3电子技术课程设计指导

第一部分电子技术课程设计基础“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习电子技术的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成的。然而，要完成一个课题将涉及到许多方面的知识，既要涉及到许多理论知识(设计原理与方法)，还要涉及到许多实际知识与技能(安装、调试与测量技术)。本章将把电子技术课程设计所涉及到的主要基础知识作一全面的介绍，以帮助学生解决入门之难。实验课、课程设计和毕业设计是大学阶段既相互联系又互有区别的三大实践性教学环节。实验课着眼于通过实验验证课程的基本理论，并培养学生的初步实验技能。而课程设计则是针对某一门课程的要求，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题。毕业设计虽然也是一种综合性训练，但它不是针对某一门课程，而是针对本专业的要求所进行的更为全面的综合训练。1．1课程设计的目的与要求电子技术课程设计应达到如下基本要求：(1)综合运用电子技术课程中所学到的理论知识去独立完成一个设计课题。(2)通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。(3)进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。(4)学会电子电路的安装与调试技能。(5)进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。(6)学会撰写课程设计总结报告。(7)培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。1．2课程设计的教学过程1．设计与计算阶段(也称预设计阶段)学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案。此后是对方案中单元电路进行选择和设计计算，包括元器件的选用和电路参数的计算。最后画出总体电路图(原理图和布线图)。此阶段约占课程设计总学时的30％。2．安装与调试阶段预设计经指导教师审查通过后，学生即可向实验室领取所需元器件等材料，并在实验箱上或试验板上组装电路。此后是运用测试仪表进行电路调试，排除电路故障，调整元器件，修改电路，使之达到设计指标要求。此阶段往往是课程设计的重点与难点所在，所需时间约占总学时的50％：3．撰写总结报告阶段总结报告是学生对课程设计全过程的系统总结。学生应按规定的格式编写设计说明书。说明书的主要内容有：①课题名称。②设计任务和要求。③方案选择与论证。④方案的原理框图，总体电路图、布线图，以及它们的说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。⑤电路调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。⑥收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。4．答辩学生对所作课题作一个简要介绍，之后指导教师针对学生所设计的整体的原理、特点、工作过程，各单元电路的工作原理、性能，主要元器件的选择依据，安装调试后答辩组教师针对学生所做设计提出问题，学生做答。5．评分课程设计结束后，教师将根据以下几方面来评定成绩：①设计方案的正确性与合理性。②实验动手能力(安装工艺水平、调试中分析解决问题的能力，以及创新精神等)。③总结报告。④答辩情况(课题的论述和回答问题的情况)。⑤设计过程中的学习态度、工作作风和科学精神。具体如下：及格：遵守实习纪律，设计报告符合要求，基本部分电路原理图绘制正确，工作原理论述清楚，电路板连接正确。中等：在及格的基础上，小组答辩回答问题全部正确。良好：在中基础上，电路板调试成功，工作稳定、可靠。优秀：在良好基础上，扩展部分电路设计正确安装调试成功；或选综合提高部分的设计题目电路设计、安装调试正确。1.3电子电路设计的一般方法与步骤电子电路的一般设计方法和步骤是：选择总体方案，设计单元电路，选择元器件，计算参数，画出总体电路图，进行组装与调试等。由于电子电路种类繁多，千差万别，设计方法和步骤也因情况不同而各异，因而上述设计步骤需要交叉进行，有时甚至会出现反复。因此在设计时，应根据实际情况灵活掌握。下面以设计脉搏计为例来说明设计的一般方法与步骤。设计题目：设计一个脉搏计，要求实现在15s内测量lmin的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60~80次／min，婴儿为90～100次／min，老人为100～150次/min。总体方案：1、课题分析电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫伏)，它的基本功能应该是：①用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波。②在短时间内(15s内)测出每分钟的脉搏数。2、选择总体方案(1)提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。方案I如图1-1所示，图中各部分的作用如下：1)传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。2)放大与整形电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。3)倍频器将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。4)基准时间产生电路产生短时间的控制信号，以控制测量时间。5)控制电路用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。6)计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。7)电源电路按电路要求提供符合要求的直流电源。上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍(15s)，而数码管显示的数字却是lmin的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为±4次／min，测量时间越短，误差也就越大。方案Ⅱ如图1-2所示。该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达±1次／min。此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案I完全相同，现将其余部分的功能叙述如下：1)六进制计数器用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。