模拟电子系统设计.ppt

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1、Page 1模拟电子系统设计模拟电子系统设计Page 21、模拟系统的设计方法和步骤、模拟系统的设计方法和步骤Page 3(1)系系统统描述和分析描述和分析明确明确设计设计任任务务，认认真分析真分析设计设计要求，深入了解系要求，深入了解系统统的功能、性能指的功能、性能指标标和使用条件，完整、清晰地和使用条件，完整、清晰地对对系系统统的各的各项项功能要求和技功能要求和技术术性能指性能指标进标进行更具体、更行更具体、更详细详细的描述，以作的描述，以作为为系系统设计统设计的原始依据。的原始依据。Page 4(2)总总体方案的体方案的设计设计与与选择选择n根据根据设计设计任任务务、要求和条件，分折、要

2、求和条件，分折电电路的路的总总体功能，并将其分解成若体功能，并将其分解成若干干单单元功能，形成元功能，形成总总体体设计设计方案，画出方案，画出总总体体设计设计原理框原理框图图。n框框图图必必须须正确反映系正确反映系统应统应完成的任完成的任务务和各和各组组成部分的功能，清楚表示成部分的功能，清楚表示系系统统的基本的基本组组成和相互关系。一般一个系成和相互关系。一般一个系统统有多个有多个设计设计方案，方案，设计设计者者应应仔仔细细分析、比分析、比较较各方案的各方案的优优缺点，缺点，择优选择优选用。用。n方案方案论证论证要敢于探索，勇于要敢于探索，勇于创创新，力争做到新，力争做到设计设计方案合理、可

3、靠、方案合理、可靠、经经济济、功能、功能齐齐全、技全、技术术先先进进。Page 5方案方案设计设计与与选择选择必必须优须优先考先考虑虑以下以下问题问题原理的可行性：解决一个原理的可行性：解决一个间题间题，可能有，可能有许许多种方法，但有的方法是不多种方法，但有的方法是不能达到能达到设计设计要求的要求的元器件的可行性：如采用什么元器件、什么微控制器、什么可元器件的可行性：如采用什么元器件、什么微控制器、什么可编编程程逻逻辑辑器件，能否采器件，能否采购购得到？得到？测试测试的可行性：有无所需要的的可行性：有无所需要的测测量量仪仪器器仪仪表？表？设计设计、制作的可行性：、制作的可行性：难难度如何，如

4、何度如何，如何积积累？累？时间时间的可行性：研制周期多的可行性：研制周期多长长？Page 6(3)系统模块划分系统模块划分:根据总体设计方案将系统划分为若干个功能模块，并根据总体设计方案将系统划分为若干个功能模块，并确定各模块间的接口参数。确定各模块间的接口参数。(4)单元电路设计单元电路设计:确定单元电路的功能及性能指标、与前后级之间的关确定单元电路的功能及性能指标、与前后级之间的关系，并分析单元电路的工作原理，然后选择设计单元电路的结构形式。系，并分析单元电路的工作原理，然后选择设计单元电路的结构形式。可以通过查找资料，寻找现成的电路，或者相近电路，再调整电路参可以通过查找资料，寻找现成的

5、电路，或者相近电路，再调整电路参数。若没有，则需设计新的电路。要注意，各单元电路间的相互配合，数。若没有，则需设计新的电路。要注意，各单元电路间的相互配合，尽量减少元器件的数量、类型、电平转换和接口电路，以使电路简单尽量减少元器件的数量、类型、电平转换和接口电路，以使电路简单可靠。可靠。Page 7(5)元器件选择和参数计算元器件选择和参数计算参数计算包括放大电路中各电阻值、放大倍数的计算，振荡器中电阻、参数计算包括放大电路中各电阻值、放大倍数的计算，振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的计算。只有很好地理解电路的工作原理，正电容、振荡频率等参数的计算。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算

6、公式，计算的参数才能满足设计要求。参数计算时，同一确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。参数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选择一组能完成电路设计所要求的功能、个电路可能有几组数据，注意选择一组能完成电路设计所要求的功能、在实践中真正可行的参数。在实践中真正可行的参数。Page 8计算电路参数时应注意下列问题计算电路参数时应注意下列问题:n元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求；求；n元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应大于额定值的元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应大于额定值的1.5倍

