6.1概述

6.1.1電子電路設(shè)計的一般方法與步驟

電子電路設(shè)計在電子工程應(yīng)用領(lǐng)域里占有很重要的地位，其設(shè)計質(zhì)量的高低不但直接影響到產(chǎn)品或電路性能的優(yōu)劣，還對研制成果的經(jīng)濟效益起著重要的作用。電子電路設(shè)計一般可按照圖6-1所示的步驟進行。但電子電路的種類很多，器件選擇的靈活性很大。因此設(shè)計方法和步驟也會因不同情況而有所區(qū)別。有些步驟需要交叉進行，甚至反復(fù)多次，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體情況，靈活掌握。圖6-1電子電路設(shè)計的一般步驟

1．明確系統(tǒng)的設(shè)計要求一般設(shè)計題目給出的是系統(tǒng)的功能要求、重要技術(shù)性能指標(biāo)要求。這些要求是電子系統(tǒng)設(shè)計的基本出發(fā)點，一定要對這些要求進行具體分析，以便明確系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)。

2．方案論證與總體設(shè)計

明確系統(tǒng)的設(shè)計要求后，就可以進行方案論證了。這時可通過查閱資料，參考一些與設(shè)計課題相同或相近的電路方案。由于符合要求的方案往往不止一個，因此要對這些方案進行分析和比較。比較方案的標(biāo)準(zhǔn)有三個：一是技術(shù)指標(biāo)的比較，哪一種方案完成的技術(shù)指標(biāo)最完善；二是電路簡易的比較，哪一種方案在完成技術(shù)指標(biāo)的條件下，最簡單、容易實現(xiàn)；三是經(jīng)濟指標(biāo)的比較，在完成技術(shù)指標(biāo)的情況下，選擇價格低廉的方案，經(jīng)過比較后確定一個最佳方案。最后設(shè)計出一個完整的框圖，框圖應(yīng)能正確地反映系統(tǒng)所完成的任務(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。

3．單元電路的設(shè)計

在確定總體方案、畫出詳細(xì)框圖后，便可進行單元電路的設(shè)計。

1)設(shè)計單元電路的一般方法和步驟

首先根據(jù)設(shè)計要求和已選定的總體方案的原理框圖，確定對各單元電路的設(shè)計要求，必要時應(yīng)詳細(xì)擬定主要單元電路的性能指標(biāo)，應(yīng)注意各單元電路的互相配合。然后再選擇單元電路的結(jié)構(gòu)形式。在選擇單元電路的結(jié)構(gòu)形式時，可以參照經(jīng)典的、成熟的、先進的電路形式，也可以進行創(chuàng)新和改進，但都必須保證性能要求。

2)參數(shù)的計算

為了保證單元電路達到功能指標(biāo)要求，就需要對參數(shù)進行計算，例如放大電路的各電阻阻值、放大倍數(shù)；振蕩器中電阻、電容、振蕩頻率等參數(shù)。只有很好地理解電路的工作原理，正確利用公式，計算出來的參數(shù)才能滿足設(shè)計要求。

參數(shù)計算時，可能計算出來的參數(shù)有多組數(shù)據(jù)，但應(yīng)選擇能較好完成電路設(shè)計功能與指標(biāo)的那組。同時還要注意有關(guān)的問題：元器件的工作電流、電壓、頻率和功耗等參數(shù)應(yīng)能滿足電路的指標(biāo)要求；元器件的極限參數(shù)必須留有足夠余量，一般應(yīng)大于額定值的一定倍數(shù)(一般取1.5倍)。

3)元器件的選擇

眾所周知，由于集成電路具有體積小、功耗低、工作性能好、安裝調(diào)試方便等一系列的優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代電子電路的重要組成部分之一。因此，在電子電路設(shè)計中，優(yōu)先選用集成電路已成為人們所認(rèn)可的一致看法。但是也不要以為采用集成電路就一定比用分立元件好。例如有些功能相當(dāng)簡單的電路，只要用一只三極管或二極管就能解決問題，就不必選用集成電路了。如數(shù)字電路中的緩沖、倒相、驅(qū)動等應(yīng)用場合就是如此。另外，有些特殊應(yīng)用情況(如高電壓、大電流輸出)，采用分立元件往往比用集成電路更切合實際。

(1)模擬集成電路的選擇。常用的模擬集成電路主要有運算放大器、電壓比較器、模擬乘法器、集成穩(wěn)壓塊、鎖相環(huán)、函數(shù)發(fā)生器等。設(shè)計中選擇模擬集成電路的方法一般是先粗后細(xì)：先根據(jù)總體設(shè)計方案考慮選用什么類型的集成電路，如運算放大器有通用型、低漂移型、高阻型、高速型等；然后再進一步考慮它的性能指標(biāo)與主要參數(shù)，如運算放大器的差模和共模輸入電壓范圍、輸出失調(diào)參數(shù)、開環(huán)差模電壓增益、共模抑制比、開環(huán)帶寬、轉(zhuǎn)換速率等，這些參數(shù)值是選擇集成運算放大器的主要參考依據(jù)；最后應(yīng)綜合考慮價格等其他因素而決定選用什么型號的器件。

(2)數(shù)字集成電路的選擇。數(shù)字集成電路(簡稱數(shù)字IC)的發(fā)展速度非常快，經(jīng)過近幾十年的更新?lián)Q代，到目前為止已形成多種系列化產(chǎn)品同時并存的局面，各系列品種的功能配套齊全，可供用戶自由選擇。在選擇數(shù)字集成電路時，必須了解數(shù)字集成電路的種類和特點。數(shù)字IC系列產(chǎn)品大體上分為了TTL型、ECL型、CMOS型等三大類數(shù)字集成電路選擇。ECL電路速度最快，但功耗較大；而CMOS電路速度慢，功耗很低；TTL電路的性能介于ECL和CMOS集成電路之間。應(yīng)該說，各類數(shù)字IC都各具特點，都在發(fā)展，也都存在著應(yīng)用的局限性。在各種應(yīng)用場合中，應(yīng)該綜合考慮各類數(shù)字集成電路的性能，以求得到最佳的應(yīng)用。

(3)半導(dǎo)體三極管的選擇。半導(dǎo)體三極管是應(yīng)用較廣的分立器件，它對電路的性能指標(biāo)影響很大。其次是二極管和穩(wěn)壓管。如何選擇半導(dǎo)體三極管呢？大致有以下幾方面：

①從滿足電路所要求的功能(如放大作用、開關(guān)作用等)出發(fā)，選擇合適的類型。如大功率管、小功率管、高頻管、低頻管和開關(guān)管等。

②根據(jù)電路要求，選擇b值。一般情況下，b值越大，溫度穩(wěn)定性越差，通常b取50～100。

③根據(jù)已知條件選擇管子的極限參數(shù)。一般要求：

集電極最大允許電流ICM>2Ic；

集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓U(BR)CEO>2UCC；集電極最大允許管耗PCM>(1.5～2)PCmax；

工程設(shè)計中一般要求三極管的特征頻率fT>3f

工作。

(4)阻容元件的選擇。電阻和電容也是兩種應(yīng)用最廣的分立元件，它們的種類繁多，性能各異。在選擇阻容元件的過程中，有以下幾個方面需要考慮：

①根據(jù)不同電路對電阻和電容性能的要求，選用適合的電阻、電容器。如基本運算電路中的外接電阻，大都宜選用0.1%的金屬膜電阻，不宜選用電感效應(yīng)大的線繞電阻。又如，低頻濾波回路中的電容，宜選用大容量(100～3300mF)的鋁電解電容，由于其對高次諧波的濾波效果差，通常還需并聯(lián)小容量(0.01～0.1mF)的瓷片電容。

4．安裝調(diào)試和技術(shù)指標(biāo)測試

經(jīng)過對電子電路的理論設(shè)計之后，便可進入電路的安裝調(diào)試階段。電子電路的安裝調(diào)試在電子工程技術(shù)中占有很重要的地位，它是把理論付諸于實踐的過程，也是對理論設(shè)計做出檢驗、修改，使之更加完善的過程。首先進行各單元電路安裝調(diào)試，之后逐步擴大到整體電路的聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)主要是觀察動態(tài)結(jié)果，測試電路的性能指標(biāo)，檢查電路的測試指標(biāo)與設(shè)計指標(biāo)是否相符，逐一對比，找出問題，然后進一步修改參數(shù)，直至滿意為止。實驗調(diào)試完成之后，還應(yīng)注意最后校核與完善總體電路圖。6.1.2電子電路安裝技術(shù)

1．面包板的結(jié)構(gòu)

