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基于驻极体传声器的心音采集电路的研究
1 引言
心音信号作为人体的生命信号，包含心房、心室、心血管及各个心脏瓣膜功能状态的大量信息，是心脏进行机械运动的反映。因此，心音听诊是临床上基本的无创性检测手段之一，可以通过该手段了解心血管功能现状以及判断病理。心音频率的主要成分位于40-200Hz，但人耳听觉的有效范围在1000-3000Hz之间，因此人耳往往无法听到低频区的高价值信息，所以传统的心音听诊通常会过分依赖医师的临床经验，易出现误诊。通过心音检测仪对心音信号进行系统的研究，是心音学研究在应用上的重要拓展。采集到的心音信号利用有线传输到电脑上，限制了被采集者的自由，许多研究人员利用蓝牙技术进行无线传输，解决了这方面的问题。本课题组成员旨在研究设计一种基于个域网802.15.4协议的便携式无线心音监测系统，通过传感器进行心音换能，调理电路对信号进行处理，然后通过单片机将模拟心音信号转换为数字信号，最后通过支持802.15.4协议的无线收发芯片将信号传到远程接收端，接收端将接收到的信号发送到计算机串口，方便后续软件对检测到的心音信号进行处理和研究。本文的主要内容是心音的采集电路部分，论文对心音传感器的选择、调理电路的设计进行了详细的研究，实现了听诊头和驻极体传声器结合的心音采集电路，得到了准确、稳定的心音模拟信号，为后续的数模采样、无线收发提供了基础。
2 心音
2.1 心音图
心音信号是一种机械振动产生的波形，由心脏跳动撞击胸腔壁时产生，包含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理信息。用传感器将心肌收缩等这些机械振动转换为电信号记录下来，就可得到心音信号，其波形图又被称为心音图（Phonocardiogram, PCG）[1]，如图1所示。
心音信号的采集对心血管系统疾病的诊断具有重要的意义，其可靠性、准确性的好坏对诊断与治疗心脏病患者的效果有很大的影响。在以前医生根据听诊器听取心音信号，而这一过程具有一定的主观性和不可靠性，而且也存在很大的外界干扰[2]。随着科技的不断发展，人们对信号的采集和分析不断提高，因此对心音信号的研究也逐渐变得深入。
图1. 正常心音
2.2 心音的分类
骨传导为主要的心音信号传播方式，以骨骼为传播介质到达胸腔壁。心音分为第一心音（S1）第二心音（S2），是可以在胸腔壁表面清楚听得到的，第三心音(S3）一般只能在青少年和儿童中能听的到，而在正常情况下第四心音（S4）却很少听的到。
第一心音：指的是心室收缩期各种机械振动，心室收缩开始时音调低、历时较长，一般是0.08-0.135S，频率在20-100Hz之间，其中55-58Hz为最多。第一心音主要的产生机理是房室瓣的关闭，由于瓣膜关闭的作用，因此第一心音产生。
第二心音：指的是心室舒张的时候各个机体的机械振动产生的信号，心室舒张开始时音调高、历时较短，时间大约为第一心音的一半，一般是0.07-0.08S，频率也在20-100Hz之间，但最多集中在60-75Hz中间。半月瓣关闭振动，血流冲击动脉壁的振动，因此半月瓣的关闭为第二心音的主要组成部分。
第三心音和第四心音：作为低频的机械振动，其形成可能与心房收缩和早期快速充盈有关，持续时间很短，一般是0.04S，在儿童听到第三、第四心音属正常，而正常人一般是听诊不到第三和第四心音的，如果听到多为病理现象[3]。
除了四个心音成分，一般还有以下定义作为心音特点的表征：
（1）S1时限：指第一心音的持续时间。
（2）S2时限：指第二心音的持续时间。
（3）S1，S2间期：指的是在同一周期内S1和S2之间的间隔。
（4）S2，S1间期：指当前心动周期的S2到下一周期的S1间隔。
年龄不同会导致上述值表现不同，一般来说，S1时限在71-149ms之间，S2时限在59-119ms之间。正常情况下心脏的收缩期应该要短于舒张期，即S1S2间期小于S2S1间期。成年人的平均心率为70次/分，心动周期约为0.79，其中收缩期占0.34，舒张期占0.56。S2S1间期与S1S2间期比值大概等于2:1[4]。
3 系统理论架构
3.1 系统结构
整个系统由三大模块组成：心音的采集及处理模块、AD转换模块、无线接收模块。将人体心音信号通过一系列的识别和变换，最终在远程电脑上显示出来。整个心音信号的检测与处理系统构架框图如下图2所示：
