电工电子实验连续时间系统与模拟混合电路的设计

1/2 74LS393
双4位二进制计数器
3
1 CPQ10
4
Q11
2
Q12 5 CR Q13 6
四2输入异或门 1 +3 2 4 +6 5
9
13
11
CP Q20
10 Q21
9 12 Q22
12 & 11
13
9
+8 10 12
+ 11 13
CR 8
&8
Q23
10
F
1/2 74LS393 双4位二进制计数器
18
• 输出波形示意图
19
设计过程
1、D/A转换器工作原理
倒梯形电阻网络D/A转换器 d0~d3:输入的二进制代码；S0~S3：模拟开关
20
iΣ =
I 2
d3
I 4
d2
I 8
d1
I 16
d0
V0= -R iΣ =
VREF 24
(d3 23
d222
d121 d0 20 )
第n位输入的倒梯形电阻网络输出模拟电压V0为：
28
波形控制电路： 在开关K2K1的控制下，实现三种不同波形的输出。 K2K1＝01时，转换器输入的二进制数为加法计数;
K2K1＝10时，转换器输入的二进制数为减法计数； K2K1＝11时，转换器先输入加法计数结果，然后输入 减法计数结果。 由7486异或门实现： A 0 A A 1 A 计数器输出与“0”异或，实现加计数（正斜率波形）； 计数器输出与“1”异或，实现减计数（负斜率波形）； 为实现先加后减（三角波）则通过组合电路，使其先加 后减。
采用器件： LM324、DAC0832、XC3S50AN各一片
时钟可由数字实验箱提供
24
•
单元电路设计
D/Awenku.baidu.com换：
由DAC0832完成。因16个台阶，可用4位二进制数。 根据输出电压要求选定数字输入端。
输出电压计算公式：
V0
VREF 256
Dn
其中：VREF参考电压，Dn是二进制数转换为等值的十进制数。 显然，4位二进制数接在不同的数字输入端，转换的Dn值不同， 输出电压也就不同。
3
• 在Multisim 11软件中，运用其控制器件 库所提供的加法器、积分器、比例放大 器等模块可简便、有效地用于构成系统 模拟电路，实现系统仿真分析。使得这 种仿真过程变的更为简便，有效。
• 本次实验要求运用Multisim 11仿真软件 对教材P17的图2-14和图2-15电路的传输 特性（幅频特性、相频特性）分别作时 域求解和复频域（系统模拟）求解并比 较结果。
同时，因运放的反相作用，第一个运放的 输出实际是负电压。故增加第二个放大倍数 ≤|1| 的运放，使输出电压再次反相并通过电位 器Rf的调节使输出幅度满足等于2V的要求。
27
计数器：
使用双四位二进制计数器74LS393中的第 一个计数器对时钟计数，得到16个二进制 数，为数模转换器提供4位二进制数。下降 沿触发。 每个二进制数对应输出信号中的一个台阶。 将此信号直接送去D/A转换可获得正斜率 的阶梯波。
例：输入的二进制数为“1111”，当接在D0~D3端时， Dn=23+22+21+20=15,若VREF为5V时，V0＝-(5/256)*15=-0.29V;
接D3~D6端时，Dn=26+25+24+23=120,V0=-2.34V(输出电压也不能
太大，要考虑运放的饱和失真)
25
实验电路
16kHz
例放大器模块的输出用加法器求和后成为系统输 出（只有一项时不用加法器）。分母是负反馈项， 其系数（比例放大器的输出）正、负异号后送输 入端加法器。
– (5)分母中为1的常数项不用任何运算模块 Ø 启动Multisim 11演示系统模拟
8
（四）图5.57 二阶带通电路
时域电路：
复频域电路：
L
复频域
R
R
1
C
SC
L
SL
6
（二） 把传输函数化成Multisim所需的标准形式
– (A)真分式：算 子S 在分子的幂 次不高于分母的 幂次。
– (B)因需用积分 器仿真，算子S 应化成S -n 形式。
– (C)分母的常数 项化成1。
例如：
H(S)
S
R1CS 2
1
R1 R2
S
R1 L
1
S
R1C
29
整个控制电路由7486、7400、74393中另一个计数器完成
逻辑电路真值表
逻辑 电路 Q20 K2 K1 输出
F
说明
0 00
φ
题意无要求，任意 输出
0 01 0
正斜率阶梯波
0 10 1
负斜率阶梯波
0 1 1 0 正斜率的阶梯波
题意无要求，任意 1 00 φ
输出
1 01 0
正斜率阶梯波
1 10 1
连续时间系统模拟 数字与模拟混合电路的设计
连续时间系统的模拟（P17页1）
实验目的： 1、学习如何根据给定的连续系统的传输函 数，用基本运算单元组成模拟装置 2、掌握将multisim软件用于系统模拟的基 本方法
1、基本概念