每塊面包板中央有一凹槽，凹槽兩邊備有65×5的插孔。每5個插孔為一組，5個孔中有金屬簧片連通。面包板的上、下各有一排11×5的小插孔，每5個孔為一組，它們是相通的。

兩條插孔可用作電源線和地線的插孔。面包板結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-2所示。圖6-2面包板結(jié)構(gòu)示意圖

2．在面包板上的安裝技巧

1)集成電路的安裝

集成電路引腳必須插在面包板中央凹槽兩邊的孔中，插入時所有引腳應(yīng)稍向外偏，使引腳與插孔中的簧片接觸良好，所有集成塊的方向要—致，缺口朝左，便于正確布線和查線。集成塊在插入與拔出時要受力均勻，以免引腳彎曲或斷裂。

2)連線

一般選直徑為0.6mm的單股導(dǎo)線，長度適當(dāng)。先將兩頭絕緣皮剝?nèi)?～8mm，然后把導(dǎo)線兩頭彎成直角，用鑷子夾住導(dǎo)線，垂直插入相應(yīng)的孔中。

3)布局

集成塊和晶體管的布局，一般按主電路信號流向的順序在一小塊面包板上直線排列。各級元器件圍繞各級的集成塊或晶體管布置，各元器件之間的距離應(yīng)視周圍元件多少而定。

4)布線

第一級的輸入線與末級的輸出線、高頻線與低頻線要遠離，以免形成空間交叉耦合，尤其在高頻電路中，元器件插腳和連線應(yīng)盡量短而直，以免分布參數(shù)影響電路性能。為使布線整潔和便于檢查，應(yīng)盡可能采用不同顏色的導(dǎo)線，一般正電源線用紅色，負(fù)電源線用藍色，地線用黑色。要求連線緊貼面包板，注意盡量在器件周圍走線，一個孔只準(zhǔn)插一根線，并且不允許導(dǎo)線在集成塊上方跨過。

合理布置地線。為避免各級電流通過地線時互相產(chǎn)生干擾，特別要避免末級電流通過地線對某一線形成正反饋而產(chǎn)生自激，故應(yīng)將各級單獨接地，然后再分別接公共地線。6.1.3電子電路調(diào)試與抗干擾技術(shù)

1．電子電路調(diào)試技術(shù)

電子電路按照設(shè)計的電路參數(shù)進行安裝后，由于電路分布參數(shù)的影響、元件值的誤差等各種復(fù)雜因素的影響，往往難于達到預(yù)期的效果。必須通過安裝后的測試和調(diào)整來加以改進，使電路達到設(shè)計要求。因此調(diào)試電子電路技術(shù)對從事電子技術(shù)及其有關(guān)領(lǐng)域工作的人員來說，是不可缺少的技能。

電路安裝完畢，通常不宜急于通電，先要認(rèn)真檢查連線、元器件安裝是否正確，確認(rèn)無誤后方可進入調(diào)試階段。

1)調(diào)試方法

調(diào)試包括測試和調(diào)整兩個方面。所謂電子電路的調(diào)試，是以達到電路設(shè)計指標(biāo)為目的而進行的一系列的測量—判斷—調(diào)整—再測量的反復(fù)進行的過程。為了使調(diào)試順利進行，設(shè)計的電路圖上應(yīng)當(dāng)標(biāo)明各點的電位值、相應(yīng)的波形圖以及其他主要數(shù)據(jù)。

調(diào)試方法通常采用先分調(diào)后總調(diào)。任何復(fù)雜電路都是由一些基本單元電路組成的，因此，調(diào)試時可以循著信號的流程，逐級調(diào)整各單元電路，使其參數(shù)基本符合設(shè)計指標(biāo)。這種調(diào)試方法的核心是：把組成電路的各功能塊(或基本單元電路)先調(diào)試好，并在此基礎(chǔ)上逐步擴大調(diào)試范圍，最后完成整機調(diào)試。具體調(diào)試步驟如下：

(1)通電觀察。把經(jīng)過準(zhǔn)確測量的電源接入電路。觀察有無異?，F(xiàn)象，包括有無異常氣味，是否發(fā)燙，電源是否有短路現(xiàn)象。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)立即切斷電源。排除故障后才可通電。通過通電觀察，認(rèn)為電路初步工作正常，方可轉(zhuǎn)入正常調(diào)試。

(2)靜態(tài)調(diào)試。交流、直流并存是電子電路工作的一個重要特點。一般情況下，直流為交流服務(wù)，直流是電路工作的基礎(chǔ)。因此，電子電路的調(diào)試有靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試之分。靜態(tài)調(diào)試一般是指在沒有外加信號的條件下所進行的直流測試和調(diào)整過程。如負(fù)載開路、接通電源，用萬用表測電源電壓是否正常，然后逐級粗測各級晶體管的靜態(tài)工作點，這樣能及時發(fā)現(xiàn)已損壞的元器件，判斷電路工作情況，并及時調(diào)整電路參數(shù)，使電路工作狀態(tài)符合設(shè)計要求。

(3)動態(tài)調(diào)試。動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進行的。調(diào)試的技術(shù)是在電路的輸入端接入適當(dāng)頻率和幅值的信號，并循著信號的流向逐級檢測各有關(guān)點的波形、參數(shù)和性能指標(biāo)。發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，應(yīng)采取不同的方法縮小故障范圍，最后設(shè)法排除故障。特別強調(diào)動態(tài)調(diào)試前要對電路進行消振。測試過程中不能憑感覺和印象，要始終借助儀器觀察。使用示波器時，最好把示波器的信號輸入方式置于“DC”擋，通過直流耦合方式，可同時觀察被測信號的交、直流成分。

電路正常工作后，即可進行技術(shù)指標(biāo)測試。根據(jù)設(shè)計要求，逐一測試各項指標(biāo)。凡未能達到要求的，需分析原因并加以調(diào)整與改進。

2)調(diào)試中注意事項

調(diào)試結(jié)果是否正確，很大程度受測量正確與否和測量精度的影響。為了保證調(diào)試的效果，必須減小測量誤差，提高測量精度。為此需注意以下幾點：

(1)正確使用測量儀器的接地端。凡是使用地端接機殼的電子儀器進行測量，儀器的接地端應(yīng)和放大器的接地端連接在一起，否則儀器機殼引入的干擾不僅會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化，而且將使測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。

(2)測量電壓所用儀器的輸入阻抗必須遠大于被測處的等效阻抗。若測量儀器輸入阻抗小，則在測量時會引起分流，給測量結(jié)果帶來很大誤差。

(3)測量儀器的帶寬必須大于被測電路的帶寬。

(4)要正確選擇測量點。用同一臺測量儀器進行測量時，測量點不同，儀器內(nèi)阻引進的誤差大小將不同。

(5)測量方法要方便可行。需要測量某電路的電流時，一般盡可能測電壓而不測電流，因為測電壓不必改動被測電路，測量方便。

(6)調(diào)試過程中，不但要認(rèn)真觀察和測量，還要善于記錄。只有有了大量的可靠的實際記錄，并與理論結(jié)果加以比較，才能發(fā)現(xiàn)電路上的問題。

(7)調(diào)試時出現(xiàn)故障，要認(rèn)真查找故障原因，切不可一遇故障解決不了就拆掉線路重新安裝。因為重新安裝的線路仍可能存在各種問題，如果是原理上的問題，即使重新安裝也解決不了問題。所以應(yīng)當(dāng)把查找故障，分析故障原因，調(diào)試電路，看成一次好的學(xué)習(xí)機會，通過查找故障原因來不斷提高自已分析問題和解決問題的能力。

2．電子電路抗干擾技術(shù)

在電子電路設(shè)計中，如果元器件的安裝與布線不合理，就有可能產(chǎn)生噪聲而形成干擾。另外，在工作環(huán)境中存在著自然界或人為因素產(chǎn)生的電磁信號，如50Hz交流電壓、發(fā)電機、電動機、日光燈等帶來的雜散電磁波，這些電磁信號干擾通過一定的途徑進入電子設(shè)備，也會影響電路的性能，嚴(yán)重時電路將無法正常工作。因此為了提高電子電路工作的可靠性和穩(wěn)定性，必須在設(shè)計中采取必要的抗干擾措施。下面介紹電子電路中常見的幾種干擾及其抑制方法。

1)電網(wǎng)高頻干擾及其抑制

任何電子設(shè)備都需要直流電源，而直流電源一般由電網(wǎng)來的交流電壓經(jīng)變壓器變壓，再經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓等電路產(chǎn)生的直流電壓提供。當(dāng)交流電網(wǎng)的負(fù)載突變時(如電動機的啟動和制動)，在負(fù)載突變處交流電源線與地之間將產(chǎn)生高頻干擾電壓，這個電壓引起的高頻電流經(jīng)過直流穩(wěn)壓電源、放大電路等與地之間的分布電容，經(jīng)地線再回到電網(wǎng)。這個高頻電流不僅沿導(dǎo)線流動，而且凡是有電容的地方都有它的良好通路，其中變壓器的分布電容引起的干擾電壓最大，從而影響電子電路的正常工作，尤其是高靈敏度的放大電路影響更為突出，因此必須采取措施加以抑制。常用的抑制方法如下：

