78EWB在数字电子电路综合课程设计中的应用

EWB在数字电子电路综合课程设计中的应用1引言长期以来，综合课程设计是以理论课教学、课程实验和课程设计等教学环节构成的。我们在教学实践的过程中，结合理论教学的进程，利用计算机的电子设计自动化软件ElectronicsWorkbench(虚拟电子工作台，EWB)在计算机上进行基础验证模拟仿真实验，作为教学的补充。使学生增强对电路的感性认识，掌握各种仪器的基本使用、电路参数的测试方法。我们采用工作在Windows2000平台上的EWB5．12(虚拟电子工作台)软件。实验可由教师结合教学内容通过多媒体教学平台演示完成，也可由学生在课外利用计算机参照有关习题完成。通过人机对话的方式，能使每个人都能亲自动手搭接电路，进行元件接线，参数设定。边连线，边测试，边修改，边分析，并与理论计算结果进行对照。通过EWB软件的componentProperties(元件属性)可随时调整和修改元器件参数，分析各元件参数对电路的作用与影响。调试和测量过程就是最好的学习过程。在这样的实验中，把实验与理论有机的结合起来，加深了学生对理论的认识。我们可以通过一个实际的设计例子来体现EWB仿真软件的优越性。2基于EWB平台的交通灯电路设计2．1设计任务设计一个主要街道和次要街道十字路口的交通灯控制器。主要街道绿灯亮6s，黄灯亮2s；次要街道绿灯亮3s，黄灯亮1s。依次循环。2．2分析任务当主要街道亮绿灯和黄灯时，次要街道亮红灯(8s)，当次要街道亮绿灯和黄灯时，主要街道亮红灯(4s)。用MG，MY，MR，CG，CY，CR分别表示主要街道的绿灯、黄灯、红灯，次要街道的绿灯、黄灯、红灯。2．3设计步骤2．3．1课程设计的常规步骤(1)根据设计要求列出交通灯控制器的真值表如表1所示。(2)利用卡诺图化简法或公式化简法获得最简的逻辑表达式。(3)根据公式直接设计总体电路；(4)在电路板上搭接实际电路，测量相关数据，按设计要求修改实际电路直至符合设计要求。2．3．2应用EWB仿真软件之后的设计步骤(1)根据设计要求列出交通灯控制器的真值表如表l所示。(2)利用逻辑转换仪获得最简逻辑表达式，逐一设计完成各单元电路并从(EWB)所提供的器件库中选择元器件。(3)进行总体连接完成总体设计，然后进行仿真，测量相关数据，按设计要求修改仿真电路直至符合设计要求。(4)在电路板上搭接实际电路。2．4电路设计从元器件库中拖出逻辑转换仪，根据交通灯控制器的真值表，获得MG的最简逻辑表达式如图1所示。同理，求出MY，MR，CG，CY，CR的最简逻辑表达式。根据最简表达式设计出总体电路，再从元器件库中选出元器件，从仪器库中选出逻辑分析仪，根据预设计的电路连接和设置仪器。其电路图如图2所示，逻辑分析仪设置为内触发方式。2．5电路的仿真实验按下启动／停止，运行模拟程序，从指示灯上观察实验结果。仿真的另一特点是有逻辑分析仪，双击逻辑分析仪图标即可观察到各点的时序波形如图3所示。其输入信号的通道顺序为：5Hz信号(CLK)，主要街道绿灯信号MG，主要街道黄灯信号MY，主要街道红灯信号MR，次要街道绿灯信号CG，次要街道黄灯信号CY，次要街道红灯信号CR。从波形图上可清楚地看到电路中各点之间的时序关系。对设计中模糊不清的问题，如计数器的同步置数，异步置数，同步清零，异步清零的问题，用时序图可以得到很好的解释。这是实际实验无法比拟的，3结语通过以上设计可见，运用EWB软件，可方便地在计算机上设计电路，并进行仿真。通过改变电路参数，可以观察不同电路参数对电路性能的影响，用虚拟仪器可以观察各实验点的波形及整个电路的实验结果，一个方案不成功可刷新重来，反复多次后选择出最佳的设计方案。由于该软件具有丰富的元件库和仪器库，可以充分发挥每个设计者的想象力和创造力，大胆进行设计尝试，不必担心元器件会损坏，这样的设计可以随心所欲、花样叠出。若电路设计有误，通过仿真，软件会做出警告或提示，当设计方案正确无误后，再按此方案搭接实际电路。用EWB软件设计电子电路改变了传统的基于电路板的设计方法，从而可以大大缩短设计时间，节约开发费用，提高效率。实践证明EWB软件是人们设计电子电路的有效工具。第四部分电子电路仿真实验4.5仿真实验举例[要点提示]1、晶体三极管放大电路特性研究2、四位数码寄存器[内容简介]4.5.1晶体三极管放大电路特性研究一、实验内容1.创建如图4.5.1所示的实验电路，并为元器件标识，参数设置。2.测量静态工作点Ib、Ic、Vce，用示波器测量电压放大倍数AV，用波特图仪测量频率特性，测量通频带BW。3.调节Rp1、Rp2，用示波器观察因工作点的改变而引起的输出波形失真。重新调节Rp1、Rp2恢复原值，使波形失真消除。4．利用参数扫描功能，分析Co从0.1μF到100μF变化时对f1的影响。二、仿真实验1.创建电路，给电路中的全部元器件按图4.5.1要求标识，参数设置，然后单击Circuit/SchematicOptions出现对话框，在“Display”选项框内，勾选“ShowNotes”，这时EWB自动给各节点编号，并显示在电路图上。图4.5.1晶体三极管放大电路特性研究实验电路2.给虚拟仪器设置参数电压表Mode：DCResistance：100MΩ（考虑三级管输入电阻较高，为减小误差取高内阻）电流表Mode：DCResistance：取默认值1nΩ函数发生器波形：正弦波Frequency：1KHzDutycycle：50%Amplitude：50mVOffset：0示波器Timebase：0.50ms/div“X/T”显示方式ChannelA：50mV/divyposition：0.00“AC”工作方式ChannelB：500mV/divyposition：0.00“AC”工作方式Trigger：“Auto”方式ChannelA输入线设为黑色，ChannelB输入线设为红色，则输入信号波形为黑色，输出信号波形为红色。