7、；倍；n对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最坏的情况考虑；对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最坏的情况考虑；n选用的元器件参数值都必须采用计算值附近的标称值。选用的元器件参数值都必须采用计算值附近的标称值。Page 9阻容元器件的选择：阻容元器件的选择：不同的电路对电阻和电容的性能要求也不同，有些电路对电容的漏电不同的电路对电阻和电容的性能要求也不同，有些电路对电容的漏电要求很严；还有些电路对电阻、电容的性能和容量要求很高。例如，要求很严；还有些电路对电阻、电容的性能和容量要求很高。例如，滤波电路中常用大容量（滤波电路中常用大容量（1003000m mF）铝电解电容，为滤掉高频）铝

8、电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量（通常还需并联小容量（0.0l0.lm mF）瓷片电容。设计时要根据电路）瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元器件，并要注意功耗、容量、频的要求选择性能和参数合适的阻容元器件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。率和耐压范围是否满足要求。Page 10半导体器件的选择半导体器件的选择半导体器件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二（三）极管、半导体器件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二（三）极管、晶闸管等。根据其用途分别进行选择。例如，选择晶体三极管时，首晶闸管等。根据其用途分别进行选择。例如，选择晶体三极管时，首

9、先注意选择先注意选择NPN型还是型还是PNP型管，高频管还是低频管，大功率管还是型管，高频管还是低频管，大功率管还是小功率管，并且注意管子的参数小功率管，并且注意管子的参数PCM、ICM、VCEO、IBCO、fT和f是否是否满足电路设计指标的要求；高频工作时，要求满足电路设计指标的要求；高频工作时，要求fT=(510)f,f为工作频为工作频率。率。Page 11集成电路的选择：集成电路的选择：由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵潘，它不仅使系统体集成电路来设计单元电路和

10、总体电路既方便又灵潘，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及运用。集成电路有模拟集成电路积缩小，而且性能可靠，便于调试及运用。集成电路有模拟集成电路和数字集成电路之分。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设和数字集成电路之分。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且还要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。计方案，而且还要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。Page 12(6)安装与调试安装与调试方案论证和单元电路硬件设计之后，紧接着就是设计制作印制电路板。方案论证和单元电路硬件设计之后，紧接着就是设计制作印制电路板。对于数字部分，因为频率较低，可以利用现代软件

11、技术直接排版。对对于数字部分，因为频率较低，可以利用现代软件技术直接排版。对于模拟部分，特别是高频部分，需要考虑抗干扰问题，既要考虑抗外于模拟部分，特别是高频部分，需要考虑抗干扰问题，既要考虑抗外部干扰，又要考虑抗内部干扰；既要考虑模电自身的相互干扰，又要部干扰，又要考虑抗内部干扰；既要考虑模电自身的相互干扰，又要考虑数电（脉冲信号）对模电部分的干扰。简单的系统或模块电路可考虑数电（脉冲信号）对模电部分的干扰。简单的系统或模块电路可用手工制作电路板。用手工制作电路板。Page 13锁相环应用系统实例锁相环应用系统实例知识补充：知识补充：(1)锁相环的基本组成锁相环的基本组成相位比较单元相位比较

12、单元,用来比较输入信号用来比较输入信号和基准信号的之间的相位和基准信号的之间的相位.它的输它的输出电压正比于两个输入信号之相出电压正比于两个输入信号之相位差位差 线性电路线性电路,其作用是滤除鉴相器输其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量出电压中的高频分量,起平滑滤波起平滑滤波的作用的作用.通常由电阻、电容或电感通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器等组成，有时也包含运算放大器 振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。振荡频率与控制电压之间成线性关系。在在PLL中，压控振荡器实际上是把控制中，压控振荡器实际上是把控制电压

13、转换为相位。电压转换为相位。Page 14(2)锁相环工作原理锁相环工作原理n相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号，这个检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号，这个误差信号正比于输入信号和误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。通常是以交流分量调制的直流电平。由低通滤波器滤除由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号