(1)在穩(wěn)壓電源中電源變壓器一次側(cè)、二次側(cè)之間加屏蔽層，同時屏蔽層要很好地接地，此時高頻電流由變壓器一次側(cè)通過屏蔽層流入地線而不經(jīng)過后面的電路。

(2)在穩(wěn)壓電源交流進線處加濾波器，用以濾去高頻干擾，一般L為幾十毫亨，C為幾千微法。

(3)抑制交流干擾的另一個措施是采用“浮地”，即交流地線和直流地線分開，且只有交流地線接地，這樣可避免交流干擾由公共地線串入，而影響電路的正常工作。

2)雜散電磁場干擾及其抑制

放大電路周圍存在雜散電磁場時，放大電路的輸入電路或某些重要元器件處于這種變動的電場和磁場中，就會感應(yīng)出干擾電壓。對于一個放大倍數(shù)比較高的放大器來說，只要第一級引入一點微弱的干擾電壓，經(jīng)過各級放大，放大器的輸出端就有一個較大的干擾電壓。

干擾源和放大器的輸入電路之間，存在著雜散電容C，構(gòu)成了干擾電流的回路。此干擾電流在放大器的輸入電阻RI上產(chǎn)生干擾電壓。放大器輸入電阻越大，或雜散電容C越大，干擾電壓也就越大。

對于雜散電磁場的干擾，可采用下列措施。

(1)合理布局：為了減少分布參數(shù)的影響，要合理布局被測電路的元器件位置。高增益和高頻電路的輸入和輸出應(yīng)彼此遠離，電源變壓器和濾波電容應(yīng)遠離電路的輸入級。對有輸入變壓器的放大器，應(yīng)注意將輸入變壓器的線圈安裝得和干擾磁場垂直，以減少感應(yīng)的干擾電壓。電路的布線要合理，連線盡可能短。電路的輸入線、輸出線、交流、直流、弱信號、強信號等的聯(lián)線要盡可能分開走線，不要平行走線。輸入走線越長，越容易受干擾。

(2)屏蔽：屏蔽有靜電屏蔽和磁屏蔽兩種。屏蔽結(jié)構(gòu)可以將干擾源或受干擾元件用屏蔽罩屏蔽起來，特別是多級放大器的第一級更為重要，或第一級的輸入線采用具有金屬套的屏蔽線，屏蔽線的外套接地。在抗干擾要求較高時，可把放大器的前級或整個放大器都屏蔽起來。靜電屏蔽采用電導(dǎo)率較高的材料，如銅、鋁或鐵等金屬，其原理是在屏蔽罩接地后干擾電流經(jīng)屏蔽罩外層短路入地。磁屏蔽用具有高磁導(dǎo)率的磁性材料，如坡莫合金或鐵等金屬，其磁阻遠小于被干擾電路與屏蔽罩之間空氣隙的磁阻，因而干擾磁場的磁力線大部分通過屏蔽罩而不通過氣隙進入被干擾電路。此外，屏蔽罩的形狀不同其影響也不同，圓柱形屏蔽罩效果最好。

3)放大電路的自激及其抑制

電子設(shè)備的自激是實踐中最易發(fā)生的問題，防止自激不僅是在電路上采取措施，而且在結(jié)構(gòu)工藝上也應(yīng)予以足夠的重視。

(1)在放大電路中采用外部相位補償電路消除自激。

(2)在電源端加接電源去耦濾波電路。

(3)印制板的布線要注意：電源線、地線要盡量加粗和縮短，以減少環(huán)路電阻；轉(zhuǎn)角處應(yīng)圓滑；信號線應(yīng)盡可能遠離電源線。

4)信號地之間的干擾及其抑制

信號地是指信號電路、邏輯電路和控制電路的地。由于信號地必須通過導(dǎo)線連線，而任何導(dǎo)線都有一定的阻抗，流過各線的電流有所不同，因此各個接地點的電位不完全相同。設(shè)計接地點的目的是為了盡量減少各電路電流流過公共地阻抗時產(chǎn)生的耦合干擾，還要避免地環(huán)路電流，從而避免環(huán)路電流與其他電路產(chǎn)生耦合干擾。信號地的連接方法有下列幾種。

(1)單點接地。它是把各電路的地線接在一點上。這種方法的優(yōu)點是不存在環(huán)形地回路，因而不存在地環(huán)流，各電路的接地點只與本電路的地電流和地阻抗有關(guān)。如果各電路的電流都比較小，各地線中的電壓也比較小。當(dāng)兩個電路相距較近時采用單點接地法，由于地線較短，它們之間電位差小，因此各段地線間相互干擾也小。

(2)串聯(lián)接地。接地點順序連接在一條公共地線上，電路中共用地線電流是n個電路流過地線電路之和。因此每個電路的地線電位都受其他電路的影響，噪聲通過公共地線互相耦合。從防止干擾的角度出發(fā)，這種接法是不合理的，但因為它接法簡單，在很多地方仍被采用。例如在一塊印制電路板上，各元器件或電路之間的地線一般都是串聯(lián)接法，最終連到印制電路板的地線引線端上。這種接法在設(shè)計印制電路板時比較方便。

(3)多點接地。為了降低阻抗，地線一般采用寬銅皮鍍銀作為接地母線。它是把所有電路的地線都連接到離它最近的接地母線上，以便降低地阻抗。這種接法在數(shù)字電路中常用。一般系統(tǒng)由多塊印制板組成，它們之間的地線是通過裝在機架上的寬銅皮鍍銀的接地母線連接在一起，再把接地母線的一端接到直流電源的地線上，構(gòu)成工作接地點，這種方法適用于高頻電路。

不論是用哪種方法連接地線，地線盡可能寬一些。實際上，電子設(shè)備中信號地的接法不是簡單的采用某種形式，而是采用以上三種方法組成的混合形式。

(4)模擬地和數(shù)字地。在一些電子電路中，既有數(shù)字信號，又有模擬信號，而數(shù)字電路都工作在開關(guān)狀態(tài)，電流起伏波動較大，若兩種信號的耦合還采用電耦合，則在其地線間必定會產(chǎn)生相互干擾，造成模數(shù)轉(zhuǎn)換間的不穩(wěn)定。為了消除這種干擾，最好采用兩套整流電路，分別供給模擬部分和數(shù)字部分，信號間采用光耦合器進行耦合，這樣即可把兩套電源間的地線實現(xiàn)隔離。6.2印刷電路板設(shè)計

6.2.1ProtelDXP2004簡介

Protel的前身是1988年美國ACCELTechnologies公司推出的TANGO軟件，用于電子輔助設(shè)計，這個軟件包開創(chuàng)了電子設(shè)計自動化(EDA)的先河。TANGO從電子設(shè)計者的需求考慮，一度是電路設(shè)計者的首選軟件，這也為它的后繼產(chǎn)品的推出打下良好的基礎(chǔ)。這個軟件包現(xiàn)在看來比較簡陋，但在當(dāng)時給電子線路設(shè)計帶來了設(shè)計方法和方式的革命。隨著電子業(yè)的飛速發(fā)展，TANGO日益顯示出其不適應(yīng)時代發(fā)展需要的弱點。于是ProtelTechnology公司推出了ProtelforDOS軟件，即TANGO的升級版本。從此，Protel這個名字在業(yè)內(nèi)日益響亮。20世紀(jì)80年代末，Windows系統(tǒng)開始流行，許多應(yīng)用軟件也紛紛開始支持Windows操作系統(tǒng)。Protel也不例外，相繼推出了ProtelForWindows1.0、ProtelForWindows1.5等版本。這些版本的可視化功能給用戶設(shè)計電子線路帶來了很大的方便，設(shè)計者再也不用記一些繁瑣的命令，也讓用戶體會到了資源共享的樂趣。

20世紀(jì)90年代中期，Windows95開始出現(xiàn)，Protel也緊跟潮流，推出了基于Windows95的3.X版本。3.X版本的Protel加入了新穎的主從式結(jié)構(gòu)，但在自動布線方面卻沒有什么出眾的表現(xiàn)。另外，由于3.X版本的Protel是16位和32位的，混合型軟件不太穩(wěn)定，因此，1998年P(guān)rotel公司推出了給人全新感覺的Protel98。Protel98以其出眾的自動布線能力獲得了好評。

