电子电路课程设计指导书.doc

1、电子电路课程设计指导书（2006年修订）第一章 电子电路课程设计综述11 课程设计的目的和要求一、电子电路课程设计的目的电子电路课程设计是建立在已学的模拟电子技术和数字电子技术课程以后，综合运用这两门课程所学的理论知识，实际的进行一次课题的设计、安装和调试，其目的有以下几个方面：1 通过对电子技术的综合运用，使学到的理论知识相互融泄贯通，在认识上产生一个飞跃。课程设计和平时作业题是有区别的，作业题是为了加深对课堂所讲知识的理解，它内容较窄、训练第一，且是经过抽象加工后给出的理想化的条件，因而有唯一答案，而课程设计是实际的电路装置，它涉及的知识面广，需要综合运用所学的知识，它一般没有固定的答案、

2、需要从实际出发、通过调查研究，查寻资料、方案比较及设计、计算等环节，才能得到一个较理想的设计方案，更重要的是，它不光是停留在理论设计和书面答案上，而要做出符合设计要求的实际电路。所以说，课程设计是一门知识的应用、综合、智力开发创新、工程技能训练、理论性和实际性极强的课程。2初步掌握一般电子电路设计的方法，使学生得到一些工程设计的初步训练，并为以后的毕业设计奠定良好基础。3培养同学自学能力，独立分析问题、解决问题的能力。对设计中遇到的问题，通过独立思考、查找工具书、参考文献、寻求正确答案；对实验中碰到的一些问题，能通过观察、分析、判断、改正、再实验、再分析等基本方法去解决。4通过课程设计这一教学

3、环节，树立严肃认真，文明仔细，实事求是的科学作用，树立生产观点，经济观点和全局观点。二、课程设计的要求1要独立完成设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识的能力，并初步掌握电子技术设计的方法和步骤，而不是照抄照搬，寻找现成的设计方案。2熟悉电子线路CAD中EWB5.0软件的使用方法。3学会查阅资料和手册，学会选用各种电子元器件。4掌握常用的电子仪器仪表使用，如直流稳压电源、直流电压、电流表、信号源、示波器等。5学会掌握安装电子线路的基本技能和调试方法，善于在调试中发现问题和解决问题。6能够写出完整的课程设计总结报告。12电子电路课程设计步骤与安排一、电子电路课程设计的步骤(一)方案设计

4、1拟定系统方案框图画出系统框图中每框的名称、信号的流向，各框图间的接口。2方案的分析和比较所拟的方案可以有多种，因此要对这些方案进行分析和比较。比较方案的标准有三：一是技术指标的比较，哪一种方案完成的技术指标最完善的；二是电路简易的比较，哪一种方案在完成技术指标的条件下，最简单、容易实现；三是经济指标的比较，在完成上指标的情况下，选择价格低廉的方案。经过比较后确定一个最佳方案。(二)单元电路的设计和计算对每一个功能框图进行设计和计算；1选择电路的结构和型式；2组成电路的中心元件的选择；3电路元件的计算、选择如电阻元件、计算出电容的容量，然后根据标称值选定电容的容量和耐压。4核算所设计的电路是否

5、满足要求。5画出单元电路的原理电路图。(三)总体设计1把各个单元电路联接起来，注意各单元电路的接口、耦合等情况。画出完整的电气原理图。2列出所需用元件明细表以上步骤采用计算机设计和仿真，利用EDA软件(Workbench5.0)对所需设计的电路进行设计和调试。(四)安装和调试在安装之前，最好能对各个元件的质量进行测试和检验，以减少调试中的故障。在安装过程中，尽量注意安装的技术规范化和避免损坏元件。然后是调试，包括单元电路的性能调试和整个电路的技术指标测试。在调试过程中，要善于发现问题，并找出解决办法，从中摸索出调试的一般方法和规律，总结出有用的实践经验。(五)总结报告课程设计总结报告，包括对课

