第12章 模拟电子电路设计与分析

第12章 模拟电子电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第12章 模拟电子电路设计与分析 第十二章 模拟电子线读图与设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 科技前沿—基于可定制芯片设计方法 交生产厂家二次设计制 tegrated circuits―ASIC) ;按使用材料的不同可 用硅材料，微波ASIC主 工作温度范围宽等优点， ，按制造工艺的不同还 1 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 本章首先介绍系统电路设计中绘图环节的基本概念、方法，接着阐述实际电子信息工程中模拟电路图的分析原则，特别是结合实用的电磁炉控制管理系统介绍了复杂电子系统分析方法，最后重点介绍模拟电子系统设计理论与方法，并结合电子设计大赛中有关本课程的内容相关的设计题目为例介绍电子系统设计与实现的全过程。本章重点内容有: 模拟电子系统分析的原理与方法; 典型电子系统设计的基本理论与方法; 熟练掌握模拟电子系统分析设计过程与步骤。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电子系统分析与设计的现代化过程经历了三个主要阶段。 括有印制电路板(printed 独立软件工具进行系统 neering)阶段，在集成 许多成果。这个阶段中主 计的各种ASIC的设计分 2 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 (1) 画主电路。主电路是电气控制线路中大电流信号通路，包括从电源到执行机构之间相连的所有电器元件形成的电路。一般由组合开关 (combined switch)、主熔断器(main fuse)、接触器主触点(contactor)、热继电器(thermorelay)等热元件和电动机(electromotor) 等电气设备与电子元件组成。绘制主电路时，应依照国家(或专业权威机构)规定的电气图形符号并按照电路绘制原则绘制。用粗实线画出主要控制、保护等用电设备，如断路器(circuit breaker)、熔断器、变频器(frequency converters)、热继电器、电动机等，同时用提示性文字符号依次标明相关功能用途。 、保护电器触点等器件组 一般均是由各种典型电 中受控设备的“起动”、 要求正常运转。 3 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-1 绘图实例―电动车原理图 12.2模拟电子电路图分析 电子电路图用来表示实际电子电路的组成、结构、元器件标称值等信息。电子专业技术人员要了解、掌握电子产品的工作原理，看懂电子产品、设备的电路图是一项基本功能。而快速地看懂电子产品的电路图是电子工程师基本技能，也是开发设计电子新产品新技术的基本手段之一。因此，了解电路图种类与掌握各种电路图的分析方法，是电子技术学习的第一步。本节主要研究模拟电子技术中最常用的两种图形―设备、产品的方框图与电气原理图的分析方法。 12.2.1方框图分析方法 系统方框图是系统总体模块结构图，也是系统拓扑图。从方框图中可以了解系统功能结 构，准确定位分析单元电路功能与性质。如图12-2所示是一个两级音频信号放大系统的方 4 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 框图。从图中可以看出，系统电路由信号源、前级放大器、中间级放大器和末级放大器以及负载五个单元电路构成;从方框图也可以了解到，电路主体包含三级放大电路;再根据专业经验可以初步判断各部分电路功能与任务，也可以大致了解电路特性与功能。 图12-2音频放大系统方框图 统电路方框图和集成电 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (整机电路、系统电路 位置、名称，以及复杂电 的突破口。而且方框图简 信号在传输过程中的处 5 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 关系;在整机电路方框图中，通常在各个单元电路之间用带有箭头的连线进行连接，通过图中的这些箭头方向，还可以了解到信号在整机各单元电路之间的传输途径。并不是所有的整机电路在图册资料中都给出整机电路的方框图，但是同类型的整机电路方框图基本上是相似的。所以利用这一点，可以借助于其他整机电路方框图了解同类型整机电路组成等情况。 在各种方框图中，整机方框图是最重要的方框图，整机电路方框图不仅是分析整机电路工作原理的有用资料，更是故障检修中建立正确检修思路的依据，特别是对修理中故障逻辑推理的形成和故障部位的判断都是十分重要的。 2) 系统电路方框图 方框图形式来表示系统 方框图比整机电路方框 所示是组合音响中的收 图 12-3 音响收音电路系统方框图 MW―(medium wave)中波，SW (short wave)―短波，AGC―自—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 动增益控制(Automatic Gain Control) 3) 集成电路内电路方框图 集成电路内电路方框图是一种十分常见的图形。集成电路内电路的组成情况可以用实际电路模拟仿真图或内电路方框图来表示，由于集成电路十分复杂，因此在许多情况下用内电路方框图来表示集成电路的内电路组成情况更利于识图。从集成电路的内电路方框图中可以了解到集成电路的组成、相关引脚的作用等识图信息，这对分析该集成芯片应用电路是十分有用的。如图12-4所示的TOPSwitch系列芯片是美国PI公司新推出的第二代单片开关电源集成电路内部方框图。 