14、去控制误差信号中的交流分量，产生信号去控制VCO，强制，强制VCO朝着减小相位朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。，这时我们就称环路已被锁定。n环路锁定后，鉴相器的两个输入信号的频率相等，即：fo=NfiPage 15(3)捕捉带与同步带捕捉带与同步带n若环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终进入锁定状态，若环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程，环路能捕捉

15、的最大起始频差范围称捕捉这一过程，称环路捕捉过程，环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉范围带或捕捉范围n若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，使若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，使VCO输出输出频率变化，或者输入信号频率变化，通过环路自动相位控制作用，使频率变化，或者输入信号频率变化，通过环路自动相位控制作用，使VCO相位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率），这个过程称跟相位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率），这个过程称跟踪过程，或同步过程，或保持过程。踪过程，或同步过程，或保持过程。Page 16设计举例：设计举例：设计任务：设计任务：采用数字锁相环技

16、术产生一个与可变行频同频同步的锯齿波电压。已采用数字锁相环技术产生一个与可变行频同频同步的锯齿波电压。已知：行同步信号是幅度为知：行同步信号是幅度为3.5V的负脉冲，其频率变化为的负脉冲，其频率变化为15.62564kHz。设计要求：设计要求：n锯齿波电压的幅度范围为锯齿波电压的幅度范围为05V,n锯齿波的线性度由于锯齿波的线性度由于1%，n锯齿波的逆程时间小于锯齿波的逆程时间小于0.5usn行频切换时，要求系统的转换时间小于行频切换时，要求系统的转换时间小于0.5s在规定条件下，传感器校准在规定条件下，传感器校准曲线曲线与拟合与拟合直线间的最大偏差（直线间的最大偏差（Ymax）与满量程）与满

17、量程输出（输出（Y）的百分比，称为线性度（线）的百分比，称为线性度（线性度又称为性度又称为“非线性误差非线性误差”），），Page 17系统框图系统框图Page 18参数选择参数选择(1)D/A的位数的位数nD/A的位数决定锯齿波的线性度。的位数决定锯齿波的线性度。n8位位D/A的分辨率为的分辨率为1/(2n-1)=0.39,若其最大的线性误差按若其最大的线性误差按1LSB计算，计算，则其小于设计要求的则其小于设计要求的1%，因此，因此8位位D/A即可满足要求，则分频器即可满足要求，则分频器（计数器）的分频系数（计数器）的分频系数N=256。Page 19(2)系统的最高工作频率系统的最高工作

18、频率n输入信号的最高行频为输入信号的最高行频为64kHz,则压控振荡器的工作频率是则压控振荡器的工作频率是fo=256fi=16.384MHz,nVCO、计数器、计数器、D/A的速度均应达到此值。的速度均应达到此值。(3)环路的捕捉带、同步带及环路的捕捉带、同步带及VCO的频率变化范围的频率变化范围nVCO输出信号频率范围为输出信号频率范围为256fi(4-16.384MHz),覆盖系数覆盖系数fmax/fmin4,需分频段实现需分频段实现n环路应工作在快捕带内，以保证快速跟踪，因此快捕带环路应工作在快捕带内，以保证快速跟踪，因此快捕带 L16.384-4=12.384MHz。(4)鉴相器的工

19、作频率为鉴相器的工作频率为15.62516kHzPage 20器件型号选择器件型号选择(1)D/A变换器变换器CA3338n8位位n20MHzn电压输出型电压输出型n输出电压幅度可调输出电压幅度可调Page 21Page 22(2)鉴相器鉴相器CD4046n集成锁相环，集成锁相环，n工作频率小于工作频率小于1MHz，n鉴相灵敏度鉴相灵敏度Ad=Vdd/2Page 23CD4046的内部结构的内部结构Page 24工作波形工作波形PDI为跳边沿触发为跳边沿触发Page 25PDII为上升沿触发为上升沿触发Page 26(3)VCO74LS124n双双VCOn最高频率最高频率30MHzn工作频率由

