《电子电路设计实践》内容.doc

电子电路设计实践编著：李怀亮绥化学院电气工程学院电子创新园区2014年2月前言 电子电路设计一、电子电路设计1.应达到的基本要求（1）综合运用电子技术课程中所学到理论知识去独立完成一个设计课题。（2）通过查阅手册和文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。（3）进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。（4）学会电子电路的安装与调试技能。（5）进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。（6）学会撰写课程设计总计报告、科技论文等。（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。2.电子电路设计大体分三个阶段（1）设计与计算阶段。（2）安装与调试阶段。（3）撰写总结报告或论文阶段。3.电子电路设计的方法与步骤包括：总体方案的设计与选择、单元电路的选择与设计、单元电路间的连接方法、绘制总体电路草图、关键电路试验、最后绘制正式的总体电路图等设计环节。二、电子电路设计入门1.开展电子电路设计与制作，如何选题（1）选题应新颖，实用性强。（2）选题应包括硬件设计和软件设计的内容，且硬件内容应多于软件内容。（3）选题应综合性强，能涵盖模拟电路、数字电路，而且一般都需要用单片机作为控制核心或处理信号，或者用PLD等新器件来实现。（4）选题的难易程度应低于毕业设计的题目。（5）如何想通过完成选题在全国电子竞赛拿上名次，选题应有创新点，有特色。特色 就是人无我有，人有我新，而且选题比较复杂，很可能是机电结合型的。2.开展电子电路设计与制作，如何入门（1）介入电路设计与制作，宜早不宜迟（2）兴趣是最好的老师（3）勤于动手是最好的途径例：运算放大器：按理论分析，只要比例电阻选定后，就可决定运放的放大倍数，计算结果十分明确。而事实并非如此，需要用理论计算和实验调整方式选取比例电阻，这样才能获得切合实际的放大倍数。三、电子电路设计平台1.硬件平台电路、信号、电子技术基础：含低频电路、高频电路、信号分析与处理知识。例：各种运算放大器、555定时器、各种计数器、译码驱动器、显示器、A/D 、 D/A 、发射、接收、锁相环芯片(锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成)等。可编程CPLD、FPGA芯片：可进行灵活的编程和下载，具有可重复性、可组合性，可设计并下载系统级的数字电路；可以构建高速电子电路，可用于前端电路。微控制器MCU（单片机）：可通过灵活的编程改变其功能，处理速度较慢，但接口丰富，常常作为综合电子系统的控制核心。专业芯片ASIC：为完成某一特定功能制定芯片。例：图像压缩芯片，可以使图像信息在电话线中传输；移动通信中的射频、音频接口芯片等。数字信号处理器DSP：DSP芯片由于其特殊的设计结构，使数字信号处理理论建立的算法得以实时运行，并逐步进入MCU的应用领域。2.软件平台汇编语言：它是最简单、最基本、最实用的语言，也是一种低级语言，速度快，可直接控制硬件，在单片机开发中广为应用。C语言：作为一种通用的高级语言，可大幅地提高单片机的应用系统开发效率。C语言程序便于移植和修改，能提供处理复杂的数据类型，增强了程序处理能力和灵活性。但用C语言编译器生成代码效率较低并且执行时间较长，影响速度。MATLAB语言：是一种较强大的数学运算和图形功能的语言，他的应用范围几乎涵盖了所有科学和工程计算领域；应用MATLAB工具箱还能进行系统级的模拟分析。因此它是集编程和EDA仿真于一体的语言。VHDL语言：超高速集成电路硬件描述语言，它是开发、烧制大规模集成电路语言，是个大半导体公司开发产品的有力工具。EDA仿真软件：虚拟电子实验平台EWB、Multisim ，主要用于电路、低频模拟电路、简单数字电路的仿真设计；Proteus电子系统仿真软件，实现高级原理图布图、MCU、混合模式SPICE仿真、PCB设计以及自动布线等完整的电子设计系统；常见的EDA有通用电路分析软件PSPICE，用于高频电路的仿真设计。