应用电子设计

应用电子设计第1页/共92页参考书余小平奚大顺电子系统设计——基础篇北京航空航天大学出版社第2页/共92页教学计划第一次课：基础知识的讲解及题目的分析要求下来查找资料设计单元电路第二次课：PROTEL软件的讲解2个学时，2个学时上机和检查单元电路设计。第三次课：课题单元电路及系统设计(一)第四次课：课题单元电路及系统设计(二)第五次课：制PCB板及焊接第六次课：整机安装与调试第七次课：整机安装与调试及验收第八次课：整机安装与调试及作品验收与答辩实验报告撰写在课外进行第3页/共92页课程设计成绩评定标准及说明：成绩构成：方案选择与电路设计质量20％、作品制作质量30%、课题检查答辩20％、设计报告30％。注意：打分为百分制；缺席一次扣总分10分；一次座位未整理及仪器电源未关扣总分5分。成绩考核办法第4页/共92页培养查阅资料的能力。培养工艺素质。培养市场素质。培养团队精神。5.培养综合设计和实践能力。课程目的：第5页/共92页

课程设计是电子信息类专业必修的一门技术基础课，是一门理论和实践紧密结合的课程。课程设计是利用基本电子电路原理，设计、制作出合乎要求的电子装置的过程。他是考察学生电子技术基本应用技能、实践创新能力的重要实践过程。主要侧重以下方面：设计内容具有实际意义和应用背景，并考虑到目前教学的基本内容和新技术的应用趋势。学习者综合运用基础知识进行理论设计的能力、创新精神和独立工作能力。1.1电子技术（系统）课程设计的性质和目的第一讲电子电路设计基础第6页/共92页1.2电子系统设计的基本原则满足系统功能和性能的要求。这是电子电路系统设计时必须满足的基本条件。电路简单，成本低，体积小。系统集成技术是简化系统电路的最好方法。电磁兼容性好。电磁兼容特性是现代电子电路的基本要求。可靠性高、性价比高。系统的集成度高、节能。调试简单方便。生产工艺简单。

第7页/共92页1.3电子系统设计步骤调查研究→方案选择与可行性论证→单元电路设计和元器件选择→生成PCB图→组装与调试→编写设计文档与总结报告第8页/共92页1.4电子电路设计的设计方法—自顶向下第9页/共92页1、明确系统设计任务和要求对设计任务分析，了解性能、指标、内容及要求。这点十分重要，充分理解题目的要求、每项指标的含义，这是完成综合设计和实验的前提。2、制订方案与构筑总体框图

对于同一个题目，实现的方案可能是多个，实现的途径和技术路线也可能是多方面的。可以将不同的方案与途径加以对比。从中选择一种方案来实现。选择的原则一般是“相对容易，相对巧妙，性价比高”。1.4电子电路设计的设计方法—自顶向下第10页/共92页3、单元电路设计

设计单元电路的一般方法和步骤如下：

(1)根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对各单元电路的设计要求，拟定主要单元电路的性能指标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系。

(2)拟定好各单元电路的要求后，按信号流程顺序分别设计各单元电路。

第11页/共92页（3）选择单元电路的组成形式。一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识，开阔眼界，（4）从已掌握的知识和了解的各种电路中选择一个合适的电路。如确实找不到性能指标完全满足要求的电路时，也可选用与设计要求比较接近的电路，然后调整电路参数。（5）在单元电路的设计中特别要注意保证各功能块协调一致地工作。第12页/共92页

此外还要注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到各单元电路的供电电源尽可能统一，以便使整个电子系统简单可靠。另外，尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能。有时找不到完全满足要求的现成电路，可在与设计要求比较接近的某电路基础上适当改进，或自己进行创造性设计。为了使电子系统的体积小，可靠性高，电路单元尽可能用集成电路组成。第13页/共92页