6、程设计中产生的各种图表和资料进行汇总，以及对设计过程的全面系统总结，把实践经验上升到理论的高度。总结报告中，通常应有以下内容：(1)设计任务和技术指标；(2)对各种设计方案的论证和电路工作原理的介绍；(3)各单元电路的设计和文件参数的计算；(4)电路原理图和接线图，并列出元件名细表；(5)实际电路的性能指标测试结果，画出必要的表格和曲线；(6)安装和调试过程中出现的各种问题、分析和解决办法；(7)说明本设计的特点和存在的问题，提出改进设计的意见；(8)本次课程设计的收获和体会。二、时间安排电工电子电路课程设计时间安排有一周和二周分 1布置任务(约占总学时15%)由教师给学生布置设计任务，提出具

7、体要求，讲解课程设计的方法、思路。2设计(约占总学时50%)学生根据设计要求，查找各种必要的资料，进行方案选择，并在计算机上用EWB5.0软件设计出各单元电路、整体电路、计算和选择元件参加，进行虚拟调试，最后打印出原理图和接线图，并将设计结果存盘。3安装调试(若一周设计，此部分内容不进行)(约占总学时30%)在实验室将所设计的电路安装、调试。4总结报告(约占总学时10%)第二章模拟电子电路设计方法第二章 模拟电子电路设计方法21 概 述一、典型模拟电子系统的组成模拟电子系统又叫模拟电子装置，它是由一些基本功能的模拟电路单元组成而成的。通常人们所用到的扩音机、收录机、温度控制器、电子交流毫伏表、

8、电子示波器等，都是一些典型的模拟电子装置。尽管它们各有不同的结构原理和应用功能，但就其结构部分而言，都是由一些基本功能的模拟电路单元有机组成的一个整体。 一般情况下，一个典型的模拟电子电路系统，都是由图2-1所示的几个功能框图构成。图2-1 典型模拟电子系统的组成框图系统的输入部分一般有两种情况：一是非电模拟物理量(如温度、压力、位移、固体形变、流量等)通过传感器和检测电路变换成模拟电信号作为输入信号；二是直接由信号源(直流信号源或波形产生器作为交变电源)输入模拟电压或电流信号。系统的中间部分大多是信号的放大、处理、传送和变换等模拟单元电路，使其输出满足驱动负载的要求。系统的输出部分为执行机构

9、(执行元件)，通称之为负载。它的主要功能是把输入符合要求的信号变换成其它形式的能量，以实现人们所期望的结果。比如扬声器发声、继电器、电动机动作、示波管显示等。系统的供电部分供出各种电子单元电路的直流电流和作信号变换处理有的一定频率一定幅值的交流电源(信号源)。由于系统的输入部分和输出部分涉及其它的学科内容，这部分的理论知识只要求“拿来我用”即可，不作重点研究。我们的重点则放在信号的放大、传送、变换、处理等中间部分的设计，另外为保证系统中间部分正常工作，供电电源的设计也是我们要讨论的内容。综上所述，模拟电子系统的设计，所包含的主要内容如下：(一)模拟信号的检测、变换及放大电路(二)波形的产生、变

10、换及驱动电路系统(三)模拟信号的运算及组合模拟运算系统(四)直流稳压电源系统(五)不同功率的可控整流和逆变系统等二、模拟电路设计的主要任务和基本方法模拟电路知识告诉我们，任务复杂的电路，都是由简单的电路组合而成的，电信号的放大和变换也是由一些基本功能电路来完成的，所以要设计一个复杂的模拟电路可以分解成若干具有基本功能的电路，如：放大器、振荡器、整流滤波稳压器，及各种波形变换器电路等等，然后分别对这些单元电路进行设计，使一个复杂任务变成简单任务，利用我们学过的知识即可完成。在各种基本功能电路中，放大器应用的最普遍，也是最基本的电路形式，所以掌握放大器的设计方法是模拟电路设计的基础。另外，由于单级