ProtelDXP2004是業(yè)界第一款也是惟一一種完整的板級解決方案。ProtelDXP2004集成了FPGA設(shè)計功能，從而允許工程師將系統(tǒng)設(shè)計中的FPGA與PCB設(shè)計集成在一起。ProtelDXP2004同時支持原理圖輸入和HDL硬件描述輸入模式，支持基于VHDL的設(shè)計仿真、混合信號電路仿真、布局/后信號完整性分析。

ProtelDXP2004設(shè)計平臺軟硬件配置要求如下。

(1)硬件配置。

(2)操作系統(tǒng)。MicrosoftWindowsXP操作系統(tǒng)或Windows2000操作系統(tǒng)。它不支持ＭicrosoftWindowsMe/98/95操作

系統(tǒng)。6.2.2繪制和編輯電路原理圖

一般來說，使用Protel進行電路設(shè)計大體可以分為三個步驟：電路原理圖設(shè)計、生成網(wǎng)絡(luò)表以及印刷電路板的設(shè)計。在ProtelDXP2004的原理圖設(shè)計系統(tǒng)中，提供了各種原理圖繪制工具和編輯功能。

電路原理圖是一個具體電路的原理性描述，它描述了各個元件的連接關(guān)系，不涉及具體元件的封裝、位置和電路板的尺寸結(jié)構(gòu)等。電路原理圖設(shè)計是整個電路設(shè)計的基礎(chǔ)。通常，電路原理圖設(shè)計包括以下幾個步驟。

(1)新建原理圖文件。首先確定所要設(shè)計電路的具體實現(xiàn)方式，然后在集成開發(fā)環(huán)境中新建原理圖設(shè)計文件，并進行原理圖繪制。

(2)設(shè)置原理圖工作環(huán)境。主要根據(jù)所設(shè)計電路的復(fù)雜程度，確定圖紙的大小、風(fēng)格、光標(biāo)及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等。

(3)放置元器件。主要從元件庫中選取需要的元器件，放置在圖紙中，并進行合理地布局，然后根據(jù)需要修改元器件的名稱、封裝等。

(4)布線。根據(jù)實際電路，將圖紙中元器件的引腳用具有電氣意義的導(dǎo)線連接起來，構(gòu)成一張完整的電路原理圖。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，基本電路如圖6-3所示。圖6-3直流穩(wěn)壓電源原理圖電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓UI變換成整流濾波電路所需要的交流電壓U1。整流二極管VD1～VD4組成單相橋式整流電路，將交流電壓U1變成直流電壓，再經(jīng)濾波電容C1濾除紋波，輸出直流電壓。圖6-3中選擇CW7815作為集成穩(wěn)壓電路，輸入端接電容C2可以進一步濾除紋波，輸出端接電容C3能改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。

使用ProtelDXP2004設(shè)計電路原理圖的步驟如下：

(1)建立一個新的原理圖文件，選擇File→New→Schematic菜單命令即可。新建原理圖文件默認(rèn)文件名為“Sheet1.

SchDoc”，可將文件另存為“Power.SchDoc”，如圖6-4所示。圖6-4新建原理圖文件

(2)對原理圖圖紙進行一些設(shè)置。新建原理圖的同時，在主窗口工作區(qū)會打開一張原理圖的圖紙，并切換到原理圖編輯器界面。選擇Design→DocumentOptions…菜單命令，打開DocumentOptions對話框，如圖6-5所示。在該對話框中對原理圖圖紙的一些屬性進行設(shè)置，如圖紙大小、柵格、文件名等。圖6-5原理圖圖紙設(shè)置對話框

(3)載入原理圖元件庫。要設(shè)計出一張原理圖，必須要有組成這些原理圖的元件。這需要將裝有所需元件的元件庫加載到項目中來。選擇Design→Add/RemoveLibrary…菜單命令，打開AvailableLibraries對話框，在對話框中單擊Installed標(biāo)簽切換到Installed選項卡，如圖6-6所示，然后單擊“Install”按鈕，選中所需元件庫后再單擊“打開”按鈕，最后單擊“Close”按鈕，關(guān)閉AvailableLibraries對話框。ProtelDXP2004已缺省安裝名為“MiscellaneousDevices.IntLib”的庫文件，常用的電阻、電容等器件可以從中選取。圖6-6加載元件庫

(4)載入原理圖元件庫后，將所需要的元件從已加載到項目當(dāng)中的元件庫中選出，然后將它們放置到原理圖圖紙上去。選擇Design→BrowseLibrary…菜單命令，打開Libraries面板，在該面板中選擇“Components”單選按鈕，然后從元件庫下拉

列表中選擇一個元件庫。選擇了元件庫后，會在Libraries面板中的元件列表框中看到該元件庫所包含的所有元件，如圖6-7所示。圖6-7選擇元件庫文件

(5)用同樣的方法在不同的元件庫間切換，找到所有的元件，然后放置在圖紙上，如圖6-8所示。初次放置到圖紙上的元件的順序可能是非常凌亂的。因此需要對它們進行一些排列，排列的一個重要目的是使布線更加容易和輕松，可以通過移動元件的位置來完成對元件的排列。圖6-8找出所需要的元件后放置在圖紙上

(6)布線是用導(dǎo)線在各個元件之間建立起電氣關(guān)系。單擊放置導(dǎo)線專用的按鈕，鼠標(biāo)光標(biāo)會變成十字形，單擊一條導(dǎo)線的起點，然后拖動鼠標(biāo)畫出一條導(dǎo)線，如圖6-9所示，在導(dǎo)線拐角處單擊確定導(dǎo)線的轉(zhuǎn)折點，再在導(dǎo)線的終點處右擊退出放置導(dǎo)線的命令狀態(tài)。這樣就完成了一條導(dǎo)線的放置。布線完成后的原理圖已具雛形。圖6-9導(dǎo)線的連接

(7)對元件屬性進行設(shè)置。雙擊某個元件，打開ComponentProperties對話框，在對話框中設(shè)置元件的屬性，包括標(biāo)號描述語言等。這樣，一張原理圖就完成了，如圖6-10所示。圖6-10最終原理圖6.2.3報表生成及輸出

在原理圖設(shè)計中，有時出于管理、交流、存檔等目的，需要能夠隨時輸出整個設(shè)計的相關(guān)信息，對此，ProtelDXP2004提供了相應(yīng)的功能，它可以將整個設(shè)計的相關(guān)信息以多種格式輸出。

1.生成網(wǎng)絡(luò)

原理圖布線完成后，即可得到一張完整的電路原理圖。為了進行后續(xù)的PCB電路板設(shè)計，這里要生成一個網(wǎng)絡(luò)表文件。網(wǎng)絡(luò)表文件是聯(lián)系電路原理圖和PCB圖的主要文件。由于網(wǎng)絡(luò)表是原理圖向PCB轉(zhuǎn)換的橋梁，因此它的地位十分重要。網(wǎng)絡(luò)表可以支持電路的模擬和PCB的自動布線，也可以用來查錯。

(1)選擇Design→NetlistForDocument→Protel菜單命令，系統(tǒng)會自動生成一個“Power.NET”的文件，如圖6-11所示。表圖6-11生成網(wǎng)絡(luò)表文件

(2)雙擊“Power.NET”文件，將其在主窗口工作區(qū)打開，該文件是一個文本文件，整個網(wǎng)絡(luò)表被分成兩部分：一部分是元件的信息，用方框號分開每個元件的信息，如圖6-12所示；另一部分是連接信息，用圓括號分開，在同一圓括號中的引腳在電氣上是相連的，如圖6-13所示。

設(shè)計者可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)表中的格式在文本編輯器中設(shè)計網(wǎng)絡(luò)表文件，也可以在生成的網(wǎng)絡(luò)表文件中直接進行修改，以使其更符合設(shè)計要求。圖6-12網(wǎng)絡(luò)表表示的元件信息圖6-13網(wǎng)絡(luò)表表示的連接信息

2．生成元件清單表

元件清單是一張原理圖中所涉及到的所有元件的列表。在進行一個具體的項目開發(fā)時，設(shè)計完成后需要采購元件，當(dāng)項目中涉及到大量元件時，對元件各種信息的管理和準(zhǔn)確統(tǒng)計就是一項有難度的工作。這時，可以利用元件清單列表。選擇Reports→BillofMaterials菜單命令，對話框中列出了工程中所有的元件和這些元件的詳細(xì)信息。如圖6-14所示。圖6-14元件清單列表6.2.4印刷電路板設(shè)計

電路設(shè)計的最終目的是為了制作電子產(chǎn)品，而電子產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)是通過印刷電路板來實現(xiàn)的。ProtelDXP2004為設(shè)計者提供了一個完整的PCB設(shè)計環(huán)境，既可以進行人工設(shè)計，又可以全自動設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果可以用多種形式輸出。

