电子设计实训之电路设计

电路设计实践电路设计实践电路课程的主要任务是讨论线性非时变集总参数电路的基本理论与一般分析方法，是一门理论性和实践性均较强的课程。模拟电子技术是实践性均很强的课程，实验课程中大多根据教学进度，进行单元电路的实验，但对于由若干不同功能的单元电路构成的电子系统涉及较少。一.概述电路设计实践电子设计实训是利用基本电子电路原理，设计、制作出合乎要求的具有实用价值的电子装置的过程。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。一.概述电路设计实践设计任务要从单元电路到综合电子系统，包括： (1)总体方案的选择； (2)单元电路设计和元件的选择； (3)单元电路之间的级联； (4)电路板（PCB）的设计与制作； (5)电路的调试； (6)设计报告的撰写；一.概述电路设计实践电子电路的基本设计方法—自顶向下设计要求方案设计电路设计器件选择PCB设计安装调试撰写报告电路调试EDA仿真一.概述电路设计实践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。选择方案的原则既要可实现，又要性价比高。

一.概述电路设计实践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。

一.概述电路设计实践（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。一.概述电路设计实践4、器件的选择

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.概述电路设计实践5、参数计算

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。一.概述电路设计实践（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。一.概述电路设计实践6、计算机仿真和实验验证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。一.概述电路设计实践7、电路图和PCB图的绘制

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）总体电路图通常按照信号的流向，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；

（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。一.概述电路设计实践

（3）PCB图就是元器件的布局和连线图，基本要求有：

符合电磁兼容规范

布局合理规范

器件物理尺寸匹配良好一.概述电路设计实践8、电路组装与调试

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。

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。一.概述电路设计实践9、实训设计报告

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。一.概述电路设计实践

总结报告的首页包括课题名称、课程设计时间、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；一.概述电路设计实践

(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。一.概述二.电路设计实例——汽车后窗玻璃除霜器电路设计电路设计实践实训目的及意义

熟悉和掌握电阻元件的特性、分类、检测及应用，能够根据电路具体功能确定电阻元件的具体应用。了解汽车后窗玻璃除霜热线的材料，掌握其工作原理和电阻等效电路的分析和求解方法。了解汽车后窗除霜装置的工作原理，能够根据原理分析设计电路。掌握简单电路的计算机辅助设计与仿真、实验板的手工设计与制作、实验调试等基本过程和方法。二.电路设计实例电路设计实践实训任务及要求

1.

实训任务设计一个玻璃除霜器，栅格宽1m，五根水平栅格的垂直位移是0.025m。直流12V电压供电，功率损耗为120W/m，试确定各栅格电阻的阻值。

2.

实训要求

（1）根据玻璃除霜器的工作原理分析，能够根据具体的设计要求，完成栅格电阻的阻值的正确计算，并进行玻璃除霜器的栅格设计。二.电路设计实例电路设计实践（2）设计完成后，对设计方案做出可行性论证。

3.

实训基础理论电路理论中并联电阻电路的分析方法，等效电阻的求解，电能转化为热能的工作原理与过程。二.电路设计实例电路设计实践方案设计及原理分析

1.玻璃除霜器原理及应用玻璃除霜器广泛应用于交通运输、汽车等行业，可以由电阻电路来实现，是电阻电路的一个典型应用实例。汽车后窗玻璃除霜热线多数是把数条镍铬丝均匀地粘在后风窗玻璃内部，或者是采用双层玻璃夹电阻丝，或者在挡风玻璃上镀上透明又导电的氧化锢。电热线两端相接成并联电路，当两端加上电压后，即可产生热量加热玻璃，从而达到防止或清除结霜的目的，耗电量约为30~50W。二.电路设计实例电路设计实践

