电子技术课程设计基础

电子技术课程设计基础内容摘要：

路的故障判断是比较困难的，因为它是把输出信号的部分或全部以某种方式送到模块的输入端口，使系统形成一个闭环回路。 在这个闭环回路中只要有一个模块出故障，则整个系统都存在故障现象。 查找故障需要把反馈回路断开，接入一个合适的输入信号使系统成为一个开环系统，然后再逐一查找发生故障的模块及故障元器件等。 前面介绍的通用方法对一般电子电路都适用，但它具有一定的盲目 性，效率低。 对于自己设计的系统或非常熟悉的电路，可以采用观察判别法，通过仪器、仪表观察到结果，直接判断故障发生的原因和部位，从而准确、迅速地找到故障并加以排除。 当遇到电路中某个元器件静态正常而动态有问题时，不要急于 33 更换元件，应首先检查电路本身的负载能力及提供输入信号信号源的负载能力。 把电路的输出端断开，检查是否工作正常，若电路空载时工作正常，说明电路负载能力差，需要调整电路。 如断开负载电路仍不能正常工作，则要检查输入信号波形是否符合要求。 由于诸多因素的影响，原来的理论设计可能要做修改，选择的元器件需要调 整或改变参数，有时可能还要增加一些电路或元器件，以保证电路能稳定地工作。 因此，调试之后很可能要对前面的“选择元器件和参数计算”一节中所确定的方案再作修改，最后完成实际的总体电路，制作出符合设计要求的电子设备来。 6. 设计报告的撰写 设计报告的撰写应包括以下内容： （ 1）设计电路名称。 （ 2）内容提要。 （ 3）设计任务和要求。 34 （ 4）总体方案选择的论证，内容包括曾考虑过的各方案框图、简要原理和优缺点以及所选定方案的理由等。 （ 5）单元电路的设计、元器件选择和参数计算。 （ 6）绘出总体电路图及必要的波形图 ，并说明电路的工作原理。 （ 7）组装与调试，内容包含： 使用的主要仪器、仪表。 应列出名称、型号、生产厂家等； 测试的数据、波形，必要时应与计算结果比较并进行误差分析； 组装与调试的方法、技巧和注意事项； 调试中出现的故障及其诊断与排除方法。 （ 8）所设计电路的特点及改进意见。 （ 9）所用元器件的编号列表。 列表项目为序号、符号与编号、名称、型号与规格、数量以及必要的说明等。 （ 10）列出参考文献，格式为作者、文献名、刊物名、出版单位、出版时间、卷号和页码。 35 7. 干扰及抑制 干扰是电子电路 稳定可靠工作的大敌，尤其是在工作条件恶劣、干扰源很强且复杂的场合中。 因此，干扰与抗干扰成为电子电路设计中的一个非常重要的内容。 然而，抗干扰设计又是电子电路设计者最感头痛的难题，原因是它与具体电路和应用环境有着密切的关系，在一个电路中有效的抗干扰措施，未必能在另一个电路中奏效。 因此，设计者必须结合具体电路的实际情况，在实践中去解决抗干扰问题。 （ 1）电子电路中常见的干扰 干扰源可来自电子系统内部，也可来自电子系统外部。 电子系统内的噪声信号，尤其是功率级内高频振荡电路和功率开关电路所产生的噪声信号是系统内部的主 要干扰源。 电子系统周围的大功率电子设备的启停，以及自然雷电所产生的干扰信号是构成电子系统外部的主要干扰源。 干扰是客观存在的，在工业现场往往又是不可避免的，不可能 36 为了电子电路的可靠运行而去清除干扰源，那是不现实的。 只能是适应环境，抑制干扰，加强电子系统的抗干扰能力，以保证电子电路的可靠运行。 抗干扰技术主要是从干扰进入电子系统的通路上来采取抑制措施。 根据干扰传播通道，干扰主要分为： 来自电网的干扰； 来自地线的干扰； 来自信号通道的干扰； 来自空间电磁辐射的干扰。 上述四种干扰，危害性最大的 是来自电网的干扰和来自地线的干扰，其次为来自信号通道的干扰，而来自空间电磁辐射的干扰一般不太严重，只要电子系统与干扰源保持一定距离或采取适当的屏蔽措施，基本上就可解决。 这里只重点介绍前面三种干扰及抗干扰措施。 （ 2）常用的抗干扰措施 电网干扰及抗干扰措施 37 大多数电子电路的直流电源都是由电网交流电源经整流滤波、稳压后提供的。 若此电子系统附近有大型电力设备接于同一个交流电源线上，那么，电力设备的启停将产生很高的浪涌电压叠加在50HZ 的电网电压上。 此外，雷电感应也在电网上产生强烈的高频浪涌电压，其幅值可以达到 电网电压的几倍到几十倍。 这些干扰信号沿着交流电源线进入电子系统，可干扰电子电路的正常工作。 为了防止这些从交流电源线引入的干扰，常见的抗干扰措施有： A． 采用交流稳压器。 用来保证供电的稳定性，防止电源系统的过电压与欠电压，有利于提高整个电子系统的可靠性。 