【正文】 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 書 唐治德 夏鳴風(fēng) 申利平 熊蘭 汪金剛 呂宗偉 楊子康 電氣工程學(xué)院 2020 年 4 月 2 目 錄 1． 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí) …………………………… .3 2． 課程設(shè)計(jì)專題 ……………………………………………… 7 1 直流數(shù)字電壓表 唐治德 2 數(shù)字電子鐘 唐治德 3 交直流 多功能 LED 燈電路的設(shè)計(jì) 夏鳴風(fēng) 4 紅外線數(shù)字轉(zhuǎn)速表 夏鳴風(fēng) 5 足球比賽換人顯示牌的設(shè)計(jì) 夏鳴風(fēng) 6 數(shù)字式競(jìng)賽搶答器 (參考實(shí)驗(yàn)書 的實(shí)驗(yàn)八 ) 申利平 7 電子密碼鎖 申利平 8 數(shù)控溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 汪金剛 9 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 汪金剛 10 交通燈控制電路的設(shè)計(jì) (見實(shí)驗(yàn)書的實(shí)驗(yàn)九 ) 楊子康 11 自動(dòng)售貨機(jī) 呂宗偉 12 基于 PSPICE的巴特沃斯濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì) 呂宗偉 3. 電子技術(shù)（ II）課程設(shè)計(jì)級(jí)報(bào)名表 …………………… .51 4. 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)要求 ………………………………… .. 52 3 一．電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí) 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)包括選擇課題、電子電路設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試和總結(jié)報(bào)告等 教學(xué)環(huán)節(jié)。這里介紹課程設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)。 １－１ 電子電路設(shè)計(jì)方法 在設(shè)計(jì)一個(gè)電子電路系統(tǒng)時(shí)，首先必須明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)進(jìn)行方案選擇，然后對(duì)方案中的各部分進(jìn)行單元電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇，最后將各部分連接在一起，畫出一個(gè)符合設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)電路圖。 一、 明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求 對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行具體分析，充分了解系統(tǒng)的性能、指標(biāo)、內(nèi)容及要求，以便明確系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)。 二、 方案選擇 把系統(tǒng)要完成的任務(wù)分解為若干個(gè)單元電路，并畫出一個(gè)能表示各單元功能的整機(jī)原理框圖。 方案選擇的重要任務(wù)是根據(jù)掌握的知識(shí)和 資料，針對(duì)系統(tǒng)提出的任務(wù)、要求和條件，完成系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。在此過程中要敢于探索，勇于創(chuàng)新，爭(zhēng)取方案的設(shè)計(jì)合理、可靠、經(jīng)濟(jì)、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)。并且對(duì)方案要不斷進(jìn)行可行性和優(yōu)缺點(diǎn)的分析，最后設(shè)計(jì)出一個(gè)完整框圖。 三、 單元電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)和功能框圖，明確各部分任務(wù)，進(jìn)行各單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇。 １． 單元電路的設(shè)計(jì) 單元電路是整機(jī)的一部分，只有把單元電路設(shè)計(jì)好才能提高整機(jī)設(shè)計(jì)水平。 每個(gè)單元電路設(shè)計(jì)前都需明確本單元電路的任務(wù)，詳細(xì)擬訂出單元電路的性能指標(biāo)，與前后級(jí)之間的聯(lián)系，分析 電路的組成形式。具體設(shè)計(jì)時(shí)，可以模仿成熟的先進(jìn)的電路，也可以創(chuàng)新或改進(jìn)，但都必須保證性能要求。而且，不僅單元電路本身要求設(shè)計(jì)合理，各單元電路間也要互相配合，注意各部分的輸入、輸出信號(hào)和控制信號(hào)的關(guān)系。 ２． 