单元电路论文大全11篇

单元电路论文篇（1）

本课程的重点是电路设计，内容侧重综合应用所学知识，设计制作较为复杂的功能电路或小型电子系统。一般给出实验任务和设计要求，通过电路方案设计、电路设计、电路安装调试和指标测试、撰写实验报告等过程，培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，提高电路设计水平和实验技能。在实践中着重培养学生系统设计的综合分析问题和解决问题的能力，培养学生创新实践的能力。电子技术课程设计一般要求学生根据题目要求，通过查阅资料、调查研究等，独立完成方案设计、元器件选择、电路设计、仿真分析、电路的安装调试及指标测试，并独立写出严谨的、文理通顺的实验报告。

具体地说，学生通过课程设计教学实践，应达到以下基本要求：建立电子系统的概念，综合运用电子技术课程中所学习到的理论知识完成一个电子系统的设计；掌握电子系统设计的基本方法，了解电子系统设计中的关键技术；进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用器件的原则；掌握查阅有关资料和使用器件手册的基本方法；掌握用电子设计自动化软件设计与仿真电路系统的基本方法；进一步熟悉电子仪器的正确使用方法；学会撰写课程设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

2.电子技术课程设计的教学过程

电子技术课程设计是在教师指导下，学生独立完成课题，达到对学生理论与实践相结合的综合性训练，要求本课程设计涵盖模拟电路知识和数字电路知识，因此课程设计的选题要求包含数字电子技术和模拟电子技术。教学环节可以分为以下四个部分。

2.1课堂讲授。

课程设计开始前，需要确定指导老师。由指导老师通过两学时的教学，明确课程设计的要求，主要内容包括课程介绍、教学安排、成绩评定方法等。在课堂教学环节中，指导老师介绍课题的基本情况与要求，要求学生从多个课题中选择一个。

2.2设计与调试环节。

2.2.1前期准备、方案及电路设计。

前期准备包括选择题目、查找资料、确定方案、电路设计、电路仿真等。在确定方案时要求学生认真阅读教材，根据技术指标，进行方案分析、论证和计算，独立完成设计。设计工作内容如下：题目分析、系统结构设计、具体电路设计。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，称为预设计阶段，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％。

2.2.2在实验室进行电路安装、调试，指标测试等。

在安装与调试这个阶段，要求学生运用所学的知识进行安装和调试，达到任务书的各项技术指标。预设计经指导教师审查通过后，学生即可购买所需元器件等材料，并在实验箱上或试验板上组装电路。运用测试仪表调试电路、排除电路故障、调整元器件、修改电路（并制作相应电路板），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，所需时间约占总学时的50％。

2.3撰写总结报告，总结交流与讨论。

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能力的训练。学生写报告，不仅要对设计、组装、调试的内容进行全面总结，而且要把实践内容上升到理论高度。总结报告应包括以下方面：系统任务与分析、方案选择与可行性论证、单元电路的设计、参数计算及元器件选择、元件清单和参考资料目录。除此之外，还应对以下几部分进行说明：设计进程记录，设计方案说明、比较，实际电路图，功能与指标测试结果，存在的问题及改进意见，等等。总结报告具体内容如下：课题名称、内容摘要、设计内容及要求、比较和选择设计的系统方案、画出系统框图、单元电路设计、参数计算和器件选择。画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。组装调试的内容，包括使用的主要仪器和仪表；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。总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，列出系统需要的元器件清单，列出参考文献，收获、体会，并对本次设计提出建议。

2.4成绩评定。

课程的实践性不仅体现实际操作能力，而且体现独立完成设计和分析的能力。因此，课程设计的考核分为以下部分：设计方案的正确性与合理性。设计成品：观察实验现象，是否达到技术要求。（安装工艺水平、调试中分析解决问题的能力）实验报告：实验报告应具有设计题目、技术指标、实现方案、测试数据、出现的问题与解决方法、收获体会等。课程设计答辩：考查学生实际掌握的能力和表达能力，设计过程中的学习态度、工作作风和科学精神及创新精神，等等。