选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面来考虑。所谓“需要什么”是指根据具体问题的要求所选择的方案需要什么样的元器件，即每个元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标。所谓“有什么”是指有哪些元器件，哪些在市场上能买得到，它们的性能如何、价格如何、体积多大等。众所周知，电子元器件的种类繁多，而且不断出现新产品，这就需要用户经常关心元器件的新信息和新动向，多查资料。大量了解各种元器件特性、规格、参数、价格。一般优先选用集成电路。建议：在保证电路性能的前提下，尽量选用常见的、通用性好的、价格相对低廉、手头有的或容易买到的。4、器件的选择第14页/共92页应该根据器件自身特性和电路要求选择合适的器件。（如工作频率、功率、工作电压等其他指标，可以参阅器件技术手册）一般情况下，在元、器件选择方面，建议在保证电路性能的前提下，尽量选用常见的、通用性好的、价格相对低廉、手头有的或容易买到的。尽量采用集成电路和新器件将可起到事半功倍的效果。一切从实际需求出发，将分壹元件与集成电路巧妙地结合起来，而且尽量应用集成电路，以使系统简化，体积小，可靠性提高。第15页/共92页在元器件应用中，必须注意以下几个方面：

①电源电压的范围是多少？是单电源供电还是需要双电源供电？这点十分重要。若不注意，将+3.3V电源的器件加+5v，将+5V器件加+9V，甚至更高，那器件是必烧无疑。②注意元器件的主要技术指标。不要以为只要是运放就能作放大器、滤波器。例如要求做一个2MHz带宽的放大器，如果选用LM741，结果无论如何都达不到要求，因为LM741的单位增益带宽积只有1MHz。③元器件互相之间的电平匹配如何？④元器件的输入阻抗，允许的输入电压、电流范围以及输出驱动负载的能力等等。如音频功放LM386是不能推动0.5W以上的负载。这一方面会涉及器件的安全，另一方面又可能影响到系统的某些指标能否达到。第16页/共92页

为保证单元电路达到功能指标要求，常需计算某些参数。例如放大器电路中各电阻值、放大倍数，振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。一般来说，计算参数应注意以下几点：(1)各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许的范围内，并留有适当的裕量.(2)对于环境温度、交流电网电压等工作条件，计算参数时应按最不利的情况考虑。5、参数计算第17页/共92页（3）涉及元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般按1.5倍左右考虑。

（4）对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值。电阻值一般在1M欧姆内选择；非电解电容器一般在100pF～0.47uF选择；电解电容一般在1uF～2000uF范围内选用。（5）在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。第18页/共92页

随着计算机的普及和EDA技术的发展，电子电路设计中的实验演变为仿真和实验相结合。仿真具有下列优越之处：(1)对电路中只能依据经验来确定的元器件参数，用电路仿真的方法很容易确定，而且电路的参数容易调整。(2)由于设计的电路中可能存在错误，或者在搭接电路时出错，可能损坏元器件，或者在调试中损坏仪器，从而造成经济损失。而电路仿真中也会损坏元器件或仪器，但不会造成经济损失。(3)电路仿真不受工作场地、仪器设备、元器件品种、数量的限制。

6、计算机仿真和实验验证第19页/共92页

尽管电路仿真有诸多优点，但其仍然不能完全代替实验。对于电路中关键部分或采用新技术、新电路、新器件的部分，一定要进行实验最终确定可行方案。仿真和实验验证要完成以下任务：①检查各元器件的性能、参数、质量能否满足设计要求。②检查各单元电路的功能和指标是否达到设计要求。③检查各个接口电路是否起到应有的作用。④把各单元电路组合起来，检查总体电路的功能、性能是否最佳。第20页/共92页7、电路图的绘制

总体电路图是在总框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印刷电路板设计和维修的依据。目前绘电路图一般是在计算机上利用绘图软件完成。绘制电路图时主要注意以下几点：（1）总体电路图尽可能画在同一张图纸上；同时注意信号的流向，一般从输入端画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路；对于电路图比较复杂的，应将主电路图画在一张图上，而将其余的单元电路画在一张或数张图纸上，并在各图所有端口两端标注上标号，依次说明各图纸之间的连线关系。第21页/共92页（2）注意总体电路图的紧凑和协调，要求布局合理，排列均匀。图中元器件的符号应标准化，元件符号旁边应标出型号和参数。集成电路通常用方框表示，在方框内标出它的型号，在方框的边线两侧标出每根连线的功能和管脚号。（3）连线一般画成水平线和垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。对于相互交叉的线，应在交叉处用圆点标出。对于连接电源负极的连线，一般用接地符号表示；对于连接电源正极的连线，仅需标出电源的电压值即可。第22页/共92页

