模拟电子技术课程设计指导书

模拟电子技术课程设计指导书1.1课程设计的目的与要求模拟电子技术课程设计是在学生学习完模拟电路课程之后，针对课程的要求对学生进行综合训练的一个实践教学环节。其主要目的是培养学生综合运用理论知识，联系实际要求作出独立设计，并进行安装调试的实际工作能力。通过本教学环节，学生应达到如下基本要求：（1）综合运用模拟电子技术课程设计中所学到的理论知识，结合课程设计任务要求适当自学某些新知识，独立完成一个课题的理论设计。（2）会运用EDA工具（如EWB、PSPICE），对所作出的的理论设计进行模拟仿真测试，进一步完善理论设计。（3）通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用元器件的原则。（4）掌握模拟电路的安装、测量与调试的基本技能，熟习电子仪器的正确使用方法，能独立分析实验中出现的正常或不正常现象（或数据），独立解决调试中出现的正常或不正常现象（或数据），独立解决调试中所遇到的问题。（5）学会撰写课程设计报告。（6）培养实事求是、严谨的工作态度和严肃认真的工作作风。1.2课程设计的一般教学过程1.2.1教学阶段安排模拟电子技术课程设计的教学流程如图1所示。1.2.2各教学阶段基本要求1.理论设计电子系统的设计方法有三种：自顶向下（TopDown）、自底向上（BottomUp）、自顶向下与自底向上结合。自顶向下方法按照“系统-子系统-功能模块-单元电路-元器件-布线图”理论设计运用EDA工具进行模拟仿真测试，进一步完善理论设计实际电路的安装与调试撰写课程设计报告答辩（图1）的过程来设计一个系统。自底向上的方法则按照相反的过程来进行设计。在现代电子系统设计中，一般采用自顶向下的设计方法，因为这种设计方法，使设计者的设计思路具有大局观，从实际系统功能出发，概念清洗易懂。实际上，由于电子技术的发展，尤其是IP技术的发展，有很多通用功能模块可以选用，也就是说，采用自顶向下的设计方法，有时只需涉及到功能模块，再附加适当的元器件并加以合理的布线即可。应该说这是一种自顶向下与自底向上相结合的方法。但在以IP核为基础VLSI片上系统的设计中，自底向上的方法得到重视和应用。但在学校的实验室中，往往受到客观条件的限制，也就是说，一般只能根据实验室给出的元器件或某些功能模块来进行选择。另外，为了使学生能牢固掌握基础知识和基本技能，一般的课程设计都要求学生设计到元器件级。在理论设计阶段，要求学生按照课程设计任务要求，在教师的指导下，运用模拟电路课程中学过的理论知识，适当自学某些新知识，独立完成包括下列内容的理论设计。（1）总体设计方案的比较、选择与确定对于一个课程设计课题，可能有各种不同的设计方案可以实现。所以，首先要根据课程设计的任务和要求，进行仔细分析和研究，找到问题的关键，确定设计原理；接着还应广开思路，利用所学的理论知识，并查阅有关资料，提出尽可能多的设计方案来进行比较；最终，根据原理正确、易于实现、且实验室有条件实现的原则确定设计方案，画出总体设计功能框图。（2）功能块的设计根据功能设计和技术指标要求，确定每个功能块应选择的单元电路，并注意功能块之间耦合方式的合理选择。（3）单元电路的设计对各功能块选择的单元电路，分别进行设计、计算出满足功能及技术指标要求的电路，包括元器件选择和电路静态、动态参数的计算等，并要求对单元电路之间的适配进行设计与核算，主要是考虑阻抗匹配，以便提高输出功率、效率以及信噪比等。元器件的选择很关键。在条件允许的情况下，应尽量选择通用性强的、新型的、调试容易的、性价比及集成度高的元器件。例如，设计一个模拟信号发生器，其主要电路的元器件可以有三种选择：①晶体管；②运算放大器；③专用集成电路。显然，选择第③种最理想，但实验室可能没有，那只好退而求其次，选择第②种。此外，近年来一些公司生产的可编程控制器件更为模拟电路的设计开辟了广阔的空间。（4）最后画出总体电路原理图，必要时画出总体布线图。2.