3.电子技术课程设计的步骤

单元电路论文篇（2）

数字电子技术是我校电子信息工程专业的基础课，其目标是培养学生具备一定的电子技术理论基础、一定的创新意识、一定的解决实际问题的能力，促使学生了解本专业的应用发展方向，并为学习后续课程和从事电子信息工程工作打下一定的基础。

福建江夏学院是2010年由福建省政府组建的一所旨在培养复合性创新陛应用型各类高素质专门人才的应用型本科大学。数字电子技术课程应满足学校、学科建设的高要求，充分地激发学生对于这门课程的学习兴趣，提高学生学习的主动性和积极性。

课程设计作为学生学习的一个重要的实践环节，要求学生自己设计和搭建一个实用电子产品雏形。常言说得好，“说一百遍，不如做一遍”，学生通过思考、查阅资料、讨论等方式寻求解决问题的方案，对相关知识点有更加深入的理解，提升学生的成就感，增强自信心，提高学习主动性，从而形成良性循环。本文以“彩灯循环显示电路”中“数字电子技术”的课程设计为例，从几个方面浅析了课程设计对于激发学生学习热情、促进学生学习所起到的良性作用。下面，笔者将从设计的相关环节来具体阐述。

一、分析设计任务和性能指标

本课程设计的题目是“彩灯循环显示电路”，学生在拿到设计题目后，首先要根据相关材料分析设计任务，掌握相关原理图，解析其基本构造和功能，将总电路原理图拆分成以下三个单元电路：矩形方波产生的频率、10个彩灯的循环点亮和七段数码管上显示彩灯的循环次数。

学生要做到对设计功能的完美解析、原理图清楚识读，要掌握“数字电子技术”课程中所学的相关基本理论和基本方法，清楚所涉及的各个芯片的功能、参数，及其涉及典型功能模块的搭建，进而要了解单元电路功能模块的构建，了解单元电路中各个部件元件的作用，清楚整体设计所要达到的性能指标，乃至有效扩展至一些特定微型数字系统。

在这部分，学生既要巩固课堂理论知识，又要加强对实际电路的认识、解析能力。

二、元器件的选择

对课程设计题目完美解析之后，接下来就涉及合适的元器件的选取。在搭建单元电路时，对于特定功能单元需要选择主要的集成块。比如时钟电路选555，计数/译码器4017，计数器4518，译码4511及显示驱动电路也都相对固定，但存在电路特定功能要求不同，需要适当元件参数匹配集成块，例如，10个彩灯循环点亮的完美显现，对方波频率的选择就有所要求，学生在利用555触发器构成脉冲方波时，必须考虑到影响时间常数的RC元件参数的选择。

同样构建单元电路时，选择器件的电平标准和电流特性等参数很重要。普通的门电路、时序逻辑电路、组合逻辑电路、脉冲产生电路、数模和模数转换电路、采样和存储电路等，参数选择恰当可以发挥其性能并节约设计成本。

在这部分，学生在进行元件的选择的同时，不仅要掌握所用仪器设备的使用介绍，了解实验过程中的注意事项，还要掌握从电路的整体布局到一个个小的元件的清楚认识。

三、设计总体电路图

任何一种逻辑功能都可以设计出一种相应的逻辑电路。根据需要设计出符合要求的逻辑电路，合适的计算机辅助软件给我们的电路设计提供了极大的便利。

1.仿真软件

该设计要求学生掌握两种仿真软件Multisium和Proteus，并结合所给的设计题目，绘制电路原理图，进行模拟仿真测试。学生在操作过程中掌握以下三个方面知识点：

（1）熟悉Multisium和Proteus软件操作界面，了解选取元器件时所需要注意的一些注意事项。

（2）调整电路图中元器件布局，调试电路板，故障排查。数字电路设计以逻辑关系为主体，因此各单元电路的输入输出逻辑关系与它们之间的正确传递决定了设计内容的成败，结合整体实现功能，要求每一个单元电路都须经过调整，确保各单元之间满足驱动电平匹配和电流匹配，合理布局。

