电子技术设计说明书

1引言1.1课程设计定义课程设计(curriculumdesign)，即不同的定义反映了不同的课程研究取向。不同的关于课程设计的定义大致可分为两类：一类是技术取向的，如普拉特(Pratt)认为：课程设计是课程工作者从事的一切活动，这包含他对达成课程目标所需的因素、技术和程序，进行构想、计划、选择的慎思过程；另一类则为理性主义取向，如有学者认为课程设计是指教育科研机构的专家学者对课程的研究并拟订出课程学习方案，为决策部门服务，拟订教育教学的目的任务，确定选材范围和教学科目，编写教材等都属于课程设计活动。1.2电子技术课程设计的意义随着科学技术的发展和人类的进步，电子技术已经成了各种工程技术的核心，特别是进入信息时代以来，电子技术更是成了基本技术，其具体应用领域涵盖了通信领域、控制系统、测试系统、计算机等等各行各业。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。在电子信息类本科教学中，电子技术课程设计是一个重要的实践环节，它包括选择课题、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。通过课程设计要实现以下两个目标：第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。即学生根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法，同时，课程设计报告的书写，为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础。通过实验训练，掌握电子技术的基本操作方法，为今后从事相关工作打下扎实的基础，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。2电子技术的介绍2.1电子技术定义所谓电子技术，是指“含有电子的、数据的、磁性的、光学的、电磁的、或者类似性能的相关技术”。所谓“电子形式”，是指利用电子技术的不能被人的视或听学直接感知的必须借助于一定的载体转换的信息存在形式。2.2电子技术的发展电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代，电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最广最深，而且成为人类探索宇宙宏光世界和微观世界的物质技术和基础。电子科学技术是人类在生产斗争和科学实验中发展起来的。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，随后在1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，它首先被用于无线电检波。1906年美国的德福雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三电极一栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电子管毕竟成本高，制造繁，体积大，耗电多，从1948年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用品体管来取代电子管。但是，我们不能否定电子管的独特优点，在有些装置中，不论从稳定性、经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。集成电路的第一个样品是在1958年见诸于世的。集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了一个新的阶段。它实现了材料、元件、电路三者之间的统一；同传统的电子元件的设计与生产方式、电路的结构形式有着本质的不同。随着集成电路制造工艺的进步，集成度越来越高，出现了在规模和超大规模集成电路（例如可在一块6平方毫米的硅片上制成一个完整的计算机），进一步显示出集成电路的优越性。按元器件集成度（芯片上所集成的元件数量）分为小规模集成电路（100个元件以上）SSI、中规模集成电路（100—1000个元件）MSI，大规模集成电路（1000—100000个元件）LSI，超大规模集成电路（100000个以上元件）VLSI等四种，现在集成度已达到数千亿。随着半导体技术的发展和科学研究、生产、管理和生活等方面的要求，电子计算机应时而兴起，并且日益完善。从1946年诞生第一台电子计算机以来，已经经历了电子管、品体管、集成电路及大规模集成电路、超大规模集成电路，每秒运算速度已达百亿次。现在正在研究开发第五代计算机（人工智能计算机），他们不依靠程序工作，而是依靠人工智能工作。特别是从70年代微型计算机以来，由于价廉、方便、可靠、小巧，大大加快了电子计算机的普及速度。例如个人计算机，它从诞生至今不过经历十多年时间，但是它的发展却跨越了多个阶段，走进了千家万户。集计算机、电视、电话、传真机、音响等于一体的多媒体计算机也纷纷问世。以多媒体计算机、光纤电缆和互联网络为基础的信息高速公路已成为计算机诞生以来的又一次信息变革。未来的人工智能更将给人们的生活与工作方式带来前所未有的变化，随身携带微型计算机已成为一种时尚。数字控制和数字测量也在不断发展和得到日益广泛的应用。数字控制机床1952年研制出来以后，发展更快。“加工中心”多工序数字控制机床和“自适应”数字控制机床相继出现。目前利用电子计算机对几十台乃至上百台数字控制机床进行集中控制也已经实现。由于大功率半导体器件的制造工艺日益完善，电力电子技术已是当今一门发展迅速、方兴未艾的科学技术，应用于中频电源、变频调速、直流输电、不间断电源等诸多方面，使半导体进入了强电领域。电子水准是现代化的一个重要标志，由于工业是实现现代化的重要物质基础。电子工业的发展速度和技术水平，特别是电子计算机的高度发展及其在生产领域的广泛应用，直接影响到工业、农业、科学技术和国防建设，关系着社会主义建设的发展速度和国家的安危；也直接影响到亿万人民的物质、文化生活，关系着广大群众的切身利益。为了进一步减小器件体积、提高器件性能，人们不断寻找先进电子材料。现在已经发现的先进的电子材料有：仿生智能材料、纳米材料、先进复合材料、低维材料（量子点、量子线巴基球和巴基管）、高温超导材料和生物电子材料等，先进电子材料正应用于新型电子器件的制造之中。新型电子材料的问世，将使电子技术向更高层次发展，这些材料将使今后的电子器件具有功能化、智能化、结构功能一体化，使电子器件尺寸进一步缩小，功能更全，运算速度更快，为分子器件、单电子器件、分子计算机和生物计算机打下了基础。2.3电子技术的应用在电子设计技术领域，可编程逻辑器件（如PLD,GAL）的应用，已有了很好的普及。这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于这类器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。