四、电子电路设计的步骤1.多拟定几个设计方案（提出原理方案，原理方案的比较与选择）例：”自动计时/定时器“方案一，用专用电子计数芯片实现方案二，用PLD器件实现方案三，用数字电路中组合逻辑电路实现方案四，用单片机实现2.单元电路的设计与选择（1）单元电路结构形式的选择与设计满足功能要求的单元可能不止一个，因此必须进行分析比较，择优选择。（2）元器件选择的一般原则多查元器件手册和有关的科技资料，尤其要熟悉一些常用元器件、性能和价格，这对单元电路和总体电路设计极为有利。首先应考虑满足单元电路对元器件性能指标的要求，其次考虑价格、货源和元器件体积等方面问题。（3）集成电路与分立元器件电路的选择问题例如：设计直流电源，采用分立元件至少花几天时间，采用三端稳压块即简单又实用。优先选用集成电路不等于什么场合都一定要用集成电路。在某些特殊情况，如高频、宽频带、高电压、大电流等场合，集成电路往往不适用，有时仍需采用分立元件。（4）怎样选用集成电路模拟集成电路：集成运算放大器、比较器、模拟乘法器、集成功率放大器、集成稳压器、集成函数发生器以及其它专用模拟集成电路等；数字集成电路：集成门、驱动器、译码器/编码器、数据选择器、触发器、寄存器、计数器、存储器、微处理器、可编程器件等；混合集成电路有：定时器、A/D、D/A转换器、锁相环等。3.纯硬件电路设计步骤图1 设计框图在上面框图中，并不要求所有媒介都通过仿真或搭电路验证，特别在电子竞赛中，时间紧、任务重，不可能按步骤办事，可以超常规设计，提前进入制作阶段，在制作中边调试编修改设计。4.基本工艺：印制电路板制作工艺（1）印制电路板简称PCB。（2）设计软件主要用Protel99工具软件仔细审阅所提供元器件型号、规格，特别是外形尺寸、封装形式、引脚排列顺序，并注意大功率需安装散热片，确定那些元件装在板上，那些元件装在板外。从整体上考虑元件的安装与布局。如低频电路，可采取规则排列，比较整齐，便于安装调试及维修；对高频电路，采取不规则排列，要求布线越短越好，就近链接，看起来比较杂乱，减少分布参数。对于元件安装方式的考虑，可采用立式或卧式。大面积接地可以有效地抑制干扰。5.元器件的测试与筛选（1）对电路中消耗能量较大的耗能元件和承受电压较高的元件，应有1.5倍2倍的余量。（2）高频电路中的调谐电容、振荡电容，应选优质的电介电容、云母电容。（3）对滤波电路选普通电容即可，对定时电路，应选漏电小的胆电容。6.焊接工艺要求：焊点圆滑光亮、无气孔、无尖角、无拖尾；焊点大小一致；焊点的焊料适当，使焊锡充布焊盘，不堆锡，更不能粘连。焊接CMOS器件应使用防静电烙铁，防止将其极间击穿。特别注意是虚焊，虚焊的原因：被焊处表面有氧化物或污垢；元件处理及镀锡不好；焊接温度不足；焊接时间短。7.装配工艺（1）根据整机零部件、电路板的尺寸选择箱的外形和大小。外部是显示屏、输入输出插口、调节旋钮或键盘。（2）发热元件要留出散热空间，必要时加散热片；要尽量避免各部分干扰，必要时应加屏蔽；各单板、部件最好通过接插件相连。（3）电路板上的元件安装应整齐美观，视元件孔的位置可选择立式或卧式。（4）如各部件需要导线连接，而且连接点较多，最好选用排线；对于信号线应采用同轴电缆；对公共地线，最好采用较粗的裸导线。在布线时，应尽量做到短而直，这样布线美观、可靠、分布参数或干扰小。五、电子电路中的抗干扰与屏蔽接地1. 电子电路干扰的抑制（1）干扰源电子电路工作时，往往在有信号之外，还存在一些令人头痛的干扰电压（或电流）。如何克服这些干扰是电子电路（设备）在设计、制造时的主要问题之一。干扰产生于干扰源。干扰源有的在电子电路（设备）外部，也有的在电子电路（设备）内部。（2）电子电路设备外部干扰源主要有：电弧机、日光灯、弧光灯、辉光放电管、火花点火装置等产生的干扰；直流发电机及电动机，交流整流子电动机等旋转设备，以及继电器、开关等产生的干扰；由大功率输电线产生的工频干扰；无线电设备辐射的电磁波等。 （3）电子电路设备内部产生的干扰主要有：交流声，不同信号的互相感应，寄生振荡；绕线电位器的动点、电子元件的引线和印制电路板布线等各种金属的接点间，由于温度差而产生的热电动势等；在数字电路中，由于传输线各部分的特性阻抗不同或与负载阻抗不匹配时，所传输的信号在终端部位发生一次或多次反射，使信号波形发生畸变或产生振荡等。