由图12-,可以看出，芯片内含振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管(MOSFET)、偏置电路、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路。该芯片是以最简单的方式构成的无工频变压器的反激式开关电源，开关频率为100KHz。它不仅设计先进，功能完善，而且外围电路简单，使用非常灵活。是目前设计小功率(250W)开关电源的最佳选择。 6 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-4 TOPSwitch内部功能框图 control―控制, drain―漏极, vilimit―输入限制电压,source―电源， dmax―动态最大，saw―声表面波,pwm― 脉冲编码调制 TOPSwitch各引脚功能见表12-1。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 表12-1 TOPSwitch引脚功能介绍 引脚 漏极脚 (DRAIN) 控制脚 (CONTROL) 源极脚 (SOURCE) 功能 接输出管MOSFET漏极，在启动工作时，经过内部开关电流源提供内部偏置电流。该脚还是内部电流监测点。 是误差放大器和反馈电流输入脚，以控制占空比。正常工作时内部分流调节器接通，提供内部偏置电流。该脚也接电源旁路和自动再启动/补偿电容器。 是输出级MOSFET的源极连线，接直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点。 又如三肯(SANKEN)公司的集成电路STR-S6709内部方框图见图12-5。 7 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-5 STR-S6709内部框图 start up—启动 perreo 播放器 propotional drive—成比例驱动 latch—闭锁，门闩 ocp—过流检测 ohp—过热载保护 ovp—过压保护 inh—关断(禁止) ref— 参考端 osc— 振荡器 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ sink— 接收 fdbk—反馈 gnd— 接地 driver— 驱动 从这一集成电路内电路方框图中可以看出，三肯公司的集成电路STR-S6709是小型单列直插式带散热器结构，包含开关三极管、比例驱动电路、振荡电路、门闩电路、过流保护电路、过压保护电路。其只需很少的外围元件既可以构成开关电源。该芯片优点是开关电路脉冲宽度能改变，即正常工作时是宽脉冲方式工作，待机时是窄脉冲方式工作，实现单电源待机功能。引脚功能如下表12-2。 8 9 名称 集电极 发射极 基极 激励入激励出过流 检测 电压 300, 0.05, -0.13, 0.68,1.13, 0.03,反馈入 关断时 间控制 控制电路电源 0.23, 1.32, 7.27, 功能复杂， 所以在进行电 图12-6实线和虚线示意图 (2) 记忆电路组成。记忆一个电路系统的组成时，由于具体电路太复杂，因此要用方框图。在方框图中，可以看出各部分电路之间的相互关系(相互之间连接关系)，特别是控制系统，可以清晰看出控制信号的传输过程、信源和控制的目标对象等信息。 (3) 分析集成电路应用电路。分析集成电路应用电路的过程中，如果缺少集成电路的引脚资料时，可以借助于集成电路的内电路方框图来推理引脚的具体作用，明确地了解哪些引脚是输入脚，哪些是输—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 出脚，哪些是电源引脚，而这三种引脚对识图是非常重要的。当引脚引线的箭头指向集成电路外部时，这是输出引脚，箭头指向内部时都是输入引角。 例如图12-8所示集成电路方框图中，集成电路的?脚引线箭头向里，为输入引脚，说明信号是从?脚输入到变频级电路中的，所以?脚是输入引脚;?脚引脚上的箭头方向朝外，所以?脚是输出引脚，变频后的信号从该引脚输出;?脚是输入引脚，输入的是中频信号，因为信号输入到中频放大器电路中，所以输入的信号是中频信号;?脚是输出引脚，输出经过检波后的音频信号。 8 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 当引线上没有箭头时，例如图12-7所示集成电路中的?脚，说明该引脚外电路与内电路之间不是简单的输入或输出关系，方框图只能说明?脚内、外电路之间存在着某种联系，该脚要与外电路中本机振荡器电路中的有关元器件相连，具体是什么联系，方框图就无法表达清楚了，这也是方框图的一个不足之处。 图12-7 集成电路引脚功能方框图 音频功率放大集成电路 图12-8 LA445集成电路的内电路方框图 另外，在有些集成电路内电路方框图中，有的引脚上箭头是双向的，这种情况在数字集成电路中常见，这表示信号既能够从该引脚输入，也能从该引脚输出。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3(方框图的识图结论 通过方框图概念、功能、特点等的介绍，可以得出方框图识图时要注意以下事项: 9 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 (1) 集成电路制造商提供的电路资料中一般情况下都不给出整机电路方框图，不过大多数同类型机器其电路组成是相似的，利用这一特点，可用同类型机器的整机方框图作为参考。 (2) 一般情况下，对集成电路的内电路是不必进行分析的，只需要通过集成电路内电路方框图来理解信号在集成电路内电路中的放大和处理过程。 (3) 方框图是众多电路中首先需要记忆的电路图，记住整机电路方框图和其他一些主要系统电路的方框图，是学习电子电路的第一步。 12.2.2模拟电路电气图分析方法 或国家约定的符号绘制 与详细功能情况。这样， 情况，可以大大提高工作 到底就是由元件构成的。 