模擬電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書1.1課程設(shè)計的目的與要求模擬電子技術(shù)課程設(shè)計是在學(xué)生學(xué)習(xí)完模擬電路課程之后，針對課程的要求對學(xué)生進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識，聯(lián)系實際要求作出獨立設(shè)計，并進(jìn)行安裝調(diào)試的實際工作能力。通過本教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到如下基本要求：（1） 綜合運用模擬電子技術(shù)課程設(shè)計中所學(xué)到的理論知識，結(jié)合課程設(shè)計任務(wù)要求適當(dāng)自學(xué)某些新知識，獨立完成一個課題的理論設(shè)計。（2） 會運用EDA工具（如EWB、PSPICE），對所作出的的理論設(shè)計進(jìn)行模擬仿真測試，進(jìn)一步完善理論設(shè)計。（3） 通過查閱手冊和文獻(xiàn)資料，熟悉常用電子器件的類型和特性，并掌握合理選用

2、元器件的原則。（4） 掌握模擬電路的安裝、測量與調(diào)試的基本技能，熟習(xí)電子儀器的正確使用方法，能獨立分析實驗中出現(xiàn)的正?；虿徽，F(xiàn)象（或數(shù)據(jù)），獨立解決調(diào)試中出現(xiàn)的正常或不正?，F(xiàn)象（或數(shù)據(jù)），獨立解決調(diào)試中所遇到的問題。（5） 學(xué)會撰寫課程設(shè)計報告。（6） 培養(yǎng)實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。1.2 課程設(shè)計的一般教學(xué)過程1.2.1教學(xué)階段安排模擬電子技術(shù)課程設(shè)計的教學(xué)流程如圖1所示。理論設(shè)計運用EDA工具進(jìn)行模擬仿真測試，進(jìn)一步完善理論設(shè)計實際電路的安裝與調(diào)試撰寫課程設(shè)計報告答辯（圖1）1.2.2各教學(xué)階段基本要求1.理論設(shè)計電子系統(tǒng)的設(shè)計方法有三種：自頂向下（TopDown）、

3、自底向上（Bottom Up）、自頂向下與自底向上結(jié)合。自頂向下方法按照“系統(tǒng)-子系統(tǒng)-功能模塊-單元電路-元器件-布線圖”的過程來設(shè)計一個系統(tǒng)。自底向上的方法則按照相反的過程來進(jìn)行設(shè)計。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中，一般采用自頂向下的設(shè)計方法，因為這種設(shè)計方法，使設(shè)計者的設(shè)計思路具有大局觀，從實際系統(tǒng)功能出發(fā)，概念清洗易懂。實際上，由于電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是IP技術(shù)的發(fā)展，有很多通用功能模塊可以選用，也就是說，采用自頂向下的設(shè)計方法，有時只需涉及到功能模塊，再附加適當(dāng)?shù)脑骷⒓右院侠淼牟季€即可。應(yīng)該說這是一種自頂向下與自底向上相結(jié)合的方法。但在以IP核為基礎(chǔ)VLSI片上系統(tǒng)的設(shè)計中，自底向上的方法

4、得到重視和應(yīng)用。但在學(xué)校的實驗室中，往往受到客觀條件的限制，也就是說，一般只能根據(jù)實驗室給出的元器件或某些功能模塊來進(jìn)行選擇。另外，為了使學(xué)生能牢固掌握基礎(chǔ)知識和基本技能，一般的課程設(shè)計都要求學(xué)生設(shè)計到元器件級。 在理論設(shè)計階段，要求學(xué)生按照課程設(shè)計任務(wù)要求，在教師的指導(dǎo)下，運用模擬電路課程中學(xué)過的理論知識，適當(dāng)自學(xué)某些新知識，獨立完成包括下列內(nèi)容的理論設(shè)計。 （1） 總體設(shè)計方案的比較、選擇與確定 對于一個課程設(shè)計課題，可能有各種不同的設(shè)計方案可以實現(xiàn)。所以，首先要根據(jù)課程設(shè)計的任務(wù)和要求，進(jìn)行仔細(xì)分析和研究，找到問題的關(guān)鍵，確定設(shè)計原理；接著還應(yīng)廣開思路，利用所學(xué)的理論知識，并查閱有關(guān)資料