2.干扰途径及其抑制方法（1）为减少设备内部产生的干扰设计人员应注意以下几点：元器件布置不可过密，改善电子设备的散热条件，分散设置稳压电源，避免通过电源内阻引进干扰，在配线和安装时，尽量减少不必要的电磁耦合，尽量减少公共阻抗的阻值，低频信号采用一点接地，数字器件的输入端子不可悬空，必须结合电路的实际情况和条件妥善处理。例如，与非门多余输入端可以通过电阻上接电源，或者将端子合并使用等。3.电子电路中抗干扰措施（1）抑制快速变化开关干扰的思路是尽可能减小du/dt、di/dt。减小du/dt干扰主要在干扰源两端并联电容、续流二极管或RC串联吸收回路。例1：继电器线圈并联续流二极管，可消除断开线圈时产生反电动势。例2：单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间加隔离电路，如电压比较器。减小di/dt干扰在干扰源回路串联电感或电阻以及续流二极管。（2）抑制缓慢变化干扰主要是接地合理，如电源退耦滤波技术；对于共模干扰，则考虑采用双端输入运放。（3）抑制高频干扰的措施是电源退耦滤波电容两端并联0.01uF0.1uF高频电容；干扰源与被干扰源的对象加以屏蔽；电路的引线、布线尽量短而直，减少分布参数的影响；在引线上穿上磁珠，形成滤波电路；晶振与单片机引脚尽量靠近。（4）良好的接地与屏蔽。4.电子电路的布线与接地技术（1）要求电路板布局合理，强电、弱电、数字信号、模拟信号应分开。例：大功率器件尽可能放在电路板边缘。（2）数字地和模拟地分开集中后接地（实行一点接地），用最短线连接起来接到低阻抗的接地平面上，如接于电源地。（3）高频或开关IC器件应直接焊在电路板上，尽量少用IC座，以减少分布参数的影响。（4）尽可能使干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。（5）PCB上两条线靠得近，容易形成寄生电容和互感，应尽量避免。（6）大小信号分离，即输入信号应远离输出信号。（7）传输小信号的线一定要用屏蔽线，将屏蔽层单端接地。5.有关接地的几点基本知识（1）安全接地一般实验室中安全接地有三种方法，第一种是把三孔插座的地与电源线的中线直接连接，这种接法不是绝对安全的。第二种是把地连到一座大楼的刚骨架上。第三种是最理想的，在实验室的地下深埋一块面积较大的金属板，用与金属板焊接的粗铜线接到实验室作信号地线。第一种地线可能会引入较大的50Hz交流信号干扰；第二种用大楼刚骨架作地线的方法，由于它的电阻大，接地不好，可能感应各种干扰电压（含50Hz交流信号）；只有第三种地线上的干扰信号才是最小的。（2）工作接地电子电路在工作和测量时，要求有公共的电位参考点。这个参考点一般是把直流电源的某一端作公共点，叫做工作接地点。工作接地点一般是指接机壳或底板，并不一定要与大地相连接。 （3）信号地信号地是指信号电路、逻辑电路、控制电路的地。设计接地要尽可能减少各支路电流流过公共地阻抗产生的耦合干扰。信号地的连接方法主要有三种：单点接地串联接地，从防止干扰和噪声的角度来看，这种接法不合理，但其接法简单，在许多地方仍被采用。特别是在设计印刷电路板上应用比较方便。平面接地，这种接地方式适用于高频电路和数字电路。（4）系统接地6.电子电路中的浮置、滤波、隔离技术浮置又称浮空、浮接，泛指测量仪表的输入信号放大器公共地（即模拟信号地）不接机壳或大地。浮置和屏蔽接地的作用相反，是阻断干扰电流的通路。电路被浮置后，明显地加大了系统的信号处理器公共线与大地（或外壳）之间的阻抗，因此，浮置能减小共模干扰。滤波：显示器或彩电在交流电源进线与开关电源之间加的磁珠式滤波器。对直流电源输出需加对高频及低频滤波，通常用“一大一小”两个电容并联即可取得对高低频滤波效果。当一直流电源对几个电路同时供电时，为避免通过电源内阻造成几个电路之间相互干扰，应在每个电路的直流电源进线与地之间加装去耦滤波器。光电耦合是常用强电和弱电之间的隔离。六、电子电路的调试1.电子电路的调试简单系统调试：电源调试-单板调试-联调复杂系统调试：电源调试-单板调试-分机调试-主机调试-联调2.