參數(shù)計(jì)算 為保證單元電路達(dá)到功能指標(biāo)要求，就需要用電子技術(shù)知識(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，例如放大電路中各電阻值、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，正確利用計(jì)算公式，計(jì)算的參數(shù)才能滿足設(shè)計(jì)要求。 計(jì)算參數(shù)時(shí)，同一個(gè)電路可能有幾組數(shù)據(jù)，注意選擇一組能完成電路設(shè)計(jì)功能、在實(shí)踐中真正可 行的參數(shù)。 計(jì)算電路參數(shù)時(shí)應(yīng)注意下列問題： （ 1） 元器件的工作電流、電壓、頻率和功耗參數(shù)應(yīng)能滿足電路指標(biāo)的要求。 （ 2） 元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的裕量，一般應(yīng)大于額定值的 .5 倍。 （ 3） 電阻和電容的參數(shù)應(yīng)選計(jì)算值附近的標(biāo)稱值。 4 ３． 器件選擇 （ 1） 阻容元件的選擇 注意功耗、容量、頻率和耐壓范圍是否滿足要求。 （ 2） 分立元件的選擇 包括二極管、雙極型三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、光電二（三）極管等。根據(jù)他們的用途分別進(jìn)行選擇。 （ 3） 集成電路的選擇 根據(jù)電路功能、性能指標(biāo)選擇集成電路。注意集成電路的功耗、電源電壓、工作速度是否滿足設(shè)計(jì)要求。 通過查閱 有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，進(jìn)行元器件的選擇。 四、 電路圖的繪制 電路圖通常是在系統(tǒng)框圖、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇的基礎(chǔ)上繪制的，它是電路組裝、調(diào)試和維修的依據(jù)。繪制電路圖時(shí)，注意以下幾點(diǎn)： （ 1） 元器件布局合理、排列均勻、圖面清晰、便于閱讀。 （ 2） 注意信號(hào)流向。一般從輸入端或信號(hào)源開始，由左至右或上至下按信號(hào)的流向依次畫出各單元電路，而反饋通路的信號(hào)流向則與此相反。 （ 3） 圖形符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)標(biāo)注。 （ 4） 連線應(yīng)為直線，盡量少交叉和折彎。 理論設(shè)計(jì)的電路必須進(jìn)行組裝、調(diào)試和測(cè)試，檢查電路能否滿足設(shè)計(jì)功能和性能要求。 １－２ 電子電路的組裝 、調(diào)試與總結(jié) 電子電路設(shè)計(jì)好后，便可進(jìn)行組裝、調(diào)試，最后對(duì)課題內(nèi)容進(jìn)行全面總結(jié) 一、 電子電路的組裝 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)中組裝 2電路通常采用焊接和在面包板上插接兩種方式。焊接組裝可提高學(xué)生焊接技術(shù)，但器件可重復(fù)利用率低。在面包板上無器件組裝便于插接且電路便于調(diào)長工，并可提高器件重復(fù)利用率。下面介紹在面包板上用插接方式組裝電路的方法。 1． 集成電路的裝插 插接集成電路時(shí)首先應(yīng)認(rèn)清方向，不要倒插，所有集成電路的插入方向要保持一致，注意管腳不能彎曲。 2． 元器件的位置 根據(jù)電路圖的各部分功能確定元器件在面包板上的位置，并按倍 民的流向?qū)⒃骷樀剡B接，以易于調(diào)試。 3． 導(dǎo)線的選用和連接 導(dǎo)線直徑應(yīng)和面包板插孔直徑相一致，過粗會(huì)損壞插孔，過細(xì)則與插孔接觸不良。 為檢查電路的方便，根據(jù)不同用途，導(dǎo)線可以選用不同的顏色。一般習(xí)慣是正電源用紅線，負(fù)電源用藍(lán)線，地線用黑線，信號(hào)線用其他顏色的線等。 連接用的導(dǎo)線要求緊貼在面包板上，避免接觸不良。連線不允許跨接在集成電路上，一般從集成電路周圍通過，盡量做到橫平豎直，這樣便于查線和更換器件。 組裝電路時(shí)注意，電路之間要共地。正確的組裝方法和合理的布局，不僅使電路整齊美觀，而且能提高電路工作的可靠性 ，便于檢查和排除故障。 5 二、 電子電路的調(diào)試 通常有以下兩種調(diào)試電路的方法： 第一種是采用邊安裝邊調(diào)試的方法。把一個(gè)總電路按框圖上的功能分成若干單元電路分別進(jìn)行安裝和調(diào)試，在完成各單元電路調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大安裝和調(diào)試的范圍，最后完成整機(jī)調(diào)試。對(duì)于新設(shè)計(jì)的電路，此方法既便于調(diào)試，又可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。該方法適于課程設(shè)計(jì)中采用。 第二種方法是整個(gè)電路安裝完畢，實(shí)行一次性調(diào)試。這種方法適于定型新產(chǎn)品。 調(diào)試時(shí)應(yīng)注意做好調(diào)試記錄，準(zhǔn)確記錄電路各部分的測(cè)試數(shù)據(jù)和波形，以便于分析和運(yùn)行時(shí)參考。 一般調(diào)試步驟如下： 1． 通電 檢查 電路安裝完畢，首先直觀檢查電路各部分接線是否正確，檢查電源、地線、信號(hào)線、元器件引腳之間有無短路，器件有無接錯(cuò)。 2． 