系统要先看主电路，并了 等相关信息。然后再看控 10 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 的入口，右方是信号的出口。根据这个道理很容易了解到原理图—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 的功能。然后再把原理图细分成若干单元，仔细了解每一单元的功能，就会对整个系统功能有个大体了解。当然首先应对单元电路功能有比较多地了解。由多张图纸组成整机电路图一般情况下都有图纸编号。图纸编号的顺序就是整机的工作流程。掌握这些原则是可以很清晰地看懂电路图的。 3(了解产品功能 属部分电路，同样要了 过程，有时还要通过了解 很大帮助，少走弯路。 11 图12-9 三角牌电磁炉电气原理图 12 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 智能电磁炉中的微控制器(MCU)芯片用在电磁炉温控系统，实现的智能化功能有加热火力调节、自动恒温设定、定时关机、预约开/关机、预置操作模式、自动泡茶、自动煮饭、自动煲粥、自动煲汤及煎、炸、烤、火锅等功能。 电磁炉具体分析过程应先对系统电气原理图综合分析后画出系统方框图，然后根据方框图由主到次分析电磁炉内部各单元电路。 1) 画出系统框图 先综观全局，根据图12-9所示电路结构，电路可以分为主控通路与控制管理通路两部分。然后详细画出电路的结构方框图如图—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 12-10所示。 图12-10 三角牌电磁炉电路系统方框图 2) 框图内部单元电路分析 (1).主回路原理分析。将主回路简化成图12-11(b)所示电路。 为研究方便，定义主回路电流i在不同时刻分别为i1、i2、i3„。在时间段t1~t2时当开关脉冲加至Q1的G极时，Q1饱和导通，电流i1从电源流过L1，由于线圈感抗不允许电流突变，所以在t1~t2时间i1随线性上升，在t2时脉冲结束,Q1截止,同样由于感抗作用，i1不能立即变0，于是向C3充电，产生充电电流i2，在t3时间,C3电荷充满，电流变0，这时L1的磁场能量全部转为C3的电场能量，在电容两端出现左负右正，幅度达到峰值电压，在Q1的C-E极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压+电源电压。在t3~t4时间，C3通过L1放电完毕,i3达到最大值，电容两端电压消失，这时电容中的电能又全部转为L1中的磁能，因感抗作用， 于是L1两端电动势反向，即L1两端电位左正右负，由于阻尼管D11的存在，i3不能立即变0， C3不能继续反向充电，而是经过C2、D11回流，形成电流i4,在t4时间，第二个脉冲开始到来，但这时Q1的UE为正，UC为负，处于反偏状态，所以Q1不能导通，待i4减小到0，L1中的磁能放完即，到t5时Q1才开始第二次导通，产生i5以后又重复i1~i4过程，因此在L1上就产生了和开关脉冲f(20KHz~30KHz)相同的交流电流。t4~t5的i4是阻尼管D11的导通电流，在高频电流一个电流周期里，t2~t3—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 的i2是线盘磁能对电容C3的充电电流,t3~t4的i3是逆 因D11的存在令C3不能继程脉冲峰压通过L1放电的电流,t4~t5的i4是L1两端电动势反向时， 13 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 续反向充电，而经过C2、D11回流所形成的阻尼电流，Q1的导通电流实际上是i1。电流波形如图12-11(a)所示。 Q1的UCE电压变化。在静态时，UC为输入电源经过整流后的直流电源所加。t1~t2时刻，Q1饱和导通，UC接近地电位;t4~t5，阻尼管D11导通，UC为负压(电压为阻尼二极管的顺向 压降)，t2~t4，也就是LC自由振荡的半个周期，UC上出现峰值电压，在t3时UC达到最大值。 14 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 部转为L中的磁能，因端电位左正右负，所以 8 图12-12 振荡电路图 4) IGBT激励电路 振荡电路输出幅度约4.1V的脉冲信号，此电压不能直接控制IGBT的饱和导通及截止,所以必须通过激励电路将信号整形放大后才能驱动IGBT工作。激励电路如图12-13所示。 图12-13 驱动电路图 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 该电路工作过程如下: (1) u1为低电平时(11脚=0V)，11脚电平低于10脚，13脚为低，Q1截止，Q2导通，输出为0V，IGBT截止。 15 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 (2) u1为高电平时(11脚=4.1V)，11脚电平高于10脚，13脚为高，Q1导通，Q2截止，+18V通过Q1、R27加到IGBT的G极，IGBT导通。 5) 脉冲宽度调制电路 CPU输出脉冲宽度调制脉冲(PWM)如图12-14所示，由R24、R26、C6、R25、C28组成的积分电路积分，PWM脉冲宽度越宽，C6的电压越高,C28的电压也跟着升高，送到比较器5脚的控制电压随着C28的升高而升高，而5脚输入的电压越高，2脚处于高电平的时间越长，电磁炉的加热功率越大，反之越小。 长短， 最终结果达到控制 图12-14 驱动电路图 6) 同步电路 同步电路保证加到IGBT的G极上的开关脉冲前沿与IGBT上产生的UCE脉冲后沿相同步。电路结构如图12-15所示。