调试前的直观检测连线是否正确：按照电路图检查安装的线路，按照实际线路来对照原理电路进行查线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做标记，最好用指针万用表“1”挡或数字万用表“挡”的蜂鸣器来测量，这样可以同时发现接触不良的地方。3.元器件安装情况检查元器件引脚有无短路；连接处有无接触不良；二极管、三极管、集成器件和电解电容极性等是否连接错误。4.电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确。5.电源端对地是否存在短路。在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地是否存在短路。若电路经过上述检查，并确认无误后，就可转入调试。6.调试方法（1）通电观察接通电源，观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异常气味，手摸元器件是否发烫等。如出现异常，应立即切断电源，待排除故障后才能再通电。然后测量各器件引脚电源，以保证元器件正常工作。（2）静态调试交流、直流并存是电子电路工作的一个重要特点。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作基础。静态调试一般是指在没有外加信号的条件下所进行的直流测试和调整过程。例如，通过静态测试模拟电路的静态工作点、数字电路的各输入和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。对于运算放大器，静态检查除测量正、负电源是否接上外，主要检查在输入为零时，输出端是否接近零电位，调零电路起不起作用。当运放输出直流电位始终接近正电源电压值或负电源电压值时，说明运放处于阻塞状态，可能是外接电路没有接好，也可能是运放已经损坏。如果通过调零电位器不能使输出为零，除了运放内部对称性能差外，也可能运放处于振荡状态，所以调试时最好接上示波器进行监视。（3）动态调试动态调试是在静态调节的基础上进行的。调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号的流向逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标。7.调试中注意事项（1）正确使用测量仪器的接地端进行测量时，仪器的接地端应和放大器的接地端连接在一起，否则仪器机壳引入的干扰不仅会使放大器的工作状态发生变化，而且将使测量结果出现误差。（2）在信号比较弱的输入端，尽可能用屏蔽线。屏蔽线的外屏蔽层要接到公共地线上。在频率比较高时要设法隔离连接线分布电容的影响，例如用示波器测量时应该使用有探头的测量线，以减少分布电容的影响。（3）测量电压所用仪器的输入阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流，给测量结果带来很大误差。（4）测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。例如，MF47型万用表的工作频率为2020000Hz。如果放大器的，不能用MF47型表来测量，否则，测量结果就不能反映放大器的真实情况。（5）测量方法要方便可行需要测量某电路的电流时，一般尽可能测电压而不测电流，因为测量电压不必改动被测电路，测量方便。（6）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要善于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据、波形和相位关系等。（7）调试时出现故障，要认真查找故障原因，且不可一遇故障解决不了就拆掉线路重新安装。应当把查找故障，分析故障原因，看成一次学习机会，通过它来不断提高自己分析问题和解决问题的能力。七、故障检测 1.常见的故障现象（1）放大电路没有输入信号，而有输出波形（2）放大电路有输入信号，但没有输出波形或者波形异常。