印刷電路板的制作材料主要是絕緣材料、金屬銅、銀、焊錫等。它是一個絕緣板，絕緣材料一般用SiO2。從早期的電木到現(xiàn)在的玻璃纖維，板的厚度越來越薄，韌性則越來越強。金屬銅或銀通過蝕刻，在印刷電路板上形成電氣導(dǎo)線。一般還在導(dǎo)線表面再附上一層薄的絕緣層。焊錫附著在

元件引腳和焊盤表面，用于電路板過孔和直插式芯片引腳間的焊接。

印刷電路板(PCB)是由原理圖轉(zhuǎn)化而來的，因此要先由原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表，然后再將網(wǎng)絡(luò)表加載到PCB圖紙中。加載網(wǎng)絡(luò)表的過程實際上就是加載元件封裝的過程。如果沒有加載所需要的元件庫，元件封裝的加載就會出現(xiàn)錯誤。正確地加載了元件封裝后，經(jīng)過布局和布線，就可以完成一張PCB圖的設(shè)計。

具體的設(shè)計步驟如下：

(1)規(guī)劃電路板。選擇File→New→PCB菜單命令新建一個PCB文件，并將其保存為“Power.PCBDOC”。規(guī)劃電路板是確定電路板的物理邊界和電氣邊界。物理邊界就是PCB的大小，電氣邊界是PCB上布線區(qū)域的大小。如圖6-15所示，外框是PCB的物理邊界，內(nèi)框是PCB的電氣邊界。

(2)生成網(wǎng)絡(luò)表。單擊主工作區(qū)上的“Power.SCHDOC”標(biāo)簽切換回原理圖文件，然后選擇Design→NetlistforPROJECT→Protel菜單命令，生成如圖6-16所示的EngineeringChangeOrder對話框，在該對話框中列出原理圖所有的元件、網(wǎng)絡(luò)等信息。圖6-15規(guī)劃電路板的邊界圖6-16EngineeringChangeOrder對話框單擊對話框左下角的ValidateChanges按鈕，對要加載到PCB中的網(wǎng)絡(luò)表進行封裝檢查。檢查通過的項會在對話框的Check列中出現(xiàn)綠色小勾，如果有的項沒有通過封裝檢查，則需要找出原因并加以修改，直到所有項的封裝檢查都通過為止。單擊對話框中的ExecuteChanges按鈕，將網(wǎng)絡(luò)表加載到PCB圖紙中。如果加載成功，在對話框的Done列中會出現(xiàn)綠色的小勾；如果沒有加載成功，則會出現(xiàn)一個紅色小叉。最后，單擊Done按鈕關(guān)閉該對話框。此時，系統(tǒng)會自動切換到PCB編輯界面，所加載的元件封裝如圖6-17所示?？梢钥吹矫總€元件的引腳都由一條線和其他元件的引腳建立起了聯(lián)系，這種線叫做預(yù)拉線，它們也是網(wǎng)絡(luò)表的一部分。圖6-17所加載的元件封裝

(3)元件布局。選擇Tools\AutoPlacement\AutoPlace…菜單命令打開AutoPlace對話框，如圖6-18所示。在該對話框中選擇一種元件布局策略，然后單擊“OK”按鈕，系統(tǒng)就開始自動布局元件。自動布局的結(jié)果如圖6-19所示。圖6-18AutoPlace對話框圖6-19自動布局的結(jié)果

(4)自動布線。選擇AutoRoute\All菜單命令打開SitusRoutingStrategies對話框，在該對話框中選擇一種布線策略，然后單擊RouteAll按鈕開始布線，如圖6-20所示。圖6-20選擇布線策略在進行自動布線時，Messages工作面板中會顯示布線的進度，在布線完成后，會顯示出布線完成的百分比和未完成線的條數(shù)，如圖6-21所示。圖6-21布線信息

(5)完成設(shè)計。在布線完成后，對元器件的布局進行一定的手工調(diào)整，這樣整個PCB就設(shè)計完成了，如圖6-22所示。圖6-22最終布線結(jié)果6.3模擬電路設(shè)計實例

6.3.1低頻函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

1．實驗?zāi)康?/p>

(1)了解集成函數(shù)發(fā)生器的電路原理。

(2)掌握使用集成函數(shù)發(fā)生器模塊組成低頻函數(shù)發(fā)生器的方法。

2．設(shè)計任務(wù)

利用單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038設(shè)計一個能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波及單脈沖的信號發(fā)生器。

3．設(shè)計指導(dǎo)

1)設(shè)計考慮

函數(shù)信號發(fā)生器是測試電子器件性能及電路傳輸特性的常用儀器。函數(shù)信號發(fā)生器可由分立元件構(gòu)成，亦可由集成運放構(gòu)成。

隨著集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，多功能信號發(fā)生器已被制作成專用集成電路。該集成電路使用方便、調(diào)試簡單、性能穩(wěn)定，它不僅能產(chǎn)生正弦波，同時還能產(chǎn)生三角波和方波。5G8038就是其中的一種，用于產(chǎn)生低頻信號。它只需外接很少的幾只元件就可作為一個多種波形輸出的信號發(fā)生器。

5G8038的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

頻率溫度漂移：≤50×l0－6/℃；

輸出波形：同時輸出正弦波、方波和三角波；

輸出頻率范圍：0.001Hz～300kHz；

輸出正弦波失真：≤1%；三角波輸出線性度優(yōu)于1%；

方波輸出電壓幅度：可從零到外接電源電壓；

矩形波占空系數(shù)：在1%～99%范圍內(nèi)可調(diào)；

電源電壓：單電源為?+10～+30V，雙電源為±5～±15V。

可見，使用5G8038集成函數(shù)發(fā)生器設(shè)計本任務(wù)，完全可以滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

2)?5G8038集成函數(shù)發(fā)生器工作原理

圖6-23是5G8038多功能函數(shù)發(fā)生器的原理框圖。它由一個恒流充放電振蕩電路和一個正弦波變換器組成，恒流充放電振蕩器產(chǎn)生方波和三角波，三角波經(jīng)正弦波變換器輸出正弦波。圖6-235G8038內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖中兩個比較器Cl、C2組成一個窗口比較器，參考電壓分別設(shè)置在2/3UCC和1/3UCC上。兩個比較器的輸出分別控制R-S觸發(fā)器的置位端和復(fù)位端。兩個恒流源I1、I2擔(dān)任對定時電容C的充放電，而充電與放電的轉(zhuǎn)換則由R-S觸發(fā)器的輸出通過電子開關(guān)S的通或斷來進行控制。電路設(shè)計的I2=2I1，當(dāng)電子開關(guān)S斷開時，電路對外接電容C充電；當(dāng)電子開關(guān)S接通時，電容C放電，所以在電容C上產(chǎn)生線性良好的三角波，經(jīng)緩沖器由管腳3輸出。為了在比較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)由三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換，一個由電阻與晶體管組成的折線近似轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波，由管腳2輸出。而用于控制開關(guān)S的信號，即R-S觸發(fā)器的輸出，就是一個方波，經(jīng)緩沖器由管腳9輸出。恒流充放電振蕩電路輸出方波的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：其中，UH是窗口電壓比較器的上、下限門檻電壓之差。

對于，若取I2=2I1，則函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生典型的方波、三角波、正弦波。其振蕩頻率為：若由外部電路控制兩恒流源的比值Il/I2，則可得到矩形波和鋸齒波輸出。但此時不能獲得正弦波輸出。

5G8038與國外的ICL8038同類電路相一致，可互換使用。5G8038采用雙列直插管腳步封裝，各管腳的功能為：

1—正弦波線性調(diào)節(jié)；2—正弦波輸出；3—三角波輸出；4—恒流源1調(diào)節(jié)；5—恒流源2調(diào)節(jié)；6—正電源；7—基準(zhǔn)源輸出；8—調(diào)頻控制輸入端；9—方波輸出(集電極開路輸出)；10—外接定時電容；11—負(fù)電源或接地；12—正弦波線性調(diào)節(jié)；13、14—空腳。

3)振蕩頻率計算

調(diào)節(jié)5G8038輸出頻率的方法有兩種：一是改變電阻大?。涣硪环N是控制電壓大小。圖6-24是5G8038組成函數(shù)發(fā)生器典型電路之一。圖6-245G8038應(yīng)用線路一在該電路中，5G8038的管腳8與管腳7相連，其振蕩頻率可由下式?jīng)Q定：矩形波的占空比為：當(dāng)R1=R2=R時，管腳9輸出對稱的方波，管腳3輸出三角波，管腳2輸出正弦波。這時輸出信號頻率為：為了保證流過管腳4和管腳5的電流相等，產(chǎn)生良好的正弦波和三角波，一般將管腳4、管腳5短路，然后經(jīng)一只公用電阻R接到正電源UCC上，此時振蕩頻率為：可見，改變電阻R的大小，即可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出