图2. 系统构架框图
3.2 心音采集模块
本文的主要内容为前端的心音采集及处理模块。信号采集及处理分为：±5V电源、传感器模块、仪表放大、带通滤波器、主放大、抬升电路。在设计电路过程中首先是在multisim 电路仿真软件上进行电路仿真，然后在面包板上进行实体搭电路，最后是利用Altium Designer Winter 绘画出pcb电路板，进行打样测试。心音的采集及处理模块的结构框图如图3所示：
图3. 心音的采集及处理模块的结构框图
（1）传感器模块：主要是将声音信号的心音转换成电信号，供后面信号的处理电路使用。
（2）仪表放大：是将前期微弱的心音信号和干扰的信号一起进行放大处理，一般是放1-10倍，太大容易输出失真。
（3）带通滤波：由于传感器传出的电信号不仅有心音信号，还伴随有干扰的信号，为了使心音信号输出较清晰，通过此电路滤出干扰信号。
（4）主放大：将心音信号彻底放大，可供仪器显示。
（5）抬升电路：因为后期单片机采样时，有幅值范围，在该范围内可以采样，所以进行电平抬升。
（6）±5V电源：供采集电路使用的工作电压。
4 心音采集模块设计
4.1 心音传感器
心音的采集由传感器完成，传感器是可以将胸腔壁上机械的振动转换成电信号的元件，后续进行放大滤波等处理，利用单片机进行AD转换，继而通过无线收发芯片传到电脑上进行显示[5-6]。
目前，常见的心音传感器可以分为三类：空气传导式、接触传导式和加速度传导式：
空气传导式：空气传导式的心音传感器利用了心脏跳动抨击胸腔壁时的心音波形经过空气的传导，由传感器上的敏感膜接收到后经过换能元件转换为电信号输出。
接触传导式：接触传导式的心音传感器是直接将胸腔壁的心音波传递到敏感元件上经过换能元件转换为电信号，这种传导方式减小了在空气中的干扰，大大提高了传导效率。
加速传导式：加速传导式的心音传感器是利用尺寸小、重量轻便、频响为10~800Hz的加速度传感器直接放在胸腔上检测心音信号的，抗干扰能力比较强，是现在用的较多的一种传感器。
由于加速传导式的心音传感器价格在几百元左右，比较昂贵，因此本文不采用这种方式。而接触式传导方式比空气式传导效率更高，文章采用接触式传导方式。而在接触式传导中，常用的又有麦克风传感器和压电传感器。后者利用压电材料为基底，将心音振动对压电材料的力作用转换为电压信号。同样是基于价格的原因，本文最后选择了麦克风传感器，将声音信号转换为电信号的传感器，相对于其他两种传感器而言，麦克风传感器在价格上要便宜的许多，而且使用时很方便。
采用了听诊器的拾音部分（胸件）和传导部分（胶管）（如图4）进行心音信号的传导，在传导的尾端接一个驻极体传声器（俗称咪头）（如图5）。咪头是一种将声音信号转换为电信号的换能元件。它的频率范围是：全向：50-12000Hz 、20-16000Hz；单向：100-12000Hz 、100-16000Hz；消噪：100-10000Hz，可以满足心音信号的采集要求[7]。
图4. 胸件和胶管
图5. 咪头
咪头里面集成有场效应管，起到阻抗变换或放大的作用。如图所示，此图为咪头接法的仿真设计图如图6：
图6. 咪头接法
4.2 心音前置级放大电路
前置放大电路采用的是TI芯片AD620A，它具有精确度高、使用简单、低噪声及高输入阻抗等特点，具有很好的性能，非常适合作为心电信号测量前置放大器，以及过电压保护等特性应用十分广泛。然而会选用它，是因它价格还算可以、增益值大、漂移电位低等，正好符合成本合理及有效放大心电信号这类微小变化讯号[8]。因此本设计选用低成本集成仪表放大器AD620A实现前置放大，引脚分布如图7所示：
图7. AD620引脚分布图
其芯片使用特性如下：
（1）工作电压范围：±2.3V-±18V；
（2）精度高：输入最大失调电压：50μV；输人的最大偏置电流：1mA；输人最大失调电流：O．5nA；最大温度漂移：O．6μV／℃；输入阻抗：10GΩ。
（3）低杂讯：输入电压噪声(f=1K Hz)：9nV／Hz：共模抑制比(增益G=10)：100dB。AD620A的增益是可调的，通调节AD620A的1和8腿之间的Rg的值，一般范围为1～1000倍，其公式为：
前置的放大器电压的放大倍数不宜过高的原因是为了避免在强干扰信号下，放大器输出产生失真现象，所以本设计选择电压放大倍数等于6倍，即Rg=10KΩ。AD620A的接法如图8所示：
图8. 心音信号前置级放大电路设计图
4.3 滤波电路的设计
滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种[9]：
无源滤波器：由电阻R、电容C及电感L等无源的元件组成。
有源滤波器：一般由RC网络和集成运放所组成，具有性能稳定和体积小等优点，并且集成运放的输入阻抗和增益很高、输出阻抗很低，所以有源滤波器还有缓冲和放大作用。有源滤波器可以衰减无用频率的信号，突出有用频率的信号，还能抑制干扰和噪声，来达到提高选频或信噪比的目的，这就是有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理的原因。因此本设计采用的是有源带通滤波器来实现滤波。
带通滤波器只允许某个频率范围内的信号通过，比该范围的下限频率低和比上限的频率高的信号会衰减或抑制，多数带通滤波器是从二阶低通滤波器中把其中一级变成高通滤波器形成的带通滤波器[10-11]。
在设计带通滤波电路时，采用了TI的芯片OP07A来实现电路的设计，芯片OP07A具有非斩波稳零、低噪声等特点，是一种双极性运算放大器的集成电路。OP07A可以在大多数的应用场合无需另外的调零，是因为它具有非常低的输入失调电压，最大的输入失调电压都是很小的25μV。OP07A还具有300V/mV的高开环增益和±2nA的低输入偏置电流，这种高开环增益、低失调的特性，正是OP07A适合设计放大传感器的微弱信号和高增益的测量设备的原因。
其特点：
低失调电压漂移： 0.5μV/℃；
超稳定时间： 2μV/month最大；
超低偏移： 150μV最大；
高电源电压范围： ±3V至±22V 。
低输入偏置电流： 1.8nA；
OP07A引脚图如图9：
图9. OP07A引脚图
带通滤波器设计电路参数：通带增益：A=4；通带频率：3~190HZ，
图10. 心音信号带通滤波电路设计图
图11. 仿真带通频率
4.4 主放大电路设计
由于末级电压放大器要有很大的电压放大作用，频带宽度也有要求，并且还要有低漂移、低噪声、动态范围大等特点，设计主放大电路时要求心电信号总的电压放大倍数为1000倍，由于前置放大电路放大了6倍，滤波电路放大了4倍，所以电压放大器的电压放大倍数设计为可调的0-100倍即可满足要求[12]。因此同样采用了宽频带、低噪声集成运算放大器芯片OP07A所构成的电压放大器如图：
图12. 心音信号主放大电路设计图
4.5 电平抬升电路的设计
由于本系统单片机MSP430的A/D转换是通过单3.3V电平供电的，为了满足单片机的转换功能，必须在把信号送到A/D转换之前，把电平给抬升上去，在此处把电平抬升幅度设置为可调的0.3V-3.6V之间，完全可以满足A/D转换需求，电平抬升如下图所示：
图13. 电平抬升电路设计图
最终经过放大抬升后的波形如图所示：
图14. 放大抬升后的仿真波形图
4.6 电源电路设计
由于OP07的工作电源电压范围是±3V~±18V；OP07完全可以用单电源供电，但是线性区间太小，单电源供电，模拟地在1/2 VCC，放大倍数也无法做大，一不小心，就充顶饱和了，所以采用了±5V双电源供电。选用了两节9V的电池作为转换的基础，利用7805和7905三端稳压器得到±5V电压。为了使得中间值为0，两节电池串联的时候，中间接地，就可以了，电路图如图15所示：
图15. ±5V双电源电路设计图
4.7 采集电路完整仿真
利用Multisim仿真软件设计出完整的采集电路如图，输入为5mv，100Hz的正弦波，R15为100KΩ的可调电阻，控制主放大倍数可调，R20为10KΩ可调电阻，控制电平的抬升幅度。在仿真时将R15、R20分别调到5%、95%，输出结果为放大抬升后的波形，仿真结果如图16和图17所示：
图16. 心音采集电路设计图
在实际焊接的采集电路中滤波，主放大，抬升电路使用的是贴片OP07，而仿真电路中为了方便画图，使用四运放芯片LM324N，但是对于电路是没有影响的。
图17. 采集电路的仿真结果
4.8 电路PCB的绘画
在绘画PCB时，首先画出每个元器件的原理图，一般是可以在原始库中找到的，显示出每个元器件的标示和注释；然后给每个元器件添加封装，也可以分类添加，根据自己的实物绘画出元器件的封装，在这里基本上采用了贴片的封装，其特点：价格便宜、焊接简单、便捷轻便、输出稳定等。PCB板布线时采用简单的双面板布线，容易走线，过孔、焊盘的选择适中，不宜过小不方便焊接、过大时烙铁的温度容易扩散增加焊接难度。采集电路的PCB原理图和PCB布线图如图18和图19所示：