（3）串联稳压电源无电压输出或输出电压过高且不能调整或输出稳压性能变坏、输出电压不稳定等。（4）振荡电路不能产生振荡。（5）计数器输出波形不稳或不能正确计数。（6）收音机中出现“嗡嗡”交流声和“啪啪”的汽船声等。2.产生故障的原因（1）对于定性产品使用一段时间后出现故障，故障原因可能是元器件损坏，连线发生短路或断路。（2）对于新安装的电路来说，故障原因可能是：实际电路与设计的原理图不符；元器件使用不当或损坏；设计的电路本身就存在某些严重缺点，不满足技术要求；连线发生短路或断路。（3）各种干扰引起的故障。3.排除故障的基本方法排除故障遵循“由表及里”、“先易后难”、“先电源后负载”、“先静态后动态”的原则。排除故障的常用方法：（1）直接观察法利用人的视、听、嗅、触等作为手段来发现问题，寻找和分析故障。直接观察法包括不通电检查和通电观察。（2）用万用表检查静态工作点（3）信号寻迹法（4）对比法可将此电路的参数与工作状态和相同的正常的参数进行一一对比，进而分析故障原因，判断故障点。（5）部件替换法有时故障比较隐蔽，不能一眼看出，可以将仪器中的部件、元件器、插件等替换故障仪器中相关器件，以便缩小故障范围，进一步查找故障。（6）旁路法当有寄生振荡现象，可以利用适当容量的电容器，选择适当的检查点，将电容临时跨接在检查点与参考接地点之间，如果振荡消失，就表明振荡是产生在此附近或前级电路中。否则就在后面，再移动检查点寻找之。应该指出，旁路电容要适当，不宜过大，只要能较好地消除有害信号即可。（7）短路法短路法对检查断路性故障有效。但要注意对电源是不能采用短路法的。（8）断路法断路法用于检测短路最有效。例如，某稳压电源因接入一带有故障的电路，使输出电流过大，采取依次断开电路的某一支路来检查故障。如果断开该之路后，电流恢复正常，则故障就发生在此电路。（9）暴露法有时故障不明显或时有时无，一时很难确定，此时采用暴露法。检查虚焊时对电路进行敲击就是暴露法的一种。另外可以让电路长时间工作，例如几小时，然后再来检查电路是否正常。这种情况下有些临界状态的元器件经不住长时间工作，就会暴露出问题，然后对症处理。4.正确处理几个关系（1）电路工作的充分必要条件一是保证供电正常，这是必要条件；二是要有输入信号，这是充分条件。（2）模拟电路和数字电路的关系模拟电路的输入输出信号传输方向是单向的，一般一条线就一路信号。物理意义明显。数字信号的输入输出有串行、并行之分。串行传输用一路，分时传送；并行传输用多路，同时传送，有的情况下数字信号是双向传输。数字信号传送的是数据流，物理意义不明显，所以不针对信号的码进行研究，在检测时用示波器测传输的数据流，只要符合电平要求且无干扰既是正常。但数字电路发出控制信号，只有高（低）电平，需要利用万用表测得。（3）善于确定关键的测试点测试点根据电路图确定，例：高频和低频的分界点；数字电路和模拟电路的分界点；控制电路和被控对象的分界点；电源和负载的分界点等等。实践一 Proteus仿真软件入门一、Proteus软件简介Proteus软件是英国Labcenter公司开发的电路开发的电路分析与仿真软件。1.仿真工具-激励源DC:直流电压源Sine：正弦波发生器Pulse：脉冲发生器Exp：指数脉冲发生器SFFM：单频率调频波信号发生器Pwlin：任意分段线性脉冲信号发生器File：File信号发生器，数据来源于ASCII文件Audio:音频信号发生器，数据来源于wav文件DState：单稳态逻辑电平发生器DEdge：单边沿信号发生器DPulse：单周期数字脉冲发生器DClock：数字时钟信号发生器Dpattern：模式信号发生器2.仿真工具-虚拟仪器OSCILLOSCOPE：虚拟示波器LOGIC ANALYSER：逻辑分析仪COUNTER TIMER：计数器、定时器VIRUAL TERMINAL：虚拟终端SIGNAL GENERATOR：信号发生器PATTERN GENERATOR：模式发生器AC/DC voltmeters/ammeters：交直流电压表和电流表SPI DEBUGGER：SPI调试器I2C DEBUGGER：I2C调试器3.