撰写课程设计的总结报告是对学生写科学论文和科研总结报告的能力训练，通过编写设计报告，不仅把设计、组装、调试的内容进行全面总结，以提高学生的文字组织表达能力，而且也把实践内容上升到理论高度。从设计报告中可以反映出设计人员的知识水平和层次。

8、课程设计报告第23页/共92页

课程设计结束后要在规定的时间内交一份设计总结报告

总结报告的首页包括课题名称、课程设计时间、使用仪器及编号、学生姓名、班级和指导教师等。

设计总结报告内容包括：

(1)课题名称；

(2)内容摘要；

(3)设计指标(要求)；

(4)系统框图；

(5)各单元电路设计、参数计算和元器件选择；

(6)画出完整的电路图，并说明电路的工作原理；

第24页/共92页(7)组装调试；包括使用的主要仪器、仪表，调试电路的方法和技巧、测试的数据和波形并与计算结果比较分析，调试中出现的故障、原因及排除方法；(8)实际PCB图或布线图；(9)电路的特点和方案的优缺点，提出改进意见和展望；(10)设计结果与数据处理；(11)列出参考文献；(12)课程设计报告的设计观点、理论分析、方案结论、计算等必须正确，尽量做到纲目分明、逻辑清楚、内容充实、轻重得当、文字通顺、图样清晰规范。第25页/共92页

电子系统是指由电子元件和电子单元电路相互连接、相互作用而形成的电路整体，能按特定的控制信号，去执行所设想的功能。(1)模拟电子系统

模拟电子系统的主要功能是对模拟信号进行检测、处理、变换和产生。模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定的动态范围内可能任意取值。这些信号可以是电量（如电压、电流等），也可以是来自传感器的非电量（如应变、温度、压力、流量等）。组成模拟电子系统的主要单元电路有放大电路、滤波电路、信号变换电路、驱动电路等。图2.1.1为低频功率扩音系统方框图，它由话筒、音频放大器、扬声器和电源组成。1.5、模拟、数字电路系统设计要点第26页/共92页(2)数字电子系统

由若干数字电路和逻辑部件组成，处理及传送数字信号的设备称为数字系统。数字信号的特点是不随时间作连续变化。一个复杂的数字电子系统可分解为控制器加若干个子系统。这些子系统完成的逻辑功能比较单一，一般由中、大规模集成电路实现，如存储器、译码器、数据选择器、加法器、比较器、计数器等。数字电子系统中必须要有控制器，控制器的主要功能是来管理各个子系统之间的互相操作，使它们有条不紊地按规定的顺序操作。第27页/共92页控制器子系统1子系统N外部输入操作输出(3)模拟—数字电子混合系统

简单地说，包含有模拟电子电路和数字电子电路组成的电子系统称之为混合电子系统。在过程控制和各种仪器仪表中，完成对如温度、压力、流量、速度等物理量的控制、测量、显示等功能，需要模拟—数字混合电子系统来实现。第28页/共92页

测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号经放大、滤波，送入模数转换电路，经A/D转换器把电压信号转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制电力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。加热炉温度检测信号处理采样—保持A/D变换计算机控制D/A变换功率控制第29页/共92页(4)数字电子系统设计的一般方法

数字系统的规模差异很大，对于比较小的数字系统可采用所谓经典法设计。即根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路图，最后用小规模电路实现。例如目前正迅速普及的ISP（在系统编程）可编程逻辑器件的出现，给数字系统设计带来了革命性的变化。硬件设计变得像软件一样易于修改，且要改变一个设计方案，通过设计工具软件在计算机上数分钟内即可完成。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统的设计周期，而且还根除了对器件单独编程的环节，省去了器件编程设备。第30页/共92页数字电路设计与实现方法小规模数字集成电路采用TTL或者CMOS小规模器件电路复杂,设计周期长小规模数字集成电路+PLDPLD（ProgrammableLogicDevice）FPGA+外围芯片FPGA(FieldProgrammableArray)第31页/共92页

数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、被控电路和电源等。数字系统设计首先要做的是明确系统的任务、所要达到的技术性能、精度指标、输入输出设备、应用环境以及有哪些特殊要求等。②确定总体方案