仿真是整个设计成功关键的一步，学生做好仿真电路的连接，之后的焊接电路就会显得相对轻松、驾轻就熟。电路仿真软件为学生之后从事电路设计、模拟仿真等打下基础。

对于仿真软件，老师只是起到简单领进门的作用，需要学生自身去拓展学习，这里有个需要重视的地方，相较于私下自学，集中学习、互帮互助成效非常明显。

2.电路原理图印制板设计功能

课程设计要求学生掌握Protel 99SE软件的原理图设计、PCB设计、自动布线器这几个功能，学生通过该软件的学习，可以强化计算机模拟和具体元器件的封装工艺，统筹各个单元电路的布局。

学生弄好印制板，在其上焊接电路，这在很大程度上接近实际的电路板的制作工艺，学生在此可以得到理论和实际明显的结合，贴近工艺、贴近工厂，提高了兴趣，极大调动了学生的主动性。

四、焊接、搭建电子产品雏形

完成了前面三步之后，学生就进入电子产品的搭建环节，而要进行完美的电路搭建，首先要求学生掌握一些基本的知识、动手能力：了解万用表、示波器、稳压电源等常用电工电子仪器、仪表的使用；熟悉电阻、电容、电感、二极管、三极管、变压器、集成电路等的外形结构；熟悉机械开关、继电器、接插件、熔断器、电声器件的外形和标志方法；熟悉各种常用线材的外形与结构；电烙铁的使用方法和使用技巧、焊接注意事项等。

学生有了如上所示的准备就可以开始在万用板上焊接电路，按照前面电路图仿真，将电路图复制到万用板上，而这也是本设计最锻炼学生的时候，不仅要具备过硬的焊接技术，还需具有较强解决实际问题的能力，前者直接影响了最后电子产品的工艺水平、美观程度，而后者则会关系到焊接的电子产品能否实现我们所要的设计结果。

五、书写综合设计实验报告

单元电路论文篇（3）

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）17-0275-02

设计一个完整的电路板必须经过原理图设计和PCB电路板设计两个阶段，前者在原理图编辑器中完成，后者在PCB编辑器中完成。需要说明的是：

1.在原理图编辑器中原理图库提供大量的原理图符号用于满足设计电路的需要，但是由于现在的元器件更新换代速度太快，原理图库中并不包含所有元器件的原理图符号。若原理图库中没有设计电路所需的原理图符号，则需要设计者在原理图库编辑器中自己手动绘制原理图符号。

2.在原理图绘制完成后，需要将元器件封装，将网络表载入到PCB编辑器中进行电路板设计。但在导入网络表之前，一定要确保元器件封装库中含有原理图中的所有元器件的封装。若是没有则将导致加载网络表失败。这时需要在元器件封装库编辑器中手动绘制元器件的封装。

因此，整个印制电路板的设计是由4个常用编辑器完成的：原理图编辑器、原理图库编辑器、PCB编辑器和元器件封装库编辑器。它们之间的关系是：

这4个编辑器的关系看似简单，但是需要注意很多细小的问题。学生往往就是因为没有将这些细小的问题处理好，才导致无法顺利完成PCB电路板的绘制。现将教学中学生常见的小困惑及其解决方法总结如下：

理论1：初学Protel 99 SE 为了最大限度地保护用户的设计文件，Protel 99 SE提供了自动创建备份文件的功能，即在软件窗口左上角按钮下，选择并打开“Preferences”对话框中“Create Backup Files”选项，即可设置自动创建备份文件功能。选中该功能后，每次执行保存操作后，备份文件都会保存在设计文件的相同位置，以前缀“Backup of”和“Previous Backup of”来区别。这个自动创建备份文件功能软件默认选定。

学生困惑1：某些学生不能在一个项目文件夹中的众多文件中区分用户设计文件和自动备份文件。提交作业时常常会把自动备份文件（可能是不包含最终设计结果的设计文件）当成用户设计文件交给老师。

教师解惑1：有两种方法解决：其一，区别自动备份文件前缀；其二：在“Preferences”对话框中取消对“Create Backup Files”选项的选择，这种方法可以使项目文件夹简洁，但会导致未保存文件在突发状态下丢失。

理论2：打开原理图设计文件，单击Browse sch按钮，将浏览器管理窗口切换到原理图编辑器管理窗口，该窗口Browse选项区域的下拉菜单中包括“Libraries”和“Primitives”两个选项。

