電子電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程指導(dǎo)書

1、電子電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程指導(dǎo)書桂林電子科技大學(xué)2015年 5月一、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：16 學(xué)時(shí) 7 月 13 日 16 日（ 4 天）地點(diǎn)： 331 計(jì)算機(jī)室二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕菊n程是一門獨(dú)立設(shè)課的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，目的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的實(shí)踐技能和分析、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)注意培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，為今后從事電子電路設(shè)計(jì)、電子制造技術(shù)的相關(guān)工作和研究打下良好基礎(chǔ)。（ 1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生能學(xué)會(huì)自己獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和一定的創(chuàng)新能力，能正確使用電子電路設(shè)計(jì)軟件，具有一定的計(jì)算機(jī)操作能力和設(shè)計(jì)動(dòng)手能力。（ 2）進(jìn)一步鞏固和加深對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的基本理論知識(shí)，掌握常用簡(jiǎn)

2、單電子電路設(shè)計(jì)方法，提高綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題和獨(dú)立進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)的能力。三、實(shí)驗(yàn)要求：（ 1）掌握 Altium Designer 軟件的電路原理圖設(shè)計(jì)，主要包括：環(huán)境設(shè)置、畫電路圖工具的使用、電路圖的編輯和零件管理器的使用、層次電路圖設(shè)計(jì)、報(bào)表的生成和零件庫(kù)編輯器的使用方法。（ 2） Altium Designer 軟件的 PCB板圖設(shè)計(jì)，主要包括：環(huán)境設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)表的引入和管理、電路板組件管理器、組件編輯與放置、設(shè)計(jì)規(guī)則和布線、輸出報(bào)表和零件封裝編輯器的使用。（ 3）獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，撰寫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告（報(bào)告格式見(jiàn)附錄）。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容：基于 AltiumDesigner 電路設(shè)計(jì)軟件

3、設(shè)計(jì)一個(gè)具有一定功能的電路原理圖，并計(jì)算確定所元件的設(shè)計(jì)參數(shù)，鼓勵(lì)有想法的同學(xué)結(jié)合自己特點(diǎn)自主選題并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其功能（需在報(bào)告中說(shuō)明設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)要求），達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)效果。以下設(shè)計(jì)題目供大家設(shè)計(jì)參考，要求每個(gè)同學(xué)都確定一個(gè)題目進(jìn)行設(shè)計(jì)并達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完成不少于3500 字的設(shè)計(jì)報(bào)告。1、低頻功率放大器設(shè)計(jì)在放大通道的正弦信號(hào)輸入電壓幅度為（5 700）mV，等效負(fù)載阻 RL為 8，放大器的輸出功率大于10W2、簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)要求：輸出電流500mA,輸出電壓 0-9.9V 可任意設(shè)調(diào)，精度0.1V ；3、直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)壓電源在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍 15%20%

4、條件下：輸出電壓可調(diào)范圍為 +9V+12V，最大輸出電流為1.5A 。4、恒流 LED電源設(shè)計(jì)要求：輸出電流120mA,輸出電壓根據(jù)負(fù)載可達(dá)范圍18-72V；5、LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)要求：輸出電流350mA,輸出電壓根據(jù)負(fù)載可達(dá)范圍20-92V；6、簡(jiǎn)易無(wú)線電遙控器設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)無(wú)線接收機(jī)和發(fā)射機(jī)原理圖和PCB板圖，遙控 8 個(gè) LED 燈的亮滅，工作頻率 610MHz，接收機(jī)距離發(fā)射機(jī)不小于10m 。LED 發(fā)光表示工作輸出電流350mA,輸出電壓根據(jù)負(fù)載可達(dá)范圍20-92V；7、高效率音頻功率放大器要求：功率放大器的電源電壓為 +5V，負(fù)載為 8 電阻。 3dB 通頻帶為 300Hz34