5、，提出盡可能多的設(shè)計方案來進(jìn)行比較；最終，根據(jù)原理正確、易于實現(xiàn)、且實驗室有條件實現(xiàn)的原則確定設(shè)計方案，畫出總體設(shè)計功能框圖。（2） 功能塊的設(shè)計根據(jù)功能設(shè)計和技術(shù)指標(biāo)要求，確定每個功能塊應(yīng)選擇的單元電路，并注意功能塊之間耦合方式的合理選擇。（3） 單元電路的設(shè)計 對各功能塊選擇的單元電路，分別進(jìn)行設(shè)計、計算出滿足功能及技術(shù)指標(biāo)要求的電路，包括元器件選擇和電路靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)的計算等，并要求對單元電路之間的適配進(jìn)行設(shè)計與核算，主要是考慮阻抗匹配，以便提高輸出功率、效率以及信噪比等。元器件的選擇很關(guān)鍵。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量選擇通用性強(qiáng)的、新型的、調(diào)試容易的、性價比及集成度高的元器件。例如，設(shè)

6、計一個模擬信號發(fā)生器，其主要電路的元器件可以有三種選擇：晶體管；運算放大器；專用集成電路。顯然，選擇第種最理想 ，但實驗室可能沒有，那只好退而求其次，選擇第種。此外，近年來一些公司生產(chǎn)的可編程控制器件更為模擬電路的設(shè)計開辟了廣闊的空間。（4） 最后畫出總體電路原理圖，必要時畫出總體布線圖。 2.運用EDA工具進(jìn)行模擬仿真測試并進(jìn)一步完善理論設(shè)計如果按設(shè)計好的總體電路原理圖直接進(jìn)行安裝調(diào)試，一般很難做到一次成功，可能要進(jìn)行反復(fù)實驗、調(diào)試，頗為費時費力，甚至由于工作場地、實驗儀器或元器件品種數(shù)量的限制，無法及時完成實驗。所以運用EDA工具進(jìn)行模擬仿真測試，是確定設(shè)計的正確性和進(jìn)一步修改完善設(shè)計的最

7、好途徑。目前流行的電子線路仿真軟件由PSPICE、EWB等。例如EWB（Electronics Workbench）界面直觀，操作方便，學(xué)習(xí)和使用都很方便。EWB的元器件庫有數(shù)千種電路元器件 （及其參數(shù)）共選用，它的儀器庫中有7種模擬電子儀表，將所設(shè)計的電路原理圖在EWB界面下創(chuàng)建并用其儀器庫中的模擬儀表進(jìn)行仿真測試，若發(fā)現(xiàn)問題，可立即修改參數(shù)，重新調(diào)試直至得到滿意的設(shè)計。如果需要，軟件可將設(shè)計結(jié)果直接輸出至常見的印制線路板排版軟件（如PROTEL、ORCAD等）形成PCB圖。 3.實際電路的安裝與調(diào)試 根據(jù)設(shè)計好的總體電路原理圖，經(jīng)指導(dǎo)教師審查通過后，就可向?qū)嶒炇翌I(lǐng)取所需元器件、材料等，進(jìn)行

8、電路組裝和調(diào)試。安裝調(diào)試的步驟如下：（1） 檢查所領(lǐng)取的元器件及材料等，確定無損壞、型號及參數(shù)正確。（2） 根據(jù)所領(lǐng)取的實驗裝置（如實驗板或面包板），初步設(shè)計總體電路的安裝布局，一般采取和設(shè)計電路圖盡可能一致，從左至右從輸入到輸出的原則，電源從上引入，參考地在下方。 （3） 先按各單元電路分別進(jìn)行安裝并調(diào)試，在調(diào)試過程中要仔細(xì)觀察所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，判斷是否正常，若不正常要及時查找故障原因，并及時記錄測試結(jié)果，例如，測試波形、數(shù)據(jù)等。各部分都測試成功后再連起來進(jìn)行總調(diào)。 （4） 測試時一定要遵守安全操作規(guī)程，安裝或更換元器件時要關(guān)斷電源，發(fā)現(xiàn)打火、冒煙、有異味等不正常現(xiàn)象也要及時關(guān)斷電源，然后再

