模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì),1、模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟,(1)系統(tǒng)描述和分析明確設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真分析設(shè)計(jì)要求，深入了解系統(tǒng)的功能、性能指標(biāo)和使用條件，完整、清晰地對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能要求和技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行更具體、更詳細(xì)的描述，以作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原始依據(jù)。,(2)總體方案的設(shè)計(jì)與選擇,根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、要求和條件，分折電路的總體功能，并將其分解成若干單元功能，形成總體設(shè)計(jì)方案，畫出總體設(shè)計(jì)原理框圖。 框圖必須正確反映系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)和各組成部分的功能，清楚表示系統(tǒng)的基本組成和相互關(guān)系。一般一個(gè)系統(tǒng)有多個(gè)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)者應(yīng)仔細(xì)分析、比較各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)選用。 方案論證要敢于探索，勇于創(chuàng)新，力爭做到設(shè)計(jì)方案合理、可

2、靠、經(jīng)濟(jì)、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)。,方案設(shè)計(jì)與選擇必須優(yōu)先考慮以下問題,原理的可行性：解決一個(gè)間題，可能有許多種方法，但有的方法是不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的 元器件的可行性：如采用什么元器件、什么微控制器、什么可編程邏輯器件，能否采購得到？ 測試的可行性：有無所需要的測量儀器儀表？ 設(shè)計(jì)、制作的可行性：難度如何，如何積累？ 時(shí)間的可行性：研制周期多長？,(3)系統(tǒng)模塊劃分: 根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能模塊，并確定各模塊間的接口參數(shù)。 (4)單元電路設(shè)計(jì): 確定單元電路的功能及性能指標(biāo)、與前后級(jí)之間的關(guān)系，并分析單元電路的工作原理，然后選擇設(shè)計(jì)單元電路的結(jié)構(gòu)形式?？梢酝ㄟ^查找資料，尋找現(xiàn)成的電路

3、，或者相近電路，再調(diào)整電路參數(shù)。若沒有，則需設(shè)計(jì)新的電路。要注意，各單元電路間的相互配合，盡量減少元器件的數(shù)量、類型、電平轉(zhuǎn)換和接口電路，以使電路簡單可靠。,(5)元器件選擇和參數(shù)計(jì)算,參數(shù)計(jì)算包括放大電路中各電阻值、放大倍數(shù)的計(jì)算，振蕩器中電阻、電容、振蕩頻率等參數(shù)的計(jì)算。只有很好地理解電路的工作原理，正確利用計(jì)算公式，計(jì)算的參數(shù)才能滿足設(shè)計(jì)要求。參數(shù)計(jì)算時(shí)，同一個(gè)電路可能有幾組數(shù)據(jù)，注意選擇一組能完成電路設(shè)計(jì)所要求的功能、在實(shí)踐中真正可行的參數(shù)。,計(jì)算電路參數(shù)時(shí)應(yīng)注意下列問題: 元器件的工作電流、電壓、頻率和功耗等參數(shù)應(yīng)能滿足電路指標(biāo)的要求； 元器件的極限參數(shù)必須留有足夠充裕量，一般應(yīng)大于

4、額定值的1.5倍； 對(duì)于環(huán)境溫度、交流電網(wǎng)電壓等工作條件應(yīng)按最壞的情況考慮； 選用的元器件參數(shù)值都必須采用計(jì)算值附近的標(biāo)稱值。,阻容元器件的選擇：,不同的電路對(duì)電阻和電容的性能要求也不同，有些電路對(duì)電容的漏電要求很嚴(yán)；還有些電路對(duì)電阻、電容的性能和容量要求很高。例如，濾波電路中常用大容量（1003000m F）鋁電解電容，為濾掉高頻通常還需并聯(lián)小容量（0.0l0.lm F）瓷片電容。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)電路的要求選擇性能和參數(shù)合適的阻容元器件，并要注意功耗、容量、頻率和耐壓范圍是否滿足要求。,半導(dǎo)體器件的選擇,半導(dǎo)體器件包括二極管、晶體三極管、場效應(yīng)管、光電二（三）極管、晶閘管等。根據(jù)其用途分別進(jìn)行選