图18. PCB原理图
图19. PCB布线图
5 电路实验
5.1 采集电路
图20为所设计的采集电路的实物图：
图20. 采集电路实物图
5.2采集实验
在安静的房间里，受试者保持放松、安静状态坐在靠背椅上，听诊器头接触胸骨柄左缘第三、四肋间腔壁，通过采集电路后心音信号输出端P9接示波器。
图21. 信号采取实验
5.3 采集结果
图22为采集的心音信号在示波器上的显示：
图22. 信号显示
6 结论
在采集和处理心音信号的过程中，很多处理都是必要的，传感器的选择与使用极大的方便了心音的声音的信号转换为电信号的过程，选取的咪头中本身就集成了场效应管，更大程度的简单化了电路的设计。仪表的放大和后面可调的主放大能够更好的检测和调节心音信号。深入的了解心音信号的特性和生理状态后，可以容易的确定好心音信号的频率范围，从而设计出符合心音信号频率范围内的滤波器，只允许在此范围内的心音信号通过该电路，滤掉不需要和干扰的其他频率的杂波，从而的到更准确的心音信号。但是要考虑到后面单片机的AD转换，做了一个抬升电路，可以方便单片机的信号采集。
通过一系列的电路变换，将声音信号的心音变换为电信号，并且在示波器上显示出准确、平稳的心音信号，极大的方便了单片机采集和无线接收的后续工作。
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三路抢答计时器
一、摘要
智力竞赛抢答计时器是一名公正的裁判员，它的任务是从若干名参赛者中确定出最先的抢答者，并要求参赛者在规定的时间里回答完问题。
二、设计要求
1.设计一个三人参加的智力竞赛抢答计时器。
2.当有某一参赛者首先按下抢答开关时，相应显示灯亮并伴有声响。此时，抢答器不再接收其他输入的信号。
3.电路具有回答问题时间控制功能。要求回答问题的时间小于等于100秒（显示0～99），时间显示采用倒计时方式。当达到限定时间时，发出声响以示警告。
三、给定条件及元器件
1.要求电路主要选用中规模CMOS集成电路CC 4000 系列。
2.电源电压为 5 ~ 10 V 。
3.本设计要求在数字电路实验箱上完成。
四、设计内容
1.电路各部分的组成和工作原理。
2.元件器的选取及其电路图和功能。
3.电路各部分的调试方法。
4.在整机电路的设计调试过程中，遇到什么问，其原因及解决的办法。
五、电路组成和工作原理
图（一）
根据上面所说的功能要求，智力竞赛抢答计时系统的组成框如图（一）所示。它主要由六部分组成；
1、抢答器——是三人抢答计时器的核心。当参赛者的任意一位首先按下抢答开关时，抢答器即刻接受该信号，指使相应发光二级管亮（或音响电路发出声音），与此同时，封锁住其他参赛者的输入信号。
2、抢答控制电路——由三个开关组成。三名参赛者各控制一个，拨动开关使相应控制端的信号为高电平或低电平。
3、清零装置——供比赛开始前裁判员使用。它能保证比赛前触发器统一清零，避免电路的误动作和抢答过程的不公平。
4、显示声响电路——比赛开始，当某一参赛者按下抢答器开关时，触发器接受该信号，在封锁其他开关信号的同时，使该路的发光二极管发出亮光和蜂鸣器发出声响，以引起人们的注意。
5、计时显示声响电路——是对抢答者回答问题时间进行控制的电路。若规定回答问题时间小于等于100秒（显示为0—99），那么显示装置应该是一个二位数字显示的计数系统。
6、振荡电路——它应该提供给抢答器，计时系统和声响电路工作的控制脉冲。
六、设计步骤及方法
三人竞赛抢答计时器系统的原理图如图（二）所示：
图（二）
1、抢答控制电路
该系统由开关A,B,C组成，分别由三名参赛者控制。常态时开关接地，比赛时，按下开关，使该端为高电平。为实验方便，抢答开关也可以利用实验箱上电平输出开关。拨动逻辑开关，相当于输出逻辑高低电平。
2、抢答器
　
由图（二）看出，抢答器是由三个D型触发器和与非门G1组成。它的工作原理是这样的：如果参赛者A首先按下开关，使该端的输入信号为高电平，触发器FA的输入端D接收该信号使输出Q为高电平，相应的为低电平，这个低电平信号同时送到与非门G1的输入端，与非门G1被封锁，使触发器的控制脉冲CP信号由于与非门G1封锁而被拒之门外，触发器FB和FC因为不具备CP脉冲信号而不接收开关B 和C控制端送入的信号（其他两种情况类同）。因为该电路只接收第一个输入信号，即使此时其他参赛者也按下开关，但由于与非门已被封锁，信号是输入不进去的。
3、清零装置