通電檢查 接入電路所要求的電源電壓，觀察電路中各部分器件有無異?，F(xiàn)象。如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，則應(yīng)立即關(guān)斷電源，待排隊(duì)故障后方可重新通電。 3． 單元電路調(diào)試 在調(diào)試單元電路時(shí)應(yīng)明確本部分的調(diào)試要求，按調(diào)試要求測(cè)試性能指標(biāo)和觀察波形。調(diào)試順序按信號(hào)的流向進(jìn)行，這樣可以把前面調(diào)試過的輸出信號(hào)作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，為最后的整機(jī)聯(lián)調(diào)創(chuàng)造條件。電路調(diào)試包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試，通過調(diào)試掌握必要的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象，然 后對(duì)電路進(jìn)行分析、判斷、排除故障，完成調(diào)試標(biāo)要求。 4． 整機(jī)聯(lián)調(diào) 各單元電路調(diào)試過錯(cuò)成后就為整機(jī)調(diào)試打下了基礎(chǔ)。整機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)應(yīng)觀察各單元電路連接后各級(jí)之間的信號(hào)關(guān)系，主要觀察動(dòng)態(tài)結(jié)果，檢查電路的性能和參數(shù)，分析測(cè)量的數(shù)據(jù)和波形是否符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障和問題及時(shí)采取處理措施。 電路故障的排隊(duì)可以按下述 8 種方法進(jìn)行： 信號(hào)尋跡法 尋找電路故障時(shí)，一般可以按信號(hào)的流程逐級(jí)進(jìn)行。從電路的輸入端加入適當(dāng)?shù)男盘?hào)，用示波器或電壓表等儀器逐級(jí)檢查信號(hào)在電路內(nèi)各部分偉輸?shù)那闆r，根據(jù)電路的工作原理分析電路的功能是否正常，如果 有問題，應(yīng)及時(shí)處理。調(diào)試電路時(shí)也可從輸出級(jí)向輸入能倒推進(jìn)行，信號(hào)從最后一級(jí)電路的輸入端，繼續(xù)進(jìn)行檢查。這里所指的“適當(dāng)信號(hào)”是指頻率、電壓幅值等參數(shù)應(yīng)滿足電路要求，這樣才能使調(diào)試順利進(jìn)行。 對(duì)分法 把有故障的電路分為兩部分，先檢測(cè)這兩部分中究竟是哪部分有故障，然后再對(duì)有故障的部分對(duì)分檢測(cè)，一直到找出故障為止。采用“對(duì)分法”可減少調(diào)試工作量。 分割測(cè)試法 對(duì)于一些有反饋的環(huán)形電路，如振蕩器、穩(wěn)壓器等電路，它們各級(jí)的工作情況互相牽連，這時(shí)可采取分割環(huán)路方法，將反饋環(huán)去掉，然后逐級(jí)檢查，可更快地查出故障部分。 對(duì)自激振蕩現(xiàn)象也可以用此法檢查。 電容器旁路法 如遇電路發(fā)生自激振蕩或寄生調(diào)幅等故障，檢測(cè)時(shí)可用一只容量較大的電容器并聯(lián)到故障電路的輸入或輸出端，觀察對(duì)故障現(xiàn)象的影響，據(jù)此分析故障的部位。在放大電路中，旁路電容失效或開路，使仙反饋加強(qiáng)，輸出量下降，此時(shí)用適當(dāng)?shù)碾娙莶? 6 聯(lián)在旁路電容兩端，就可以看到輸出幅度恢復(fù)正常，也就可斷定旁路電容的問題。這種檢查可能要多處試驗(yàn)才有結(jié)果。這時(shí)要細(xì)心分析可能引起故障的原因。這種方法也用來檢查電源濾波和去耦電路的故障。 對(duì)比法 將有總是的電路狀態(tài)、參數(shù)與相同的正常電路進(jìn)行逐項(xiàng)對(duì) 比。此方法可以較快地從異常的能數(shù)中分析出故障。 替代法 把已調(diào)試好的單元電路代替有故障或有疑問的相同的單元電路（注意共地），這樣可以很快判斷故障部位。有時(shí)元器件的故障不很明顯，如電容漏電、電阻變質(zhì)、晶體管和集成電路性能下降等，這時(shí)用相同規(guī)格的優(yōu)質(zhì)元器件逐一替代實(shí)驗(yàn)，就可以具體地判斷故障點(diǎn)，加快查找故障點(diǎn)的速度，提高調(diào)試效率。 靜態(tài)測(cè)試法 故障部位找到后，要確定是哪一個(gè)或哪幾個(gè)元件有問題，最常用的就是靜態(tài)測(cè)試法和動(dòng)態(tài)測(cè)試法。靜態(tài)測(cè)試法是用萬用表測(cè)試電阻值、電容漏電、電路是否斷路或短路，晶體客和集成電路的各 引腳電壓是否正常等。這種測(cè)試是在電路不加信號(hào)時(shí)進(jìn)行的，所以叫靜態(tài)測(cè)試。通過這種測(cè)試可發(fā)現(xiàn)元器件的故障。 動(dòng)態(tài)測(cè)試法 當(dāng)靜態(tài)測(cè)試還不能發(fā)現(xiàn)故障原因時(shí)，可以采用動(dòng)態(tài)測(cè)試法。測(cè)試時(shí)在電路輸入端加上適當(dāng)?shù)男盘?hào)再測(cè)試元器件的工作情況，觀察電路的工作狀況，分析、判別故障原因。 組裝電路要認(rèn)真細(xì)心，要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。