除霜热线的电路控制方式分手动和自动两种。一般自动式除霜器是由开关、自动除霜传感器、自动除霜控制器、除霜热线和连接线路等组成。自动除霜传感器安装在后风窗玻璃上，用于检测后风窗玻璃上是否结霜，并将结霜层的厚度传送到控制电路。结霜层厚度越大，传感器的电阻越小。二.电路设计实例电路设计实践图为某轿车的后窗除霜系统电路图，其工作过程为:当接通除霜器开关后，除霜器开关使除霜继电器的磁化线圈搭铁，继电器触点闭合，风窗玻璃及后视镜上的电热丝通电发热，使冰霜受热蒸发。除霜器开关中的时间继电器维持除霜继电器导通10~20min，然后自动切断除霜继电器的电路，使电热丝断电。若想继续除霜，可再次接通除霜开关。

汽车后窗玻璃除霜系统电路图

1-蓄电池;

2-点火开关;

3-熔丝;

4-除霜器开关及指示灯;

5-除霜器(电热丝)二.电路设计实例电路设计实践2.除霜器栅格电路原理与分析除霜器的栅格结构如左图所示，可以认为栅格导线是电阻，如右图所示。水平导线的数量与汽车的样式和构造有关系，典型范围是9一16个栅格。x和y标记栅格元件的水平和垂直间距。二.电路设计实例电路设计实践当栅格尺寸已知时，为了使每根导线单位长度的功率损耗相同，需要求出栅格中每个电阻的表达式，以确保玻璃在x和y方向统一加热。因此，需要根据下列关系式求栅格电阻的值。二.电路设计实例电路设计实践根据栅格的结构特点进行分析.如果不连接较低部分的电路(即电阻Rc、Rd、R4和R5)，则电流i1，i2，i3，ib不受影响。因此可以分析较简单的电路模型.而不去分析上面的电路。已知

R4=R2，R5=R1，Rc=Rb，Rd=Ra

所以，只要求出图电路中的电阻R1、R2、R3、Ra和Rb后.也就求出了其余电阻。简化玻璃除霜器栅格模型二.电路设计实例电路设计实践根据电阻串并联和分压、分流原理等电阻电路的分析知识。由电路可f直接求得:二.电路设计实例电路设计实践进而，可推导出以R1为求解变量的各电阻值的计算表达式，定义h=y/x，则得到如下表的除霜器栅格电阻表达式：二.电路设计实例电路设计实践设计实例和参数计算1.设计要求设计一个玻璃除霜器，栅格结构是1m宽，五根水平栅格的垂直位移是0.025m。为了达到在12V电压下的120W/m功率损耗，试确定R1~R5，Ra~Rb的数值。二.电路设计实例电路设计实践2.参数计算

根据间距规格计算h，可得

已知栅格是1m宽，供电电压是12V，则R3的功率损耗是120W，分析上面所示电路，可得

二.电路设计实例电路设计实践对照表除霜器栅格电阻表达式.则有根据对称性可得二.电路设计实例电路设计实践3.设计结果检验

可通过检查功率损耗来检验这些计算值。每条栅格均应满足指定的120W/m的功率损耗。首先，可求得电流:ib=21A，i1=10.7561A,i2=10.2439A。由于，则每米功率损耗为3/0.025=120W/m，，即120W/m;，即120W/m;最后检查，满足120W/m。二.电路设计实例三.设计题目介绍电路设计实践3.1、电容电量实时显示电路设计1、实训目的及意义熟悉和掌握电容元件的特性、分类、检测及应用，能够根据电路具体功能确定电容元件的具体应用。了解和掌握集成运放的非线性应用，进一步熟悉电压比较器的特性和应用。进一步熟悉LED发光管电路的设计方法和具体应用。通过电容电量实时显示电路设计，了解RC电路充放电的工作过程、原理和方法。掌握简单电路的计算机辅助设计与仿真、实验板的手工设计与制作、实验调试等基本过程和方法。三.设计题目介绍电路设计实践

2、实训任务及要求实训任务设计一个2200μF电容电量实时显示电路，电源电压为12V，由0~4号5个发光二极管的亮灭状态表征输出电压的范围。实训要求(1）当电容电压达到某一电压时，应点亮所有低于或等于该电压段的发光管。(2)电容电压可以在1~12V间变化。(3)使用电压比较器、若干电阻、可变电阻和发光二极管等完成设计。三.设计题目介绍电路设计实