Ø 求解系统响应的问题，实际上就是求解微分方程的 问题。一些实际系统的微分方程可能是高阶方程或 是一微分方程组。在电学中，系统的模拟就是用由 基本运算单元电路组成的模拟装置来模拟实际系统。
负斜率阶梯波
1 11 1
负斜率阶梯波
异或门电路的特性：
A0 A A1 A
Q20 K2K1 00 01 11 10 0 φ0 0 1 1 φ0 1 1
F K2Q20 K1 K2 Q20 K1
30
建议实验时： Ø先实现数字电路部分，示波器检 查四路输出波形是否正常。K1K2 能否控制。 Ø然后连接DAC0832和LM324，实 现最终结果。 注：DAC0832的11、12脚观测不到 波形
V0=
VREF 2n
(d n1 2n1
dn2 2n2
... d1 21
d0 20)
=
VREF 2n
Dn
dn是二进制数(0或1)
Dn是二进制数转换为等值的十进制数。
输出的模拟电压正比于输入的数字量
D/A转换的每一台阶电压幅度由已使用的最低位决定
21
2、八位D/A转换器DAC0830/0831/0832系列
片选
写入 模拟1地
数字 输入 参考电压
管脚图及引脚功能：
电源
输入锁 存允许
写入 2
转移 控制
数字输入
反馈
电阻 数字地
电流输出2
电流输出1
22
3、应用提示
l 所有不用的数字输入端应连到VCC或地，如果
悬浮，则将该引脚作为逻辑“1”处理。
l 单级性输出
V0
VREF 256
Dn
23
4、设计提示 组成框图：
3+
11
R1
10k
-5V
Rf
10k
6-
7
5+
out
R2 4.7k
26
输出电路：
由LM324完成。考虑输出电压可从0V调到 2V。也可控制数模转换器的参考电压进行调 节。
第一个运放的作用是将DAC0832的电流输 出转换成电压输出，由于D/A转换的每一台阶 电压幅度为156.25mV，第16个台阶将达2.34V， 超出输出幅度等于2V的要求。
1
R1 R2
1 S
R1 LS 2
1 S1
R1C
1
1 R1C
1 R2C
S1
1 LC
S2
7
（三）在Multisim下构建系统模拟电路 Ø 应遵循以下几个原则:
– (1)系统模拟电路输入端必用加法器模块对输入信 号和反馈信号求和，加法器输出送积分器模块。
– (2)根据S 的最高幂次n，取出n个积分器模块串接。 – (3)每个算子S的系数使用比例放大器模块。 – (4)传输函数H(S)的分子是输出项，分子中各项比
31
使用原理图输入方式实现数字部分的设计
控制电路
32
FPGA加测试激励代码
与图形中时钟名称一致 与图形中按键名称一致
开始加计数
控
制
电
路
仿
开始减计数
真
波
形
开始减计数 开始加计数
34
谢 谢！
35
5.6mH 0.1F R
V1
20Ω
V2
5.6S 103 107 R
V1(S)
S 20
V2(S)
H10 (S )
V2 (S) V1 ( S )
SL
R 1
R
SC
1.7857S
2
3571.4S 1 109 3571.4S
1
1
13
(二)可编程阶梯波发生器
实验课题：设计一个可编程波形发生器（P196） 技术指标： 开关K2K1=01时，输出正斜率锯齿波。 开关K2K1=10时，输出负斜率锯齿波。 开关K2K1=11时，输出由正负斜率锯齿波合成的 三角波。 输出锯齿波时f=1KHZ；输出三角波时f=0.5KHZ。 输出正负斜率锯齿波上升或下降的台阶数等于16。 输出幅度V0在0V至2V间可调。 电源电压为±5V。
4
2、仿真软件运用（时域求解）
Ø时域求解图2-14电路的传输特性 Ø启动Multisim 11讲解时域求解
5
3、仿真软件运用（系统模拟）
(一）将时域电路转换成复频域等效电路并求传递函数
时域电路：
复频域电路：
1k C 1k C
1F
1F V2
1000
V1(S)
106 S
1000
106 S
V2(S)
时域
K2
“1”
K1 “0”
DAC0832 八位D/A转换
4 D3 16
D4 15
D5 14
D6
1 CS
20 VCC ILE 19
8 VREF RFB 9
11 IOUT1
2 WR1 IOUT2 12
3 AGND
5 D2
10 DGND
6 D1
17 XFER D0 7
18 WR2 D7 13
+5V
LM324
2- 4 1
Ø 实际系统可以是电的或非电的物理系统，其激励和 响应不一定是电物理量。模拟装置可以与实际系统 的内容完全不同，其激励和响应是电物理量。但是 两者的微分方程完全相同，输入输出关系即传输函 数也完全相同。
Ø 所以，可以通过对模拟装置的研究来分析实际系统。 对于那些用数学手段较难处理的高阶系统来说，系 统模拟就更为有效。