为了保证电路正常工作，比赛开始前，裁判员都要将各触发器的状态统一清零。本系统利用D触发器的异步复位端来实现清零功能。由图（二）可以看出，该触发器的异步复位端为,低电平用一个开关J控制，正常比赛时，使，均处于高电平，用＝０实现复位功能。
4、计时显示声响电路
计时电路采用倒计时方法，最大显示为99秒。当裁判员给出“请回答”指令后，开始倒计时，当计时到“00”时可驱动声响电路发出声响。倒计时器先用可预置数二－十进制同步可逆计数器（双时钟型）CC40192。CC40192的功能表和外部引线排列分别如表（一）和图（三）所示：
表（一）
图（三）
图4是用两片CC40192组成的一百进制减法计数器电路。由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0，=1，CP＋=1，CP－=CP。可用CR端接电平开关来控制计时器的工作与否。声响显示电路需要在两种情况下做出反应：一种是当有参赛者按下抢答开关时，相应电路中的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响；第二种情况是当裁判员给出“请回答”指令后，计时开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，蜂鸣器发出声响。
　　显示电路由发光二极管与电阻串联而成，发光二极管正极接电源端，负极接D触发器的端。当某参赛者按下开关，该触发器接收该使其输出Q端的状态为高电平，相应的端为低电平，就有电流流过发光二极管使它发亮。计时系统的驱动显示电路选用BCD－7段锁存译码/驱动器CC4511和七段数码管组成，其工作原理可参照“数字钟”的有关内容。
声响电路由两分组成：一是由门电路组成的控制电路，二是三级管驱动电路。门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自抢答电路各触发器输出的与非，它说明只要有一为低电平，就使该与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣器发声；另一个来自计时系统高位计数器的借位信号OB,它说明计时电路在99秒向98秒，97秒，…2　秒，1秒，0秒倒计时再向99秒转化时向高位借位给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平。这个高电平信号也能使蜂鸣器发声，为了保证电路的可靠工作，也可采用与非门构成的基本RS触发器驱动。
图（四）
5、振荡电路
本系统需要产生三种频率的脉冲信号，一种是频率为1KHz的脉冲信号，用于声响电路；一种是频率为500KHz的脉冲信号，用于触发器CP信号。第三种频率为1Hz信号用于计时电路。以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频率得到。设计方法可参考“数字钟”的相关内容，1KHz的脉冲也可从实验箱上获得。
七、安装与调试
用中规模集成D触发器CC4013组成的三人抢答竞赛抢答计时器的逻辑电路图如图（五）所示。
图（五）
CC4013的功能表的外引线排列分别如表（二）和图（六），CC4012的外部引线排列如图（七）。
表（二）
图（六）
图（七）
1、抢答显示功能测试
按图（五）的有关分在实验箱上连线，将开关A,B,C全处于低电平。首先拨动开关A,该端发光二极管亮，此时再拨动开关B或C,观察其他发光二极管的情况。
2、清零功能测试
在以上实验的基础上，将CC4013的所有R端连在一起通过开关J控制。由表（二）可以看出，CC4013的异步控制信号高电平有效，困此可用R=1实现复位功能。开关J可以利用实验箱上的电平开关。常态时，它处于低电平。拨动开关J，观察发光二极管是否全灭。
3、倒计时功能测试
按图（四）的电路在实验箱上连线，计数器的输出可接发光二极管，在CP作用下，观察发光二极管显示情况。通过控制CR端的状态，再观察发光二极管显示情况。译码显示电路的连接方法可参考“数字钟”的有关内容。
4、声响电路功能测试
按图（五）的有关分在实验箱上连线，可将与非门的反相器的输入端分别通过实验箱上的电平开关来控制状态，观察喇叭发声情况。
八、实验所用器材
电源、发光二极管、蜂鸣器、电阻、开关、触发器、cc40192 、555定时器、 各种门电路、三极管、译码显示装置等。
九、设计心得和体会