由于交流稳压器比较贵，在一些小型电子电路中一般不用，只用于较大型的电子系统，以及抗干扰要求比较高的场合。 B． 接电源滤波器。 它接在电源变压器之前，其特性是让交流50HZ 基波通过，而滤去高频干扰信号，改善电源波形。 在市场上可以购到体积小、价格合理的电源滤波器。 C． 采用带有屏蔽层的电源变压器。 由于高频干扰信号通过电源变压器的主要传播通道是初级线圈与次级线圈之间的分布电容，而 38 不是初、次级之间的电磁耦合。 因此，在初、次级线圈之间加一个金属屏蔽层，并将屏蔽层接地，可有效地减小分布电容值，从而有效地抑制高频干扰信号通过电源变压器进入初级线圈，这是最常见的抗电源干扰的措施。 D． 双 T 滤波器。 它用于整流电路之后，其特性是阻止 50HZ工频干扰或其他固定频率的干扰信号进入电子电路。 双 T电路参数计算公式为： f ＝ 21 RC。 若欲阻止 50HZ 工频干扰，则选用 f ＝ 50HZ。 在抗干扰要求不高的场合，可以不采用抗干扰措施，以免增加电路的复杂性。 E． 电容滤波。 采用 ～ f的无极性电容，并接到直流稳压电路的输入和输出端以及集成块的电源引脚上，用以滤掉高频干扰。 地线干扰及抗干扰措施 地线干扰是存在于电子系统内的干扰。 由于电子系统内各部分电路往往共用一个直流电源，或者虽然不用同一个电源，但不同电 39 源之间往往共用一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻时便产生电压降，此电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号，即所谓地线干扰。 抗地线干扰的措施： A． 尽量采用一点接地，即各部分的地自成一体后再分别接到公共地的一点上，印制电路板上采用此方法不太方便布线，而都是采用串联接法，为了减少地线噪声干扰，可适当加大地线宽度。 B． 强信号电路和弱信号电路的地应分开，然后再在一点上接公共地。 C． 模拟地和数字地也应分开，然后再在一点上接公共地，切忌两者交叉混连。 D． 不论哪种方式接地，接地线应短而粗，以减小接地电阻 信号通道干扰和抗干扰措施 在远距离测量、控制和通信中，电子系统的输入和输出信号线很长，线间很近，信号在此长线内的传输过程中很容 易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失常，从而影响电子电路的正常工作，必须予以足够的重视。 长线信号传输所遇到的干扰有： 40 A． 周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰。 信号线越长及周围电磁场越强，则干扰强度越大。 B． 信号间的干扰。 当强信号线与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生线间干扰。 信号线间越近和线越长，干扰强度就越大。 C． 长线信号的地线干扰。 信号线越长表明信号源与电子系统的距离越远，则信号地线也越长，即地线电阻就越大，会导致信号源的地与电子系统的地不是等电位，而形成较大的电位差，此电位差构成长 线信号的地线干扰信号。 针对上述信号通道上的干扰，常用的抗干扰措施有： A． 使用双绞线传输。 即每个信号都采用互绞的线进行传输，其中一条是信号线，另一条是地线。 双绞线是抑制空间电磁干扰、线间串扰和信号地线干扰最有效且简便的方法。 因为空间电磁场在每个绞环内产生的感应电动势是相同的，但对每一条线来说，感应电动势可互相抵消，因此，不会对传输的信号产生影响。 其次，信号电流在两条线上大小相等、方向相反，所以双绞线对其他信号的互 41 感是零，抑制了串扰。 另外，各个信号的地线是单独的，可有效地抑制信号间通过地线的干扰。 B． 采用 光电耦合传输。 光电耦合器是由发光二极管和光敏晶体管组成，两者相互绝缘地密封在一起，信号从发光二极管一方输入，使发光二极管发光，光照射到光敏晶体管基极上，使光信号转换成电信号，并从集电极输出。 输入与输出被隔离开，只有光耦合，而无电的联系，因此，两边的地可以不同，彼此可以独立。 若电子系统的每条输入信号与输出信号线之间均采用光电耦合传输信号，则可以有效地抑制信号线干扰和信号线上的噪声干扰，这是因为两边的地是独立的，所以不存在地线干扰。 由于光电耦合器输入阻抗很低，而叠加在信号上的噪声信号的内阻很高，所以，尽管噪声 信号的幅值较高，但进入光电耦合器的噪声很小，只形成很微弱的电流，不足以使发光二极管发光，从而抑制了噪声信号的传输。 