运用EDA工具进行模拟仿真测试并进一步完善理论设计如果按设计好的总体电路原理图直接进行安装调试，一般很难做到一次成功，可能要进行反复实验、调试，颇为费时费力，甚至由于工作场地、实验仪器或元器件品种数量的限制，无法及时完成实验。所以运用EDA工具进行模拟仿真测试，是确定设计的正确性和进一步修改完善设计的最好途径。目前流行的电子线路仿真软件由PSPICE、EWB等。例如EWB（ElectronicsWorkbench）界面直观，操作方便，学习和使用都很方便。EWB的元器件库有数千种电路元器件（及其参数）共选用，它的仪器库中有7种模拟电子仪表，将所设计的电路原理图在EWB界面下创建并用其仪器库中的模拟仪表进行仿真测试，若发现问题，可立即修改参数，重新调试直至得到满意的设计。如果需要，软件可将设计结果直接输出至常见的印制线路板排版软件（如PROTEL、ORCAD等）形成PCB图。3.实际电路的安装与调试根据设计好的总体电路原理图，经指导教师审查通过后，就可向实验室领取所需元器件、材料等，进行电路组装和调试。安装调试的步骤如下：（1）检查所领取的元器件及材料等，确定无损坏、型号及参数正确。（2）根据所领取的实验装置（如实验板或面包板），初步设计总体电路的安装布局，一般采取和设计电路图尽可能一致，从左至右从输入到输出的原则，电源从上引入，参考地在下方。（3）先按各单元电路分别进行安装并调试，在调试过程中要仔细观察所出现的各种现象，判断是否正常，若不正常要及时查找故障原因，并及时记录测试结果，例如，测试波形、数据等。各部分都测试成功后再连起来进行总调。（4）测试时一定要遵守安全操作规程，安装或更换元器件时要关断电源，发现打火、冒烟、有异味等不正常现象也要及时关断电源，然后再查找原因。此外，使用电子仪器要注意其安全操作事项，电源和信号源一定不要造成短路，使用万用表、晶体管毫伏表和示波器时要注意选用合适的档位，以免损坏仪器。（5）调试成功并请指导教师验收，确定合格后方可拆电路。将所领取的元器件、材料、实验装置及使用的仪表按要求整理好后归还实验室。4.答辩教师可就方案的可改进性、EDA的应用、安装、调试及测试结果与数据分析等方面的问题要求学生进行答辩，以便进一步了解学生在设计中掌握所学理论知识和实践能力的全面情况，提高学生的总体素质。5.撰写课程设计报告课程设计报告是对设计全过程的系统总结，也是培养综合科研素质的一个重要环节。课程设计报告的主要内容如下：（1）课程名称。（2）设计任务、技术指标和要求。；（3）设计方案选择和论证。；（4）总体电路的功能框图及其说明。；（5）功能块及单元电路的设计、计算与说明。（6）总体电路原理图（必要时提供布线图）及说明。（7）所用的全部元器件型号参数等。（8）调试方法与所用的仪器；调试中出现的问题或故障分析及解决措施；测试的结果及原始数据的记录与分析。（9）收获、体会及改进想法等。6.成绩评定课程设计的成绩主要根据以下几方面来评定:（1）设计方案的正确性、先进性与创新性。（2）关键电路的设计与计算的正确性。（3）应用EDA工具的能力。（4）安装与调试能力，分析与解决问题的能力。（5）课题的完成情况。（6）答辩能力（方案的论述、基本理论知识的掌握情况、实际技能、解决问题的能力等）（7）课程设计报告的撰写水平。（8）课程设计全过程中的学习态度与工作作风和精神。三、模拟电子技术课程设计举例直流稳压电源设计1.概述直流稳压电源是电子系统中不可缺少的设备之一，也是模拟电路理论知识的基本内容之一。完成一个直流稳压电源的设计，并进行安装调试，既可以达到对模拟电路理论知识的较全面的运用，也能掌握模拟电路的实际安装调试技术，具有很好的实用价值。2.设计任务、技术指标和要求完成一个直流稳压电源的理论设计，并用EWB进行模拟仿真测试，符合技术指标要求后再进行安装调试。其技术指标要求为：（1）共有4路直流输出电源：±15V/1A、±12V/100mA；（2）电压调整率：S≤0.2%（输入电压～220V，变化±10%，满载）；（3）负载调整率≤1%（输入电压～220V，空载到满载）；（4）纹波抑制比≥35dB（输入电压～220V，满载）。