5、擇。例如，選擇晶體三極管時(shí)，首先注意選擇NPN型還是PNP型管，高頻管還是低頻管，大功率管還是小功率管，并且注意管子的參數(shù)PCM、ICM、VCEO、IBCO、fT和f是否滿足電路設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求；高頻工作時(shí)，要求fT = (510) f, f為工作頻率。,集成電路的選擇：,由于集成電路可以實(shí)現(xiàn)很多單元電路甚至整機(jī)電路的功能，所以選用集成電路來設(shè)計(jì)單元電路和總體電路既方便又靈潘，它不僅使系統(tǒng)體積縮小，而且性能可靠，便于調(diào)試及運(yùn)用。集成電路有模擬集成電路和數(shù)字集成電路之分。選擇的集成電路不僅要在功能和特性上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，而且還要滿足功耗、電壓、速度、價(jià)格等多方面的要求。,(6)安裝與調(diào)試,方案論證和

6、單元電路硬件設(shè)計(jì)之后，緊接著就是設(shè)計(jì)制作印制電路板。對(duì)于數(shù)字部分，因?yàn)轭l率較低，可以利用現(xiàn)代軟件技術(shù)直接排版。對(duì)于模擬部分，特別是高頻部分，需要考慮抗干擾問題，既要考慮抗外部干擾，又要考慮抗內(nèi)部干擾；既要考慮模電自身的相互干擾，又要考慮數(shù)電（脈沖信號(hào)）對(duì)模電部分的干擾。簡單的系統(tǒng)或模塊電路可用手工制作電路板。,鎖相環(huán)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)例,知識(shí)補(bǔ)充： 鎖相環(huán)的基本組成,相位比較單元,用來比較輸入信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的之間的相位.它的輸出電壓正比于兩個(gè)輸入信號(hào)之相位差,線性電路,其作用是濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量,起平滑濾波的作用.通常由電阻、電容或電感等組成，有時(shí)也包含運(yùn)算放大器,振蕩頻率受控制電壓控制的

7、振蕩器，而振蕩頻率與控制電壓之間成線性關(guān)系。在PLL中，壓控振蕩器實(shí)際上是把控制電壓轉(zhuǎn)換為相位。,(2) 鎖相環(huán)工作原理,相位比較器把輸入信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)，將它的頻率和相位與從VCO輸出端送來的信號(hào)進(jìn)行比較。如果在它的工作范圍內(nèi)檢測出任何相位（頻率）差，就產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，這個(gè)誤差信號(hào)正比于輸入信號(hào)和VCO輸出信號(hào)之間的相位差，通常是以交流分量調(diào)制的直流電平。由低通濾波器濾除誤差信號(hào)中的交流分量，產(chǎn)生信號(hào)去控制VCO，強(qiáng)制VCO朝著減小相位/頻率誤差的方向改變其頻率，使輸入基準(zhǔn)信號(hào)和VCO輸出信號(hào)之間的任何頻率或相位差逐漸減小直至為0，這時(shí)我們就稱環(huán)路已被鎖定。 環(huán)路鎖定后，鑒相器的兩個(gè)輸入信號(hào)的

8、頻率相等，即：fo=Nfi,(3)捕捉帶與同步帶,若環(huán)路原本處于失鎖狀態(tài)，由于環(huán)路的調(diào)節(jié)作用，最終進(jìn)入鎖定狀態(tài)，這一過程，稱環(huán)路捕捉過程，環(huán)路能捕捉的最大起始頻差范圍稱捕捉帶或捕捉范圍 若環(huán)路原本處于鎖定狀態(tài)，由于溫度或電源電壓的變化，使VCO輸出頻率變化，或者輸入信號(hào)頻率變化，通過環(huán)路自動(dòng)相位控制作用，使VCO相位（頻率）不斷跟蹤輸入信號(hào)的相位（頻率），這個(gè)過程稱跟蹤過程，或同步過程，或保持過程。,設(shè)計(jì)舉例：,設(shè)計(jì)任務(wù)： 采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)與可變行頻同頻同步的鋸齒波電壓。已知：行同步信號(hào)是幅度為3.5V的負(fù)脈沖，其頻率變化為15.62564kHz。 設(shè)計(jì)要求： 鋸齒波電壓的幅度范圍為