9、查找原因。此外，使用電子儀器要注意其安全操作事項，電源和信號源一定不要造成短路，使用萬用表、晶體管毫伏表和示波器時要注意選用合適的檔位，以免損壞儀器。 （5） 調(diào)試成功并請指導(dǎo)教師驗收，確定合格后方可拆電路。將所領(lǐng)取的元器件、材料、實驗裝置及使用的儀表按要求整理好后歸還實驗室。4.答辯 教師可就方案的可改進(jìn)性、EDA的應(yīng)用、安裝、調(diào)試及測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析等方面的問題要求學(xué)生進(jìn)行答辯，以便進(jìn)一步了解學(xué)生在設(shè)計中掌握所學(xué)理論知識和實踐能力的全面情況，提高學(xué)生的總體素質(zhì)。5.撰寫課程設(shè)計報告 課程設(shè)計報告是對設(shè)計全過程的系統(tǒng)總結(jié)，也是培養(yǎng)綜合科研素質(zhì)的一個重要環(huán)節(jié)。課程設(shè)計報告的主要內(nèi)容如下：（1）

10、 課程名稱。（2） 設(shè)計任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)和要求。；（3） 設(shè)計方案選擇和論證。；（4） 總體電路的功能框圖及其說明。；（5） 功能塊及單元電路的設(shè)計、計算與說明。（6） 總體電路原理圖（必要時提供布線圖）及說明。（7） 所用的全部元器件型號參數(shù)等。（8） 調(diào)試方法與所用的儀器；調(diào)試中出現(xiàn)的問題或故障分析及解決措施；測試的結(jié)果及原始數(shù)據(jù)的記錄與分析。（9） 收獲、體會及改進(jìn)想法等。6.成績評定課程設(shè)計的成績主要根據(jù)以下幾方面來評定:（1） 設(shè)計方案的正確性、先進(jìn)性與創(chuàng)新性。（2） 關(guān)鍵電路的設(shè)計與計算的正確性。（3） 應(yīng)用EDA工具的能力。（4） 安裝與調(diào)試能力，分析與解決問題的能力。（5） 課題

11、的完成情況。（6） 答辯能力（方案的論述、基本理論知識的掌握情況、實際技能、解決問題的能力等）（7） 課程設(shè)計報告的撰寫水平。（8） 課程設(shè)計全過程中的學(xué)習(xí)態(tài)度與工作作風(fēng)和精神。三、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計舉例直流穩(wěn)壓電源設(shè)計1. 概述直流穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備之一，也是模擬電路理論知識的基本內(nèi)容之一。完成一個直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，并進(jìn)行安裝調(diào)試，既可以達(dá)到對模擬電路理論知識的較全面的運用，也能掌握模擬電路的實際安裝調(diào)試技術(shù)，具有很好的實用價值。2. 設(shè)計任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)和要求完成一個直流穩(wěn)壓電源的理論設(shè)計，并用EWB進(jìn)行模擬仿真測試，符合技術(shù)指標(biāo)要求后再進(jìn)行安裝調(diào)試。其技術(shù)指標(biāo)要求為：（

12、1） 共有4路直流輸出電源：±15V/1A、±12V/100mA；（2） 電壓調(diào)整率：S0.2%（輸入電壓220V，變化±10%，滿載）；（3） 負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓220V，空載到滿載）；（4） 紋波抑制比35dB（輸入電壓220V，滿載）。（注：主要設(shè)計穩(wěn)壓部分）3. 方案選擇與論證眾所周知，直流穩(wěn)壓電源總體功能框圖如圖2所示。常用的直流穩(wěn)壓電源有下列方案可供選擇。電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路220V 直流電壓（圖2直流穩(wěn)壓電源總體功能框圖）（1） 硅穩(wěn)壓管并聯(lián)式穩(wěn)壓電路。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓固定，負(fù)載能力小。（2） 串聯(lián)反饋式線性穩(wěn)壓電源。

13、這種電路的輸出電源的穩(wěn)定性、負(fù)載能力和可調(diào)節(jié)性都較好。（3） 三端集成穩(wěn)壓器。這種電路實質(zhì)是第（2）種電路的集成化和優(yōu)化。（4） 串聯(lián)或并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。這種電路的最大優(yōu)點是效率高，可達(dá)75%90% 。（5） 直流變換型電源。這種電路可以把不穩(wěn)定的直流高壓變換為穩(wěn)定的直流低壓，更多情況是用于把不穩(wěn)定的直流低壓變換為穩(wěn)定的直流高壓，也就是實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換。 根據(jù)本課題的任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)要求，對系統(tǒng)效率未做要求，而對電壓調(diào)整、負(fù)載調(diào)整率、紋波電壓作出一定要求，可選擇（1）、（2）或（3）方案。又因要求4路輸出電源，選擇（3）更好，這樣實現(xiàn)電路簡單，調(diào)節(jié)容易，性價比高。4. 功能框圖設(shè)計 （1）電