11、放大器性能往往不能满足实际需要，因此在许多模拟系统中，采用多级放大电路，显然，多级放大电路是模拟电路中的关键部分，它又具有典型性，是课程设计经常要研究的内容。随着生产、工艺水平的提高，线性集成电路和各种具有专用功能的新型元器件迅速发展起来，它给电路设计工作带来了很大的变革，许多电路系统已渐渐由线性集成块直接组装而成，因此，必须十分熟悉各种集成电路的性能和指标，注意新型器件的开发和利用，任借基本的公式和理论，以及工程实践经验，适当的选取集成元件，经过联机调试，即可完成系统设计。由于分立元件的电路目前还在大量使用，而且分立元件的设计方法比较容易为初学设计者所掌握，有助于学生熟悉各种电子器件，以及电

12、子电路设计的基本程序和方法，学会布线、焊接、组装、调试电路基本技能。为此，本章首先选择分立元件模拟电路的设计，帮助学生逐步掌握电路的设计方法，然后重点介绍集成运算放大器应用电路和集成稳压电源的设计。22 放大电路的一般设计方法一、单级放大电路的设计图2-2 典型放大单元从已学过的电路知识可知，单级放大电路的基本要求是：放大倍数要足够大，通频带要足够宽，波形失真要足够小，电路温度稳定性要好，所以设计电路时，主要以上述指标为依据。例1 设计一个分压式射阻偏置的典型放大电路(原理图2-4示)给出的技术指标要求为：电压放大倍数Av=100；输入信号电压Ui=20mV,f=1KHZ;负载电阻RL=6K；

13、工作温度范围045。设计方法步骤：(1)选择半导体三极管从给出的技术要求可知，该电路工作在低频小信号场合，工作温度范围又较宽，故可选择热稳定性较好的低频小功率三级管3DG6B，从手册上查出它的主要参数是PCM=100mW,ICM=20mA，U(RB)CEO20V，对该管进行实测得=60。(2)确定电源电压EC为保证放大输出信号幅度的动态范围UOM内不会产生非线性失真，一般取ECU(RB)CED。由于输入信号电压幅值为Uim=Ui=1.4120=28.2mV则输出信号电压幅值为Uom=AuUim=10028.2=28.2V若取三极管馆和压降的临界值UCES1V，则静态集一射压降设置在U CEQU

14、om+UCES=3.82V又由于这种典型放大单元静点的工程(估算)条件是I1I2IB和VBUBE锗管UB=13V硅管UB=35V一般取I1=I2=(5-10)IB和VB=(510)UBE若近似取 VEVB=4V再按 EC2Uom+VE+2UCES=23.82+4=11.6V考虑留有余量取EC=12V(标准等级电压)。(3)计算和确定集电极电阻RC由放大电路的静、动态分析可知，RC是决定静态工作点和满足电压增益AU要求的一个关键元件。一般应从输入至输出逐步推算。先确定输入回路的动态范围基极信号电流的幅值为Ibm=，取若rbe=1K,则Ibm=28.2(A)为了使输入动态信号不出现非线性失真，即信

15、号动态工作不进入输入特性下面的弯曲部分，通常取最小基极电流ibmin10A则静态基流IBIbm+iBMIN=28.2+10=38.2(A) 取IB=40A再在输出回路进行静态计算管子的电流放大作用有IC=IB=6040=2,4(mA)又由于 EC=ICRC+UCEQ+VE 若取UCEQ=VE=4V则RC=1.66(K) 取标称值1.8K(4)计算确定射极电阻RERE=1.4(K) 取标称值1.5K(5)计算确定、由I1I2=(5-10)IB,取I1=I2=5IB=540=0.2(mA)再按=20K 即为标称值=40K 取标称值39K或43K以上所确定的各电阻元件的阻值后，还要检验它们的额定功率

16、，即RC=2.42.41.80.01(W) 取W RJ1.8K电阻RE=2.42.41.50.008(W) 取W RJ1.5K电阻0.20.2400.0016(W) 取W RJ43K电阻0.20.2200.0008(W) 取W RJ20K电阻(6)确定耦合电容和射极旁路电容C1、C2和CE工程计算式分别为：C1(310)C2(310) C3(13)式中下限频率fL20HZ,信号源内阻RS=几欧几十欧，输入电阻Rirbe,输出电阻RORC,RE为与CE构成回路的等效电阻，且RE=RE,RS=RSRB,RB=RB1RB2。如放大电路是用于放大低频信号(f=20HZ200KHZ)，则耦合电容和射极旁