頻率。

圖6-25所示為5G8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器的又一典型電路。它是利用在5G8038的管腳8外加電壓的變化來改變其振蕩頻率。根據(jù)圖中參數(shù)，調(diào)節(jié)電位器RP2可使振蕩頻率在20Hz～20?kHz范圍內(nèi)變化。電位器RP1用于調(diào)節(jié)流入管腳4和管腳5的電流相等，從而使輸出方波的占空比精確為50%。圖中二極管的作用是當(dāng)管腳8的電位達到最高時，仍能保證RA、RB上有幾百毫伏的壓降，從而維持電路的正常工作。RP2用來調(diào)整正弦波的失真度。圖6-255G8038應(yīng)用線路二

4)電路參數(shù)設(shè)計

(1)確定電路。根據(jù)任務(wù)指標(biāo)，選擇低頻信號發(fā)生器的電路，如圖6-26所示。與圖6-25不同的是增加了電位器RP2支路和由運算放大器LM318組成的放大器。RP2用于減小正弦波失真度，LM318放大器可提高信號源的帶負(fù)載能力。圖6-26低頻信號發(fā)生器電路圖

(2)參數(shù)計算。為了使振蕩信號獲得最佳的特性，流過5G8038集成電路的管腳4和管腳5的電流不能過大或過小。若電流過大，會使三角波的線性變壞，從而會導(dǎo)致正弦波失真度增大；若電流過小，則電容的漏電流影響變大。最佳的電流為1mA～1mA。接正電源的公用電阻R滿足下列關(guān)系：若選擇UCC=12V，則電阻R最佳的變化范圍為1.2～1200kW。因為f=0.15/RC1，取C1=4700pF，當(dāng)fmax=20kHz時現(xiàn)選擇一電位器RP1與Rl相串聯(lián)，取RP1=56kW。當(dāng)電位器RP1+Rl最大時，振蕩頻率可見這不滿足設(shè)計任務(wù)書最低頻率的要求。為此要再增加一組振蕩電容C2：取C2=0.15mF。當(dāng)調(diào)節(jié)RP1=0時，所以，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)S1接入不同電容時，調(diào)節(jié)電位器RP1，輸出振蕩頻率分別為17～666Hz和555Hz～21kHz。為了提高信號源的帶負(fù)載能力，可使三角波、正弦波信號經(jīng)由LM318高速運算放大器放大后輸出。調(diào)節(jié)RP3、RP4，可調(diào)節(jié)信號輸出幅度。

圖6-26中電位器RP1、RP2、RP4采用精密多圈電位器。

(3)單脈沖產(chǎn)生電路。單脈沖對于觀察數(shù)字集成電路的觸發(fā)特性及數(shù)字系統(tǒng)電路的狀態(tài)非常重要。對于單脈沖電路的要求為：當(dāng)按鍵S按下時，輸出脈沖上升沿(或下降沿)；當(dāng)按下按鍵S不動時，輸出脈沖保持高電平(或低電平)不變；當(dāng)松開按鍵S時，輸出脈沖下降沿(或上升沿)。圖6-27即可完成上述功能。圖6-27單脈沖產(chǎn)生電路

5)指標(biāo)測試

按圖6-26及圖6-27安裝、接線、檢查無誤后，通電觀察方波、三角波輸出并進行以下測試：

(1)頻率范圍：轉(zhuǎn)換開關(guān)S1接入C2，轉(zhuǎn)換開關(guān)S2接方波，輸出接頻率計、示波器。調(diào)節(jié)電位器RP1，檢查輸出信號的頻率下限(提示：C2并接一小電容可使頻率下限降低)；再將轉(zhuǎn)換開關(guān)S1接入C1，調(diào)節(jié)電位器RP1，檢查輸出信號的頻率上限(提示：C1減小可使頻率上限提高)。

(2)正弦波的失真度：轉(zhuǎn)換開關(guān)S1接入C1，S2接正弦波。調(diào)節(jié)電位器RP1，使輸出信號的頻率為10kHz；用失真度測試儀測量失真度，調(diào)節(jié)電位器RP2，使輸出正弦波的失真最小。

(3)輸出幅度：測完失真度后，調(diào)節(jié)電位器RP3，測量正弦波輸出值，若測量值小于5V，調(diào)節(jié)電位器RP4，使輸出達到5V。

4．實驗儀器與器材

(1)雙蹤示波器GOS-20型1臺；

(2)直流穩(wěn)壓電源GPC-1850D型1臺；

(3)失真度測量儀GAD-201G型1臺；

(4)交流毫伏表SX2172型1臺；

(5)數(shù)字頻率計GFC-8010H型1臺；

(6)低頻函數(shù)發(fā)生器模塊5G80381片；

(7)高速運算放大器LM3181片；

(8)其他：萬用表1塊，面包板1塊，與非門74LS001片，轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鍵、電阻、電容若干。6.3.2直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1．實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉集成穩(wěn)壓器的特點，能合理選擇使用。

(2)掌握用集成穩(wěn)壓器組成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法。

(3)掌握直流穩(wěn)壓電源的性能測試方法。

2．設(shè)計任務(wù)

利用集成穩(wěn)壓器設(shè)計一小功率直流穩(wěn)壓電源。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

輸出電壓能同時提供正、負(fù)電壓；輸出幅度UO=±3～±12V連續(xù)可調(diào)；

輸出電流IOMAX=800mA；

紋波電壓的有效值DUO≤5mV；

穩(wěn)壓系數(shù)SV≤3×10-3；

電壓調(diào)整率KU≤3%；

電流調(diào)整率KI≤1%；

輸入電壓(有效值)UI=220±22V。

3．設(shè)計指導(dǎo)

1)方案設(shè)計考慮

能夠把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槠交⒎€(wěn)定的直流電的裝置叫做直流穩(wěn)壓電源，幾乎所有的電子設(shè)備都要用到直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖和整流穩(wěn)壓過程如圖6-28所示。圖6-28直流穩(wěn)壓電源組成框圖及波形圖直流穩(wěn)壓電源的核心是穩(wěn)壓電路，可由分立器件組成，亦可由集成運放和晶體管構(gòu)成。隨著集成電路的發(fā)展，由分立器件組成的穩(wěn)壓電路已被集成穩(wěn)壓器替代。根據(jù)輸出器件的工作狀態(tài)將穩(wěn)壓器分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器輸出紋波小但效率低，開關(guān)穩(wěn)壓器效率高但輸出紋波較大。對小功率直流穩(wěn)壓電源大都采用線性穩(wěn)壓器。

穩(wěn)壓電源的設(shè)計是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO、輸出電流IO、輸出紋波電壓DUO等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，然后合理地選擇這些器件。首先，根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO、最大輸出電流IOMAX，確定穩(wěn)壓器的型號及電路形式。再根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓UI，確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值U2，根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流IOMAX，確定流過電源變壓器副邊的電流I2

和電源變壓器副邊的功率P2。然后根據(jù)P2從相關(guān)表格(如表6-1)中查出變壓器的效率h，從而確定電源變壓器原邊的功率P1，這樣就可依據(jù)所確定的參數(shù)選擇電源變壓器。最后，確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓URM和濾波電容的電容值及耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。

2)集成穩(wěn)壓器選擇

集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式(均屬電壓串聯(lián)型)，此外又可分為正電壓輸出和負(fù)電壓輸出兩種類型。

(1)固定式電壓輸出穩(wěn)壓器。常見的有CW78××

(LM78××)系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器，CW79××(LM79××)系列三端固定式負(fù)電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個端子。型號中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時，要求輸入電壓UI與輸出電壓UO的電壓差UI

－UO≥2V，穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流IO=8mA。當(dāng)UO=5～18V時，UI的最大值UIMAX=35?V；當(dāng)UO=18～24V時，UI的最大值UIMAX=40V。

塑封CW78××系列的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路如圖6-29(a)所示，其中，CI=0.33mF，CO=0.1mF，CI、CO采用漏電流小的鉭電容；塑封CW79××系列的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路如圖6-29(b)所示，其中，CI=2.2mF，CO=1mF。圖6-29固定式電壓輸出穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器輸入端的電容CI用來進一步消除紋波。此外，輸出端的電容CO與CI

