分析模拟电子技术实验系统的设计

摘 要：随着我国经济的不断发展和科技水平的不断提升，计算机得到了越来越广泛的应用，在大中专院校的实验课程改革当中也逐渐开始利用计算机技术来管理教学与辅助实验。大中专院校的实验室是教学与科研的重要场所，受到大中专院校扩招、学生人数不断增加的影响，实验辅导教师和学生之间的比例也有所提高，模拟电子技术实验系统的开发和应用，在减轻教师工作强度与压力的同时，给学生利用网络了解实验仪器的实用知识、提高实验操作基础技能等提供了极大的便利，具有十分重要的现实意义。将对模拟电子技术实验系统的设计做出浅要的分析。

关键词：模拟电子技术；实验系统；设计；信号源

模拟电子技术实验系统的主要组成部分包括：辅助电源、简易信号源、直流电压电流表、二极管、三极管伏安特性测定单元以及单管共射共基放大电路多级放大电路负反馈放大电路模块、分立元件和集成功率放大器模块、差动放大集成运放线性非线性应用模块、整流滤波和直流稳压电源模块、测量单元以及功能扩展区。

一、简易信号源的设计方案

简易信号源主要包括CPLD、键盘、单片机控制模块、LED显示、D/A转换模块和键盘这几个组成部分，借助DDFS技术，即直接数字频率合成技术来产生递减谐波、递增谐波、三角波、方波、正弦波、阶梯波信号，这一系统频率具有步进小、范围宽以及幅度、频度精度高的特点。

1.直接数字频率合成方案的确定

在DDS中由RAM来对输出波形的完整周期与幅度值进行有序的存放，在RAM地址发生变化的情况下DAC会把该波形数据转化成频率和RAM地址变化速率成正比的电压波形。DDFS的发生器在对波形在RAM中的地址进行控制时采用了相位累加技术，在产生RAM顺序地址的过程当中利用加法器代替了计数器，存在于相位递增寄存器（PIR）当中的常数在每一个时钟周期都被加到相位累加器的结果当中，并以其输出的最大有效位数来对波形在RAM中的具体地址做出确定。每个周期当中的点数会随着PIR常数的改变而发生变化，从而使整个波形的频率发生改变。在寄存器存入新的PIR常数的情况下波形的输出频率会随着下一个时钟周期发生相位的改变，给相位累加器改变RAM地址提供重要的依据。当PIR数值过小或较大时，相位累加器会分别以一步步经过每个RAM地址、跳跃某些RAM地址的方式来进行RAM地址的改变。DDFS弥补了传统方法的不足，其频率分辨率在相位累加器具备足够大的位数N的情况下能够获得相应的分辨精度。不需要相位反馈控制使得DDFS的频率建立、切换效率高，同时和频谱纯度、频率分辨率之间互相独立、互不干扰。由于DDFS主要依据时钟相位特性来判断相位误差，使得其相位误差相对较小，且连续变化的相位能够形成具有良好频谱的信号。由此可以确定DDFS方案是实现简易信号源设计要求的最佳方案。

2.简易信号源的设计内容

首先要在波形频率范围为20Hz-20kHz且步进为10Hz的条件下根据相关公式计算出相位累加器的时钟频率和频率步进，从而确定D/A转换器在转换时间为1us且输出频率为1MHz的情况下能够输出64个样点，并利用单片机对控制信号、数据进行输出，以CPLD为系统实现。D/A转换是保证幅度可调节与任意输出的必要条件，从而对信号发生器的输出电压进行控制，在本系统当中采用的是8位D/A来控制幅度，其幅度分辨率是0.1V。在D/A输出后可选用高速宽带运放TL084和1MHz的截止频率、20KHz以内的幅度平坦来确保信号的平滑，同时可选用波形失真小、频率特性好、电流驱动能力强大的OCL功放电路来实现稳幅输出。

二、直流电压电流表的设计方案

积分式直流数字电压表借助积分器将被测电压转换为相应的时间，而后再由时间转化为相应的数字量来计数，设计包括脉冲计数电路、模拟电压双积分电路、数据处理和显示电路这三个模块。在系统设计中采用以双积分作为核心的电路实现，由控制电路将前置放大与整形后的待测电压信号自动转换为2V与200mV量程，而后使用定时处理电路、双积分电路等组合成完整的数字电压表，为了使系统精度、显示分辨率进一步提高，处理采用了数字滤波与软件补偿，并利用单片机软件设计来实现各种算法以及逻辑控制。

1.电路的基本工作原理

双斜积分电路所构成的直流数字电压表主要包括基准电压、积分器、模拟开关、逻辑控制电路、时钟脉冲发生器、电子计数器等组成部分，工作过程包括准备、采样与比较阶段。在准备阶段当中由逻辑控制电路输出相关指令，在积分器输入电压为零的情况下计数器复零，使得整个电路进入休止状态。在采用阶段由抽样启动器将时间指令输出到逻辑控制电路来使主门开启，同时使时钟脉冲发生器起振并输出相应频率的时钟脉冲，而后借助主门加到电子计数器中来进行计数。比较阶段也是电压值的积分阶段，双斜积分式直流电压测量电路有两个积分周期，分别对被测电压定时积分、对基准电压定值积分，并通过二者之间的比较来获得测量结果。