其中R14、R15分压产生U1，(R16+R17)、R19、R4、R20分压产生U2，在高频电流的一个周期里，在t2~t4时间(图12-11)，由于C3两端电压为左负右正,所以U1<U2，U3高电平(U3=5V)比较器2脚为高电平，所以2—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 脚处于低电平状态。也就没有开关脉冲加至Q1的G极，保证了Q1在t2~t4时间不会导通，在t4~t6时间，C3电容两端电压消失，U1>U2，U3下降，振荡有输出，有开关脉冲加至IGBT的G极。以上动作过程，使电路同步工作。 16 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-15 同步电路图 7) 加热开关控制电路 加热开关控制电路如图12-16所示。工作原理如下: (1) 当不加热时，CPU的15脚输出低电平(同时13脚也停止PWM输出)，D10导通,将 U4拉低，另10脚电平大于11脚，使IGBT激励电路停止输出，IGBT截止，则加热停止。 (2) 开始加热时，CPU的15脚输出间断的高电平，D10截止，高电平通过C14耦合叠加 至U1上，使U1电平大于U2，振荡电路起振;此时13脚也输出PWM信号，同时CPU通 UCE检测电路反馈的电压波形变化情过分析电流检测电路和UAC检测电路反馈的电压信息、 况，判断是否己放入适合的锅具，如果判断己放入适合的锅具，CPU的15脚转为输出正常的高电平信号，电磁炉进入正常加热状态，如果电流检测电路、UAC及UCE电路反馈的信息，不符合条件，CPU会判定为所放入的锅具不符或无锅，则MCU的15脚继续输出试探信号同时发出指示无锅的报警信息(详见故障代码表)，如1分钟内仍不—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 符合条件，则自动关机。 图12-16 加热控制电路 8) 交流电压检测检测电路 交流电压检测(UAC)检测电路如图12-17所示。AC 220V由D1、D2整流的脉动直流电 压通过R1、R9分压、C10、C30平滑滤波后的直流电压送入CPU，根据监测该电压的变化，CPU会自动作出各种动作指令: (1) 判别输入的电源电压是否在允许范围内，否则停止加热，并报知信息。 (2) 配合电流检测电路反馈的信息，调控PWM的脉宽，令输出功率保持稳定。“电源输 入 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 220V?1V电压，不接线盘(L1)测试CPU第14脚电压，标准3.17V?0.02V”。 17 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-17 UAC检测电路 感器T1次级感应的AC 分压所获得的直流电压 根据监测该电压的变化， 图12-18 UAC检测电路 10) UCE检测电路 IGBT(Q1)集电极上的脉冲电压通过(R16+R17)、R53分压送至Q6基极，在发射极上获得其取样电压，此反应了Q1 的UCE电压变化的—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 信息送入CPU，CPU根据监测该电压的变化，自动作出各种动作指令:? 配合UAC检测电路;?电流检测电路反馈的信息;?判别是否己放入适合的锅具,作出相应的动作指令。 IGBT集电极上的脉冲电压通过(R16+R17)、R19、R4、R20分两级分压控制，正常情况下V1、V2两点都不受控。V1设定在1100UP-P电压受控，V2设定在1150UP-P电压受控。控制过程如下: (1) 根据UCE取样电压值，自动调整PWM脉宽，抑制UCE脉冲幅度不高于1100V(此值适用于耐压1200V的IGBT)。 (2) 当测得其它原因导至UCE脉冲高于1150V时，CPU立即发出停止加热指令。UCE检 18 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 测电路见图12-19。 图12-19 UCE检测电路 11) 浪涌电压监测电路 图12-20浪涌电压监测电路 12) 锅底温度监测电路 如图12-21所示。加热锅具底部的温度透过微晶玻璃板传至紧贴玻璃板底的负温度系数热敏电阻，该电阻阻值的变化间接反应了加热锅具的温度变化(温度/阻值详见热敏电阻温度 即加热锅具的分度表)，热敏电阻与R33分压点的电压变化其实反应了热敏电阻阻值的变化， 温度变化，MCU通过监测该电压的变化，作出相应的动作指令: —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (1) 定温功能时，控制加热指令，使被加热物体温度恒定在指定范围内。 (2) 当锅具温度高于设定的温度时，加热立即停止，并报知信息。 (3) 当锅具空烧时，加热立即停止，并报知信息。 (4) 当热敏电阻开路或短路时，发出不启动指令，并报知相关的信息。 19 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-21锅底温度监测电路图 13) IGBT温度监测电路 系数热敏电阻HT，该电 温度分度表)，热敏电阻 的温度变化，,PU通 ?85?。 图12-22 IGBT温度检测电路 14) 散热系统 散热系统如图12-23所示，将IGBT及整流器DT紧贴于散热片上，利用风扇运转通过电磁炉进、出风口形成的气流将散热片上的热及线盘L1等零件工作时产生的热、加热锅具辐射进电磁炉内的热排出电磁炉外。MCU发出风扇运转指令时，2脚输出高电平，电压通过R38送至Q4基极，Q4饱和导通，+12V电流流过风扇、Q4至地，风扇运转;MCU发出风扇停转指令时，2脚输出低电平，Q4截止，风扇因—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 没有电流流过而停转。 