17、路电容的容量可不必按上式计算，可直接取经验近值：取标称值C1=C2=10-20F/16VCE=50-100F/16VC1=C2=125FCE=50200F(7)校验A由于rbe=200(1+)200+61=860=0.86KRL=RCRL=1.86=1.39K AU=96.9797100不符合指标要求必须再按上述计计算步骤得新计算，直至AU100为止。二、多级放大器的设计(一) 多级放大器的组成多级放大电路其基本构成如图2-3所示。图2-3 多级放大器的组成框图其中输入和中间放大级称前置级，主要用来放大微小的电压信号；而推动级和输出级又称为功率级，主要用来放大大信号以获得负载要求的最大功率信号

18、输出。由于放大电路中引入负反馈，可以改善放大器诸多方面的性能，故在多级放大器中几乎毫无例外地都引入了负反馈。注意：负反馈引入后使放大器的放大倍数下降，因此在设计多级放大器时总是事先将其开环放大倍数设计得足够大，有选择引入本级或级间负反馈后，使其放大倍数降低至系统指标要求的水平上。在具体设计时应合理配置好。（二）多级放大器的技术指标要求设计一个多级放大器时，总是要事先给出下列一些技术指标：1放大器的总电压放大倍数AU（有时给出灵敏度、输出信号辐度Uom、Iom或输出信号功率Po和Pomax等）。2 放大器的频率响应（亦叫通频带）。3 输入、输出电阻Ri=Ri1,Ro=Ron。4 失真系数（亦叫失

19、真度）式中信号电压各次谐波分量的均方根值，U1信号电压基波分量。 5噪声系数 UN为噪声电压 6稳定性 （三）多级放大器方案设计的主要任务根据给出的技术指标要求，按步骤进行下述的设计工作：1 确定放大器的级数和各级的增益分配比如给定的总放大倍数（增益）为AU，需n级放大单串接起来实现，设每级增益为Aui。根据多级放大的总增益一般式AU=AU1AU2Aun=（1）若每个放大级的增益是平均分配的话，则放大级的级数为 或 （2）实际放大系统中的增益并不是平均分配的，一般是输入级增益安排小些。中间级增益安排大，末级电压增益安排小，功率增益安排大。考到本级负反馈引入，应将其增益比规定分配的增益再增大左右

20、；对于低频放大器引入负反馈的主要目的是减小非线性失真，通常取反馈课度|1+AF|=10就可以了；对检测仪表用的高增益、宽频带放大器来说，引入负反馈的目的主要是提高增益稳定性和展宽通频带，反馈课度可取|1+AF|=几十几百（即较深的负反馈有），且各单级采用电流串联和电压并联交替反馈方式，以避免级间反馈而引入的“自激”。多级放大器级数的确定，还可以用经验方法：将规定的总增益变换成闭环增益后（1）若增益|AU|为几十倍时，采用一级或至多两级；（2）若增益|AU|为几百倍时，采用二级或三级；（3）若增益|AU|为几千或上万倍时，采用三级或四级。这里特别指出的是，多级放大器在进行级联时，往往在两级之间串

21、插一级电压跟随器，尽管它本身电压增益|AU|1，但它具有缓冲和阻抗匹配作用，对多级放大器的稳定工作和提高总增益是有利的。2 电路型式的确定电路形式包括各级电路的基本形式，偏置电路形式、耦合方式、反馈方式及各级是采用分立元件电路还是集成运放电路等。（1）电路的基本形式分立元件电路有三种基本形式共射极（共源极）电路、共集极（共漏极）电路、共基极（共栅极）电路和差动（比较）放大电路。至于选择那一种基本形式电路，按各级所处的位置、任务和要求来确定：输入级主要根据被放大的信号源（XS）来确定。比如信号源为电压源US，则应选择高输入阻抗的放大级；信号源为电流源iS，则应选择低输入阻抗放大级。又由于输入级工