学生困惑2：学生对于“Browse Libraries”比较熟悉，知道可以通过该选项直接浏览、查找该库文件下的所有元器件。但是对“Primitives”选项容易忽略其功能，特别是对于常画简单电路的学生。

教师解惑2：“Primitives”选项，即图件选项，包括图件分类列表栏和图件列表栏两部分。其中在图件分类列表栏中包括“Parts”（元器件）、“Net Labels”（网络标号）和“Wires”（导线）等图件。在含有较多元器件或较复杂原理图中使用它们较方便。例如，点击“Parts”，在其下面的元件框中浏览一遍，可检查出是否有相同元件标号，双击该元件，可在原理图中迅速找到它们的位置，即快捷又方便。

理论3：原理图编辑器工具栏“Toolbars”中有7个工具栏，其中“Wiring Tools”布线工具栏和“Drawing Tools”画图工具栏较常用，它们的区别是“Wiring Tools”中的选项具有电气连接属性，而“Drawing Tools”中的选项不具有电气连接属性。

学生困惑3：某些学生会把“Drawing Tools”工具栏中的“PlaceLine”（直线）当成“Wiring Tools”工具栏中的“Wire”（导线）来使用。它们的外观一样，但在电气规则检查之后，导线地方会报错。

教师解惑3：“Wire”（导线）具有电气连接属性，而“PlaceLine”（直线）没有电气连接属性，元件之间若是使用“PlaceLine”（直线）没有任何连接关系，在其生成的网络表中，也没有网络连接关系。

理论4：在设计电路板时，电路板的类型选择主要从电路板的可靠性、工艺性和经济性等方面进行综合考虑。而从设计角度考虑，影响印制电路板可靠性的首要因素是所选择印制电路板的类型，即印制电路板是单面板、双面板还是多层板。

学生困惑4：学生想得到可靠性高的电路板，不知道该选择单面板还是双面板。

教师解惑4：各类型印制电路板的可靠性由高到低的顺序是单面板―双面板―多层板，并且多层板的可靠性会随着层数的增加而降低。若元器件数量不多，可选用单面板；元器件数目较多可选择双面板，若实验条件允许，也可选择多层板。这只是常规选择，不是定式。

理论5：焊盘属性里面的“Advanced”中的“Solder Mask”（阻焊层）下有两个选项：“Tenting”和“Override”。

学生困惑5：学生对“Tenting”和“Override”的区别模糊。

教师解惑5：“Tenting”表示无阻焊层，直接在焊盘上过漆（阻焊层：焊盘外成绯红色的圆环，它可以防止在给PCB添加防护层的时候不会将焊盘覆盖住）；“Override”表示有阻焊层，焊盘不会有过漆。

理论6：为了方便对电路板性能进行检测，可在相应位置处添加测试点。

学生困惑6：如何设置测试点呢？

教师解惑6：在需要对电路测试的地方放入焊盘，并将焊盘的孔径大小设置为0（Hole Size=0）。测试点可以是通孔的，也可以是盲孔的。若是通孔的话，可以直接测试；若是盲孔的话，有Top、Bottom层区分。

理论7：电路板布线是指采用具有电气特性的导线将具有相同网络连接的焊盘、过孔等导电图件连接到一起的过程。

学生困惑7：那么多元器件怎么布线啊？

教师解惑7：在画板布线之前，可以通过任务管理窗口中的“Nets”，找到相应的网络标号并查看该网络标号的走线情况，将所有的网络标号的连接关系在大脑中有个大致印象，才好规划板进行布线。

结论

随着电子技术行业的快速发展，电路设计越来越复杂，设计者掌握一门EDA设计软件是十分必要的，而Protel 99 SE以其强大的功能、实用的操作界面等优良性能被业界广泛认可。本文中的内容对于初学者而言仅仅是沧海一粟，初学者可利用Protel 99 SE软件多设计一些电路板，在实践中查缺补漏效果更好。

参考文献：

[1]赵景波，向华.Protel 99 SE基础教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]赵建领，等.Protel 99 SE设计宝典（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]古良玲，李双，陈新岗.初学 Protel 99 SE的常见问题及应对技巧[J].实验室研究与探索，2011，（30）：245-247， 264.