2)基准脉冲(时间)发生器产生周期为0.1s的基准脉冲信号。3)门控电路控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。4)8位二进制计数器对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5s，即门打开5s的时间，让0.1s周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。5)定脉冲数产生电路产生定脉冲数信号，如3000个脉冲送入可预置8位计数器输入端。6)可预置8位计数器以8位二进制计数器输出值（如50）作为预置数，对3000个脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到60个脉冲信号），即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。传感器放大与整形倍频器基准时间产生电路控制电路计数译码显示图1-1脉搏计方案I（2）方案比较方案Ⅰ结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案Ⅱ电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为±4次／min，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案Ⅰ。单元电路的设计：1、放大与整形电路如上所述，此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。（1）选择电路：所选放大整形电路框图如图1-3所示。1）传感器：传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图1-4所示。+Vcc+Vcc传感器放大整形有源滤波整形电平转换图1-3放大与整形电路框图图1-2脉搏计方案Ⅱ六进制计数器8位二进制计数器可预置8位计数器基准时间发生器门控电路译码显示电路放大与整形传感器定脉冲数产生电路图中，红外线发光管VD采用TLN104，接收三极管TLP104。用+5V电源供电，R1取500Ω，R2取10kΩ。2）放大电路：由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图1-5所示，运放采用了LM324，电源电压±5V，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下：R4=100kΩ，R5=910kΩ，R3为10kΩ电位器，C1=100μF。3）有源滤波电路：采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图1-6所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为lkHz左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。4)整形电路：经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图1-7所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了LM339，其电路参数如下：R10=5.1kΩ，R11=100kΩ，R12=5.1kΩ。电源电压±5V。由于LM339属于集电级开路输出，使用时输出端应加2kΩ的上拉电阻。R6、R71.6kΩ，R8l5kΩ，R99.1kΩ，C2、C30.1μF5)电平转换电路：由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不满足计数器要求的脉冲信号，故采用电平转换电路，见图1-7。(2)放大与整形部分电路如图1-8所示。+Vcc图1-4传感器信号调节原理电路图1-5同相放大器电路图1-6二阶有源滤波电路图1-7施密特整形电路和电平转换电路图1-8放大与整形部分电路2、倍频电路该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s内测出lmin内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路，如图1-9所示。图1-9G1和G2构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。电容器c的作用是为了增加延迟时间，从而加大输出脉冲宽度。根据实验结果选用C4=33μF，R13=10kΩ，R14=l0kΩ，C5=6.8μF。由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。其中异或门选用了CC4070。3、基准时间产生电路基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s(即脉冲宽度为15s)的脉冲信号，以控制在15s内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多，我们采用如图1-10的方案。由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。(1)秒脉冲发生器电路如图1-11所示。为了保证基准时间的准确，采用了石英晶体振荡电路，石英晶体的主频为32．768kHz，反相器采用CMOS器件，R15可在5～30MΩ范围内选择，R16可在10～150kΩ范围内选择，振荡频率基本等于石英晶体的谐振频率，改变C7的大小对振荡频率有微调的作用。这里选用R15为5.1MΩ，R16为51kΩ，C6为56pF，C7为3～56pF，反相器利用了CC4060中的反相器，如图1-11和1-12所示。选用CC406014位二进制计数器对32．768kHz进行14次二分频，产生一个频率为2Hz的脉冲信号，然后用双D触发器CC4013进行二分频得到周期为1s的脉冲信号。秒脉冲发生器十五分频器二分频电路图1-10基准时间产生电路框图图1-11石英晶体振荡器图1-12秒脉冲发生器C6(2)十五分频和二分频器电路如图1-13所示，由SN74161组成十五进制计数器，进行十五分频，然后用CC4013组成二分频电路，产生一个周期为30s的方波，即一个脉宽为15s的脉冲信号。(3)基准时间产生部分的电路图如图1-14所示。4、计数、译码、显示电路该电路的功能是读出脉搏数，以十进制数形式用数码管显示出来，如图1-15所示。因为人的脉搏数最高是150次／min，所以采用3位十进制计数器即可。该电路用双BCD同步十进制计数器CC4518构成3位十进制加法计数器，用CC4511BCD-七段译码器译码，用图