5、00Hz，輸出正弦信號(hào)無(wú)明顯失真。最大不失真輸出功率 1W。輸入阻抗 >10k，電壓放大倍數(shù) 120 連續(xù)可調(diào)。8、電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)控制電路，能夠驅(qū)動(dòng)控制造直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。19、測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)速電路，能夠測(cè)量自行車或電機(jī)的轉(zhuǎn)速。10、可控放大器設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)可控放大器電路，放大器輸入正弦信號(hào)電壓振幅為10mV，電壓增益為 40dB，通頻帶為 100Hz40kHz，放大器輸出電壓無(wú)明顯失真。11、聲光控制電路設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)根據(jù)聲光信號(hào)具有延時(shí)自控制功能的電路。12、簡(jiǎn)單電感量測(cè)量電路設(shè)計(jì)要求：基于諧振方法測(cè)量電感值，測(cè)量下限達(dá) 10nH，能滿足正常情況

6、下的電感量測(cè)量，能夠顯示所測(cè)值。13、簡(jiǎn)單電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)要求：測(cè)量范圍可達(dá)1nF104F，能夠顯示所測(cè)值。其他題目（設(shè)計(jì)要求及參數(shù)自主確定） ：14 數(shù)字溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)、 15 水溫控制電路、16 長(zhǎng)延時(shí)電路、 17 采用 555 集成電路的簡(jiǎn)易光電控制器、18 抗干擾定時(shí)器、 19 自動(dòng)應(yīng)急燈電路、 20 電子仿聲驅(qū)鼠器、 21 閃爍燈光門鈴電路、 22 家用電器過(guò)壓自動(dòng)斷電裝置、23 電風(fēng)扇自動(dòng)溫控調(diào)速器、 24 小型電子聲光禮花器、 25 電源頻率檢測(cè)器、 26 三相交流電相序檢測(cè)器等。1五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告要求1、設(shè)計(jì)方案論證，包括實(shí)現(xiàn)方案、總體框圖。2、電路設(shè)計(jì)與參數(shù)確定，包括電路原理

7、設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算。3、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析，包括PCB 板圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)（畫出PCB 板圖，元件清單，元件裝配圖）并對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析說(shuō)明。4、結(jié)論，總結(jié)在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中所遇到的各種問(wèn)題及解決途徑。注：相同題目的成員為一組原則上每組成員不超過(guò)3 人，可相互討論，但每人都需各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，不得雷同，注意保護(hù)自己的設(shè)計(jì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完全相同報(bào)告將均為不及格。報(bào)告格式要求：見(jiàn)報(bào)告模板時(shí)間要求：7 月 13 日前確定設(shè)計(jì)題目，并報(bào)班委統(tǒng)一報(bào)給我，7 月 13 日 -7 月 16 日，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)（可自主選擇設(shè)計(jì)場(chǎng)地） ，7 月 13 日上午 10 點(diǎn)在實(shí)訓(xùn)樓 331 機(jī)房統(tǒng)點(diǎn)名，統(tǒng)一安排設(shè)計(jì)任務(wù)和時(shí)間， 7

8、月 16 日 -7 月 17 日驗(yàn)收并交設(shè)計(jì)報(bào)告。附錄：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告格式：A4紙打??；頁(yè)邊距要求如下：頁(yè)邊距上、下、右各為2.5 厘米，左邊距各為2.8厘米；正文中中文字體為仿宋體小四號(hào)，首行縮進(jìn)2 字符；英文字符及數(shù)字均采用“Times New Roman”字體，小四；行間距取 1.5 倍值（或設(shè)置值為固定值 22 磅）；字符間距為默認(rèn)值（縮放 100%，間距：標(biāo)準(zhǔn)）。圖名和表表格中字體為仿體五號(hào)；正文格式按照正式出版物的慣例，章節(jié)目序號(hào)的級(jí)序規(guī)定如下： 1、 1.1、 1.1.1。正文中題目標(biāo)題：黑體三號(hào)，段前、后各 0.5 行； 1 級(jí)（如 1、 2、 3、等）標(biāo)題仿宋四號(hào)，加粗，段前、