“电子技术课程设计”是点在技术课程的实践性教学环节，是对我学习电子技术综合性的训练。通过本次课程设计我收获良多，使我认识到了自己所学的专业知识的实用性和重要性。
本次设计我选择的是三人抢答计时器的设计，本次设计使我对课本上的知识进行了复习和运用。这是我第一次接触课程设计，所以起初不知该如何下手，后来通过上网查询和查阅相关书籍资料，总算是有点眉目了。指导了如何下手，后面的工作相对就容易一些了。埋头苦干的过程是苦涩的，在书山中查找资料的过程是疲倦的，但当课程设计完成时，收获的感觉是甜蜜的。没有耕耘，哪来的收获的喜悦，不懂的付出怎么能知道回报的快乐，一份耕耘一份收获，有付出才有回报，就在这样的痛苦与快乐的交换中，我学到了知识，学到了做人的道理，收获了一份珍贵的财富。
这次实践使我认识到了我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用过程中还有些问题不能独立解决，所以我会在今后的学习中更加努力学习，学号自己的专业知识，来发展迅速的现代社会。
在此次设计中我非常感谢钟老师，我在设计过程中遇到过一些不明白的问题，多亏了老师的指导和帮忙，但我的设计还存在有很多不足之处，还望老师予以指正，提出修改的建议，使该设计更加完善。
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实验1 函数信号发生器的设计与调测
摘要
使用运放组成的积分电路产生一定频率和周期的三角波、方波（提高要求中通过改变积分电路两段的积分常数从而产生锯齿波电压，同时改变方波的占空比），将三角波信号接入下级差动放大电路（电流镜提供工作电流），利用三极管线性区及饱和区的放大特性产生正弦波电压并输出。
关键词
运放积分电路 差动发达电路 镜像电流源
实验内容
基本要求：
设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。
输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；
方波输出电压Uopp=12V，上升、下降沿小于10us，占空比可调范围30%-70%；
三角波Uopp=8V；
正弦波Uopp>1V。
设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）
提高要求：
三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范围内连续可调。
三种输出波形的输出阻抗小于100欧。
用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图（PCB）。
设计思路、总体结构框图
分段设计，首先产生方波-三角波，再与差动放大电路相连。
(
正弦波产生电路
三角波产生电路
方波产生电路
)
分块电路和总体电路的设计
（1）方波-三角波产生电路：
首先，稳压管采用既定原件2DW232，保证了输出方波电压Uo1的峰峰值为12V，基本要求三角波输出电压峰峰值为8V，考虑到平衡电阻R3的取值问题，且要保证R1/Rf=2/3,计算决定令Rf=12K，R1=8K，R3=5K。又由方波的上升、下降沿要求，第一级运放采用转换速度很快的LM318，Ro为输出限流电阻，不宜太大，最后采用1K欧电阻。二级运放对转换速度要求不是很高，故采用UA741。考虑到电容C1不宜过小，不然误差可能较大，故C1=0.1uF，最后根据公式，Rw抽头位于中点时R2的值约为300欧，进而确定平衡电阻R4的阻值。考虑到电路的安全问题，在滑阻的接地端串接了一个1K的电阻。（注：实际调测时因为滑阻转动不太方便，所以通过不断换滑阻的方式确定适当频率要求下Rw的阻值，我的电路最后使用的是1K欧的滑阻）
（2）正弦波产生电路：
电容C2，C3，C4为隔直电容，根据电路实际情况，采用10uF的足够了，调测效果也很好。C5为滤波电容，需要根据最后的正弦波波形选择最合适的，我的电路最后采用的是4700pF。T1,T2,T3,T4采用8050NPN管。根据电路要求电流镜电流为1mA，以保证T1,T2的集电极电流都是0.5mA，由于正负电压的大小都是12V，Re3,Re4又不能太大（有负反馈），故最后令R=18K,Re3=Re4=Re5=5K（其中Re5为电流镜的负载，需要与之匹配）Rp2为调零电阻，100欧就可以。Rb1,Rb2为差放的基极电阻，对整个放大影响不大，都采用50欧以减小电路输出阻抗。Rc1,Rc2为集电极负载，需要足够大以保证正弦电压的放大倍数，选择18K欧的电阻。Rp1理论上是用于调节输出正弦波电压的幅值的，但是实际调测中，它的大小还会影响到前一级电路，在不断调测中决定使用10K欧的滑阻。