安裝電路要注意布局合理。調(diào)試電路要注意正確使用測(cè)量儀器，系統(tǒng)各部分要“共地”調(diào)試過程中不斷跟蹤和記錄觀察的現(xiàn)象、測(cè)量的數(shù)據(jù)和波形。通過組裝調(diào)試電路，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提高設(shè)計(jì)水平，圓滿完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 三、 課 程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告 課程設(shè)計(jì)的總結(jié)報(bào)告是對(duì)學(xué)生寫科學(xué)論文和科研總結(jié)報(bào)告的能力訓(xùn)練。通過寫報(bào)告，不僅把設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試的內(nèi)容進(jìn)行全面總結(jié)，而且把實(shí)踐內(nèi)容上升到理論高度?？偨Y(jié)報(bào)告應(yīng)包括以下幾點(diǎn)： （ 1） 課題名稱。 （ 2） 內(nèi)容摘要。 （ 3） 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求。 （ 4） 比較和選定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)框圖。 （ 5） 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇。 （ 6） 畫出完整的電路圖，并說明電路工作原理。 （ 7） 組裝調(diào)試的內(nèi)容。包括： ① 使用的主要儀器和儀表。 ② 調(diào)試電路方法和技巧。 ③ 測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形并與計(jì)劃處結(jié)果比較分析。 ④ 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法。 （ 8） 總結(jié)設(shè)計(jì)電路的優(yōu) 缺點(diǎn)，指出課題的核心及價(jià)值，提出改進(jìn)意見和展望。 （ 9） 列出系統(tǒng)需要的元器件。 （ 10） 列出參考文獻(xiàn)。 （ 11） 收獲、體會(huì)。 7 二．課程設(shè)計(jì)專題 2． 1 直流數(shù)字電壓表 一、 目的 1) 掌握雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換的工作原理和集成雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器件的設(shè)計(jì)方法 2) 掌握常用數(shù)字集成電路的功能和使用。 二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 1) 設(shè)計(jì)直流數(shù)字電壓表； 2) 直流電壓測(cè)量范圍： 0V~， 0V~， 0V~， 0V~1999V。 3) 直流輸入電阻大于 100kΩ。 4) 畫出完整的設(shè)計(jì)電路圖 ,寫出總結(jié)報(bào)告 。 5) 選做內(nèi)容：自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。 三、 工作原理及框圖 直流數(shù)字電壓表測(cè)量電路、雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路電路、數(shù)碼顯示電路和量程轉(zhuǎn)換電路組成，原理框圖如圖 1 所示。 測(cè)量電路和量程轉(zhuǎn)換將寬范圍的輸入直流電壓變換為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入電壓范圍的直流電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送數(shù)碼顯示電路顯示測(cè)量值。 雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）是間接型 ADC。它將取樣電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時(shí)間寬度，在此期間允許計(jì)數(shù)器對(duì)周期脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)就是取樣電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 圖 2是雙積分 ADC的電路原理圖。電路主要由積 分器、比較器、計(jì)數(shù)器、 JK觸發(fā)器和控制開關(guān)組成。由 JK 觸發(fā)器的輸出 QS控制單刀雙置開關(guān)選擇積分器的輸入電壓。當(dāng) QS=0時(shí)，積分器對(duì)取樣電壓 )( SI nTv 做定時(shí)積分；當(dāng) QS=1 時(shí)，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓 VREF做定壓積分。 )( SI nTv 與 VREF電壓極性相反，這里設(shè)取樣電壓 )( SI nTv 為正，則 VREF為負(fù) 。 測(cè)量電路 雙積分模數(shù) 轉(zhuǎn)換 數(shù)碼顯示 圖 1 直流數(shù)字電壓表原理框圖 Ui 量程轉(zhuǎn)換 Ui1 8