3555定时器3.1555定时器介绍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5〜16V,CMOS555定时器为3〜18V）,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。TTL单定时器型号的最后3位数字为555,双定时器的为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器的为7556。555定时器是一种中规模集成电路，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器、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。它在波形的产生与变换、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。正因为如此，自从SIGNETICS公司于1972年推出这种产品后，国际上各主要的电子公司也都相继地生产了各自的555定时器产品。尽管产品型号繁多，但所有双极型产品最后的3位数码都是555，所有COMS产品型号最后的4位数码都是7555。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度，随后又生产了双定时器产品556（双极型）和7556CCOMS）型。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。当TH高触发端加入的电平小于2/3VCC，TL低触发端的电平大于1/3VCC时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。当TH高触发端6脚加入的电平小于2/3VCC，TL低触发端的电平小于1/3VCC时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。由电路框图和功能表可以得出如下结论：(1)555定时器有两个阈值，分别是1/3VCC和2/3VCC。⑵输出端3脚和放电端7脚的状态一致，输出低电平对应放电管饱和，在7脚外接有上拉电阻时，7脚为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上拉电阻时，7脚为高电平。⑶输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为1/3VCC。⑷输出与触发输入反相。掌握这四条，对分析555定时器组成的电路十分有利。3.2555定时器的应用555的应用：⑴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；⑵构成多谐振荡器，组成信号产生电路；⑶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定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V〜16V工作，7555可在3〜18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，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。555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。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。4软件介绍4.1protel介绍PROTEL是PORTEL公司在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。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上访问它的站点：4.2EWB介绍ELECTRONICSWORKBENCHEDA（以下简称EWB）:EWB软件是交互图像技术有限公司（INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIESLtd）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，对于电子设计工作者来说，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WINDOWS98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ElectronicsWorkbench。EWB是加拿大InteractiveImageTechnologies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：⑴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；⑵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。⑶EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。⑷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。⑸EWB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。5 555声光控延时照明节能灯电路5.1设计目的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。学习protel绘图软件和EWB或其他仿真软件。5.2设计内容设计节电自动照明灯电路，由电容降压整流电路、声、光传感电子开关和单稳延时电路实现。白天光照好，灯不会亮，到了夜晚，拾到声响点亮灯。5.3设计电路图（参见附录A）5.4PCB版图（参见附录B）5.5仿真图（参见附录C）5.6电路图分析电路左侧是拾音放大电路（参见附录D），它由R4、R5、R6、R7、R8、C4、C5、C6、C7、VT1、VT2、VT3、D2、D3组成。拾音器选用高灵敏度的驻机体微型MIC，也可选用收录机里的微型MIC。当有猝发声响时，声振动就会产生相应的电信号。由于电信号较弱，设计了VT1、VT2直耦式音频放大器，将信号放大，并经D2、D3、C7倍压整流，再经过VT3倒相放大后，触发光控式单稳压电路。电路中间为光控式单稳压电路（参见附录D），由555，R2、R3、R9、R1O、C1、C2、C3、C8、C9、VT4、VT5等组成。555和R9、C8、VT4、VT5等组成光控式单稳态电路。光控是利用光敏三极管对不同光照呈现阻抗的不同，对时基电路555的4脚进行高、低电位控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。白天光照强，VT5呈现低阻，VT4得到偏执而饱和导通，其集电极电位，即555的4脚被钳制在0.3V左右，从而使555处于强制复