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文档简介

1、1 绪论电子技术课程设计为我们具体接触和了解实际电子电路的设计方法提供了一个综合性工程训练的机会,在内容上、方法上、手段上进行创造性的改革已取得初步成果,激发了学生的学习热情、创作思路,让我们开阔了眼界,初步掌握了电子电路的设计方法,提高了电子电路的设计能力,为今后的毕业设计和从事电子技术方面的开发工作打下了基础。我们通过实践教学环节的训练与锻炼,才能在实践中不断巩固和加深理论知识,提高独立工作能力和创新能力。本次课程设计通过独立完成数字电路的设计任务,加深了自己对理论知识的理解,提高了动手能力,独立分析问题、解决问题能力,协调能力和创造性思维能力。提高了数字电路应用方面的实践技能,树立了严谨

2、的科学作风。通过电路的设计、安装、调试、整理资料等环节,初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能,逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。电子技术是一门实践性很强的课程,加强工程训练,特别是技能的培养,对于培养工程人员的素质和能力具有十分重要的作用。2 软件介绍2.1 Multisim 2001仿真软件介绍 Multisim是加拿大图像交互技术公司(Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用M

3、ultisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工整理可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 目前在各高校教学中普遍使用Multisim2001,网上最为普遍的是Multisim 9,NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件,NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。Multisim 2001仿

4、真软件为用户提供了丰富的元件库和功能齐全和功能齐全的各类虚拟仪器,进入Multisim 2001仿真环境,就如同置身于现代化电子实验室之中,足不出户就可以完成各种各样的电路设计、分析、测试.熟练掌握着中测试平台的应用,既可以节约时间有可以大幅度节约成本动性和创造性。Multisim 2001是EWB软件的最新版本,专门用于电路仿真,是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件,增加了大量的VHDL元件模型,可以仿真更复杂的数字元件,在保留了EWB形象直观等优点的基础上,大大增强了软件的仿真测试和分析功能,大大扩充了元件库中的元件的数目,特别是增加了大量与实际元件对应的元件模型,使得仿真设计的结果更精

5、确、更可靠、更具有实用性动性和创造性。 2.2Multisim 2001软件有以下功能1、具有丰富的元件库。Multisim 2001主元件库提供了一个庞大的元件模型数据库,并且用户通过新增的元件编辑器可以建立自己的元件库。 2、类型齐全的仿真。 在Multisim 2001电路窗口中,既可以分别对数字或模拟电路进行仿真,也可以将数字元件和模拟元件连接在一起进行仿真分析,还可以对射频电路进行仿真。 3、高度集成的操作界面。 Multisim 2001将电路原理图的创建,电路的测试分析和结果的图表显示等,全部集成到同一个电路窗口中。整个操作界面就像一个实验工作台,有存放仿真元件的元件箱,有存放测

6、试仪器仪表的仪器库,有进行仿真分析的各种操作命令。 4、强大的分析功能。 Multisim 2001提供了十几种电路的分析功能,有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析等,可帮助设计者分析电路的性能,大大缩短分析时间。 5、强大的虚拟仪器仪表功能。Multisim 2001提供了双踪示波器、逻辑分析仪、波特图示仪、数字万用表等十多种虚拟仪器、仪表,操作界面如同在实验室中亲手操作仪器一样,可非常方便地用于分析研究和教学,逻辑分析仪、网络分析仪更是一般实验室不可多得的高档仪器。 6、具有VHDLVerilog的设计和仿真功能。Multisim 2001包含了VHDLVerilog

7、的设计和仿真,使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体,突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普遍电路融为一体仿真的缺陷。 7、提供多种输入输出接口。Multisim 2001可以输入由Spice等其他电路仿真软件所创建的Spice网表文件并自动形成相应的电路原理图,可以把Multisim 2001环境下创建的电路原理图文件输出给Protel等常见的PCB软件进行印刷电路板设计,也可以将仿真结果输送到MathCAD和Excel等应用程序中。2.3 介绍ELECTRONICS WORKBENCH EDA(以下简称EWB):EWB软件是交互图像技术XXX