[4]李云阳.基于项目教学法的Protel99se教学[J].农业科技与装备，2010，（08）.

[5]朱向军.课堂有效教学之我见――基于“Protel99SE”的教学反思[J].职业技术，2010，（04）.

单元电路论文篇（4）

关键词：模拟电路电路设计教学模式

以大规模集成工艺为依托的各种数字电路问世以来，由于其相对模拟电路的高可靠性和灵活性，逐渐取代了各种传统的模拟电路的应用领域。但是现实的物理世界毕竟是模拟的，因此，任何数字化系统都包含有模拟电路部分，模拟电路并没有因数字电路的兴起而被完全取代。模拟电路课程仍然是电子工程、电气工程、自动控制、通信等涉电类专业的核心课程之一。

模拟电路课程的重要性还在于无论从工程技术还是专业能力结构而言，模拟电子技术都处于较为底层的位置，通过该课程的学习获取的知识、经验、工程技术方法是顺利学习上述专业几乎所有其它专业课程的基础。

模拟电路是教学难度相对较大的课程。其学习的困难性在于，学生是第一次接触以半导体器件为核心的有源电路；模拟电路“数字化”、结构化程度低，表现出的物理现象和涉及的数学工具又较为复杂；模拟电路的工程技术方法很难实现程序化，常常需要依赖经验知识解决问题。

电路设计是电子技术人员的工作邻域和具有典型性的工作过程，模拟电路设计过程相当完整地体现了模拟电路技术应用能力的内容和要求。构建基于模拟电路设计的学习任务，依据设计工作过程组织教学活动，能够较好地实现培养模拟电子技术应用能力的教学目标。

1、工作过程、能力与任务类型

一个较完整的电子系统电路设计的工作过程，包括：技术指标分析，方案设计，单元电路设计与参数调整，电路综合联调与性能测试。通过对模拟电路设计工作内容和过程的分析，完成电路原理设计过程必须具备的、应由模拟电路课程支撑的能力包括：阅读电子元器件技术文件和电原理图的能力、单元电路设计能力、电路综合设计能力、计算机辅助设计能力、编写设计文件的能力。因此模拟电路课程的学习任务有4种类型：识读电原理图和技术资料、单元电路设计与电路综合、计算机仿真测试、编制设计文件。

单元电路设计与电路综合是基本任务，它引领其它类型任务和整个项目的实施完成。

不同类型的任务可以根据设计任务的需要和本身的复杂程度，作为单独的任务存在，与相关的设计任务共同组成学习项目，也可以作为完成设计的准备知识存在于设计任务之中。例如，反馈放大器设计可以作为一个学习项目，由识读反馈放大电路原理图、反馈放大电路性能分析、反馈放大电路设计3个关联的任务组成。

识读电原理图和阅读元器件技术文件是基本能力。电路设计，特别是在原理设计和电路结构设计时，极少原理性的创新，绝大多数是对已有电路的适用性改进和重新组合，这种改进和组合需要阅读已有的设计资料，借鉴他人的技术经验和成果；为提高电路性能，降低成本，提高工作效率，往往需要在电路中采用新出现的电子元器件，例如集成电路芯片，需要阅读生产方提供的产品规格书及典型应用电路。识读电原理图和技术文件对于形成和提高电路设计能力具有基础性的意义。

目前，电子电路计算机辅助设计（EDA）包括电子工程设计的全过程，例如系统结构模拟、电路特性分析、在系统可编程器件开发、绘制电路图和制作PCB。在电子工程设计中有着不可替代的重要作用，是电子工程技术人员必须具备的专业技术能力之一。在模拟电路课程的学习任务中，主要是指应用计算机完成电路图绘制、电路性能和参数的仿真测试与分析、编制设计文件等工作。

在电路设计的实际工作过程中，编写设计文件是重要的工作内容和不可缺少的环节。没有设计文件，无法进行初步设计完成以后的后继工作。对于学习任务而言，编写设计文件，是一个总结和提高的过程，有利于培养交流沟通能力和养成严谨的工作态度。设计文件也是判断和评价项目或任务完成情况的重要依据。