9、后各 6 磅； 2 級(jí)標(biāo)題（如 1.1、1.2、1.3 等）為仿宋小四號(hào)，加粗，段前、后各 6 磅； 3 級(jí)標(biāo)題以下（如 1.1.1、1.2.1、1.3.1 等）為仿宋小四號(hào)，段前、后各6磅；電子電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：指導(dǎo)老師：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：小組成員：桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2015年 7月 9日1開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)摘要本系統(tǒng)以 Boost 升壓斬波電路為核心，以 MSP430單片機(jī)為主控制器和PWM信號(hào)發(fā)生器，根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)做出調(diào)整， 進(jìn)行可靠的閉環(huán)控制， 從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)輸出直流電壓30V 36V 可調(diào)，可以通過(guò)鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，最大輸出電流達(dá)到 2

10、A，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低， DC-DC變換器的效率達(dá)到 93.97%。能對(duì)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測(cè)量和顯示。系統(tǒng)特色： 1）輸出電壓反饋采用“同步采樣”方式，能有效避免電壓尖峰對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響。2）采用多種有效措施降低系統(tǒng)的電磁干擾 （EMI），增強(qiáng)電磁兼容性（EMC）。3）具有完善、可靠的保護(hù)功能，如：過(guò)流保護(hù)、反接保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、防開(kāi)機(jī)“浪涌”電流保護(hù)等，保證了系統(tǒng)的可靠性。1方案論證1.1 DC-DC主回路拓?fù)浞桨敢婚g接直流變流電路： 結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，可以實(shí)現(xiàn)輸出端與輸入端的隔離，適合于輸入電壓與輸出電壓之比遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于1 的情形，但由于采用多次變換，電

11、路中的損耗較大，效率較低，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖 1-1間接直流變流電路方案二 Boost 升壓斬波電路：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷受外部PWM信號(hào)控制， 電感 L 將交替地存儲(chǔ)和釋放能量， 電感 L 儲(chǔ)能后使電壓泵升， 而電容 C可將輸出電壓保持住，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為UO=(ton+toff)，通過(guò)改變PWM控制信號(hào)的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采取直接直流變流的方式實(shí)現(xiàn)升壓，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，損耗較小，效率較高。綜合比較，我們選擇方案二。1LVDECUORL圖 1-2 Boost升壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2控制方法及實(shí)現(xiàn)方案方案一 利用 PWM專用芯片產(chǎn)生

12、 PWM控制信號(hào)。此法較易實(shí)現(xiàn)， 工作較穩(wěn)定， 但不易實(shí)現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整。方案二 利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。讓單片機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)做出相應(yīng)調(diào)整以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為靈活，可以通過(guò)調(diào)試針對(duì)本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。但是系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜。在這里我們選擇方案二，系統(tǒng)總體框圖如圖1-3 所示。隔離ACAC變 壓 器整流DCBoost濾波升壓電路輸出DC DC 負(fù)載濾 波鍵盤MCU保護(hù)電路主控制器圖 1-3 系統(tǒng)總體框圖顯示電路2 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1 Boost 升壓電路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算圖 2-1Boost升壓電路(a)PWM驅(qū)動(dòng)電路（b） Boost

13、升壓基本電路1Boost 升壓電路包括驅(qū)動(dòng)電路和Boost 升壓基本電路，如圖2-1 所示。2.1.1開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管的選擇選擇導(dǎo)通電阻小的IRF540 作為開(kāi)關(guān)管，其導(dǎo)通電阻僅為77m（ VGS=10V,ID=17A）。IRF540 擊穿電壓 VDSS為 55V ，漏極電流最大值為28A（VGS=10 V， 25°C），允許最大管耗 PCM可達(dá) 50W，完全滿足電路要求。2.1.2PWM驅(qū)動(dòng)電路器件的選擇單片機(jī) I/O 口輸出電壓較低、驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，我們使用專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2302。其導(dǎo)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間分別為130 ns 和 50 ns ，可以實(shí)現(xiàn)電力場(chǎng)效應(yīng)管的高速開(kāi)通和關(guān)斷。

