基于模擬電子技術(shù)課程設(shè)計是電類專業(yè)學(xué)生重要實踐環(huán)節(jié)的目的，通過介紹模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計思路，結(jié)合音頻信號發(fā)生器的設(shè)計實例，基于虛擬實驗平臺進(jìn)行設(shè)計及仿真，得到了振蕩器起振及等幅振蕩過程的正確結(jié)果。使學(xué)生能夠鞏固和運用在《模擬電子技術(shù)》中所學(xué)的理論知識和實驗技能，基本掌握常用模擬電路的一般設(shè)計方法，通過動腦動手解決實際問題，提高設(shè)計能力和動手能力，拓寬學(xué)生知識面，為后續(xù)課程、各類電子競賽，畢業(yè)設(shè)計乃至畢業(yè)后的工作打下良好的基礎(chǔ)。在大學(xué)開設(shè)的相關(guān)課程中，有不少電子技術(shù)方面的實驗內(nèi)容，但這些基礎(chǔ)實驗的著眼點是放在驗證基本理論和電路性能上。學(xué)生通過這樣的實驗只能初步了解電路實驗的步驟和基本方法，熟悉常用實驗設(shè)備的使用方法，卻很難有條件訓(xùn)練學(xué)生動手解決電路問題的能力。而模擬電子技術(shù)課程設(shè)計正是為學(xué)生創(chuàng)造一個動手又動腦，獨立開展模擬電子系統(tǒng)設(shè)計的機(jī)會。學(xué)生可以運用實驗手段檢驗理論設(shè)計中的問題所在，又可運用學(xué)過的知識，指導(dǎo)電路調(diào)試工作，使電路功能更加完善，從而使理論和實際有機(jī)地結(jié)合起來，鍛煉分析并解決電路問題的實際本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由知識向能力的轉(zhuǎn)化。1模擬電子系統(tǒng)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無論是在生產(chǎn)還是生活中，人們越來越多地使用一些模擬電子設(shè)備和裝置，如：擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)、示波器、正弦信號發(fā)生器、報警器、溫控裝置等。盡管用途不同，但從工作原理來看，有著共同之處：1）需要輸入一種連續(xù)變化的電信號。這種連續(xù)變化的電信號稱之為模擬信號，模擬信號可以由專門的部件（通常為傳感器）把非電的物理量轉(zhuǎn)換為電量，例如：話筒、磁頭、熱敏器件、光敏器件等。也有些設(shè)備無需這種轉(zhuǎn)換，而是直接由探頭輸入或電路本身產(chǎn)生電信號，如示波器，信號源等。2）必須把得到的電信號進(jìn)行放大或者變換。通過放大或變換，使信號具有足夠大的能量，為實現(xiàn)人們所預(yù)期的功能服務(wù)。3）設(shè)置了不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠把傳來的電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，如喇叭、電鈴、繼電器、示波器、表頭等，以完成人們需要的功能。模擬電子系統(tǒng)中，無論是傳感器送來的電信號，還是直接輸入或電路本身產(chǎn)生的電信號一般都是十分微弱的，往往不能推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，而且有時信號的波形也不符合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，所以需要對這種信號進(jìn)行放大或者變換，才能保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作?？梢?，信號放大和信號變換是模擬電子系統(tǒng)的核心。隨著生產(chǎn)工藝水平的提高，線性集成電路和各種具有專用功能的新型元器件迅速發(fā)展起來，給模擬電子系統(tǒng)設(shè)計工作帶來了很大的變革。但是，從我國現(xiàn)有的條件來看，集成元件的生產(chǎn)，無論品種還是數(shù)量，還不能滿足電子技術(shù)發(fā)展的需求，所以，分立元件的電路還在大量的應(yīng)用。而這種分立件電路的設(shè)計方法，主要是運用基本單元電路的理論和分析方法，比較容易為初學(xué)設(shè)計者所掌握。另外，有助于學(xué)生熟悉各種電子器件，掌握電路的設(shè)計基本程序和方法，學(xué)會布線、組裝、測量、分析、調(diào)試等基本技能。理論知識告訴我們，任何復(fù)雜的電路，都是由簡單的單元電路組合而成的。所以，要設(shè)計一個復(fù)雜的模擬電子系統(tǒng)，可以分解為若干具有基本功能的電路，如放大器、振蕩器、整流器、波形變換電路等，然后分別對這些單元電路進(jìn)行設(shè)計。使一個復(fù)雜任務(wù)，變成簡單任務(wù)，利用我們學(xué)過的知識即可完成。2虛擬實驗平臺在模擬電子系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計是一個不斷調(diào)試的過程。在實物上調(diào)試往往消耗大量人力、物力和財力。而且受到實驗環(huán)境的影響，某些功能未能全部實現(xiàn)。在實驗硬件環(huán)境不具備的情況下，采用虛擬實驗平臺軟件進(jìn)行模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計可有效解決這一問題。EDA（電子輔助設(shè)計）軟件很多，廣泛采用的有Multisim、PSPICE、PROTEL等。這些軟件都有較強的功能，一般可用于電路設(shè)計與仿真，同時也可以進(jìn)行PCB（印刷電路板）自動布局、布線，輸出多種網(wǎng)表文件。其中，Multisim仿真軟件相對其它EDA軟件而言，功能卜分強大，可以仿真出真實電路的結(jié)果。而且提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃描儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具。它不僅繼承了以往仿真軟件具有的界面直觀、操作方便、使用直觀的虛擬儀表的優(yōu)點，還將最新的安捷倫測試儀及泰克示波器等引入虛擬儀器中。其控制面板、界面操作以及測量結(jié)果與實際的儀器完全相同，用戶使用Multisim10如同在實驗室進(jìn)行操作一般。這樣就可以有效的解決實驗條件不足的問題，并且可將集中進(jìn)行的課程設(shè)計分散進(jìn)行，便于老師的指導(dǎo)與調(diào)試。作為虛擬的電子工作平臺，Multisim10提供了詳細(xì)的電路分析手段，可完成電路的直流靜態(tài)工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析等，有助于分析電路性能。3模擬電子系統(tǒng)設(shè)計實例——音頻信號發(fā)生音頻信號發(fā)生器是指能夠產(chǎn)生音頻范圍的正弦信號的儀器。音頻信號的頻率范圍一般是幾十到幾十kHz，音頻信號發(fā)生器是模擬電子線路實驗中不可缺少的設(shè)備之一，在實踐和科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如電子電路、自動控制和科學(xué)實驗等領(lǐng)域。自行設(shè)計和制作一個能產(chǎn)生音頻信號的電路，不僅能運用所學(xué)知識，學(xué)會設(shè)計簡單電路的技能，而且對電子技術(shù)實驗有著很大的實用價值。3.1方案比較