2、任务目标

(1)电路识读任务，是对针对设计任务收集技术资料（主要是可供设计参考的电路）并进行分析，属于电路设计的准备工作，任务的目的是为完成设计任务建立必要的知识储备。大致分为互相关联的3个层次：1)识别元器件符号、功能和主要技术指标。依据符号识别电路中的元器件是读图的基础，作为专业入门课程，对此应该给与一定程度的注意，要能够识别和了解符号的含义、主要器件功能和技术指标。根据电路中使用的核心器件，往往可以判断电路的功能。2)区分电路单元，判断电路功能。较复杂的电路系统都由单元电路构成，功能单一的单元电路也可以进一步分解为部分电路，例如放大器可分为输入级、中间级和输出级；稳压器可分为整流和稳压部分。对部分电路功能的分析，得出对整个系统功能的判断，并作为下一步工程估算的基础。3)指出电路的结构特点，估算分析电路技术指标。分析电路形式与结构，可以得出电路大致的技术性能指标，定性判断元器件参数对电路性能的影响。例如对放大器输入级、输出级电路形式和结构的分析，可以大致得出放大器的输入、输出特性；对中间级的分析，可以大致判断放大能力；依据级间耦合方式，可以判断放大器频率响应范围；甚至电源电压也可以据以分析放大器输出信号幅值。

(2)设计任务目标包括典型单元电路设计与电子线路综合设计，在定性分析的基础上实现定量估算，自顶向下完成初步的设计。依据设计工作过程，可以分解为以下阶段目标。1)正确理解任务要求，分析各项技术指标的含义。仔细研究任务的工程背景和要求，正确分析和理解各项技术指标的含义，分析实现任务要求的技术途径，这是完成设计的前提条件。2)设计总体框图，分配技术指标。参考与任务相同或相近的电路方案，选用能够满足技术指标要求的核心器件，完成方案论证。对于同一个任务，实现的方案可以有多个，应具备将不同方案加以分析、比较的能力，从中确定一种相对较优的方案。

依据选定的方案按照功能划分成若干个互相联系的模块，将技术指标和功能分配给各个模块。3)单元电路设计。依据模块的功能和技术指标要求，参考典型电路，确定电路结构，计算元器件参数完成单元电路的初步设计。4)仿真测试。模拟电路，比如放大器、滤波器等的参数比较繁琐，需要进行多次调整才能达到技术指标要求。要能够在计算机上对单元电路仿真测试，修改电路参数，观测性能指标，直至满足技术指标要求。5)电路联调，测试技术指标。在单元电路完成逐步设计的基础上，通常依据信号流向，逐级完成级联和调试直至全部电路调试完成，系统技术指标达到设计要求。这个过程是电路综合的过程，也可以在计算机上模拟仿真实现。

(3)仿真测试调整任务的目标是在电子电路设计过程中实现较为精确的量化分析。其作用主要表现在3个方面。[3]1)验证电路方案设计的正确性。当要求的系统功能确定之后，首先采用系统仿真或结构模拟的方法验证系统方案的可行性，进而对构成系统的各单元电路结构进行模拟分析，以判断电路结构设计的正确性及性能指标的可实现性。2)电路特性的优化设计。分析恶劣温度条件下的电路特性，计算分析器件容差对电路的影响量，用于确定最佳元器件参数、电路结构以及适当的系统稳定裕度，实现电路的优化设计。3)实现电路的模拟测试。电子电路的设计过程中大量的工作是元器件参数计算、各种数据测试及特性分析。在工程估算的基础上，通过仿真测试与分析加以调整，能有效提高设计工作的效率。4)技术文件编写要求在完成电路设计的同时编写尽可能详细的符合工程标准的技术文件，包括方案设计说明、原理框图、电原理图、原理与技术说明、元器件参数计算、技术指标与特性测试数据、元器件清单等。

3、任务结构及实施

一个典型的电路设计任务由工程背景描述、任务要求、基础知识学习、设计方法与步骤、电路设计等学习单元组成。

3.1工程背景描述

工程背景描述的内容主要包括电路功能、工程应用背景、技术发展背景介绍。工程背景描述的实质是“提出问题”，工程背景描述尽可能选择具有典型性的电子工程问题为实例，解决关于学习目标的问题。