图12-23散热控制系统图 20 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 15) 主电源电路 主电源电路如图12-24所示电路。AC220V 50/60Hz电源经保险丝(fuse)，再由C1滤波 得到300伏左右的直流电压供IGBT加到桥式整流的输入端，整流后的电压通过L1和C2滤波， 工作用;输入的AC220V 50/60Hz电源经保险丝除送至辅助电源使用外，还通过D1、D2整流得到脉动直流电压作检测用途。FNR是压敏电阻，正常工作时其内阻很大，当外界电网有很高尖峰电压干扰过来时，其自身瞬间短路产生很大电流来烧断保险管，起到保护后部电路作用。 图12-24主电源电路 16) 辅助电源电路 辅助电源协助主电源给控制电路提供支流偏置。如图12,25所示，主要包括两部分: (1) 变压器降压电源电路。AC220V 50/60Hz电压接入变压器初级线圈,次级两绕组分别产生13.5V和23V交流电压。13.5V交流电压由D12~D15组成的桥式整流电路整流、C22滤波，在其上获得的直流电压+12V(风扇转动时电压)除供给散热风扇使用外，还经电阻R25降压、—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ DW1三端稳压器稳压、C20滤波,产生+5V电压供控制电路使用。 23V交流电压由D16组成的半波整流、C25滤波后, 再通过由Q3、R36、ZD3、C24、C23组成的串联型稳压滤波电路，产生+20V电压供IC2、IC3和IGBT激励电路使用。 图12-25 辅助电源电路 (2) 开关电源电源电路。开关电源电路如图12-26所示。开关电源部分采用ST公司最 21 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 新推出的集成电路VIPER12A，来实现不同电压的输出。电源接入后通过桥式整流(和整流桥组成)，经过C28电容滤波，在C28两端产生310V的直流电压接到VIPER12A的电压输入脚。输出端通过稳压变压器的方式来得到18V(无负载时37.6V左右)和5V直流电压，为IC和其它外围元件提供电源。 图12-26开关电源电路 17) 报警电路 图12-27 报警电路 18) 小结 根据以上分析，可以得知，微控制器系统采用的S3F9454系列机型功能复杂，电路的各项测控主要由一块8位4KB内存的单片机组成，外围线路简单且零件极少，并设有故障报警、故障代码显示功能，故电路可靠性高，维修容易，维修时根据故障报警指示，对应检修相关单元电路，大部分均可轻易解决。强调的是，微控芯片相同机型控制—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电路原理一样,区别只是零件参数的差异及CPU程序不同而己。 12.3电子信息系统模拟电子电路设计方法 电子信息系统设计分为纯硬件电路设计和结合软件的硬件电路设计两种情况，无论哪种情况，在进行设计时共同点是首先根据给定的设计任务书(或设计题目)，仔细审题，再分析给定的技术指标，并据此展开并最终完成设计。 12.3.1模拟电路设计方法 就一般而言，电子电路的设计方法基本过程包括: (1) 先进行方案设计，再进行工程计算，选择元器件的初始参数。通常满足电路性能指标要求的参数值有多组，需要设计者进行优化，并根据实际情况灵活选择，以确定元器件的具体型号。 22 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 (2) 用CAD工具进行电路性能仿真和优化设计; (3) 绘出所设计的电路原理图; (4) 如果所设计的电路是软硬结合的电路，还要进行程序设计，涉及到智能芯片的开发。 可以概括为:总体方案的设计选择、单元电路设计、元器件的选择和参数的计算、单元 电路级联方法、关键电路仿真与实验、总体电路设计、设计总结与报告书写等过程。 1(总体方案设计 ，不考虑具体的器件。实 的方案框图可以借鉴;根 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 成一个整体，以实现各项选择。一般可用方框图 也就是选择主要原理来 23 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 路的性能指标;其次是要注意各单元电路之间的相互配合和连接，尽最大可能减少电路的复杂性;最后再分别设计各单元电路的结构形式、元器件的选择以及参数计算等。概括设计各单元电路的步骤是:明确要求，选择电路的和计算参数，设计过程中应考虑以下两点 (1) 独立设计为主，已成型的单元电路可以直接应用，但不能盲目照搬，必要时还要进行某些改动，要注意著作权问题。 (2) 要明确电路局部与整体关系。独立单元电路可能从局部考虑更好，但从总局考虑，却不一定合理。因此，设计时从全局出发选择合适的元器件，组合出最好的电路单元。 1) 元器件的选择 好的元器件，因此，选择 主要应考虑的问题是: 进行分析比较。最先考 元器件体积等方面要求。 速发展，集成电路制作 具有一定功能的单元电 图12-28集成电路选择的流程 集成电路的种类很多，总的可分为模拟集成电路、数字集成电路—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 和模数混合集成电路三大类。在细按功能分，模拟集成电路有集成运算放大器、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他专用模拟集成电路等，数字集成电路有集成门电路、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;按集成电路中有源器件的性质又可分为双极型和单极型两种集成电路。同一功能的集成电路可以是双极型的，亦可以是单极型的。双极型与单极型集成电路在性能上的主要差别是双极型器件工作频率高、功耗大、温度特性差、输入电阻小等，而单极型器件正好相反。 