14、 IR2302 還具有欠壓保護(hù)功能。2.1.3肖特基二極管的選擇選擇 ESAD85M-009型肖特基二極管，其導(dǎo)通壓降小，通過(guò)1 A 電流時(shí)僅為 0.35V，并且恢復(fù)時(shí)間短。實(shí)際使用時(shí)為降低導(dǎo)通壓降將兩個(gè)肖特基二極管并聯(lián)。2.1.4電感的參數(shù)計(jì)算電感值的計(jì)算公式：U IN2UO UINL B2mI O fU O其中， m是脈動(dòng)電流與平均電流之比取為0.25 ，開(kāi)關(guān)頻率 f=20 kHz, 輸出電壓為36V時(shí)， LB=527.48H，取 530H。電感線徑的計(jì)算：最大電流IL 為 2.5A ，電流密度 J 取 4 A/mm2，線徑為 d, 則由J * （d2） I L2 得 d=0.892 mm

15、,工作頻率為 20kHz, 需考慮趨膚效應(yīng)，制作中采取多線并繞方式，既不過(guò)流使用，又避免了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致漆包線有效面積的減小。2.1.5電容的參數(shù)計(jì)算電容值的計(jì)算公式：I（OUOU IN）CBU OU O f其中，UO為負(fù)載電壓變化量，取20 mV,f=20kHz,UO=36V 時(shí),CB=1465 F, 取為2000F，實(shí)際電路中用多只電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，減小電容的串聯(lián)等效電阻（ESR），起到減小輸出電壓紋波的作用，更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。12.2 控制電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算單片機(jī)根據(jù)電壓的設(shè)定值和電壓反饋信號(hào)調(diào)整 PWM控制信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，同時(shí)，單片機(jī)與采樣電路相結(jié)合，將為系統(tǒng)提供過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保

16、護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等措施，并實(shí)現(xiàn)輸出電壓、輸出電流和輸入電壓的測(cè)量和顯示。D1UINPWM信號(hào)占空比U O當(dāng) U2=15V， UO=36V時(shí)， UIN=1.2*U2-2V=16V，最大值 DMAX=0.556；當(dāng) U2=21V， UO=30V時(shí)， UIN=1.4*U2-2V=27.4V，最小值 DMIN=0.087系統(tǒng)對(duì)于單片機(jī) A/D 采樣精度的要求：題目中最高的精度要求為 0.2%，欲達(dá)到這一精度， A/D 精度要達(dá)到 1/500 ，即至少為 9 位 A/D，MP430內(nèi)置 A/D 為 12 位，只要合理設(shè)定測(cè)量范圍，完全可以達(dá)到題目的精度要求。2.3效率的分析及計(jì)算U2=18V,輸出電壓 UO

17、=36V,輸出電流 IO=2ADC-DC電路輸入電壓 UIN=1.2*U2-2V=19.6V ，信號(hào)占空比 D 1-UIN/UO=0.456，輸入電壓有效值 IIN=IO/ （1-D）=3.676A，輸出功率 PO=UO*IO=72 W下面計(jì)算電路中的損耗 P 損耗：Boost 電路中電感的損耗：PDCR1I IN2DCR1其中， DCR1為電感的直流電阻，取為50 m，代入可得 PDCR1=0.68 WBoost 電路中開(kāi)關(guān)管的損耗開(kāi)關(guān)損耗PSW=0.5*UIN*IIN（ tr+tf）*f其中， tr是開(kāi)關(guān)上升時(shí)間，為190ns,tf是開(kāi)關(guān)下降時(shí)間，為 110ns,f是開(kāi)關(guān)頻率，為 20 k