一般要產(chǎn)生幾十kHz以下的正弦信號，常用的信號發(fā)生器多是由模擬電路構(gòu)成的，包括正弦波振蕩器和穩(wěn)幅電路兩大模塊。其中正弦波振蕩器有LC振蕩器，石英晶體振蕩器，RC振蕩器。LC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以上的正弦信號，RC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以下的正弦信號，石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生頻穩(wěn)度較高的正弦信號。經(jīng)性能比較，RC振蕩器較為合適。RC振蕩器可分為相移式振蕩電路，串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路，雙T選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路等。其中RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路由放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，由于能得到頻率范圍較寬、波形較好，且連續(xù)可調(diào)的振蕩信號，其結(jié)構(gòu)簡單又經(jīng)濟(jì)方便，因此應(yīng)用最為普遍。因為這種振蕩器，選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路正好形成一個四臂電橋振蕩器，又被稱為文氏電橋。用有恒流源負(fù)載的射極輸出器，設(shè)計出頻率范圍在200 Hz-20 kHz，電壓輸出2 V并且連續(xù)可調(diào)的信號發(fā)生器。3.2系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1放大電路的設(shè)計

放大環(huán)節(jié)是振蕩電路的核心。它的放大倍數(shù)和頻率響應(yīng)直接影響著起振條件和振蕩器的穩(wěn)定性。為了保證具有較高的開環(huán)增益，較好的頻率響應(yīng)，本設(shè)計中選用了LM324AJ集成運放作放大環(huán)節(jié)。它是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運算放大器。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級放大就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補償，電路比較簡單不易自激，工作點穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計了完善的保護(hù)電路，不易損壞。3.2.2穩(wěn)幅電路的設(shè)計

穩(wěn)幅的基本原理就是把信號放大要足夠大，再通過限幅方式保證輸出幅度一致，如果限幅后的信號不滿足要求，則再通過信號調(diào)整電路來輸出滿足要求的等幅信號。用雙向穩(wěn)壓二極管穩(wěn)幅是最簡單的方式。本設(shè)計中由于電源電壓的波動、電路參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，將使輸出幅度不穩(wěn)定。采用一般的電阻引入負(fù)反饋穩(wěn)幅還不夠，常用方法之一是采用非線性熱敏元件來穩(wěn)幅。如負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，就可實現(xiàn)穩(wěn)幅。3.2.3選頻網(wǎng)絡(luò)及正反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

正反饋電路主要是由文氏電橋組成。當(dāng)振蕩器穩(wěn)定工作時，文氏橋正反饋系數(shù)F=1/3要保證電路穩(wěn)定工作。振蕩器的振蕩頻率主要由RC值決定的。本設(shè)計要求f=200 Hz～20 kHz，當(dāng)確定C后，改變R值從最小到最大，應(yīng)滿足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達(dá)不到阻值。若高頻率達(dá)不到要求，則可適當(dāng)減小串聯(lián)電阻680Ω的阻值。當(dāng)選定C后，應(yīng)通過改變R實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。R的最小值受運放輸出阻抗控制，最大值受分壓器的值限制。當(dāng)選用雙連電位器來調(diào)節(jié)頻率時，其上下頻率范圍如果選的頻率覆蓋太寬，不僅受上述電阻值限制，而且調(diào)節(jié)也不方便。本題中可選取兩個電容值作為粗調(diào)，再求出R的變化范圍，用電位器實現(xiàn)細(xì)調(diào)。正弦波振蕩器的振蕩頻率為。此處選取C為0.1μF時，分別求出對應(yīng)f在200Hz～2 kHz；2～20 kHz的電阻值。選取680Ω電阻同8.2 kΩ雙連電位器串聯(lián)實現(xiàn)電阻調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗平臺 模擬電子系統(tǒng)設(shè)計 音頻信號發(fā)生器 振蕩器電