2) 元器件件参数的计算 在电子电路设计过程中，需要计算某些参数，作为挑选元器件的依据。具体的要求是:弄清电路原理，运用合理的分析方法，用好计算公式。计算时应注意: (1) 元器件的额定电流、电压、频率和功耗等，应在允许的范围内，在规定的条件下 24 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 能正常工作，并能使电路达到性能标要求，且留有适当余量。 (2) 计算参数时，对于环境温度、电网电压等工作条件应按最不利的情况考虑。对于晶三极管的极限参数，如击穿电压UCEO一般按外接电源电压的1.5倍左右考虑。 在保证电路性能的前提条件下，应尽可能的降低成本、功耗、体—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 积和减少元器件的品种等，并为装配、调试和维修创造便利条件。 3(单元电路之间的级联设计 围匹配、负载能力匹配、 25 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 4(绘图 单元电路和它们之间连接关系确定后，就可以进行总体电路图的绘制。总体电路图是电子电路设计者的智慧结晶，是重要的设计档案文件，也是电路安装和电路板制作等工艺设计的主要依据，更是电路试验和维修时不可缺少的理论文件，因此电路图是极具保存价值的文献资料。因此，尚未通过试验测试，没有经过实践检验与权威论证的设计图不能算是正式的总体电路图。因此，总图绘制过程要经历设计草图、实验验证、实验总图绘制三个阶段。 1) 画出总体电路草图 、工作原理、各部分之间 标准等都应规范统一。 26 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 不同。而且，设计方法也会随科技进步、时代进步而进步。基于此，本段讲述目前最常用的两种方法。 1) 自下而上的设计方法 自下而上的设计是一种试探法，设计者首先将规模大、功能复杂—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 的系统按功能划分成若 能指标只有在系统构成 新设计， 使得设计周期加 1 改编于李高望 陆樨 张江松大学生设计大赛题目 27 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 1) 方案设计 本系统主要由单片机、显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器、电压控制电流源模块、电源等组成。方案设计如下: (1) 单片机的选择。对单片机的要求主要是能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外设功能即可，其他并无特殊要求。常见的单片机有8051系列的单片机、8096系列的单片机、SPCE061A的凌阳单片机等系列。台湾凌阳科技股份有限公司生产的凌阳单片机具有集成度高、易于扩展、中断处理能力较强、指令系统高效等特点，故本设计选择凌阳SPCE061A型16位单片机。 (2) 显示器的选择。对显示器的要求不多，只要能够显示设定的输出电流、实际输出电 示器、液晶显示器或者触 可以显示汉字，人机交 和LCD显示合为一体了，外设精简。故选择触摸 晶屏等，也可以采用红 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 出电流值和(采用 LED 28 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 (a)电源+5V图 (b)25V与?15V电源 图12-29 电源电路 ? 25V与?15V电源是为电流源负载提供功率的电源。在对为电流源负载提供功率的电源进行设计时，我们考虑了两套方案:其一直接采用不稳压的整流电源;其二采用直流稳压电源。考虑到系统对容量的要求以及对纹波电流的要求，选择了用LM317构成的可调稳压电源。其优点是:可以进行预稳压，以提高输出电流对输入交流电源电压变化的稳定度;为压控电流源电路提供具有稳压特性且很小纹波的高质量的工作电源，以有效降低输出电流纹波系数;可以根据输出电压要求合理整定压控电流源电路的工作电压，在LM317和末级功率三极管间分散负担并合理分配功率损耗，方便散热;其电路原理图如图12-30所示。 UO=UREFR2+IADJR2 R1 R2 R1输出调节电路中固定电阻R1取150Ω，此时 UO=1.25(1+ 电位器R2选取10k精密线绕电位器，因整流桥输出为26V直流电，故 Uomax能满足15V需求，经测量，最大可达到21V。输入输出端滤波电容各取2×4700μF，以减小纹波电压，稳定输出电压，增强—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 带负载能力。选取IN5404，可防止输出输入短路时烧毁芯片。 2)电路设计 电路设计采用模块化设计，在设计好个单元电路后在进行搭接。 (1) A/D转换(AD7705)。 ?IO口资源分配如下:DOUT接IOA0，为了使将它的数据更方便的读出来，将它放在第一位，初始化为带上拉电阻的输入口;DRDY接IOA1，初始化为带上拉电阻的输入口;DIN接IOA2，经数据缓存器输出低电平;SCLK接IOA3，经数据缓存器输出低电平;RESET接IOA4，经数据缓存器输出低电平。 ?硬件电路设计。AD7705的引脚连接图见图12-31。由于23脚间的晶振用小的好，这里采用1MHz，加电容效果更佳;CS接地;在电源VDD接触处，加两个滤波电容，一个10μF的电解电容和一个0.1μF的独石电容，以稳压用。芯片的电源供电越稳定，纹波越小，其性能越好，采样值越稳定。 