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1、 電子課程設(shè)計(jì) 第7題FET場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性圖示儀 姓名：董文亮 學(xué)號(hào)：3160503013 班級(jí)：電子信息工程1601 1.設(shè)計(jì)要求 1．1基本要求 1.1.1設(shè)計(jì)一可控恒壓源電路，可輸出0~5V電壓。 1.1.2設(shè)計(jì)一手動(dòng)控制電路，每按一次鍵恒壓源逐個(gè)循環(huán)輸出不同等級(jí)的電壓：0V - 0.5V – 1V – 1.5V – 2V – 2.5V – 3V – 3.5V – 4V - 4.5V - 5V – 0V 1.1.3設(shè)計(jì)一自動(dòng)控制電路，使電路自動(dòng)循環(huán)輸出上述電壓等級(jí)，每10ms改變一次

2、電壓輸出； 1.1.4設(shè)計(jì)一三角波振蕩電路，頻率100Hz； 1.2提高要求 1.2.1增加電壓輸出的等級(jí)； 1.2.2利用階梯電壓作為Ugs，三角波為Uds，保證兩信號(hào)同步，利用運(yùn)放構(gòu)成流壓變換電路，為FET的源極提供虛地，并將Is變?yōu)檩敵鲭妷?，用軟件提供的示波器為顯示，構(gòu)成FET輸出特性圖示儀。 1.3限制 1.3.1不得使用理想運(yùn)放、二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管； 1.3.2不得使用繼電器； 1.3.3負(fù)載電阻一端接地； 2.總體方案設(shè)計(jì) 2.1方案選擇 方案一： 矩形波發(fā)生電路，它由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。因?yàn)榉讲妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，就

3、是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。對(duì)方波進(jìn)行積分即可得到三角波，因?yàn)椴恍枰?fù)的三角波所以用一個(gè)加法電路，將三角波上移至約等于0V 方案二： 第一級(jí)采用的RC自激諧振回路生成一個(gè)正弦波，第二級(jí)采用穩(wěn)壓管將正弦波變換成方波。 方案三： 電阻網(wǎng)絡(luò)即四個(gè)分別成比例的電阻，分別串接計(jì)數(shù)器的QA——QD的輸出。計(jì)數(shù)器每個(gè)高低電平的不同狀態(tài)，通過電阻分壓可形成階梯波。 方案四： 單元電路不同方案的混合，在此不再贅述

4、。 方案五： 四個(gè)電源分別為0.5V，1V，2V，4V。計(jì)數(shù)器控制雙向模擬開關(guān)的使能，四個(gè)電源為輸入，模擬開關(guān)輸出需分別接幾個(gè)電阻調(diào)節(jié)輸出電流大小，再后接兩個(gè)反相器進(jìn)行流壓變換，最后作為階梯波輸入到FET的柵極。 方案六： 單元電路不同方案的混合，在此不再贅述。 方案七： 該方案為選擇的方案，下面會(huì)進(jìn)行詳細(xì)描述。 2.2方案選擇 最終選擇了方案七，該方案的總體框圖如上，多諧振蕩器輸出100HZ矩形波，且其TRI端輸出與矩形波同步的三角波，為了將三角波的信號(hào)取出且不被干擾，后面加了一個(gè)電壓跟隨器，在運(yùn)用加法器調(diào)整三角波的上下幅值。同時(shí)矩形波的信

5、號(hào)作為計(jì)數(shù)器的輸入脈沖，每次捕獲上升沿是進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的輸出信號(hào)作為DA轉(zhuǎn)換器Q1——Q4的輸入，通過對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出為實(shí)際的模擬電壓，每次計(jì)數(shù)，電壓會(huì)上升約0.02V，為達(dá)到較大的電壓階梯變化，需對(duì)該電壓進(jìn)行放大，所以后接一個(gè)放大電路，實(shí)際放大的倍數(shù)可以自行選擇。三角波作為FET漏極的輸入，階梯波作為柵極的輸入，通過反相器將源極電流輸出為電壓，此時(shí)電壓為負(fù)，為得到較好看的波形，輸出電壓最好為正，所以后再接一個(gè)反相器。最后利用虛擬示波器，分別接輸入到FET漏極的三角波和經(jīng)流壓變換后的源極電壓，按下示波器的【B/A】按鈕就可以看到FET的輸出特性圖示。 3.單元電路設(shè)計(jì)

6、3.1 矩形波電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)如圖1所示： 圖1 矩形波電路 多諧振蕩器主要是由555定時(shí)器組成，其選型沒有太大要求，用VCC５V供電，C2電容是為了防止引入干擾，C１為定時(shí)電容，配合R１和R2的取值可確定周期T的大小，公式為T=T1+T2=0.7(R1+2*R2)C1。因?yàn)橹芷谝鬄?00ms,假定C1為1uf*R2=10*R1,所以R1取687Ω,R2取6780Ω,仿真顯示周期約等于100ms，滿足要求。 3.2 三角波電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)如圖2所示： 圖2 三角波電路 運(yùn)放的選型此次設(shè)計(jì)統(tǒng)一使用TL082CD，正負(fù)12V供電。第一級(jí)為電壓跟隨