起到了頻率補償?shù)淖饔茫芊乐棺约ふ袷?，從而使電路穩(wěn)定工作。

(2)可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器，是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317(LM317)系列三端穩(wěn)壓器以及輸出負(fù)電壓的CW337(LM337)系列三端穩(wěn)壓器。在可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個端是指輸入端、輸出端和調(diào)

節(jié)端。塑封三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器CW317系列的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路如圖6-30(a)所示。其中，C1=0.01mF，C0=10mF，R1與RW組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓UO≈

1.25(1+RW/R1)，Rl的值為120～240W，流經(jīng)R1的泄放電流為5～10mA。RW為精密可調(diào)電位器。電容C1可以進一步消除紋波，電容Cl與C0還能起到相位補償作用，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩。電容C2與RW并聯(lián)組成濾波電路，電位器RW兩端的紋波電壓通過電容C2旁路掉，以減小輸出電壓中的紋波。二極管VD5的作用是防止輸出端與地短路時，因電容C2上的電壓太大而損壞穩(wěn)壓器。圖6-30可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器

CW337系列的引腳功能及組成的典型穩(wěn)壓電路如圖6-30(b)所示。與CW317相比，除了輸入、輸出電壓極性和引腳定義不同外，其他特點都相同。

CW317的主要技術(shù)參數(shù)如下：

輸出電壓的可調(diào)范圍為UO=1.2～37V；

最大輸出電流IOMAX=1.5A；

輸入電壓與輸出電壓差UI－UO≥3V；

最大輸入電壓UIMAX≤40V；

穩(wěn)壓系數(shù)SV≤2×10－4；

電流調(diào)整率KI≤3×10－3；

最小輸出電流IOMIN≥3.5mA?？梢姡x擇CW317、CW337集成穩(wěn)壓器設(shè)計本任務(wù)，完全可以滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

3)單元電路設(shè)計考慮

(1)電源變壓器。電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓U1變換為整流電路所需要的交流電壓U2。變壓器副邊與原邊的功率比稱為效率式中，h為變壓器的效率；P2為變壓器副邊的功率；P1為變壓器原邊的功率。

一般小型變壓器的效率如表6-1所示。因此，當(dāng)算出了副邊功率P2后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率P1。

(2)整流和濾波電路。在穩(wěn)壓電源中一般用4個二極管組成橋式整流電路。整流電路的作用是將交流電壓U2變換成脈動的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U1。U1與交流電壓U2的有效值U2的關(guān)系為：在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：流過每只二極管的平均電流為其中，R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時間常數(shù)RC應(yīng)滿足：RC≥(3～5)其中，T=20ms，它是50Hz交流電壓的周期。

(3)穩(wěn)壓電路。由于輸入電壓U1發(fā)生波動，負(fù)載和溫度發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓UI會隨著變化。因此，為了維持輸出電壓UI穩(wěn)定不變，還需加一級穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素(電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度)發(fā)生變化時，能使輸出直流電壓不受影響而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般由集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

4)設(shè)計步驟

(1)選擇集成穩(wěn)壓器，確定電路形式。集成穩(wěn)壓器選用GW317、GW337。所確定的穩(wěn)壓電源電路如圖6-31所示。R1與RW組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，Rl的值為120～240W，流過R1的電流為5～10mA。由任務(wù)要求的輸出電壓范圍及穩(wěn)壓器的最小輸出電流取R1=200W，由UO=1.25(1+RW/R1)可求得：RWMIN=280W，RWMAX=1.72kW；故取RW為2kW的精密線繞電位器。按推薦參數(shù)取：Cl=0.01mF，C2=10mF，CO=1mF，二極管VD5、VD6用IN4001。

(2)選擇電源變壓器。由于CW317的輸入電壓與輸出電壓差的最小值(UI－UO)MIN=3V，輸入電壓的最大UIMAX≤40V，故CW317的輸入電壓范圍為：

UOMIN+3V≤UI≤40V

即

12V+3V=15V≤UI≤40V

由濾波后電壓UI和變壓器副邊電壓U2的關(guān)系并考慮原邊電壓的10%波動，取U2=15?V(有效值)。

變壓器副邊電流：I2≥IOMAX，取I2=1A，因此變壓器副邊輸出功率P2≥I2U2=15W。圖6-31正、負(fù)輸出電壓可調(diào)穩(wěn)壓電源由于變壓器的效率h=0.7，因此變壓器原邊輸入功率P1≥P2/h=21.5W?？紤]到正、負(fù)輸出，為留有余地，選用功率為45W，副邊電壓為2

15V(有效值)帶中心抽頭的變壓器。

(3)選用整流二極管和濾波電容。由于。IN4001的反向擊穿電壓URM≥50V，額定工作電流ID=1A>IOMAX，故整流二極管選用IN4001。

根據(jù)UO=12V，UI=15V，UO=5mV，SV=2

10－4及公式可求得所以，濾波電容電容的耐壓要大于17V，故濾波電容C取容量為330mF，耐壓為25V的電解電容?！?/p>

5)安裝、測試

(1)電路的安裝。按圖6-31所示安裝集成穩(wěn)壓電路(負(fù)載電阻先不接)，為了保證集成穩(wěn)壓器能在額定輸出電流下正常工作，集成穩(wěn)壓器CW317及CW337必須加適當(dāng)大小的散熱器。先調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路部分，即斷開a、b端(使穩(wěn)壓電路與整流濾波電路分開)，然后從穩(wěn)壓器CW317的輸入端(a，G)加入直流電壓UI≤15V，調(diào)節(jié)RW，若輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。再對CW337做同樣檢查(提示：在b，G端加入?－15V電壓)。用萬用表測量整流二極管的正、反向電阻，正確判斷出二極管的極性后，先在變壓器的副邊接上額定電流為1A的保險絲，然后安裝整流濾波電路。安裝時要注意：二極管和電解電容的極性不能接反。經(jīng)檢查無誤后，才將電源變壓器與整流濾波電路連接。通電后，用示波器或萬用表檢查整流后輸出電壓的極性，若CW317的UI的極性為負(fù)，或CW337的UI的極性為正，則說明整流電路沒有接正確，此時若接入穩(wěn)壓電路，就會損壞集成穩(wěn)壓器。因此，確定UI的極性正確后，斷開電源，將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路連接起來，然后接通電源，調(diào)節(jié)RW的值，若測出電壓滿足設(shè)計指標(biāo)，說明穩(wěn)壓電路中各級電路都能正常工作，此時就可以進行各項指標(biāo)的測試。

(2)輸出電壓與最大輸出電流的測試。測試電路如圖6-32所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時，其輸出電流IO要小于最大輸出電流IOMAX。取IO=0.5A，算出RL=UO/IO=12/0.5=24W。工作時RL上消耗的功率為：PL=UOIO=12×0.5=6W，故RL取額定功率為8W、阻值為24W的變阻器。圖6-32穩(wěn)壓電源指標(biāo)測試電路測試時，先使RL=24W，交流輸入電壓為220V，用數(shù)字電壓表測量的電壓值就是UO。然后慢慢調(diào)小RL，直到UO的值下降5%，此時流經(jīng)RL的電流就是IOMAX。記下IOMAX后，要馬上調(diào)大RL的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。

(3)穩(wěn)壓系數(shù)的測量。根據(jù)圖6-32所示，在輸入電壓UI=220V、RL=24W時，測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO。然后調(diào)節(jié)自耦變壓器，使輸入電壓UI=242V，測出穩(wěn)壓電源對應(yīng)的輸出電壓UO1；再調(diào)節(jié)自耦變壓器，使輸入電壓UI=198V，測出穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO2，則穩(wěn)壓系數(shù)為：

(4)輸出電阻的測量。按圖6-32所示連接電路，保持穩(wěn)壓電源的輸入電壓UI=220V，在不接負(fù)載RL時測出開路電壓UO1，此時IO1=0。然后接上負(fù)載RL=24W，測出輸出電壓UO2和輸出電流IO2。則輸出電阻為：

(5)紋波電壓的測試。用示波器觀察UO的峰-峰值(此時示波器輸入通道采用交流耦合方式)，測量的值。

4．實驗儀器與器材

(1)雙蹤示波器GOS-20型1臺；

(2)直流穩(wěn)壓電源GPC-1850D型1臺；

(3)交流毫伏表SX2172型1臺；

(4)自耦變壓器1臺；

(5)滑線變阻器30W/10W?1臺；

(6)集成穩(wěn)壓器CW317，CW337各1片；

(7)電源變壓器2×15V/45W(帶中心抽頭)1臺；

(8)其他：萬用表1塊，萬能板1塊，電阻、電容若干。6.3.3方波、三角波發(fā)生電路的設(shè)計

1．實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握由集成運放構(gòu)成方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器電路的設(shè)計方法。

(2)掌握信號振蕩頻率和輸出幅度的測量方法。

2．設(shè)計任務(wù)