29 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-31 AD7705的引脚连接图 相低电平输出;? SCLK 件电路设计如图12-32 所 图12-32 MAX532的引脚连接图 (3) 压控电流源模块。电压控制的电流源电路如图12-33所示。—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 压控电流源模块主要由比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。 30 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 31 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-34 负载电流电压测量电路 公司的ADS7843，由于 长宽的1/4096 。它是一 图12-35 触摸和显示主电路 3)软件设计 软件设计部分主要是控制触摸屏与显示系统(主程序)两部分。 (1) 主程序流程图。主程序流程如图12-36所示。 (2) A/D转换(AD7705)。AD7705接收数据的流程图与发送数据的流程图，此处不再赘述。但对于编程中需要注意的地方，做以下说明。首先每次对芯片发数据的时候，都要首先对通讯寄存器写数据，否则一切指令无效;其次对于选中芯片，可以有两种方法:?.将CS脚置低;?.将RESET拉低以后再置高，使芯片复位一次。一般情况下选择方案?，但若开 32 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 始转换以后不能停止，而导致数据出错，就必须用方案?。此处—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 我们采用方案?，以防万一;接着在拉低RESET以后，要给予足够的时间让芯片复位，否则复位时间太短也会导致出错。程序中许多延时是必须的，因为AD7705属于低频高精度A/D转换器;最后，系统采用了双通道A/D采样。一通道对康铜电阻采样，目的是为了显示当前电流的输出值。二通道对可变负载电阻两端的电压采样，此处是设计题目的发挥部分，目的是测出了负载两端的电压值，输出的电流又是已知的，从而可以测得负载电阻的当前值。 (3) 触摸屏的程序设计。触摸屏的主程序流程图如图12-37所示。 图12-36 主程序流程图 图12-37 触摸屏程序主循环流程图 4) 性能测试 性能测试主要测试硬件电路关键点电流与电压数值。 (1) 测量仪器。HP34401A数字万用表―高性能数字万用表，可以高精度测量电压与电流。测量电流量程:10mA(只适用于DC)、100mA(只适用于DC)、1A、3A;最高分辨率:10nA(在10mA量程);AC技术:RMS，AC耦合。测量电压量程:100mV、1V、10V、100V或1000V(AC 750V);最大分辨率:100nV(在100mV的量程时);AC技术:RMS及AC耦合测量;示波器―TDS1002，两通道数字存储示波器，最大带宽60MHz，1GS/s。 (2)校准。首先设定值校准。在负载回路中串联接入精密电流表计，设置D/A输出值为4000(12位D/A，对应电流给定值2000mA)，调节反馈增益电位器，使电流源输出2000mA。然后进行测量值校准。在精密电流表计显示2000mA时，调节测量回路增益电位器使单片机—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 显示2000mA。 (3)测量数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。测试设定电流与精密电流表的电流读数， 同时对比单片机的实测电流显示值，记录在表12-3中。 表12-3 测试数据统计 电流设定值Ip/mA 电流实际值Io/mA 单片机显示Is/mA 纹波电 压Vw/mV 15 14.942 14.789 0.13 20 19.921 19.762 0.12 50 49.948 49.792 0.12 80 79.980 79.823 0.11 33 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 100 100.020 99.843 0.13 300 300.04 299.918 0.13 500 500.08 499.929 0.13 1000 999.86 999.665 0.13 1400 1399.8 1399.815 0.14 1800 1799.5 1800.159 0.14 2000 1999.9 2000.493 0.12 2020 2019.9 2020.513 0.13 改变负载电阻，让输出电压从0,10V以内变化时，测出输出电 流变化的绝对值，测试 结果如表12-4所示。 电流变化绝对值/mA 20 0.000 19.944 0.029 0.208 19.915 200 0.032 199.83 0.09 2.090 199.74 2000 0.319 2001.6 0.3 2.077 2001.3 0.2 3.95 2001.1 0.4 6.09 2000.7 0.4 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 8.07 2000.3 0.4 9.98 1999.9 注:由于电阻负载比较小，所以电压范围不大。 (4)(结论 ?Ip为电流设定值。 ? Ia为输出电流与设定值偏差的绝对值，|Ia,Ip,Io| ?P1为偏差绝对值占电流设定值的百分比(题目要求其百分比 要不大于1,)，P1,Ia/Ip×100,; ? Is为单片机显示值，Io为电流实际值，Id为电流实际值与单 片机显示值偏差的绝对 值Id,|Is,Io|。 ? P2为偏差的绝对值占单片机显示值的百分比(题目要求其百 分比不大于0.1%)，P2,Id/Is×100,。 系统数据处理与误差分析见表12-5所示。 