元器件库Analog ICs:模拟集成器Capacitors：电容CMOS 4000 series：CMOS 4000系列数字芯片Connectors：接头Data Converters：数据转换器Debugging Tools：调试工具数据Diodes：二极管Inductors：电感Laplace Primitives：拉普拉斯模型Memory ICs:存储器芯片Microprocessor ICs:微处理器芯片Modelling Primitives:建模源Operational Amplifiers：运算放大器Optoelectronics：光电器Resistors：电阻Simulator Primitives：仿真源Switches and Relays：开关和继电器Switching Devices：开关器件Thermionic Valves：热离子真空管Transducers：传感器Transistors：晶体管二、实践内容1.Proteus软件使用开始-程序-“Proteus 7 Professional”,单击蓝色图标“Proteus 7 Professional”打开应用程序。2.电路原理图的设计流程（1）新建设计文档。在进入原理图设计之前，首先要构思好原理图，即必须知道所设计的项目需要哪些电路来完成，用何种模板；然后在Proteus ISIS 编辑环境中画出电路原理图。（2）设置工作环境。根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小等。在电路图设计的整个过程中，图纸的大小可以不断地调整。设置合适的图纸大小是完成原理图设计的第一步。（3）放置元器件。首先从添加元器件对话框中选取需要添加的元器件，将其布置到图纸的合适位置，并对元器件的名称、标注进行设定；再根据元器件之间的走线等联系对元器件在工作平面上的位置进行调整和修改，使得原理图美观、易懂。（4）对原理图进行布线。根据实际电路的需要，利用Proteus ISIS编辑环境所提供的各种工具、命令进行布线，将工作平面上的元器件作用导线连接起来，构成一幅完整的电路原理图。3.元器件清单表1.1 仿真元件信息元件名称所属类子类备注数量参数CAPACITORCapacitorsAnimited电容，可动态显示电荷11000µFRESResistorsGeneric电阻11kRESResistorsGeneric电阻1100LAMPOptoelectronicsLamps灯泡，可显示灯丝烧断112VSW-SPDTSwitches and RelaysSwitches两位开关，可单击操作1BATTERYSimulator PrimitivesSources电池112V三、电路设计与仿真图1.1 电容充电过程的仿真图1.2 电容放电过程的仿真1.元件的拾取（1）按类别查找和拾取元件（2）直接查找和拾取元件2.元件放置3.元件位置的调整和参数的修改4.电路连线5.电路的动态仿真6.文件保存四、练习1.电路图图1.3 变式演练电路图2.元器件清单（按图1.3自己添全）表1.2 仿真元件信息元件名称所属类参数备注3.电路图图1.4 调节灯泡亮暗电路4.元器件清单（按图1.4自己添全）表1.3 仿真元件信息元件名称所属类参数备注实践二 二极管伏安特性分析一、二极管伏安特性与PN结一样，二极管具有单向导电性。当正向电压足够大时，二极管的正向电流才从零开始随端电压按指数规律增大。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压Uon。不同材料的小功率二极管开启电压、正向导通电压范围不同，如表2.1所示。表2.1 不同材料的二极管开启电压与正向导通电压范围材料开启电压Uon/V导通电压U/V硅（Si）0.50.60.8锗（Ge）0.10.10.3二、二极管伏安特性测量电路点选“Component”图标，点击“P”按钮，选取二极管仿真元件。表2.2 仿真元件信息元件名称所属类子类DIODEDiodesGeneric1.二极管伏安特性测量电路图2.1 二极管伏安特性测量电路图2.2 二极管伏安特性测量电路（带探针名称为l）2.直流信号源编辑双击直流信号源，将弹出图2.3所示的直流信号源编辑对话框。图2.3直流信号源编辑窗口3.