3.2 任务要求

设计任务必须具备明确的工程应用背景，必须提出具体的设计要求（技术指标）。例如交流放大器设计任务，应明确提出工作频率、信号源、输出特性、输入特性、工作稳定性等要求等技术指标。提出任务要求，应依据由浅入深循序渐进的原则，从体现基本功能的一两个技术指标开始，逐步增加技术指标数量，提高设计难度。

3.3基础知识学习

基础知识学习包括任务分析、相关理论知识学习、参考方案与参考电路分析及相应的基础练习等。基础知识的学习包括理论知识、技术知识、经验知识和经验技能的学习。理论知识是重要的，因为它是能力的组成部分，同时对于学生的发展能力起到更为持续和关键的作用。在工程实践中学习和使用的理论知识才能被真正掌握并形成能力，因此应该以实现电路设计任务为依据，确定理论知识的学习内容和学习深度，力求将理论与实践、数学方法与物理概念更紧密地结合起来。

提供设计参考的电路必须是工程电路，但学习是一个循序渐进的过程，基础知识的学习会使用原理电路为学习对象，原理电路不能仅有电路结构和元器件标号，也要标注元器件主要参数，使学生在定性分析阶段就能对电路参数有直观的影像，逐步建立数量观念，这对于初次接触模拟电路的学生是十分重要的。

3.4设计方法与步骤

不同功能和结构的电路，具体的设计内容、方法与步骤各不相同。甚至同样功能的电路，技术要求不同，设计时考虑的重点、设计依据、电路结构等均有区别，但工程估算是贯穿整个设计过程始终的基本方法。

以反馈放大器为例，设计步骤如下:

选择反馈组态，选择反馈深度，选择反馈级数，确定放大级数，确定输入级、中间级、输出级的电路结构，计算电路参数，仿真测试和参数调整。容易理解，上述步骤都必定建立在必要的工程估算的基础之上。

3.5 电路设计

这是学生在相对独立的情况下，完成电路设计的过程。尽量采用与前面4个学习单元及撰写设计文件交叉进行的方式实施。

不同类型的学习任务，其结构不尽相同。但区别主要是在(4)、(5)两部分。

不同类型的学习任务以“定性分析、工程估算与仿真测试调整相结合”的方法实现。

4、结语

电路设计在知识的运用上不同于单纯的电路分析与计算，依据模拟电路原理设计过程构建学习任务，组织和实施教学过程，不仅能够有效控制理论知识学习深度，促使学生较为自主地获取经验知识，并在获取知识的同时实现知识转换为技术应用能力，更有利于实现培养学生模拟电路技术应用能力的教学目标。

参考文献

[1] Sergio Franco.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安交通大学出版社,2009.

[2] 谢自美 等.电子线路综合设计[M].华中科技大学出版社,2006.

[3] 赵世强 等. 电子电路EDA技术[M].西安电子科技大学出版社,2000.

单元电路论文篇（5）

中图分类号：TP319 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10786-02

1 引言

动态电路的一个特征是当电路的结构或元件的参数发生变化时，例如电路中的电源或无源元件的断开或接入，信号的突然注入等。可能使电路改变原来的工作状态，转变到另一个工作状态，这种转变往往需要一个过程，在工程上称为过渡过程。本文以动态电路理论中一阶动态电路用三要素的方法分析计算、二阶以及二阶以上的动态电路用拉普拉斯变换分析求解为例，讨论了如何分别运用MATLAB语言编程、Simulink模块、电力系统仿真模块集SimPowerSystems的方法来对电路进行仿真分析和计算。同时MATLAB还具有强大的绘图功能，能方便地绘制二维、三维图形和相量图。特别是对于动态过程，通过用图形来显示会更加直观，对于动态过程中某时刻的情况可以有一个定量的认识，且对工程上解决系统处在动态阶段的问题，有一定的指导意义。

2 典型一阶动态电路的分析计算

一阶电路是指可以用一阶微分方程描述的电路，主要是RC电路和RL 电路。运用经典的三要素法用MATLAB语言对其编程，程序容易理解并且可以很快的得到一阶电路的过渡过程。