9、05V, 鋸齒波的線性度由于1%， 鋸齒波的逆程時(shí)間小于0.5us 行頻切換時(shí)，要求系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于0.5s,在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差（Ymax）與滿量程輸出（Y）的百分比，稱為線性度（線性度又稱為“非線性誤差”），,系統(tǒng)框圖,參數(shù)選擇,D/A的位數(shù) D/A的位數(shù)決定鋸齒波的線性度。 8位D/A的分辨率為1/(2n-1)=0.39,若其最大的線性誤差按1LSB計(jì)算，則其小于設(shè)計(jì)要求的1%，因此8位D/A即可滿足要求，則分頻器（計(jì)數(shù)器）的分頻系數(shù)N=256。,(2) 系統(tǒng)的最高工作頻率,輸入信號(hào)的最高行頻為64kHz , 則壓控振蕩器的工作頻率是fo=256fi=16

10、.384MHz, VCO、計(jì)數(shù)器、D/A的速度均應(yīng)達(dá)到此值。 (3) 環(huán)路的捕捉帶、同步帶及VCO的頻率變化范圍 VCO輸出信號(hào)頻率范圍為256fi(4-16.384MHz),覆蓋系數(shù)fmax/fmin4, 需分頻段實(shí)現(xiàn) 環(huán)路應(yīng)工作在快捕帶內(nèi)，以保證快速跟蹤，因此快捕帶 L 16.384-4=12.384MHz 。 (4) 鑒相器的工作頻率為15.62516kHz,器件型號(hào)選擇,D/A變換器CA3338 8位 20MHz 電壓輸出型 輸出電壓幅度可調(diào),(2) 鑒相器CD4046,集成鎖相環(huán)， 工作頻率小于1MHz， 鑒相靈敏度Ad=Vdd/2,CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu),工作波形,PD I為跳邊沿

11、觸發(fā),PD II為上升沿觸發(fā),(3) VCO 74LS124,雙VCO 最高頻率30MHz 工作頻率由外接電容Cext決定 兩個(gè)受控端，一個(gè)為頻率調(diào)節(jié)電壓Vreg 和另一個(gè)為頻率控制電壓Vc ,均可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)頻率 每個(gè)VCO有使能端，可以進(jìn)行三態(tài)輸出控制,74LS124引腳分布,(4) 分頻器(計(jì)數(shù)器)74LS161,最高計(jì)數(shù)頻率25MHz,參數(shù)計(jì)算,頻帶劃分 鎖相環(huán)路的頻率覆蓋系數(shù)取決于VCO的頻率變化范圍,74LS124的工作頻率與外接電容成反比，近似公式為fo=5x10-4/Cext f- VRng 是負(fù)斜率的（ VRng=24.5V）;f-Vc是正斜率的(Vc=15V) 不同的VRn

12、g，頻率隨Vc的變化靈敏度不同， VRng 越大，壓控靈敏度越高 fvco的最大頻率變化范圍為0.5fo1.12fo,覆蓋系數(shù)約為2.24,令高頻段VCO的最高頻率 f1max=16.384MHz fo1=f1max/1.2=14.62MHz，f1min=0.5fo1=14.62x0.5=7.31MHz 令低頻端VCO的最低頻率 f2min=4MHZ fo2=f2min/0.5=8MHz f2max=1.12fo2=8.9MHz f2maxf1min滿足要求，實(shí)現(xiàn)了頻率覆蓋要求 可得： Cext1=5x10-4/fo1=34pF Cext2=5x10-4/fo2=62pF,(2) 波段切換,F