探针及直流分析图表编辑放置测量探针。点击工具箱中的“激励源模式”图标，将在浏览窗口显示电流探针的外观，如图2.1所示。4.放置电流探针图2.4电流探针选取三、直流分析图表直流扫描分析可以观察电路元件参数值在使用者定义范围内发生变化时对电路工作状态（电压和电流）的影响（如观察电阻值、晶体管放大倍数、电路工作温度等参数变化对电路工作状态的影响），也可以通过扫描激励元件参数值测量元件直流传输特性。点击工具箱中的Simulation Graph图标，在对象选择器中将出现各种仿真分析所需的图表（如：模拟、数字、噪声、混合、AC变化等）。选择“DC SWEEP”仿真图表，如图2.5所示。图2.5 选取直流扫描分析图表在编辑窗口期望放置图表的位置点击鼠标左键，并拖动鼠标，此时将出现一个矩形图表轮廓，在期望的结束点点击鼠标左键，放置图表，如图2.6所示。图2.6 直流扫描分析图表在图2.6所示，鼠标左键选“添加图线”，将弹出如图2.7所示对话框。名称为“CURRENT”，探针P1：选“l”。图2.7 添加瞬态曲线对话框对图2.7点击确定，将弹出如图2.8所示。图2.8 添加电流探针到图表设置直流扫描分析图表。双击图表将弹出如图2.9所示的直流扫描分析图表编辑对话框。其中，设置扫描变量：V，开始值：-800mV，停止值：800mV，标称值：0，步数：50。编辑完成，点击“确定”按钮完成设置，结果如图2.10所示。图2.9 直流扫描分析图表的设置图2.10 编辑好的直流扫描分析图表四、二极管伏安特性分析仿真电路。鼠标右键如图2.10，点击“仿真图表”，电路出现仿真结果如图2.11所示。图2.11 直流扫描分析仿真结果图点击图表表头，图表将以窗口形式出现。在窗口点击鼠标左键放置测量探针，测量曲线上各点对应的电压值与电流值。测试结果填写下表2.3。表2.3 测量伏安特性曲线中各点对应的电压值与电流值测量点电压值测量点电流值实践三 晶体管输出特性分析一、双极型NPN晶体管输出特性NPN型硅管有三个引出电极，分别是基极b、发射极e和集电极c。基极电流IB为一常量时，集电极电流iC玉管压降uCE之间的函数关系为：iC=f（uCE）|IB=常数。对于每一个确定的IB，都有一条曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一族曲线。对于某一条曲线，当uCE从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而iC也就逐渐增大；而当uCE增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，uCE在增大，收集能力已不能明显提高，即iC几乎仅仅决定于IB。从输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域:截止区：此时晶体管集电极电流iC0;放大区：此时晶体管集电极电流iC=IB，其中为共射直流电流系数；饱和区：此时晶体管集电极电流iC不仅与IB有关，而且明显随uCE增大而增大，iC<IB。BC108为低噪声NPN晶体管，常用于音频放大器，其共射直流电流系数=120。二、晶体管输出特性测量电路点选Component图标，点击“P”按钮，从弹出的选取元件对对话框中选取晶体管仿真元件。仿真元件信息如表3.1所示。表3.1 仿真元件信息元件名称所属类子类BC108TransistorsBipolar放置晶体管，添加直流仿真输入源。点击Generator图表，点选直流（DC）信号源。图3.1 晶体管输出特性测量电路三、直流信号源编辑1.设置与晶体管集电极相连的直流信号源，将弹出图3.2所示的直流信号源编辑对话框。按图3.2所示编辑信号源，编辑完成后，点击“确定”按钮。图3.2 与晶体管集电极相连的直流信号源编辑窗口2. 设置与晶体管基极相连的直流信号源，将弹出图3.3所示的直流信号源编辑对话框。按图3.3所示编辑信号源，编辑完成后，点击“确定”按钮。图3.3 与晶体管基极相连的直流信号源编辑窗口四、探针及直流分析图表编辑1.放置测量探针。点击工具箱中的Current probe图标，电流探针被放置到电路图中，如图3.4所示。