（注：主要设计稳压部分）3.方案选择与论证众所周知，直流稳压电源总体功能框图如图2所示。常用的直流稳压电源有下列方案可供选择。（1）硅稳压管并联式稳压电路。这种电路结构简单，但输出电压固定，负载能力小。（2）串联反馈式线性稳压电源。这种电路的输出电源的稳定性、负载能力和可调节性都较好。（3）三端集成稳压器。这种电路实质是第（2）种电路的集成化和优化。（4）串联或并联型开关稳压电源。这种电路的最大优点是效率高，可达75%～90%。（5）直流变换型电源。这种电路可以把不稳定的直流高压变换为稳定的直流低压，更多情况是用于把不稳定的直流低压变换为稳定的直流高压，也就是实现DC-DC转换。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路～220V直流电压（图2直流稳压电源总体功能框图）根据本课题的任务和技术指标要求，对系统效率未做要求，而对电压调整、负载调整率、纹波电压作出一定要求，可选择（1）、（2）或（3）方案。又因要求4路输出电源，选择（3）更好，这样实现电路简单，调节容易，性价比高。4.功能框图设计（1）电源变压器可通过降压变压器实现。（2）整流部分一般采用桥式整流，可采用4个整流二极管接成桥式，也可采用二极管整流桥堆。（3）滤波电路在电流输出不大的情况下一般选用电容滤波即可。（4）三端集成稳压器有固定输出和可调输出两种。由于课题要求的输出电源都是固定的，所以稳压部分选用输出电压固定的三端集成稳压器。5.单元电路设计（1）稳压电路的设计根据课题任务与技术指标要求，选择W7815、W7915、W7812、W7912三端集成稳压器，其性能指标如表1所示。表中，电压调整率的定义为在保持Io和温度不变的条件下：，该参数反应了稳压电源克服输入电压变化影响的能力，越小越好。电流调整率的定义为在规定输入电压下，负载电流从0（空载）到最大值(满载)变化时，输表1三端集成稳压器性能指标参数测试条件W7815W7812W7915W7912输入电压UI(V)+18.5～+28.5V+15～+25V－18.5～+28.5V－15～+25V输出电压Uo(V)I0=500mA+15V+12VI0=200mA－15V－12V电压调整率Sv(V)UI：18.5～28.5V＜0.1%＜0.1%UI：12～20V＜0.1%＜0.1%电流调整率SIIo：10mA～1.5A≤2%≤0.1%Io：0～500mA≤0.1%≤0.1%负载电流I0（A）UI：18.5～28.5V最大1.5A最大0.5AUI：12～20V纹波抑制比RR(dB)Io=500mAUI：18.5～28.5VIo=200mA37～5349～55UI：12～20Vf=500Hz出电压的相对变化率，即。该参数反映了负载变化时，稳压电源维持输出电压IIooVUUUUS//ooIUUS稳定的能力。纹波抑制比的定义为，式中PIPU和POPU分别表示输入纹波电压和输出纹波电压的峰—峰值。显然，由表1可知，所选三端集成稳压器满足课题技术指标要求。再考虑一些常规的滤波和保护电路，可设计出稳压部分的电路原理图如图3所示。图中D1～D8为保护二极管。（2）双路输出变压器、整流、滤波电路电路的设计这部分电路原理图如图4所示。变压器的选择主要考虑初、次级的电压电流要求。由于W7815（7915）要求输入电压为+18.5～+28.5V（－18.5～+28.5V），设UI取为20V，则根据电容滤波电路中的电压关系：若tUusin222，则U2≈UI/1.2，可求得变压器次级电压有效值2×U2≈2×18V。根据课题技术指标要求，稳压电源输出负载电流为1A+100mA，变压器电流应为LI)2~5.1(，所以取变压器为V)182(/2A即可。整流电路可用4个整流二极管组成桥式整流电路，也可直接选用桥式整流堆，只要做到使每只整流管的最大反向电压22UURM，整流电流为LI)2~5.1