14、源變壓器可通過降壓變壓器實現(xiàn)。 （2）整流部分一般采用橋式整流，可采用4個整流二極管接成橋式，也可采用二極管整流橋堆。（3）濾波電路在電流輸出不大的情況下一般選用電容濾波即可。（4）三端集成穩(wěn)壓器有固定輸出和可調(diào)輸出兩種。由于課題要求的輸出電源都是固定的，所以穩(wěn)壓部分選用輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器。5. 單元電路設(shè)計（1）穩(wěn)壓電路的設(shè)計 根據(jù)課題任務(wù)與技術(shù)指標(biāo)要求，選擇W7815、W7915、W7812、W7912三端集成穩(wěn)壓器，其性能指標(biāo)如表1所示。表中，電壓調(diào)整率的定義為在保持Io和溫度不變的條件下： ，該參數(shù)反應(yīng)了穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化影響的能力，越小越好。電流調(diào)整率的定義為在規(guī)定輸

15、入電壓下，負(fù)載電流從0（空載）到最大值(滿載)變化時，輸表1 三端集成穩(wěn)壓器性能指標(biāo)參數(shù) 測試條件 W7815 W7812 W7915 W7912輸入電壓UI (V) +18.5+28.5V +15+25V 18.5+28.5V 15+25V輸出電壓Uo (V) I0=500mA +15V +12V I0=200mA 15V 12V電壓調(diào)整率Sv(V) UI：18.528.5V 0.1% 0.1% UI： 1220V 0.1% 0.1%電流調(diào)整率SI Io：10mA 1.5A 2% 0.1% Io： 0500mA 0.1% 0.1%負(fù)載電流I0（A） UI：18.528.5V 最大1.5A 最

16、大0.5A UI： 1220V 紋波抑制比RR(dB) Io= 500mA UI：18.528.5VIo= 200mA 3753 4955 UI：1220V f =500Hz出電壓的相對變化率，即 。該參數(shù)反映了負(fù)載變化時，穩(wěn)壓電源維持輸出電壓穩(wěn)定的能力。 紋波抑制比的定義為 ，式中和分別表示輸入紋波電壓和輸出紋波電壓的峰峰值。 顯然，由表1可知，所選三端集成穩(wěn)壓器滿足課題技術(shù)指標(biāo)要求。W7815W7812W7915W79125+15V/1A -15V/1A -12V/0.1A 12V/0.1A +20V-20VD3D4D5D6D2D1D7D8C4C7C8C5C6C3C14C13C12C11C

17、9C10+0.33F1000F1000F1000F0.33F1000F1F1F0.22F0.22F0.22F0.22F（圖3 穩(wěn)壓電路原理圖） 再考慮一些常規(guī)的濾波和保護(hù)電路，可設(shè)計出穩(wěn)壓部分的電路原理圖如圖3所示。圖中D1D8為保護(hù)二極管。 （2） 雙路輸出變壓器、整流、濾波電路電路的設(shè)計這部分電路原理圖如圖4所示。變壓器的選擇主要考慮初、次級的電壓電流要求。由于W7815（7915）要求輸入電壓為+18.5+28.5V（18.5+28.5V），設(shè)UI取為20V，則根據(jù)電容濾波電路中的電壓關(guān)系：若，則U2UI/1.2，可求得變壓器次級電壓有效值2×U22×18V。根據(jù)課題技術(shù)指標(biāo)要求，穩(wěn)壓電源輸出負(fù)載電流為1A+100mA ，變壓器電流應(yīng)為，所以取變壓器為/2A即可。RL1RL2-Uo2C1u2Uo1+C2u2u1（圖4雙路輸出變壓、整流、濾波電路原理圖）整流電路可用4個整流二極管組成橋式整流電路，也可直接選用橋式整流堆，只要做到使每只整流管的最大反向電壓，整流電流為即可。例如這里可選50V/2A的橋式整流堆。濾波電容的容量C應(yīng)按式RLC(35)T/2確定。其中，RL為電容所帶負(fù)載，這里為集成