光电耦合器分为传送模拟信号和传送数字信号两种类型。 42 二、数字电子电路设计 数字电路作为电子电路的一大分支，其应用是极为广泛的。 常用的数字电路有编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、寄存器、计数器、单稳态触发器、多谐振荡器等。 常见的半导体存储器（ RAM、 ROM）也属于数字电路。 随着科学技术的发展，数字电子技术的研究和应用又取得了新的进展，其中尤以可编程逻辑器件的广泛应用令人瞩目。 下面主要讨 论常用数字电路的设计与应用方法。 1. 常用组合逻辑电路的设计 根据逻辑功能的不同特点，可以把数字电路分成两大类，一类为组合逻辑电路（简称为组合电路），另一类则是时序逻辑电路（简称时序电路）。 对于组合逻辑电路，任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。 分析组合逻辑电路，就是通过分析确定电 43 路的逻辑功能，再根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最简单逻辑电路，这即是设计组合电路时要完成的工作。 所谓的“最简”是指电路所用的器件数最少、器件种类最少、器件之间的连线也最少。 （ 1）组合 逻辑电路的设计 组合逻辑电路在设计过程中，应注意掌握组合逻辑电路的分析和设计工具，如：逻辑表达式、真值表、卡诺图、时序图等。 组合逻辑电路的基本设计步骤如下： 逻辑抽象。 在许多情况下，提出的设计要求是具有一定因果关系的实际问题，这时就需要通过逻辑抽象的方法，用一个逻辑函数来描述这一因果关系。 逻辑抽象的工作通常包括以下几个方面： A． 分析事件的因果关系，确定输入变量和输出变量。 一般总是把引起事件的原因作为输入变量，而把事件的结果作为输出变量。 B． 逻辑状态的含义。 以二值逻辑的 0、 1分别代表输入变量和输出变 量的两种不同状态，这里的 0 和 1的具体含义完全由设计者 44 人为选定，这项工作也叫做逻辑状态赋值。 C． 根据给定的因果关系列出逻辑真值表，将一个实际的逻辑问题抽象成一个逻辑函数，而且这个函数首先是以真值表的形式给出的。 写出逻辑函数式。 为了便于对逻辑函数进行简化和变换，需要把真值表转换为对应的逻辑函数式。 将逻辑函数化简或变换成适当的形式。 为了产生所需要的逻辑函数，即可以用小规模集成的门电路组成逻辑电路，也可以用中规模集成的常用组合逻辑器件或可编程逻辑器件等构成相应的逻辑电路，应该根据对电路的具体要求和器件 的资源情况，决定采用哪一类型器件。 A． 在使用小规模集成门电路进行设计时，为获得最简单的设计结果，应将函数式化成最简形式，即函数式中相加的乘积项最少，而且每个乘积项的因子也最少。 如果对所用器件的种类有附加的限制，则还应将函数式变换成与器件种类相适应的形式。 B． 在使用中规模集成常用组合逻辑电路实现电路时，需要把函 45 数式变换为适当的形式，以便能用最少的器件和最简单的连线接成所要求的逻辑电路。 根据化简和变换后得到的逻辑函数式，画出逻辑电路的连线图，完成原理性设计（或称逻辑设计）。 工艺设计。 为了把逻辑电 路实现为具体的电路装置，还需要做一系列的工艺设计工作，包括设计机箱、面板、电源、显示电路、控制开关等，最后还必须进行组装和调试。 （ 2）利用中规模集成电路实现组合逻辑电路 由于人们在实践中遇到的逻辑问题层出不穷，因而为解决这些逻辑问题而设计的逻辑电路也不胜枚举。 然而人们发现，其中有些逻辑电路经常大量地出现在各种数字系统中，这些电路包括编码器、译码器、数据选择器、数值比较器等。 为了方便人们使用，这些逻辑电路已经被制成了中规模的标准化集成电路产品。 在使用中规模集成电路设计组合逻辑电路时，第一步进行逻辑抽象；第二 步写出逻辑函数式，这和使用小规模集成电路时没有区别；第三步将逻辑函数变换为适当的形式，而不一定要求化为最简形式。 因为每 46 一种中规模集成电路的组合逻辑电路都有确定的逻辑功能，并可以写成逻辑函数式的形式，所以，为了使用这些器件构成所需要的逻辑电路，必须把要产生的逻辑函数变换成与所用器件的逻辑函数式类似的形式。 将变换后的逻辑函数式与选用器件的函数式对照比较，有以下四种可能的情况： 两者形式完全相同，使用这种中规模集成器件效果最为理想。 两者形式类同，所选器件的逻辑函数式包含更多的输入变量和乘积项，这时只需对 多余的变量输入端和乘积项作适当处理，也能很方便地得到所需要的逻辑电路。 器件的逻辑函数式是要求产生的逻辑函数。