8、(INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd)在九十年代初推出的EDA软件,但在国内开始使用却是近几年的事,现在普遍使用的是在WIN95环境下工作的EWB5.0(在国内曾见过6.0的演示版,注:EWB5.0也可以在WINDOWS3.1环境下使用,但需安装WING32工具),相对其它EDA软件而言,它是个较小巧的软件,只有16M,功能也比较单一,就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真,但你绝对不可小瞧它,它的仿真功能十分强大,可以几乎100地仿真出真实电路的结果,而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具,它的器件

9、库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片,器件库中没有的元器件,还可以由外部模块导入,在众多的电路仿真软件中,EWB是最容易上手的,它的工作界面非常直观,原理图和各种工具都在同一个窗口内,未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件,对于电子设计工整理来说,它是个极好的EDA工具,许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果,而且若想更换元器件或改变元器件参数,只需点点鼠标即可,它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用,利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB的兼容性也较好,其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式,该软件只有英文版,在中文版的WI

10、NDOWS98下它的一些图标会偏移两个位置(在WINDOWS95下正常),但不影响它的使用,由于EWB的容量小,而且直接拷贝到别的机子上就可以使用, EWB是一种电子电路计算机仿真软件,它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室,英文全称为Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的,自发布以来,已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心,增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本,SPICE自1972年使用以来,已经成为模拟集成

11、电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上,它具有以下突出的特点:采用直观的图形界面创建电路:在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台,绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取;软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似,可以实时显示测量结果。EWB软件带有丰富的电路元件库,提供多种电路分析方法。作为设计工具,它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。EWB还是一个优秀的电子技术训练工具,利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验,仿真电路的实际运行情况,熟悉常用电子仪器测量方法。2.4 protel软件介绍PROTEL是PORTEL公

12、司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到PROTEL99(网络上可下载到它的测试板),是个庞

13、大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server (客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。在国内PROTEL软件较易买到,有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础。2005年年底,Protel软件

14、的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。 Altium Designer 6.0,它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本,也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件(如FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品,一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案,具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。 3 555定时器 3.1 555定时器介绍 555 定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电

15、容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器,三个等值串联电阻,一个 RS 触发器,一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。555 定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽(双极型 555 定时器为 5 16 V,CMOS 555 定时器为 3 18 V),可提供与 TTL 及 CMOS 数字电路兼容的接口电平,还可输出一定功率,驱动微电机、指示灯、扬声器等。 555定时器是一种中规模集成电路

16、,外形为双列直插8脚结构,体积很小,使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件,就可以构成史密特触发单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路,555定时器有二个比较器A1和A2,有一个RS触发器,R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用,起缓冲作用。三极管VT2是放电管,将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器,由此可以获得 1/3VCC和2/3VCC

17、两个分压值,一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND,2脚是低触发端TL,3脚是输出端OUT,4脚是清除端Rd,5脚是电压控制端CV,6脚是高触发端TH,7脚是放电端DIS,8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA,因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载,如继电器、扬声器、发光二极管等。当TH高触发端6脚加入的电平大于2/3VCC ,TL低触发端2脚的电平大于 1/3VCC时,比较器A1输出高电平,比较器A2输出低电平,触发器置“0”,放电管饱和,7脚为低电平。 3.2 555定时器的应用555的应用:构成施密特触发器,用于TTL系统的接口,整形电路或脉冲鉴幅等;

18、构成多谐振荡器,组成信号产生电路;构成单稳态触发器,用于定时延时整形及一些定时开关中。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路,如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压,当 5 脚悬空时,则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3,A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3,则比较器 A2 的输出为