18、Hz, 代入可得 PSW=0.2160 W2導(dǎo)通損耗PC D（ I IN（RDSON 1.3 RSNS）其中，導(dǎo)通電阻 RDSON=77m，電流感應(yīng)電阻 RSNS取 0.1，代入得 PC=1.23 W肖特基二極管的損耗流過(guò)二極管的電流值與輸出電流I0 相等，則二極管損耗 PDI OVD其中， IO=2 A, 取二極管壓降 VD為 0.35 V ，代入可得 PD=0.7 W兩只采樣電阻上的總損耗為0.9 W（計(jì)算過(guò)程見(jiàn)附錄2）其他部分的損耗約為0.81W，具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)附錄2。綜上，電路中的總損耗功率P 損耗 =4.5W， DC-DC變換器的效率 = PO / （PO+P損耗） =94%。3 系

19、統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析3.1 PCB 板圖所設(shè)計(jì)的 PCB板圖如圖 3-1 所示（需要畫出，這里略）3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析3.2.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)（1）輸出電壓反饋采用“同步采樣”方式，有效地避免了電壓尖峰對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響。軟件濾波可降低毛刺干擾，但不能從根本上減小干擾?！巴讲蓸印狈ㄊ歉鶕?jù)開(kāi)關(guān)毛刺的可預(yù)測(cè)性（集中在開(kāi)關(guān)瞬間，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)2 S），在開(kāi)關(guān)管動(dòng)作后2S 再采樣，避免采到毛刺，提高了反饋信號(hào)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。（2）采用多種措施降低系統(tǒng)的電磁干擾 （ EMI），如：開(kāi)關(guān)頻率較低， 降低了 EMI；單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘源壓控震蕩器（ DCO）采用了抖頻技術(shù)，使 EMI能量分散在各個(gè)頻率點(diǎn)上，降低了

20、 EMI 的峰值；產(chǎn)生 PWM信號(hào)時(shí)也使用了抖頻技術(shù)，即實(shí)現(xiàn)了用較少位數(shù)的 PWM產(chǎn)生較多的控制階數(shù)，又減少了EMI。（3）具有多重保護(hù)措施，保證了系統(tǒng)的高可靠性。3.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足對(duì)效率等進(jìn)行理論分析和計(jì)算時(shí)，采用的是器件參數(shù)的典型值，但實(shí)際器件的參數(shù)具有明顯的離散性，電路性能很可能因此無(wú)法達(dá)到理論分析值。電路的制作工藝并非理想的，會(huì)增加電路中的損耗。3.2.3改進(jìn)方法（1）使用性能更好的器件，如換用導(dǎo)通電阻更小的電力 MOS管，采用低阻電容。（2）使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步減小電力 MOS管的開(kāi)關(guān)損耗；（3）采用同步式開(kāi)關(guān)電源的方案，用電力MOS管代替肖特基二極管以減小損耗；（4）優(yōu)化軟件控制算法，進(jìn)一步減小電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。14 結(jié)論本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 功能齊全，性能優(yōu)良，除個(gè)別指標(biāo)外均達(dá)到并超過(guò)了題目要求。保護(hù)電路完善，使用更安全。使用同步采樣技術(shù)和多種抗EMI 技術(shù)使得本電路更加環(huán)保。由于時(shí)間緊張，任務(wù)較為繁重，本電路尚有不足之處，如輸出紋波偏大等。這些都是以后我們努力和改進(jìn)的方向。附錄 1 電路原理圖圖 1開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路1圖 2單片機(jī)最小系統(tǒng)1圖 3保護(hù)電路（a）輸入保護(hù)電路（b）過(guò)熱保護(hù)電路圖 4輸出過(guò)流保護(hù)電路圖 5逐波過(guò)流保護(hù)電路附錄 2效率計(jì)算完整過(guò)程電路中的主要損耗已在正文中進(jìn)行了計(jì)算，下面給出其他部分損耗的計(jì)算過(guò)程：11. Boost 電路中電容