13、/V變換器采用LM331,滿量程頻率范圍 1Hz100kHz 線性度0.01% 電源電壓3.940V,LM331應(yīng)用電路,LM331定時(shí)電容充放電波形,LM331外接元件參數(shù)計(jì)算,Ct 充電到2/3Vcc時(shí)，定時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)，則由 可得Ct 充電時(shí)間為 在輸入信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)Ct必須充放電一次，則須滿足 fimax=64kHz , 取Ct=2200pF,Rt=2k,根據(jù)輸入負(fù)脈沖幅度，確定7腳電平。當(dāng)行頻負(fù)脈沖到來時(shí)，為使輸入比較器翻轉(zhuǎn)，應(yīng)滿足,RS的推薦值為1k與5k電位器的串聯(lián)，其電流i=1.9/RS決定了輸出電壓的大小。 RLCL決定了輸入信號(hào)頻率變化時(shí)輸出電壓隨之變化所需要的時(shí)間及輸出電壓

14、的文博。與其它器件相比，帶有RLCL的LM331是低速器件，可認(rèn)為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間主要取決于它。要求行頻切換時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于0.5s,可近似取RLCL為該時(shí)間的1/10，即0.05s, 則RL=51k, CL為1uF,比較器LM311,電源電壓5-15V, 響應(yīng)時(shí)間200ns。 若設(shè)高低頻段的頻率分界點(diǎn)是30kHz, 由F/V的變換曲線可知，f=30kHz時(shí)的輸出電平為5.8V,可取比較器的比較電壓為5.8V。,(3)分頻器、鑒相器,CD4046的鑒相器II 是上升沿觸發(fā)的相位比較器，直接將Q7送至鑒相器比較，會(huì)使輸出與行同步信號(hào)相位相差180度，應(yīng)將Q7取反后再送入,(4) 壓控振蕩器的頻率

15、控制,VCO的頻率控制電壓Vc來自鑒相器4046的輸出輸出的誤差電壓vc, Vc與vc應(yīng)保證 (1) 相同的電平變化范圍 (2) vc隨（fvc0/N-fi）的變化趨勢與VC對(duì)頻率的控制趨勢一致，以使VCO的輸出頻率接近行頻，并使相位差逐步減小。,當(dāng)輸入行頻信號(hào)變化時(shí)，為使VCO得輸出頻率快速鎖定于輸入信號(hào)頻率，應(yīng)使頻率調(diào)節(jié)電壓VRng不接固定電壓，而是以與行頻大小成比例變化的電壓，以進(jìn)行頻率粗調(diào)，然后由VC細(xì)調(diào)頻率。,應(yīng)保證V/F變換器的變換特性和VRng 對(duì)VCO輸出信號(hào)頻率的控制特性相一致。若不一致，應(yīng)采用比例加法運(yùn)算電路作信號(hào)變換,(5) D/A變換器CA3338,例：數(shù)控串聯(lián)穩(wěn)壓電源

16、,1.設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)輸出可調(diào)的數(shù)控電壓源，并由數(shù)碼管顯示輸出，具體要求為： 輸出電壓 220V之間，調(diào)節(jié)單位0.1V 電壓穩(wěn)定度小于0.2%，紋波電壓小于10mV 輸出電流1A 由輸出電壓 由數(shù)碼管顯示，并“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減。,2.方案設(shè)計(jì),輸出電流1.5A 輸出電壓范圍1.5-37V可調(diào) 內(nèi)有過熱過流保護(hù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu),3、主要參數(shù)選擇和方案實(shí)現(xiàn),(1) 整流濾波電路及輔助電源,變壓器副邊電壓的確定,7805要求的輸入電壓為9V,W117的輸入電壓為25V。 電源變壓器副邊電壓一般推薦為整流輸出電壓的0.8倍；實(shí)際上此電壓與濾波電容容量，直流輸出電流大小及電網(wǎng)波動(dòng)大小等有關(guān)。 考慮到電網(wǎng)電壓可能有10%的波動(dòng)，為了可在最惡劣的條件下工作，可選副邊電壓為24V和9V。,濾波電容C1、C2容量的選取,一般可選電容的放電時(shí)間常數(shù)為充電周期的35倍。 橋式整流下，電容充電時(shí)間為半個(gè)電源周期10m