明确了系统性能以后，应考虑如何实现这些技术功能，即采用哪种电路来完成它。对于比较简单的系统，可采用中、小规模集成电路实现；对于输入逻辑变量比较多、逻辑表达式比较复杂的系统，可采用大规模可编程逻辑器件完成；对于需要完成复杂的算术运算、进行多路数据采集、处理、控制的系统，可采用单片机系统实现。目前对于处理复杂的数字系统最佳方案是大规模可编程逻辑器件加单片机，这可大大简化设计成本，提高可靠性。①充分分析系统功能要求第32页/共92页③逻辑功能划分

一般先将系统划分为信息处理和控制电路两部分；然后根据信息处理电路的功能要求将其分成若干个功能模块。控制电路是整个数字系统的核心，它根据外部输入信号及受其控制的信息处理电路来的状态信号，产生受控电路的控制信号。常用的控制电路有如下三种：移位型控制器、计数型控制器和微处理器控制器；一般根据完成控制对象的复杂程度，可灵活选择控制器形式。④单元电路设计

在全面分析各模块功能类型后，应选择出合适的器件并设计出电路。在设计电路时，应充分考虑能否用ASIC器件实现某些逻辑单元电路，这样可大大简化逻辑设计，提高系统的可靠性和减小PCB体积。第33页/共92页⑤系统电路综合

在各单元电路模块和控制电路达到预期要求以后，可把各个部分电路连接起来，构成整个电路系统，并对该系统进行功能测试。测试主要包含三部分工作：系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试。若系统有一项不符合要求，则必须修改电路设计。第34页/共92页1.6、电路设计细节举例a、低电平驱动发光二极管（1）开关量驱动输出接口电路（轻负载）b、高电平驱动电路呢？第35页/共92页（2）、驱动继电器（感性负载）二极管D的作用是什么？第36页/共92页（3）、大电流驱动（驱动电流数安培）当输出功率较大时，输出级的推动级，即末前级也应该是一个功率放大级。此时往往采用复合管，复合管有四种形式。第37页/共92页1.7、电路识读举例a、慢开启的白炽灯驱动电路图12-1为慢开启白炽灯驱动电路，白炽灯的延时开启时间长短取决于时间常数RC。此电路能直接驱动工作电压小于30V、额定电流小于500mA的任何灯泡。第38页/共92页b、暗藏电源线扫描仪

——220Vlivewire-in-wallscanner

第39页/共92页1、组装、布局注意器件极性注意信号之间的相互干扰，连线最短做好输入、输出和其他必要的关键点标示布局合理、美观、整齐1.8电路组装与调试第40页/共92页

设计电路完成以后要进行电路的安装，一般采用印刷电路板、通用电路板和面包板，在进行安装时注意以下方面：

（1）准备好常用的工具和材料。要将各种各样的电子元器件及结构各异的零部件装配成（2）所有电子元器件在安装前要全部测试一遍，有条件的还要进行老化，以保证元器件的质量。符合要求的电子产品，一套基本的工具是必不可少的。如烙铁、钳子、改锥、镊子和焊锡。正确使用得心应手的工具，可大大提高工作效率，保证装配质量。第41页/共92页（3）有极性的电子元器件安装时其标志最好方向一致，以便于检查和更换。集成电路的方向要保持一致，以便正确布线和查线。（4）在电路板上组装电路时，为了便于查线，可根据连线的不同作用选择不同颜色的导线。如正电源采用红色线、负电源采用蓝色导线、地线采用黑色导线、信号线采用黄色导线等。（5）布线要按信号的流向有序连接，连线要做到横平竖直，不允许跨接在集成电路上。另外，选择导线粗细要适中，避免导线与面包板插孔之间接触不良。

（6）印刷电路板的设计原则是性质相同的电路安排在一块板上。例如模拟电路或小信号电路安排在一块板上；大功率电路、高压电路、发射电路单独配置，甚至要安排必要的屏蔽盒、绝缘盒、散热装置等。第42页/共92页

整个调试过程最好也分层次进行，先单元电路，再模块电路，最后系统联调。按照分配的指标、分解的模块，一部分一部分调试，然后将各模块连接起来总调。这一阶段，要充分利用电子仪器来观察波形，测量数据，发现问题，解决问题，以达到最终的目标。通电前检查：连接是否错误通电检查：加入正常电压，观察电路情况有无异常单元电路调试：利用信号源或其他实验仪器判断各单元电路的工作状态整机联调：从最前端到末级进行统调，检查各级动态信号工作情况，分析是否满足设计要求。