19、 1,可使 RS 触发器置 1,使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3,同时 TR 端的电压大于VCC /3,则 A1 的输出为 1,A2 的输出为 0,可将 RS 触发器置 0,使输出为 0 电平。3.3史密特触发器 由555定时器组成的史密特触发器,在数字电路中用于脉冲信号的整形。当输入Vi是不规则信号时,经史密特触发器处理后,输出为规则的方波;将史密特触发器用于数据通讯电路中,具有一定的抗干扰能力。若Vi端 (即555的2、6脚)输入三角波(或正弦波)及其它不规则的波形,则在输出端VO(3脚)输出幅值恒定的方波。史密特触发器是一种具有双阈值(VT、VT)的比

20、较器电路,(如果在VCO端接入RW,则可调节阈值)。 工作原理:在不接入RW时,VT=,VT=。因为Vi端与TH和端连接,所以:Vi=VTH=VTR 。由分析可知:Vi < VT 时,VTH = 0, VTR = 0,555定时器“低触发”,VO为高电平。VT< Vi < VT 时,VTH=0,VTR=1,555定时器“保持”,VO保持。Vi > VT 时,VTH = 1,VTR = 1,555定时器“高触发”,VO为低电平。3.4单稳态触发器单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前,触发器处于稳定状态,经触发后,触发器由稳定状态翻转为暂稳状态,暂稳状态保持一段

21、时间后,又会自动翻转回原来的稳定状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度(TW):将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后,可输出脉宽一致的脉冲信号。另外,单稳态触发器也常用于定时器电路中,调整RC的值可以得到不同的定时值。单稳态触发器采用电阻、电容组成RC定时电路,用于调节输出信号的脉冲宽度TW。Vi接555定时器的端,其工作原理如下: 稳态(触发前):Vi为高电平时,VTR=1,输出VO为低电平,放电管T导通,定时电容器C上的电压(6、7脚电压)VC = VTH = 0 ,555定时器工作在“保持”态。 触发:在Vi端输入低电平信号,555

22、定时器的端为低电平,电路被“低触发”,Q端输出高电平信号,同时,放电管T截止,定时电容器C经(R+RW)充电,VC逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中,如果Vi恢复为高电平(VTR=1),但VC充电尚未达到VCC时(VTH=0),555定时器工作在保持状态,VO为高电平,T截止,电容器继续充电。 恢复稳态:经过一定时间后,电容器充电至VC略大于VCC ,因VTH>VCC使555定时器“高触发”,VO跳转为低电平,放电管T导通,电容器经T放电,VC迅速降为0V,这时,VTR=1,VTH=0,555定时器恢复“保持”态。 高电平脉冲的脉宽TW:当VO输出高电平时,放电管T截止,电容器开始充电

23、,在电容器上的电压<VCC这段时间,VO一直是高电平。因此,脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC=VCC的这段暂稳态时间。脉冲宽度计算公式:Tw1.1(R+RW)C。产生窄负脉冲用的“微分电路”。3.5多谐振荡器 自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成RC定时电路,用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C,可得到不同的时间常数;还可产生周期和脉宽可变的方波输出。 脉冲宽度计算公式:Tw0.7 (R1+RW+R2) C 振荡周期计算公式:T0.7 (R1+RW+2R2) C分析方法与单稳态电路相似,但电容器C的充电电阻是R1+RW+R2 ,放电电阻是R2 。当VC是

24、低电平时,555定时器低触发,VO为高电平,放电管T截止,电容器经(R1+RW+R2)充电,当充电至VC=VTH>VCC时,电路高触发,输出VO变为低电平,放电管T导通,电容器经R2放电,当放电至VC=VTR<VCC时,电路又进入低触发,VO变为高电平,如此周而复始,循环不止,输出连续脉冲信号。4 设计方案4.1设计目的1. 了解并掌握电路的一般设计方法,具备初步的独立设计能力。2. 学习protel绘图软件和EWB或其他仿真软件。4.2设计内容用555定时器设计一个楼梯灯的开关控制电路,要求上下楼梯口均有一个灯开关,无论上楼和下楼只要按一下灯开关即可点亮2分钟。(路灯可用发光二极管代替) 4.3电路原理图4.4仿真波形图5 课程设计总结本次课

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