF、20nF、200nF、2uF、20uF，可以测量1pF~20uF的电容量，准确度为±2.5%，最高分辨率达1pF。IC采用一片CMOS双定时ICM7556，它具有输入阻抗高、微功耗、电源电压范围宽(3~18V)、适合在低压条件下工作等优点。ICM7556片内包含两个相同的定时器ICa、ICb，二者共享一套电源。定时器采用负逻辑电路，每个定时器内包括比较器A、比较器B、RS触发器、反相器F1~F3，放电管(NMOS场效应管)，还有3只阻值相同的电阻R。

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图4五量程电容测量电路

ICM7556采用DIP-14封装，VDD为正电源端。以定时器ICa为例(对应于8~13脚)，各管脚的功能如下：

TRIG(8)–触发端。TRIG=1时输出端为低电平，TRIG=0时输出端呈高电平。

Q(9)–输出端(OUT2)。负载电阻可接在Q与VDD之间，也可接在Q与VSS之间，最大输出电流为200mA。

R(10)–复位端。当R=0时Q=0，R=1时ICa可正常工作。

CVolt(11)–控制电压端。为减少外界干扰，通常在此端与VSS之间接0.01uF的高频滤波电容.

THR(12)–阈值端，亦称门限端。作信号发生器使用时在THR与VSS之间接定时电容，并将TH2端与/TR2端短接。一旦ICa被触发到高电平状态，THR端就监测定时电容上的电压Vc，当Vc≥2/3VDD时，迫使ICa输出低电平。

DIS(13)–放电端。Q=0时，定时器电容通过放电管放电。Q=1时此端开路，VDD经外部定时电阻给定电容放电。

由ICa和外部定时电阻R5、R6定时电容C6(或C7)构成的脉冲发生器电路如图5所示。

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图5脉冲发生电路

图6A点波形

图7B点波形

其工作原理分析如下：

通电后，VDD经过R6、R5向C6充电。当Vc≥2/3VDD时，内部比较器A翻转，RS触发器R=1(高电平)，S=0(低电平)，将触发器置“0”，经过内部F1和F2两次反相后，使Q=0。与此同时，F1输出的高电平还使NMOS管导通，C6经过NMOS放电管和R5放电。当Vc≤1/3VDD时，比较器A再次翻转，R=0，S=1，将触发器置“1”，因为F1输出低电平，令NMOS管截至，故VDD再次对C6或C7充电。如此循环往复，随着C6或C7的充、放电过程，从第9脚(Q)就输出连续的脉冲波形。震荡频率及波形占空比由下式而定

(1) (2)将C6=0.01uF，R6=150K，R5=300K一并带入式(1)中得到f1=200Hz，对应于周期T1=1/f1=1/200=5ms。若将C6改作C7(0.1uF),则f2=20Hz,T2=50ms.

由式(2)不难看出，占空不比D与定时电容(C6或C7)无关，占空比固定为

D1=（150K+300K）/（150K+2x300K）x100%=60%

需要指出，所以电容测量范围较宽(0~20uF)，为使触发脉冲的周期能覆盖所有量程，脉冲发生器设置两套。2000pF~2uF量程选定时电容C6=0.01uF，对应于T1=5ms；20uF量程的定时电容C7=0.1uF，对应于T2=50ms。前者适于测量小电容，后者专用于测较大电容。

ICa输出的脉冲经C8隔断直流分量，送至ICb的第6脚(TRIG)。

定时器ICb对应于2~6脚，它与被测电容Cx、R1(或R2、R3、R4)等组成单稳态电路。

2000pF档的简化电路见图8所示。

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图82000pF档电路

图9C点波形

图10D点波形

利用Cx的充、放电过程来对脉冲宽度进行调制。电路的工作过程分析如下：

当正脉冲加至TRIG(6)端时，内部RS触发器R=1，触发器置“0”，此时NMOS放电管道通，Cx放电，单稳电路处于稳态。当负脉冲来到时电路进入暂态，所以内部RS触发器置“1”NMOS管截至，Cx又开始充电，Vc逐渐升高。当Vc≥2/3VDD时，内部RS触发器置“0”NMOS管道通，Cx再次放电，电路又恢复稳态。显然，Cx愈大，充电时间愈长。被调制后的脉冲波从Q(5)端输出。

仍以2000pF档为例，取R1=1M，Q(5)输出脉冲宽度为

（3）

脉冲占空比

(4)

式4中Cx单位为(F)。显然，当Cx=0时，D2=0；当Cx=2000pF=2x10-9F时，D2=44%，D2与Cx成正比。

Vo2经过滤波电路取出直流电压/Vo，送数字电压表中A/D转换器，而/Vo与Cx成正比。这就是脉宽调制法的基本原理。

图1中R7、RP1和R8为Q端的负载电阻兼分压电阻，调整RP1(2K)可对电容档进行满量程校准，对应于Cx=2000pF，使/Vo=200mV。

所以C/V转换器本身存在失调电压Vos，会导致不测电容时仪表在个位甚至十位上出现非零值，因此必须增加手动调零电路，由R14、RP2组成。RP2即是调零电位器(ZEROADJ)。R14的上端V-，由电位器RP2(2K)的滑动触头上可获取某一负压-Vo。适当调节RP2，使│-Vo│=Vos，Vos+(-Vo)=0,即可实现零点补偿，在未接Cx时/V=0，仪表显示为零。使用数字电容表时，每次测量之前应调整RP2，使读数为零，方可进行测量。特别是更换电容档时，所以各档的失调电压相差较大，必须重新调零。具体方法是在未接入电容时调整RP2，使仪表显示值为000。此外，20uF档的时间常数较大，测量大电容时须经历较长时间才能得到稳定读数。

图1中，R9、R10为偏置电阻，实取R9=R10=100K，无触发信号时可将TRIG(6)端的电位偏置在(V+-Vcom)/2上。C9、R11、C10、R12、C11构成两级π型阻容滤波器。对于20nF~20uF档，被测电容Cx还分别与补偿电容C1~C3相并联。以20nF档为例。Cx||C1=Cx+220pF。式3变成

(5)

对2000pF档而言，R1的下端未接补偿电容。20uF档与2uF档共享一只补偿电容C3(0.02uF)。

在20uF档测10uF电容时，用multisim仿真软件仿图1中A、B、C、D、E各点的波形如图6、图7、图9、图10和图11所示。

图11E点波形

使用脉宽调制法测量电容也存在不足，就是每次测量前均需手动调节电容档的零点，使显示值为零。

#08级--电子系统综合设计实验指导书终稿#