2、调试第43页/共92页（1）调试电路的常用仪器①万用表。它可以测量交直流电压、交直流电流、电阻、电容及半导体二极管和三极管。具有精度高，使用方便，应用广泛等特点。②示波器。示波器可以对电路中的各点电位进行测量和观察波形，同时可比较任意两点波形的相位关系。示波器具有高的灵敏度、高的交流阻抗、对负载影响小等特点。在使用示波器应注意的是所用示波器的频带一定要大于被测信号的频率。③信号发生器。因为经常要在加信号的情况下进行测试，则在调试和故障诊断时最好备有信号发生器。如函数发生器，它可产生正弦波、三角波、方波等波形。第44页/共92页（2）调试电路前的检查。

电路安装完毕后，不要急于通电，首先要根据电路原理图认真检查电路接线是否正确。主要直观检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，连线有无接触不良，元器件有无漏焊，二极管、三极管和电解电容极性有无错误。查线时最好用数字万用表的蜂鸣器挡来测量。（3）调试步骤。对于电子系统的调试一般采用化整为零，分块调试：①通电观察。在确认电路连接没有错误的情况下，接通电源。电源接通后不要先急于测量数据，而应首先观察有无异常现象，如有无冒烟，是否闻到异常气味，手摸元器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如有异常，应立即关断电源，待故障排除后方可重新通电。第45页/共92页

②分块调试。把电路按功能分成不同的模块，分别对各模块进行调试。通常调试顺序是按照信号的流向进行，这样可把前级测试过的输出作为后一级的输入信号，为最后联调创造条件。分块调试包括静态和动态调试。静态测试是在没有外加信号的条件下测量电路各点电位，通过静态测试可以及时发现已经损坏的元器件或其他故障。动态测试是在信号源的作用下，借助示波器观察各点波形，进行波形分析，测量动态指标。把静态和动态测试的结果与设计的指标加以比较，经深入分析后对电路与参数提出合理的修整。调试电路过程应对测试结果作详尽记录。

③整机联调。各单元电路调试好以后，还要将它们连接成整机进行统调。整机统调主要观察和测量动态特性，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路及参数进行修正，直到整机的性能完全符合设计要求为止。第46页/共92页信号寻迹法：逐级检查对分法：缩小故障范围分割测试法：切断电路间的相互联系，查找原因电容器旁路法：用于自激或排查干扰的时候对比法：相同电路对比替代法：用已知正常的电路、器件代替怀疑的电路静态测试法：确定单一故障元件动态测试法：观察动态工作状况3、故障诊断与排除方法第47页/共92页第二讲：电子设计中的一些

器件知识和应用举例1、常用无源器件：电阻、电容、电感等。应注意使用功率、工作频率、噪声系数、工作损耗等参数进行选择。第48页/共92页2、常用有源器件：半导体晶体管、集成电路等。使用中应注意关键的直流、交流参数，器件手册中推荐使用的条件和典型应用电路等。例如：极限工作参数、测试工作条件等等。第49页/共92页2、常用有源器件：半导体晶体管、集成电路等。使用中应注意关键的直流、交流参数，器件手册中推荐使用的条件和典型应用电路等。例如：极限工作参数、测试工作条件等等。第50页/共92页3、特殊器件与应用A、气敏电阻

有一种煤气泄漏报警器，在瓦斯泄漏后会报警，甚至启动脱排油烟机通风。这种报警器内就是装置了一种气敏电阻。这种半导体在表面吸收了某种自身敏感的气体之后会发生反应，而使自身的电阻值改变。它一般有四个电极，两个为加热电极，另两个为测量电极。气敏电阻根据型号对不同的气体敏感。有的是对汽油，有的是对一氧化碳，有的是对酒精敏感。第51页/共92页一种可燃气体泄露报警器电路图：可燃气体浓度↗→监测电极之间的电流↗→门限电压比较器工作

→音频报警器工作第52页/共92页B、湿敏电阻

湿敏电阻对环境湿度敏感，它吸收环境中的水分，直接把湿度变成电阻值的变化。第53页/共92页C、压敏电阻

压敏电阻用作电路的过压保护。将压敏电阻和电路并联，其两端电压正常时电阻值很大，不起作用。一旦超过保护电压，它的电阻值迅速变小，使电流尽量从自己身上流过（很有牺牲精神！），从而保护了电路。正规的电话机中少不了压敏电阻，其实你的MODEM中也有这东西。