22、作的信号电平很低，噪声影响很大，因此应尽可能采用低噪声系数的半导体器件（比如NF小的场效应管或集成运放）和热噪声小的金属膜电阻RJJ元件，并尽可能减小该级的静态工作电源。中间级主要得到尽可能高的放大倍数。大多采用共射（共源）电路形式，或采用具有恒流负载的共射（共源）电路形式。输出级主要是向负载提供足够大的信号功率。电路形成的选择视负载阻抗而定，负载阻抗高可采用共射（共源）或共基电路；负载阻抗低则采用电压跟随器（共集、共漏或集成运放的电压跟随器）、VMOS共漏电路和互补对称OCL、OTL电路及变压器耦合输出的最佳阻抗匹配型功率放大电路。2偏置电路形式的选择（1）半导体三极管放大电路的偏置方式，常

23、用的有固定偏置电路，分压式射阻偏置电路及集基并联电阻偏置方式三种；（2）场效应晶体管放大电路的偏置方式，常用的有独立偏压方式，自给偏压方式和分压式偏置方式三种；3级间耦合方式的选择耦合电路的选择原则是让频率信号能不损失不失真的顺利传递，并且使前、后级静态尽可能独立设置。一般常用的有阻容耦合，直接耦合，变压器耦合等方式。其中直接耦合方式还应特殊的电平转移电路，以保证前、后级均具有合适的静态偏置要求。三、放大三极管的选择及电路元件参数的计算1 放大三极管的选择 （1）半导体三级管是属双极型的电流控制器件，它具有适用性强、频率范围广、输出功率适应范围大，故在分立元件放大电路中最为常用。选择半导体三极

24、管作放大元件用时，应依据下述原则：U（RB）CEO管子工作时承受最大反向电压ICM管子工作时流过最大允许电流PCM管子工作时最大管耗管子特征频率fT（510）fH,fH为组成放大电路的上限频率。=40150为宜若选用值仍不满足AU要求，则可用提高静态集极电流IC来适应AU要求。（）（2）场效应晶体管是单极型的电压控制器件，它具有输入阻抗高，噪声系数小，受温度和电磁场干扰小，功耗小，但频率范围低，输出功率不大（VMOS例外）。选择场效应管作放大元件用时，应按其特性参性参数：IDSS,UGS(off),UGS(th),gm,URB)DSO,PDM及fM(最高振荡频率)来选择管子型号，以满足电路需要

25、。3直流供电电源电压等级的确定在多级放大器中直流供电电源电压标准系列等多级有1.5V、3V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等种。（1）分立元件放大电路，供电电压的选择是依据该放大电路输出信号电压的幅值Uom和管子的耐压U（RB）CEO、U（RB）DSO来确定，由下式U（RB）CEOEC（1.21.5）2（Uom+Ucemin）+VE式中最小集一射极压降UceminUCES。图2-4 电源去耦电路但是一个由几级放大单元构成的多级放大器，既可用用同一大小的电压供电，也可以由输出至输入级逐级降小供电电压，以减小静态功耗，一般采用降压去耦电路来实现，见图2-4所示的电路。4各级静态工作点的

26、选择和确定静态工作点设置的如何，直接影响放大器的性能，一般是依据各放大级所处的位置和放大性能不同要求来合理选定。又因为一个多级放大器各个单级的供电电源不是一个电压等级，所以不同级的静态工作点要设置在不同基准上。（1）前置级 为保证最小失真和足够大的增益，静态工作点一般设置在特性曲线线性问分的下半部，为了减小噪声和静态功耗，静态电流不宜过大。输入级，若供电电压EC=36V，则静态电流值范围为中间级，若供电电压EC=6V，则静态值范围为IC=13mA （锗三极管稍小些）UCE=23V（2）输出级 为获得最大的动态范围和最小的静态功耗。静态工作点选择按下述原则进行：甲类放大电路静态工作点设置在交流负