（3）提高之三角波幅度可调：
一者可以在Uo2的输出口接上一个分压电路（使用滑阻），这样只改变输出三角波幅值，不会影响其他电路。
二者可以利用三角波产生的原理，改变R1和Rf的比值。
考虑到后者实现的难度稍小，所以采用第二种方法，在Rf支路上串联一个10K欧的滑阻，最后可以实现赋值及频率同时可调。
（4）方波占空比可调：
只需改变正负积分电路的积分常数即可，由此联想到锯齿波电压的产生电路，将R2替换为两条支路，用不同方向的二极管控制电路的通断。最后成功输出锯齿波电压和占空比可调的方波电压。
电路仿真的实现（Multisim）：
电路图：
方波波形：
三角波波形：
正弦波波形：
PCB布板图：
所实现功能说明
接入工作电压后可以产生频率、幅度可调的方波、三角波、正弦波电压波形。
主要测试数据为 频率F可调节的范围，幅值最大是否符合要求，后级差动放大电路的直流工作点以及频率变化时输出正弦波电压幅值的微小变化。
测试方法：利用直流电压元产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、幅值、频率等，用电压表测量Re，Rc两端电压，并计算得到二者的工作电流。
故障及问题分析
方波的峰峰值过低或者过大，稳压管没有起到相应的作用。通过不断改变Ro的值（由于Rw改变不方便，还调过它）最终得到满足要求的波形。
三角波的上升沿比较粗，下降沿比较细。通过改变R2和C1的值不断改变波形频率，最后得到相对对称的三角波上升下降沿。
后级在直流工作点正常的情况下，没有正弦波的输出波形。通过逐段测试发现在信号经过Rp1后就已经为零了，这个滑阻本应是调节正弦波的幅度的，但粗浅分析应该会影响到前级的积分电路，将之换上一个调节方便的10K欧电阻，调解过程中发现确实有所影响，在不断调节下得到了输出的正弦波波形。
正弦波输出端输出的是三角波电压，解决方式是调整滤波电容的值，使之达到滤波的效果，最后输出比较圆滑的正弦波。
扩展的时候想用发光二极管指示输出的波形为何种类型，但是因为电路工作电压比较特殊，LED加到很多位置都是直接不发光，还破坏了电路本身的功能，即使能发光，也会严重影响输出波形的完整性。这个问题一直没得到解决，在验收完之后将占空比扩展电路中的两个二极管换成了LED，可以正常发光，只是稍微影响了点输出电压的频率。
在调节输出电压频率的时候，最后的正弦波电压输出幅度会有较大的改变，这应是后级差放电路还不够稳定，几个电容的值还不是很好导致的，因为当时已经验收了，后来也就没有调测。
总结和结论
通过这次综合实验，复习了上学期比较重要的模电知识，初窥了部分自己设计电路的难点，各个原件的数值需要事先确定。加强了对电路的整体把握能力，从一开始简单地搭建一块面包板到后来相对比较有条理、比较美观的面包板，这是一个质的改变，绝对会对将来的电路实验影响很大。在排原件的的过程中也深深地感到制作一块集成度很高的PCB板是多么的不容易。总之，这次实验的好处现在看来可能不太明显，但一定会在将来慢慢体现出来。
所用元器件及测试仪表清单
元器件
R(Ω) 个数
8K 1
12K 1
330 2
1K 2
5K 4
50 2
18K 3
C(F) 个数
0.1u 1
10u 3
4700p 1
Rw(Ω) 个数
10K 3
100 1
4个
2DW232 1个
LM318 1个
UA741 1个
仪器
函数信号发生器
示波器
晶体管毫伏表
万用表
直流稳压电源
参考文献
《电子电路综合实验教程》
《电子电路基础》
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模拟乘法调幅（AＭ、ＤＳB）模块4
一、实验目的
1、掌握用集成模拟乘法器实现全载波调幅和抑止载波双边带调幅方法。
2、研究已调波与调制信号以及载波信号的关系。
3、掌握调幅系数的测量与计算方法。
4、通过实验对比全载波调幅、抑止载波双边带调幅波形。
5、了解模拟乘法器（MC1496）的工作原理，掌握调整与测量其特性参数的方法。
6、掌握用集成模拟乘法器构成调幅与检波电路的方法。
二、实验原理
调幅与检波原理简述：