第54页/共92页D、霍尔器件

霍尔器件几乎是每台计算机中都用的器件，另外在各种精密的工业设备中也有它的身影。它主要用来检测磁力，而且基本上都是以“集成霍尔传感器”的形式出现。用高灵敏的霍尔器件还可以制作电子罗盘呢。当喇叭上的磁铁靠近或移开霍尔芯片时就会交替输出方波脉冲！第55页/共92页E、热释电红外探测器：利用人体发出的红外线进行检测，产生电信号输出，常用于防盗报警等电路中。第56页/共92页设计要点2（补偿放大）设计要点1（直流偏置）设计要点3（窗口比较）红外防盗报警电路设计要点4（接口驱动）第57页/共92页F、晶闸管(可控硅)SCR：

能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等优点，它是大功率开关型半导体器件，广泛应用在电力、电子线路中。第58页/共92页分类：

分单向可控硅、双向可控硅

单向可控硅有阳极A、阴极K、控制极G三个引出脚。

双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引出脚。第59页/共92页可控硅内部结构和符号

GA（阳极）J3J2J1P2N1P1K（阴极）G（控制极）N2（a）内部结构示意图KGGA(b）图形符号UCUANPNPNPKAG第60页/共92页单向可控硅导通和关断条件：

状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位

2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位

2、阳极电流大于维持电流两者缺一不可

从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位

2、阳极电流小于维持电流任一条件即可第61页/共92页G、喇叭，蜂鸣器，MIC：

第62页/共92页

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。H、光电耦合器：第63页/共92页工作原理：

在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

第64页/共92页

光电耦合器的应用——光电隔离接口

光电耦合器用于隔离、控制作用高低电平转换、线性控制。可以实现“电气隔离”的信号传输第65页/共92页I、数模转换ADC与显示ICL7107：用于测量与显示模拟电压。第66页/共92页第三讲设计题目举例与分析第67页/共92页设计示例：

函数信号发生器的设计一、设计要求1．设计课题函数信号发生器设计。2.主要技术指标1）输出波形：正弦波、方波、三角波等2）频率范围：1～10Hz，10～100Ｈz3)输出电压：方波Up-p=24V，三角波Up-p=6V，正弦波U>1V；4)波形特征：方波tr<10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD<2%，正弦波失真系数THD<5%。第68页/共92页1.课题分析

根据任务，函数信号发生器一般基本组成框图如下图所示。第69页/共92页2．方案论证

（1）确立电路形式及元器件型号

A、方波-三角波电路第70页/共92页A点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为

方波-三角波的频率为由上分析可知：①电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。②方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器RP1可实现幅度上微调，但会影响波形的频率。第71页/共92页B、三角波→正弦波的变换三角波→正弦波的变换主要有差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性的非线性。第72页/共92页三角波→正弦波的变换原理第73页/共92页三角波→正弦波变换电路第74页/共92页（2）计算元件参数比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：取R3=10kΩ,则R3+RP1=30kΩ，取R3=20kΩ,RP1为47kΩ的电位器。取平衡电阻R1=R2//（R3+RP1）≈10kΩ。第75页/共92页频率参数计算当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10μF，则R4+RP2=（75~7.5）kΩ，取5.1kΩ，RP2为100kΩ电位器。当19Hz≤f≤100Hz，取C2=1μF以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。取平衡电阻R5=10kΩ。第76页/共92页三角波→正弦波变换电路的参数选择原则：隔直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470μF，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1μF。RE2=100Ω与RP4=100Ω，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。第77页/共92页3．方波-三角-正弦波函数发生器电路图第78页/共92页4．安装与调试方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。第79页/共92页（1）方波-三角波发生器的装调

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10KΩ，RP2取（2.5~70）Ω内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变.第80页/共92页（2）三角波-正弦波变换电路的装调1）经电容C4输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。调节RP4及电阻R*，使传输特性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的uid，即uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经RP3后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图4.2.21所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：第81页/共92页①钟形失真 如图4.2.21（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。②半波圆顶或平顶失真 如图4.2.21（b）如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。③非线性失真 如图图4.2.21（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。第82页/共92页（3）性能指标测量与误差分析①方波输出电压UP-P≤2VCC是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。②方波的上升时间tr，主要受运算放大器转换速