7、器，為將UI電壓進(jìn)行跟隨且放大，Uo2=（1+R4/R5）*UI=Au1*UI,R5=R4=1kΩ時(shí)即將跟隨電壓放大了一倍，R3為平衡電阻，減小失調(diào)參數(shù)影響，選取1kohm較為合適。第二級(jí)為差動(dòng)輸入的減法電路，為了將三角波電路的波谷值調(diào)到0V左右，使特性方程波形繪制時(shí)較為美觀。當(dāng)R8=R9,R6=R7時(shí)，滿足公式：Uo2=R8/R6(Uo1-V1)。經(jīng)仿真測(cè)試，UI的波谷為1.677V經(jīng)第一級(jí)放大后，波谷為3.354V，所以選取V1=3.35V較為合適，再調(diào)整R8=2.2kΩ，調(diào)整波形幅度較為合適，后期也會(huì)因?yàn)镕ET特性對(duì)V1取值和R8再進(jìn)行調(diào)整. 3.3 階梯波電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)如圖3

8、所示： 圖3 階梯波電路 計(jì)數(shù)器選擇的時(shí)十六進(jìn)制的74163N，主要為了輸出較多的電壓等級(jí)而特意選擇了十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。DA轉(zhuǎn)換器選擇的時(shí)八位的VDAC8，因?yàn)閷?duì)于階梯電壓的階梯精度不高，八位轉(zhuǎn)換就足夠了。每次上升沿來臨時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，由于DA轉(zhuǎn)換器的性質(zhì)，每次計(jì)數(shù)DA轉(zhuǎn)換器值+2，每份=5/255，每次計(jì)數(shù)電壓值增加2/51，根據(jù)要求，階梯為0.5V，則需要放大0.5*51/2，所以最后一級(jí)的放大電路根據(jù)公式：Uo4=(1+R11/R10)*Uo3, 增益Au2=1+R11/R10=12.75,假定R10=1KΩ，則R5=11.75KΩ,根據(jù)仿真，微調(diào)至11.8KΩ時(shí)每次階梯

9、為0.5V。 3.4 FET特性圖示儀電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)如圖4所示： 圖4 FET特性圖示儀電路 柵極為階梯波輸入，漏極為三角波輸入，源極輸出Is，對(duì)Is進(jìn)行流壓變換，使用的反相器，源極滿足虛地要求。反向比例輸入運(yùn)算電路公式：Is=UI/R13,Au3=Uo5/UI=-R15/R13,取增益為1，所以假定R15=1kΩ,則R13=1kΩ，但此時(shí)輸出電壓與輸入電壓相反，為使輸入波形較為好看，選擇再加一個(gè)相同的反相器，Uo6=-Uo5,R14和R16為平衡電阻。再通過虛擬示波器觀察三角波輸入和Uo6的輸出即可。 4.測(cè)試結(jié)果 4.1 三角波測(cè)試 測(cè)試結(jié)果如圖5所示： 圖

10、5 三角波測(cè)試波形 三角波的頻率約為100Hz，波峰約為9.127V,波谷約為1.945V。 4.2 階梯波測(cè)試波形 測(cè)試結(jié)果如圖6所示： 圖6 階梯波測(cè)試波形 階梯波為16個(gè)階梯，每個(gè)階梯，頻率為100Hz幅度約為117.182mV, 最低電壓約為0V，最高電壓約為1.758V。 4.3 FET特性圖示儀測(cè)試波形 圖7 FET特性圖示儀測(cè)試波形 該FET特性曲線共16條，經(jīng)過上下左右的移動(dòng)，如圖7所示，較好的顯示了FET的特性曲線。 4.4 總電路設(shè)計(jì)電路如圖8所示： 圖8 總電路設(shè)計(jì)電路 各項(xiàng)功能均已成功，各項(xiàng)功能實(shí)測(cè)結(jié)果如上所示。其中三角波幅度從1.945—9.27V；階梯波階梯高度為117mV，階梯等級(jí)為16個(gè)；特性圖示正常，符合場(chǎng)效應(yīng)管特性。 5.總結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)完成了FET輸出特性圖示儀的電路設(shè)計(jì)，采用了多諧振蕩器作為矩形波和三角波的發(fā)生電路，計(jì)數(shù)器和DA轉(zhuǎn)換器等作為階梯波的發(fā)生電路，以TL082CD運(yùn)放為核心器件，以LM555CM定時(shí)器，７４１６３Ｎ計(jì)數(shù)器，ＶＤＡＣ８轉(zhuǎn)換器為波形的發(fā)生器件，利用虛擬示波器作為波形的主要觀察手段。所設(shè)計(jì)電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)JFET和MOSFET等FET的輸出特性觀察，輸出波形較優(yōu)，沒有明顯的毛刺和突變，性能良好。