27、动线的中点附近，供电电源为单电源；推挽或互补对称电路工作时，供电电源选用6V、12V、15V或24V在消除交越失真的前提下，尽量选取小的静态电流。其中大功率管静态电流取IC=2030mA。5 计算电路元件（R、C）的参数，要选取规格式型号和系列标称值，并尽量选用同型号、同规格化的元件，以减少备件种类，具体的计算选择，见前例一。三、低频功率放大电路的设计功率放大电路主要考虑三个指标，即输出功率P0，效率和非线性失真。图2-5 OCL功放电路功率放大器按其与负载的耦合方式和推动信号倒相方式的不同分为变压器耦合功率放大器，和无变压器互补对称功率放大器（OTL和OCL电路）。由于变压器的体积与重量大、

28、频率响应差，不能集成化等原因，从上世纪70年代开始，逐渐为互补对称电路所取代，因此只计论互补对称电路的设计。例二 设计一个低频功率放大低频功率放大器的技术指标要求：最大不失真输出功率Pom8W；负载阻抗（扬声器）RL=8；频率响应f=50HZ20KHZ；失真度3%；输入信号Ui1000V；输入短路时，静出噪声电压UNRRo式中 Rid集成运放同相端的输入电阻，约几百千欧以上Ro集成运放的输出电阻，约几百欧以上 如初选R=15K，由fo=可计算出电容值为 C=取标称值C，则R=15.9k,应注意选用稳定性较好的电阻和电容，否则将影响频率的稳定性。确定R1、RfR1和R0的阻值，应根据起振的幅值条

29、件来确定，由Rf2R1，通常取Rf=2.1R1，这样既能保证起振，又不至引起严重的波形失真。另外为了减小输入失调电流及其漂移的影响，还应尽量满足R=R1Rf。于是取标称值R1=20k,则Rf=2.1R1=50.4k取标称值Rf=51k。稳幅电路及其元件参数的确定。常用的稳幅方法，是根据振荡幅度的变化来自动地改变同相放大器负反馈的强弱以实现稳幅的。例如，幅度增大时，若能使反馈系数也自动增大，则负反馈作用加强，从而限制了振幅的继续增大，使振幅基本稳定。图2-8的稳幅电路由两只反向并联的二极管和电阻R3并联组成，利用二极管正向电阻的非线性特性可实现稳幅。不难看出，在振荡过程中，两只二极管交替导通和截

30、止。如果由于外界因素使振荡幅增大时，二极管的正向导通电阻Rv减小，使Rf减小，负反馈系数自动变大，反馈作用加强，从而使振幅基本稳定。关于稳幅二极管的选择应注意以下两点：A从提高振幅的温度稳定性来看，应选用硅二极管为宜。因为硅管比锗管的温度稳定性好。B为了保证上、下半波振幅对称，两只二极管的特性必须相同，应注意配对选用。稳幅二极管的接入，实现了振幅的稳定，而且二极管的非线性越强，负反馈作用变化越大、稳幅效果越好。但是，由于二极管的非线性，又会引起波形失真。这是因为在一个周期内，二极正向电阻RV将随输出电压的瞬时值而不断变化。平均来看，它满足振荡的幅值条件，但从一个周期的每一瞬时来看，它又不能都满

31、足振荡的幅值条件，故这种稳幅电路在一定程度上总会引起波形失真。为了限制二极管的非线性所引起的波形失真，在二极管两端并一个小电阻R3。显然，R3越小，对二极管非线性的削弱越大，波形失真也就越小，但稳幅作用也同时被削弱。可见，在选择R3时，应注意两者兼顾。实验证明，当R3与二极管的正向电阻接近时，稳幅作用和波形失真都有较好的效果。通常R3选几千欧，并通过实验调整确定。当R3选定后，R2的阻值也可初步选定，即R2= Rf- R3RvRF-R3集成运放的选择。集成运放的选择，除希望输入电阻较高和输出电阻较低外，最主要的是集成运放的放大倍数带宽积应满足下列关系：GB3f。3）振荡电路的调试。首先调整反馈电阻R2，使