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1、电子课程设计第7题FET场效应管输出特性图示仪姓名：董文亮学号：3160503013班级：电子信息工程16011.设计要求11基本要求1.1.1设计一可控恒压源电路，可输出05V电压。1.1.2设计一手动控制电路，每按一次键恒压源逐个循环输出不同等级的电压：0V - 0.5V 1V 1.5V 2V 2.5V 3V 3.5V 4V - 4.5V - 5V 0V1.1.3设计一自动控制电路，使电路自动循环输出上述电压等级，每10ms改变一次电压输出；1.1.4设计一三角波振荡电路，频率100Hz；1.2提高要求1.2.1增加电压输出的等级；1.2.2利用阶梯电压作为Ugs，三角波为Uds，保证两信
2、号同步，利用运放构成流压变换电路，为FET的源极提供虚地，并将Is变为输出电压，用软件提供的示波器为显示，构成FET输出特性图示仪。1.3限制1.3.1不得使用理想运放、二极管、三极管、场效应管；1.3.2不得使用继电器；1.3.3负载电阻一端接地；2.总体方案设计2.1方案选择方案一：矩形波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。对方波进行积分即可
3、得到三角波，因为不需要负的三角波所以用一个加法电路，将三角波上移至约等于0V方案二：第一级采用的RC自激谐振回路生成一个正弦波，第二级采用稳压管将正弦波变换成方波。方案三：电阻网络即四个分别成比例的电阻，分别串接计数器的QAQD的输出。计数器每个高低电平的不同状态，通过电阻分压可形成阶梯波。方案四： 单元电路不同方案的混合，在此不再赘述。方案五：四个电源分别为0.5V，1V，2V，4V。计数器控制双向模拟开关的使能，四个电源为输入，模拟开关输出需分别接几个电阻调节输出电流大小，再后接两个反相器进行流压变换，最后作为阶梯波输入到FET的栅极。方案六： 单元电路不同方案的混合，在此不再赘述。方案七
4、： 该方案为选择的方案，下面会进行详细描述。2.2方案选择 最终选择了方案七，该方案的总体框图如上，多谐振荡器输出100HZ矩形波，且其TRI端输出与矩形波同步的三角波，为了将三角波的信号取出且不被干扰，后面加了一个电压跟随器，在运用加法器调整三角波的上下幅值。同时矩形波的信号作为计数器的输入脉冲，每次捕获上升沿是进行一次计数。计数的输出信号作为DA转换器Q1Q4的输入，通过对输入的数字信号的转换，输出为实际的模拟电压，每次计数，电压会上升约0.02V，为达到较大的电压阶梯变化，需对该电压进行放大，所以后接一个放大电路，实际放大的倍数可以自行选择。三角波作为FET漏极的输入，阶梯波作为栅极的输
5、入，通过反相器将源极电流输出为电压，此时电压为负，为得到较好看的波形，输出电压最好为正，所以后再接一个反相器。最后利用虚拟示波器，分别接输入到FET漏极的三角波和经流压变换后的源极电压，按下示波器的【B/A】按钮就可以看到FET的输出特性图示。 3.单元电路设计 3.1 矩形波电路设计电路设计如图1所示：图1 矩形波电路 多谐振荡器主要是由555定时器组成，其选型没有太大要求，用VCCV供电，C2电容是为了防止引入干扰，C为定时电容，配合R和R2的取值可确定周期T的大小，公式为T=T1+T2=0.7(R1+2*R2)C1。因为周期要求为100ms,假定C1为1uf*R2=10*R1,所以R1取
6、687,R2取6780,仿真显示周期约等于100ms，满足要求。 3.2 三角波电路设计 电路设计如图2所示：图2 三角波电路 运放的选型此次设计统一使用TL082CD，正负12V供电。第一级为电压跟随器，为将UI电压进行跟随且放大，Uo2=（1+R4/R5）*UI=Au1*UI,R5=R4=1k时即将跟随电压放大了一倍，R3为平衡电阻，减小失调参数影响，选取1kohm较为合适。第二级为差动输入的减法电路，为了将三角波电路的波谷值调到0V左右，使特性方程波形绘制时较为美观。当R8=R9,R6=R7时，满足公式：Uo2=R8/R6(Uo1-V1)。经仿真测试，UI的波谷为1.677V经第一级放大
7、后，波谷为3.354V，所以选取V1=3.35V较为合适，再调整R8=2.2k，调整波形幅度较为合适，后期也会因为FET特性对V1取值和R8再进行调整. 3.3 阶梯波电路设计电路设计如图3所示：图3 阶梯波电路计数器选择的时十六进制的74163N，主要为了输出较多的电压等级而特意选择了十六进制的计数器。DA转换器选择的时八位的VDAC8，因为对于阶梯电压的阶梯精度不高，八位转换就足够了。每次上升沿来临时，计数器进行一次计数，由于DA转换器的性质，每次计数DA转换器值+2，每份=5/255，每次计数电压值增加2/51，根据要求，阶梯为0.5V，则需要放大0.5*51/2，所以最后一级的放大电路
8、根据公式：Uo4=(1+R11/R10)*Uo3, 增益Au2=1+R11/R10=12.75,假定R10=1K，则R5=11.75K,根据仿真，微调至11.8K时每次阶梯为0.5V。 3.4 FET特性图示仪电路设计电路设计如图4所示：图4 FET特性图示仪电路栅极为阶梯波输入，漏极为三角波输入，源极输出Is，对Is进行流压变换，使用的反相器，源极满足虚地要求。反向比例输入运算电路公式：Is=UI/R13,Au3=Uo5/UI=-R15/R13,取增益为1，所以假定R15=1k,则R13=1k，但此时输出电压与输入电压相反，为使输入波形较为好看，选择再加一个相同的反相器，Uo6=-Uo5,R
9、14和R16为平衡电阻。再通过虚拟示波器观察三角波输入和Uo6的输出即可。4.测试结果 4.1 三角波测试测试结果如图5所示：图5 三角波测试波形三角波的频率约为100Hz，波峰约为9.127V,波谷约为1.945V。4.2 阶梯波测试波形测试结果如图6所示：图6 阶梯波测试波形 阶梯波为16个阶梯，每个阶梯，频率为100Hz幅度约为117.182mV, 最低电压约为0V，最高电压约为1.758V。4.3 FET特性图示仪测试波形图7 FET特性图示仪测试波形 该FET特性曲线共16条，经过上下左右的移动，如图7所示，较好的显示了FET的特性曲线。4.4 总电路设计电路如图8所示：图8 总电路设计电路各项功能均已成功，各项功能实测结果如上所示。其中三角波幅度从1.9459.27V；阶梯波阶梯高度为117mV，阶梯等级为16个；特性图示正常，符合场效应管特性。5.总结本次课程设计完成了FET输出特性图示仪的电路设计，采用了多谐振荡器作为矩形波和三角波的发生电路，计数器和DA转换器等作为阶梯波的发生电路，以TL082CD运放为核心器件，以LM555CM定时器，计数器，转换器为波形的发生器件，利用虚拟示波器作为波形的主要观察手段。所设计电路可实现对JFET和MOSFET等FET的输出特性观察，输出波形较优，没有明显的毛刺和突变，性能良好。