调幅就是用低频调制信号去控制高频振荡（载波）的幅度，使高频振荡的振幅按调制信号的规律变化；而检波则是从调幅波中取出低频信号。
本实验中载波是465KHz高频信号，10KHz的低频信号为调制信号。
集成四象限模拟乘法器MC1496简介：
本器件的典型应用包括乘、除、平方、开方、倍频、调制、混频、检波、鉴相、鉴频动态增益控制等。它有两个输入端VX、VY和一个输出端VO。一个理想乘法器的输出为VO=KVXVY，而实际上输出存在着各种误差，其输出的关系为：VO=K（VX +VXOS）（VY+VYOS）+VZOX。为了得到好的精度，必须消除VXOS、VYOS与VZOX三项失调电压。集成模拟乘法器MC1496是目前常用的平衡调制/解调器，内部电路含有8 个有源晶体管。
MC1496的内部原理图和管脚功能如下图所示：
MC1496各引脚功能如下：
1）、SIG+ 信号输入正端 2）、GADJ 增益调节端
3）、GADJ 增益调节端 4）、SIG- 信号输入负端
5）、BIAS 偏置端 6）、OUT+ 正电流输出端
7）、NC 空脚 8）、CAR+ 载波信号输入正端
9）、NC 空脚 10）、CAR- 载波信号输入负端
11）、NC 空脚 12）、OUT- 负电流输出端
13）、NC 空脚 14）、V- 负电源
实验电路说明
用MC1496集成电路构成的调幅器电路如下图所示
图中W1用来调节引出脚1、4之间的平衡，器件采用双电源方式供电（＋12V，－8V），所以5脚偏置电阻R15接地。电阻R1、R2、R4、R5、R6为器件提供静态偏置电压，保证器件内部的各个晶体管工作在放大状态。载波信号加在V1－V4的输入端，即引脚8、10之间；载波信号Vc经高频耦合电容C1从10脚输入，C2为高频旁路电容，使8脚交流接地。调制信号加在差动放大器V5、V6的输入端，即引脚1、4之间，调制信号VΩ经低频偶合电容E1从1脚输入。2、3脚外接1KΩ电阻，以扩大调制信号动态范围。当电阻增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减小。已调制信号取自双差动放大器的两集电极（即引出脚6、12之间）输出。
三、实验仪器与设备
高频电子线路综合实验箱；
高频信号发生器；
双踪示波器；
万用表。
四、实验内容与步骤
1、静态工作点调测：使调制信号VΩ=0,载波VC=0，调节W1使各引脚偏置电压接近下列参考值：
R11、R12 、R13、R14与电位器W1组成平衡调节电路，改变W1可以使乘法器实现抑止载波的振幅调制或有载波的振幅调制。
为了使MCl496各管脚的电压接近上表，只需要调节W1使1、4脚的电压差接近0V即可，方法是用万用表表笔分别接1、4脚，使得万用表读数接近于0V。
抑止载波振幅调制：J1端输入载波信号VC(t),其频率fC=465KHz,峰－峰值VCP－P＝500mV。J5端输入调制信号VΩ(t)，其频率fΩ＝10KHz，先使峰－峰值VΩP－P＝0，调节W1，使输出VO=0(此时ν4＝ν1)，再逐渐增加VΩP－P，则输出信号VO（t）的幅度逐渐增大，于TH3测得。最后出现抑止载波的调幅信号。
输出信号峰峰值VOP－P=100mV
全载波振幅调制
J1端输入载波信号Vc(t) , fc=465KHz, VCP－P＝500mV，调节平衡电位器W1，使输出信号VO（t）中有载波输出（此时V1与V4不相等）。再从J5端输入调制信号，其fΩ＝10KHz，当VΩP－P由零逐渐增大时，则输出信号VO（t）的幅度发生变化，最后出现有载波调幅信号的波形,如下图所示，记下AM波对应Vmmax和Vmmin，并计算调幅度m。分别得到m=30%;m=50%和m=100%的AM。
m 30% 50% 100% >100%
Vmmax/mv
Vmmin/mv
加大VΩ，观察波形变化，比较全载波调幅、抑止载波双边带调幅的波形.
集成电路（乘法器）构成解调器：
解调全载波信号：按调幅实验中实验内容获得调制度分别为30％，50%、100％及>100％的调幅波。将它们依次加至解调器调制信号输入端J11，并在解调器的载波输入端J8加上与调幅信号相同的载波信号，分别记录解调输出波形，并与调制信号相比。
解调抑制载波的双边带调幅信号：按调幅实验中实验内容的条件获得抑制载波调幅波，加至的调制信号输入端J11，观察记录解调输出波形，并与调制信号相比较。
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