波特图仪幅频特性Vertical：logF：60dBI：0dBHorizontal：logF：1GHzI：1Hz相频特性Vertical：logF：360度I:-360度Horizontal:logF:1GHzI:1Hz3.单击“O/I”开关，运行电路，再单击“Parse”按钮，暂停运行。⑴.从电压表、电流表读出静态工作点的值为：IB＝19.76μAIC＝2.064mAVCE＝VC－VE＝9.940V－1.102V＝8.838V⑵.双击示波器图标，打开示波器面板，单击“Expand“扩展面板，观察到波形如图4.5.2，拖拽读数指针，测得：Av＝VOP—P/VIP—P＝—1.3674V/98.196mV＝—13.9图4.5.2输入输出电压波形⑶.双击波特图仪图标，打开波特图仪面板，单击“Magnitude”，测得幅频特性如图4.5.3。拖拽读数指针，测得：BW＝13.45MHZ—26.65HZ≈13.45MHZ单击“phase”，测得相频特性如图4.5.4。图4.5.3幅频特性图4.5.4相频特性⑷.调节RP1＝200KΩ/100%、RP2＝100Ω/0%，打开示波器面板运行电路、暂停运行，观察到输出波形如图4.5.5，波形产生截止失真。调节RP1＝200KΩ/5%、RP2＝100Ω/0%，运行电路，暂停运行，观察到输出波形如图4.5.6，波形产生饱和失真。调节RP1、RP2恢复原值，观察波形无明显失真。图4.5.5输出电压波形(截止失真)图4.5.6输出电压波形(饱和失真)4.选择Analysis/ParameterSweep选项，打开参数扫描设置对话框，设置如下：Component：C3(系统编号,电路图中的标识是“Co”)StartValue：0.1μFEndValue：100μFSweeptype：DecadeOutputnode：7Sweepfor：ACFrequencyAnalysis单击“SetACoptions”按钮，设置分析参数：Startfrequency：1HZEndfrequency：10GHZSweeptype：DecadeNumberofpoints：100Verticalscale：log单击“Simulate”，开始分析，分析结果如图4.5.7。从幅频特性曲线看出，随Co电容的增大，fl减小。整个放大器的通频带展宽。图4.5.7幅频特性的参数(C3)扫描结果4.5.2四位数码寄存器一、实验内容创建如图4.5.8所示四位数码寄存器，输入数码为0000～1111的16个四位二进制码，将其依次以单步或循环方式输入寄存器，观察逻辑分析仪上输入与输出的逻辑波形。图4.5.8四位数码寄存器实验电路二、仿真实验1.打开字信号发生器，进行字信号编辑和仪器设置。因本实验要求输入数码为0000～111116个四位二进制码，则字信号编辑应为4位16进制数0000～000F。字信号发生器其它设置为：Initial：0000Final：000FTrigger：Internal（内触发方式）上升沿Frequency：1KHZ输出方式：Cycle或Step2.打开逻辑分析仪面板，单击Clock“set”按钮，打开时钟设置对话框，Internalclockrate设为１KHZ。其余选用默认值。触发方式选用默认值。3．单击“O/I”开关，运行电路，暂停运行。从逻辑分析仪上观察到如图4.5.9的输入、输出逻辑信号波形，四位数码寄存器在存数指令的作用下，将输入数码寄存在D触发器中。图4.5.9四位数码寄存器输入、输出逻辑波形第三部分数字电路实验实验3、11.数字抢答器设计[要点提示]一、设计任务与要求二、预习要求三、实验原理四、实验仪器设备五、实验内容及方法六、实验报告七、思考题[内容简介]一、设计任务与要求1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3.抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。二、预习要求1．复习编码器、十进制加/减计数器的工作原理。2．设计可预置时间的定时电路。3．分析与设计时序控制电路。4.画出定时抢答器的整机逻辑电路图三、设计原理与参考电路1．数字抢答器总体方框图如图11、1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到清除状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置?quot;开始状态，宣布开始抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作清除和开始状态开关。图11、1数字抢答器框图2．单元电路设计(1)抢答器电路参考电路如图11、２所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于清除端时，RS触发器的端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的＝０，使之处于工作状态。当开关S置于开始时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5?4LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,=1,74LS48处于工作状态，４Q３Q２Q=101,经译码显示为５。此外，1Ｑ＝１，使74LS148＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按