用集成運放設(shè)計一個方波—三角波發(fā)生器，滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

(1)振蕩頻率范圍為20Hz～2kHz。

(2)三角波振幅調(diào)節(jié)范圍為2～4V。

3．設(shè)計指導(dǎo)

1)設(shè)計考慮

在工程實踐中，廣泛使用各種類型的信號發(fā)生器。從波形分類，有正弦波信號發(fā)生器和非正弦波信號發(fā)生器。從電路結(jié)構(gòu)上看，它們是種不需要外加輸入信號而自行產(chǎn)生信號輸出的電路。依照自激振蕩的工作原理，采取正、負(fù)反饋相結(jié)合的方法，將一些線性和非線性的元件與集成運放進行不同組合，或進行波形變換，即能靈活地構(gòu)成各具特色的信號波形發(fā)生電路。

(1)方波信號發(fā)生器。一個由運放組成的簡單方波發(fā)生器電路如圖6-33所示。由于存在R2、R1組成的正反饋，故運放

的輸出?只能取UOM或?－UOM，即電路的輸出UO只能取UZ或

－。UO極性的正負(fù)決定著電容C上是充電或放電。圖6-33方波發(fā)生器輸出電壓幅度由雙向穩(wěn)壓管2DW7限幅所決定，并保證了輸出方波正負(fù)幅值的對稱性，R0為穩(wěn)壓管的限流電阻。由U+、U－?比較的結(jié)果可決定輸出電壓UO的取值，即U－>U+，

UO=－UZ；U－

<U+

時，UO=UZ。這樣周而復(fù)始地比較便在輸出端產(chǎn)生方波。由分析知，該方波的周期為而f=1/T?？梢?，方波頻率不僅與負(fù)反饋回路RFC有關(guān)，還與正反饋回路R1、R2的比值有關(guān)，調(diào)節(jié)RW即能調(diào)整方波信號的頻率。圖6-34為電容C對地電壓UC和輸出端電壓UO的波形圖。

由于運放共模輸入電壓范圍UICMAX的限制，在確定正反饋支路Rl、R2取值時，應(yīng)保證UZ≤UICMAX。

(2)占空比可變的矩形波信號發(fā)生器。在方波發(fā)生器電路的基礎(chǔ)上，改變RFC支路的充放電時間常數(shù)，即為占空比可變的矩形波發(fā)生器電路。如圖6-35所示。圖6-34UC和UO波形圖6-35占空比可變的矩形波發(fā)生器當(dāng)RW的滑動點向上移動時，充電時間常數(shù)大于放電時間常數(shù)，輸入方波的占空比變大，反之變小。占空比D=t/T。

應(yīng)當(dāng)注意的是，要得到窄脈沖輸出，必須選用轉(zhuǎn)換速率很高的運算放大器。

(3)三角波信號發(fā)生器。將一方波信號接至積分器的輸入端，則可從積分器的輸出端獲得三角波。電路圖和波形圖如圖6-36所示。圖中A1構(gòu)成一個滯回比較器，其反相端經(jīng)R1接地，同相端電位U+

由UO1和UO2共同決定，即圖6-36三角波發(fā)生器當(dāng)U+>0，UO1=+UZ；當(dāng)U+<0，UO1=－UZ。A1的輸出翻轉(zhuǎn)，UO1=+UZ。同樣，當(dāng)UO2=－RW1UZ/R2

時，UO1=－UZ，這樣不斷地反復(fù)，便可得到方波UO1和三角波UO2。其三角波峰值和周期為：

2)集成運放選擇

根據(jù)設(shè)計任務(wù)，采用圖6-36所示的三角波發(fā)生器電路。在該電路中，A1作為比較器，其轉(zhuǎn)換速率應(yīng)滿足電路頻率的要求，在方波頻率較高時，宜選用Sr高的運放，A2作為積分器宜選用失調(diào)及漂移小的運放。在通用型運放中，mA741是典型的代表性產(chǎn)品，它具有電壓增益高、共模電壓范圍寬、負(fù)載能力強以及工作穩(wěn)定的優(yōu)點。另外，它的電源電壓適應(yīng)范圍較寬，且自帶頻率補償，無需外加補償網(wǎng)絡(luò)，并且它還具有失調(diào)電壓調(diào)整能力和過流保護功能。與其同類的產(chǎn)品有mA747(雙運放)、LM324(四運放)等。根據(jù)所選電路，需用到兩個運放，故選用mA747(雙運放)進行設(shè)計。mA747有雙列直插14腳封裝的形式，引腳功能如圖6-37所示。主要參數(shù)如下：

最大電源電壓：±22V；

輸入失調(diào)電壓：<5mV；

輸入偏置電流：<500nA；

輸入失調(diào)電流：<200nA；失調(diào)電壓調(diào)節(jié)范圍：±15mV；

最大差模輸入電壓：±30V；

最大共模輸入電壓：±13V；

共模抑制比：>80dB；

開環(huán)差模增益：>90dB；

輸入電阻：2MW；

輸出峰值電流：±25mA；

轉(zhuǎn)移速率：0.5V/μs。圖6-37mA747引腳功能

3)電路設(shè)計

電路形式選擇圖如圖6-36所示。該電路采用了積分電路，方波—三角波發(fā)生器的性能有較大的提高，三角波線性好，同時其振蕩頻率和振幅便于調(diào)節(jié)。方波和三角波的峰值為：方波和三角波的振蕩頻率相同，即元件參數(shù)的確定如下。

(1)穩(wěn)壓管的選擇。穩(wěn)壓管的作用是限制和確定方波的幅值，并要求保證其對稱性和穩(wěn)定性。選用2DW7硅雙向穩(wěn)壓管。由穩(wěn)壓管參數(shù)確定R0值。

(2DW7∶PZ=0.2W，IZM=30mA，UZ=5.8～6.0V，IZ=10mA,RZ≤15W)

取電源電壓為UCC=12V，UEE=－12V，R0值可按下式估算：取UZ=5.9V，有：R0=510W

(2)?RW1、R2的確定。RW1、R2的作用是提供一個隨輸出電壓變化的基準(zhǔn)電壓，并決定三角波的振幅。可先取RWl=20?kΩ電位器，再計算R2值。有

R2≤取R2=20kΩ?！?/p>

(3)積分元件RW2和C值的確定。當(dāng)RWl、R2的值確定后，再確定電容C值，由f0公式確定RW2的值。選用相當(dāng)阻值的電位器，為了減小積分漂移，C值盡可能選大一些，但一般積分電容不宜超過1?mF，否則電容器的泄漏電阻使漏電增大。R3為靜態(tài)平衡電阻，用于補償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)，一般取RW2的值。為了防止積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象，實驗中可在積分電容C兩端并聯(lián)泄放電阻RF，一般取RF>10RW2。

現(xiàn)取C=0.47mF，由：取RW2=100kΩ。

4)安裝、調(diào)試

在面包板上按圖6-36所示電路裝接電路。電路安裝時注意以下幾點：

(1)運放的正、負(fù)電源不能接反，否則造成運放損壞。

(2)穩(wěn)壓二極管要頭對頭或尾對尾連接，否則不能穩(wěn)壓。(提示：對2DW7接引腳1、引腳3，引腳2空。)

(3)在安裝RW1

和RW2前，要先將其調(diào)整到設(shè)計值的范圍內(nèi)，否則電路可能會不起振?？上热Wl=20kΩ，RW2

在300Ω～27kΩ之間取值。

(4)電路布局應(yīng)按信號流向的前后級順序安排，便于檢查電路。

檢查無誤后接通電源，取UCC=12V,UEE=－12V再進行調(diào)試。

調(diào)試的目的是使電路輸出電壓幅值和信號頻率均滿足設(shè)計要求?？梢韵雀淖兎e分電路參數(shù)，使輸出信號頻率達到設(shè)計指標(biāo)要求，然后相應(yīng)改變RW1和R2的比值使之達到設(shè)計指標(biāo)要求，相互兼顧，多次反復(fù)調(diào)整，直到滿足設(shè)計要求為止。

5)指標(biāo)測試

(1)用雙蹤示波器觀察UO1、UO2的波形，并測量其電壓峰—峰值。調(diào)節(jié)RWl測量UO2幅值變化范圍。

(2)調(diào)整RW2，測量頻率變化范圍。

4．實驗儀器與器材

(1)二蹤示波器：GOS-20型1臺；

(2)雙路直流穩(wěn)壓電源：GPC-1850D型1臺；

(3)數(shù)字頻率計：GFC-8010H型1臺；

(4)集成運放：mA7471片；

(5)穩(wěn)壓二極管：2DW72個；

(6)其他：