20、外接电容工作频率由外接电容Cext决定决定n两个受控端，一个为频率调节电压两个受控端，一个为频率调节电压Vreg 和另一个为频率控制电压和另一个为频率控制电压Vc,均可调节输出信号频率均可调节输出信号频率n每个每个VCO有使能端，可以进行三态输出控制有使能端，可以进行三态输出控制Page 2774LS124引脚分布引脚分布Page 28(4)分频器分频器(计数器计数器)74LS161n最高计数频率最高计数频率25MHzPage 29参数计算参数计算(1)频带划分频带划分(2)锁相环路的频率覆盖系数取决于锁相环路的频率覆盖系数取决于VCO的频率变化范的频率变化范围围Page 30n74LS124

21、的工作频率与外接电容成反比，近似公式为的工作频率与外接电容成反比，近似公式为fo=5x10-4/Cextnf-VRng 是负斜率的（是负斜率的（VRng=24.5V）;f-Vc是正斜率的是正斜率的(Vc=15V)n不同的不同的VRng，频率随，频率随Vc的变化灵敏度不同，的变化灵敏度不同，VRng越大，压控灵敏度越大，压控灵敏度越高越高nfvco的最大频率变化范围为的最大频率变化范围为0.5fo1.12fo,覆盖系数约为覆盖系数约为2.24Page 31n令高频段令高频段VCO的最高频率的最高频率f1max=16.384MHz fo1=f1max/1.2=14.62MHz，f1min=0.5f

22、o1=14.62x0.5=7.31MHz 令低频端令低频端VCO的最低频率的最低频率 f2min=4MHZ fo2=f2min/0.5=8MHz f2max=1.12fo2=8.9MHz f2maxf1min满足要求，实现了频率覆盖要求满足要求，实现了频率覆盖要求可得：可得：Cext1=5x10-4/fo1=34pFCext2=5x10-4/fo2=62pFPage 32(2)波段切换波段切换Page 33F/V变换器采用变换器采用LM331n满量程频率范围满量程频率范围1Hz100kHzn线性度线性度0.01%n电源电压电源电压3.940VPage 34LM331应用电路应用电路Page 3

23、5LM331定时电容充放电波形定时电容充放电波形Page 36LM331外接元件参数计算外接元件参数计算nCt充电到充电到2/3Vcc时，定时比较器翻转，则由时，定时比较器翻转，则由可得可得Ct充电时间为充电时间为在输入信号一个周期内在输入信号一个周期内Ct必须充放电一次，则须满足必须充放电一次，则须满足 fimax=64kHz,取取Ct=2200pF,Rt=2kPage 37n根据输入负脉冲幅度，确定根据输入负脉冲幅度，确定7脚电平。当行频负脉脚电平。当行频负脉冲到来时，为使输入比较器翻转，应满足冲到来时，为使输入比较器翻转，应满足Page 38nRS的推荐值为的推荐值为1k与与5k电位器的

24、串联，其电流电位器的串联，其电流i=1.9/RS决定了输出决定了输出电压的大小。电压的大小。nRLCL决定了输入信号频率变化时输出电压随之变化所需要的时间及输决定了输入信号频率变化时输出电压随之变化所需要的时间及输出电压的文博。与其它器件相比，带有出电压的文博。与其它器件相比，带有RLCL的的LM331是低速器件，是低速器件，可认为系统的转换时间主要取决于它。要求行频切换时系统转换时间可认为系统的转换时间主要取决于它。要求行频切换时系统转换时间小于小于0.5s,可近似取可近似取RLCL为该时间的为该时间的1/10，即，即0.05s,则则RL=51k,CL为为1uFPage 39比较器比较器LM

25、311n电源电压电源电压5-15V,n响应时间响应时间200ns。n若设高低频段的频率分界点是若设高低频段的频率分界点是30kHz,由由F/V的变换曲线可的变换曲线可知，知，f=30kHz时的输出电平为时的输出电平为5.8V,可取比较器的比较电压可取比较器的比较电压为为5.8V。Page 40(3)分频器、鉴相器分频器、鉴相器Page 41CD4046的鉴相器的鉴相器II是上升沿触发的相位比较器，直是上升沿触发的相位比较器，直接将接将Q7送至鉴相器比较，会使输出与行同步信号相送至鉴相器比较，会使输出与行同步信号相位相差位相差180度，应将度，应将Q7取反后再送入取反后再送入Page 42Pag