2.电路和程序的设计

（1）电路的设计。在模拟电路模块采用仪器运放INA2128、单运放芯片UA741和各类精密电阻，为满足输入高阻抗的要求设计了电压跟随器，并采用积分电路来处理电压信号，电压量程转换对2V、200mV的电压挡转换进行自动控制。在数据处理模块将脉冲作为单片机的外部中断信号并利用集成计数芯片74LS393来实现分频与记数。在自动校零模块专门设计了自动校零电路，采集无输入、输入小于1mV时的偏移量来对数据进行校正，并在系统检测到无电压时借助单片机控制来实现每次清零。

（2）程序的设计。软件使用了16位单片机80C196KB，主要包括软件定时并完成电容的定时、放电来给被测电压进行充电、对计数器闸门进行开启和模拟开关的转换，以确保基准电压在放电至零电压后翻转过零比较器，出现中断信号并使中断处理程序在锁存计数脉冲后进行读数，根据相应的比例来对电压值进行计算。在显示电压与真实值存在误差的情况下采取线性插值法来做出软件补偿，从而使其达到相关精度指标的要求。

三、系统实验内容的设计

1.二极管的伏安特性。二极管的阴极电位低于阳极电位时称之为二极管正向偏置，即正偏；反之，当二极管的阴极电位高于阳极电位时被称为反向偏置，即反偏。二极管的反偏截止与正偏导通特性是单向导电性。二极管的伏安特性方程是：I=IS（eu/UT-1）（其中Is表示反向饱和电流，在室温下是常数；u表示二极管两端的电压；UT表示温度的电压当量，在室温27℃下为26mV），根据公式所计算出来的伏安特性越小，就说明二极管的反向性能越好。

2.三极管的设计。作为一种电流控制器件，三极管的电流放大作用即基极电流的微小变化对集电极电流的较大变化进行了控制。三极管中各电极电流、电压间的关系曲线被称为伏安特性曲线或者特性曲线，最常用到的包括输入、输出特性曲线。特性曲线随着三极管在电路中的连接方式的不同而各有差异。

3.分立元件放大电路。在分立元件放大电路的交流通路当中信号由基极输入并由发射极输出，集电极是输入与输出回路的公共端，因此被称为共集电极电路。共集电路具有电压跟随特性好、输入电阻低和输出电阻高的特点，可用作高输入电阻的输入级、低输出电阻的输出级和多级放大电路的中间级。

4.负反馈放大电路。负反馈可以用来对放大器的性能进行改善、减少非线性失真现象、扩展通频带、改变输入与输出电阻。电流、电压的负反馈分别能够确保输出电流、输出电压的稳定。

5.集成运算放大器。在运放低频小信号时可视为理想化的集成运放，理想集成运放线性应用具有虚短、虚断的特性。通常线性集成运放在负反馈的电路组态下可被应用在放大、运算等线性应用电路当中，非线性集成运放在正反馈、开环的电路组态下可应用于信号转换与比较、产生、自动和测试系统当中。

6.功率放大电路。按照信号频率可将功率放大电路分为低频功放和高频功放，低频功放电路的输出功率是输出电压和输出电流的有效值的乘积，在参数确定时电路负载上可获得的最大交流功率便是低频功放的最大输出功率，其负载上所得到的有用信号功率和电源供给的直流功率之比便是其效率。

7.整流滤波与稳压电路。滤波电路能够在保留整流后输出电压直流成分的基础上滤掉脉动成分，从而使输出电压趋于平滑并接近理想直流电压，常用的滤波电路有电感滤波、电容滤波电路等。在稳压电路当中，可以借助差动放大器来作为比较放大器对零点漂移进行抑制，从而使稳压电源的温度稳定性得到提升，可利用辅助电源构成基准电压源电路来对电源的稳压系数进行提升，为避免调整管电流过大、电压过高而损坏稳压电源，可以采取限流保护电路的措施。

四、总结

模拟电子技术实验教学主要为了让学生了解电子技术实验相关知识，掌握实验的基本技能，使学生在对模拟电路理论做出深刻了解的基础上提高自身的观察能力、动手能力、分析能力以及解决问题的能力，通过与课程体系紧密关联的实验系统的建立实现了对实验教学内容的系统化组合，是实验教学内容信息化、现代化与综合化的重要体现。本文对模拟电子技术实验系统进行了研究与设计，通过对市场上现有的实验设备设计的借鉴来设计出更加适合大中专院校学生学习的实验系统，对于高级技术应用型人才的培养、学生专业素养和综合能力的提升、高校教学质量的提高都具有十分重要的意义。

参考文献：

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[2]段国艳.电子技术虚拟实验系统研究与开发[D].西南交通大学，2013.

[3]程春雨，吴振宇，吴雅楠，等.适于层次化教学模拟电子技术实验平台的研制[J].实验室科学，2014（05）：34-37.

编辑 张珍珍