表12-5 数据处理和误差分析 电流设定 值Ip/mA 输出电流与设定值偏差的绝对值Ia/mA 偏差占电流设定值的百分比P1/% 电流实际值与单片机显示值的偏差Id/mA 0.153 0.159 0.156 0.157 0.177 0.122 偏差占单片机显示值的百分比P2/% 1.020 0.790 0.312 0.196 0.177 0.040 15 0.058 20 0.079 50 0.052 80 0.020 100 0.020 300 0.040 0.387 0.395 0.104 0.025 0.020 0.013 34 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 500 0.080 1000 0.140 1400 0.200 1800 0.500 2000 0.100 2020 0.100 0.016 0.014 0.014 0.028 0.005 0.005 0.151 0.195 0.015 0.659 0.593 0.613 0.030 0.0195 0.011 0.036 0.0297 0.030 注:计算P1时，未减去1mA，计算P2时未减去3个字。 规定的基本部分和发挥 以上，测量器件采用高精 35 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 图12-38 精度补偿和低端补偿程序框图 注:图中D0即低端补偿值。 (3) 具有负载短路、开路提示和负载电阻计算功能。AD7705的二通道是对可变负载电阻两端的电压采样，目的是测出了负载两端的电压值URL，输出的电流又是已知的I，从而可以测得负载电阻的当前值。可做一个电阻表用。 R,URL/I 7) 结束语 在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行稳定性，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 采取了诸多有效措施，完成了设计任务规定的基本部分和发挥部分的各项要求，达到了发挥部分的各项性能指标，而且有些指标有较大提高，功能也有所扩展。 36 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 12.4 电子电路的计算机辅助分析与设计 电子电路的设计与其他设计一样，通常采用自上而下的设计顺序，即总体设计出发，最后到涉及具体电路。一般的设计过程为:(1)确定总体的设计目标;(2)方案设计;(3)详细设计;(4)调试;(5)印制板制备;(6)整机测试每一步骤并不是完全独立的，在实际的设计过程中，这些步骤经常是交叉进行的。 12.4.1心电信号放大器设计仿真 大器的输出信号送到后 图12,39 心电放大电路仿真原理图 37 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 通过对放大器进行的TIME DOMAIN分析得到波形如下图12-40(a)和12-40(b)所示。 1.0mV0V ?1.0mV0s0.5s V(R1:1,GND_POWER)1.0s Time1.5s2.0s —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 图 12-40 心电放大仿真时域波形 38 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 习题 12.1如图12-39所示集成无线发射芯片框图，内部由哪几部分电路组成,各起什么作用, 12.2 如图12-40所示两种IGBT管子的专用驱动IC，问两种芯片的功能与异同, 图12-39 题12.1图 图12-40 题12.2题图 12.3 怎样分析如图12-41所示50W功放电路, 39 第十二章 模拟电子线读图与设计方法 发挥部分:? 输出电流范围为100mA,2000mA，步进5mA;? 设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值?测量值的0.1,+3个字;?改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值?输出电流值的0.1,+1 mA;? 纹波电流?20mA(用示波器测量取样电阻上的纹波电压，。 纹波电流=纹波电压)取样电阻 图12-43 题12.4图 图12-44 题12.5图 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 12.6 音频功率放大器 (1) 设计说明。设计并制作一台音频功率放大器。 (2) 设计要求。 基本要求:? 自制稳压电源;?频带范围 200Hz —— 10KHz，失真度 < 3%;? 电压增益 >= 20dB;? 输出功率 >= 5 W (8 欧姆负载);? 功率放大电路部分使用分立元件设计。 发挥部分:?增加音调控制电路;? 增加话筒输入接口，灵敏度 5mV，输入阻抗 >> 20欧姆;? 输出功率 >= 20W (8欧姆负载)。 12.6 如何设计数控音量集成音频功率放大器, (1) 技术指标。在音频信号输入正弦波输入电压幅度?800mV，等效负载电阻RL为8?情况下，功率放大器应满足:? 额定功率输出功率:PO?10W;?频率响应:BW?20Hz ~ ;? 在PO100kHz(?3dB);? 在PO和BW内非线性失真系数:?1, (10W,30Hz~20kHz) 下的效率?55%;? 输出阻抗?0.16?; (2) 数控音量调节部分尽量能多档位，并且有LED音量档位指示。 (3) 电源稳压部分不要自制，但要求必须有整流滤波电路。数控音量集成音频功率放大器原理框图如图12-40所示。 图12-47 题12.6图 40 ——————————————————————————————————————