图3.4 添加电流探针（编辑电路中的探针）2.放置转移特性分析图表转移特性分析图表：转移特性分析是一种非线性分析，用于分析在给定激励信号的情况下电路的时域响应。点击工具箱中的Simulation Graph图标，在对象选择器中选择“TRANSFER”仿真图表。在编辑窗口期望放置图表的位置点击鼠标左键，并拖动鼠标，在期望的结束点点击鼠标左键，放置图表，如图3.5所示。图3.5 转移特性分析图表放置电流探针。选中电路中的IC电流探针，按下左键拖到其到图表中，如图3.6所示。松开左键即可放置IC电流探针到图表中。后双击图3.6设置图3.7所示。图3.6 编辑好的转移特性分析图表图3.6 转移特性分析图表编辑对话框五、晶体管输出特性分析仿真电路。鼠标右键选仿真图表，开始仿真，电路仿真结果如图3.7所示。图3.7 转移特性分析仿真结果图点击图表表头，图表将以窗口形式出现。在窗口点击鼠标左键放置测量探针，测量曲线上各点对应的集电极电流ic与基极电流IB。，测得在上述测量点的直流电流增益为92.3。改变测量点，记录如表3.2所示。表3.2 测量集电极电流与基极电流VCEICIB总结:即器件在放大区的直流电流增益几乎与晶体管两端的电压值无关，体现了基极电流对集电极电流的控制作用。实践四 射极跟随器一、射极跟随器共基电极放大电路又叫射极跟随器，因为它的电压从射极输出且与输入电压大小几乎相等，相位一致，就好像输出电压总是跟随输入电压的变化一样。射极跟随器并不能放大电压，他能够放大电流，它的输入电阻高，输出电阻低，电路的动态性能比较好，适合做多级放大电路的初级和末级。但由于差动放大电路和功率放大电路的出现，在高性能运放的输入级和输出级一般不使用射极跟随器。图4.1所示，是单管共集放大电路，在该实验中，我们主要完成以下工作：测量静态工作点；测量动态参数；观察输入、输出波形。图4.1 射极跟随器实验电路二、静态工作点的测试按图4.1的连线，先进行静态工作点调试，由于射极跟随器的电压不能被放大，所以在调试静态工作点时需要加比较高的输入电压才能观察到失真的出现，一般从1V加起，逐渐加大。静态工作点调整合适后，按图4.2接线，测量静态工作点，测得数据列于表4.1中。图4.2 射极跟随器的静态工作点测试电路表4.1 射极跟随器的静态工作点测量值7.066.36122.350.75.64三、测量动态参数动态参数仍然是电压放大倍数、输入电阻、输出电阻和带宽。按照4.1接线，运行仿真，把信号发生器的频率调为1kHz，调节信号发生器的幅度使读得信号发生器的电压有效值为2.02V，输出电压有效值为1.99V。于是可以算出个动态参数。电压放大倍数：，图4.3 射极跟随器动态参数的测量图4.4 射极跟随器输出电阻的测量输入电阻：输出电阻：保持输入信号不变，空载和接负载时分别测得输出电压，如图4.3和图4.4所示，可计算输出电阻如下：通过计算可以发现，此射极跟随器的输入电阻高达200k，输出电阻低至27.4，电压放大倍数接近1但小于1。四、观察输入输出波形首先，要保证输出电压波形不失真。现在主要目的是观察对比输入输出电压波形，验证输出电压是否与输入电压大小相等、方向相同。观察到波形如图4.5所示。由此可验证射极跟随器名称的由来。图4.5 射极跟随器的输入输出波形实践五 差动放大器一、差动放大器差动放大器用在多级放大电路的第一级，主要目的是减少零漂。与单管共射放大电路相比，差动放大器使用了双倍的元件却得到同样的电压放大倍数，但它却具有相当高的共模抑制比，即对共模信号的放大倍数近似为零。差动放大器的实验主要测电路的静态工作点、单端和双端输出时的差模电压放大倍数、共模电压放大倍数及共模抑制比。图5.1 差动放大器实验电路图5.1是差动放大器的实验电路，其中，T3、R1、R2、RE3构成恒流源，T3的集电极电流为恒流源的输出。两位开关K用来选择差动放大器射极接电阻还是恒流源，当K拨到左边，差动放大器接10k的射极电阻RE，拨到右边接恒流源，共模抑制比能力更强。RW是调零电阻，在仿真时，因为我们可以做到差动对管及相应的元件完全对称，而在实际中却不能，利用调零电阻RW来调节两个共射放大电路的对称性。开关SW1用来在测静态工作点时短接信号源。二