26、e 43(4)压控振荡器的频率控制压控振荡器的频率控制nVCO的频率控制电压的频率控制电压Vc来自鉴相器来自鉴相器4046的输出输出的误差电压的输出输出的误差电压vc,Vc与与vc应保证应保证(1)相同的电平变化范围相同的电平变化范围(2)vc随（随（fvc0/N-fi）的变化趋势与）的变化趋势与VC对频率的控制趋势一致，以使对频率的控制趋势一致，以使VCO的输出频率接近行频，并使相位差逐步减小。的输出频率接近行频，并使相位差逐步减小。Page 44Page 45当输入行频信号变化时，为使当输入行频信号变化时，为使VCO得输出频率快速锁定于输得输出频率快速锁定于输入信号频率，应使频率调节电压入

27、信号频率，应使频率调节电压VRng不接固定电压，而是以不接固定电压，而是以与行频大小成比例变化的电压，以进行频率粗调，然后由与行频大小成比例变化的电压，以进行频率粗调，然后由VC细调频率。细调频率。n应保证应保证V/F变换器的变换特性和变换器的变换特性和VRng对对VCO输出信号频率输出信号频率的控制特性相一致。若不一致，应采用比例加法运算电路的控制特性相一致。若不一致，应采用比例加法运算电路作信号变换作信号变换Page 46Page 47(5)D/A变换器变换器CA3338Page 48例：数控串联稳压电源例：数控串联稳压电源1.设计任务设计任务设计一个输出可调的数控电压源，并由数码管显示输

28、出，具体要求为：设计一个输出可调的数控电压源，并由数码管显示输出，具体要求为：(1)输出电压输出电压220V之间，调节单位之间，调节单位0.1V(2)电压稳定度小于电压稳定度小于0.2%，纹波电压小于，纹波电压小于10mV(3)输出电流输出电流1A(4)由输出电压由输出电压由数码管显示，并由数码管显示，并“+”、“-”两键分别控制输出电压两键分别控制输出电压步进增减。步进增减。Page 492.方案设计方案设计n输出电流输出电流1.5An输出电压范围输出电压范围1.5-37V可调可调n内有过热过流保护内有过热过流保护Page 50系统结构系统结构Page 513、主要参数选择和方案实现、主要参

29、数选择和方案实现(1)整流滤波电路及辅助电源整流滤波电路及辅助电源Page 52变压器副边电压的确定变压器副边电压的确定n7805要求的输入电压为要求的输入电压为9V,W117的输入电压为的输入电压为25V。n电源变压器副边电压一般推荐为整流输出电压的电源变压器副边电压一般推荐为整流输出电压的0.8倍；实际上此电倍；实际上此电压与滤波电容容量，直流输出电流大小及电网波动大小等有关。压与滤波电容容量，直流输出电流大小及电网波动大小等有关。n考虑到电网电压可能有考虑到电网电压可能有10%的波动，为了可在最恶劣的条件下工作，的波动，为了可在最恶劣的条件下工作，可选副边电压为可选副边电压为24V和和9

30、V。Page 53滤波电容滤波电容C1、C2容量的选取容量的选取n一般可选电容的放电时间常数为充电周期的一般可选电容的放电时间常数为充电周期的35倍。倍。n桥式整流下，电容充电时间为半个电源周期桥式整流下，电容充电时间为半个电源周期10ms,放电时间常数为放电时间常数为RLC,nC1所在的放电回路，所在的放电回路，RL1C1=25V/1A C1=5X10ms可得：可得：C1=2000uFn同理可得同理可得C2=4000uFPage 54滤波电容滤波电容C1、C2耐压的选取耐压的选取n电容两端的最大电压为变压器副边电压的电容两端的最大电压为变压器副边电压的1.4倍（即：峰值电压）。倍（即：峰值电压）。n考虑到电网电压可能有考虑到电网电压可能有10%的波动，常取耐压为变压器副边电压的的波动，常取耐压为变压器副边电压的1.52倍。倍。Page 55(2)W117的调压网络的调压网络Page 56n流过流过R1的电流需大于的电流需大于5mA,W117才能正常工作。则才能正常工作。则R1=1.25V/5mA=250n为了满足电压调节单位为为了满足电压调节单位为0.1V,故故R=0.1V/5mA=20感谢您的关注感谢您的关注