应用MATLAB 语言编程如下：

例2[2]：图3 所示的一阶电路中，已知R=1Ω，L=1H， us2=5V，us1=Us1mcos(wt)V，其中，Us1m =4V，w=2rad/s，当t=0时开关S由位置1合向位置2。试求：电感电流的全响应，并画出波形。

应用MATLAB 语言编程如下：

程序运行结果见图4所示：

对于一阶电路用三要素法利用MATLAB 语言编程和电路的基本知识可以简单的得到过渡过程，且MATLAB语言比较容易理解，运用MATLAB的画图工具可以把过渡过程反映的很清楚。

3 典型高阶动态电路的分析仿真

在动态电路理论中，二阶也可以用三要素法来求解，但是应用MATLAB的语言编程过于复杂。我们可以应用simulink来进行分析仿真，它的优势是利用基于Windows的模型化图形输入简化编程。另MATLAB还有一个基于Simulink的电力系统仿真模块集SimPowerSystems，这是一个非常好的电路仿真软件，简单易学，不需要自己编程，非常适合于对电路进行计算机动态仿真分析。

运用MATLAB有三种方法可解答此题。

方法一：根据电路理论立微分方程：

由该系统的数学描述可得系统仿真模型如图6所示。

按照上图设置好各模块的参数，然后在MATLAB命令窗口输入以下赋值语句：R=2; L=0.5; C=1.5，进行仿真后在MATLAB命令窗口中给出绘图命令

>>plot(tout,yout),grid ,xlabel('t/s'),ylabel('ut/V') 就可以作出单位阶跃响应的曲线。

方法二：根据拉普拉斯变换分析并仿真

由运算电路可解出该题的单位阶跃响应：

使用Transfer Fcn构建的系统仿真模型如图8。

设置好参数，输入命令仿真后在双击Scope模块，在Scope窗口中的曲线和刚才的一样。

方法三：利用SimPowerSystems模块，将所需的电路元件复制到模型编辑窗口中。并对这些元件赋值连接。仿真框图如图9。

用电力系统工具箱中提供的power2sys('sys', 'ss')函数可以提取出从给定电源到输出端子的状态方程模型，即由电路图模型向状态方程模型转换，根据状态方程模型就可以对整个电路进行频域分析，再由tf()还可以得出系统的传递函数模型。

下面的MATLAB语句可以容易地得出系统的阶跃响应解析式：

该解所表示的数学式子是：

Simulink模块以及电力系统仿真模块集SimPowerSystems对电路进行仿真分析和计算非常方便。选择所需元件拷贝到用户窗口，设置其参数即可获得所需模块，只须鼠标的拖动、设定元件的参数和连线操作，即可进行仿真，使用简单易学。对于动态电路的仿真分析，可以减少调试时间，再利用简单的MATLAB语言可容易的得到系统的传递函数和阶跃响应解析式。

4 结束语

本文通过动态电路理论中的例子介绍了如何应用MATLAB语言编程和Simulink仿真的方法来对复杂电路进行分析和计算。该方法不仅可以节约计算时间、方便地调试电路参数，而且还可以通过图形非常直观地观察到其响应的过渡过程。所以MATLAB在电路理论学科研究与工程实践中具有很好的应用价值。

参考文献：

单元电路论文篇（6）

关键词：

电子大赛；理论培养；焊接工艺

一、导论

全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生学科竞赛之一，是主要面向全国电子类学科大学生赛事，目的在于推动教学改革、培养实用型人才，同时也有助于培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作、提高学生电子设计制作的能力，为选拔人才也创造了条件。比赛自从开办以来，一直备受全国高等院校和学生的重视，被认为国内“含金量”最高的比赛之一，比赛成绩在某种程度上已经成为标志着学校教学水平的高低。而参加比赛获奖的学生在求职过程中，也经常受到用人单位的青睐。全国大学生电子大赛是一种半开放的比赛，比赛时间为4天3夜。比赛期间[1]，同一个队伍的队员之间可以商讨设计思想，确定设计方案，进行分工协作，以队为基本单位独立完成比赛任务。指导教师不允许对参赛学生进行指导，参赛队员也不可以与其他人员探讨任何问题，队员可以查询相关资料设计电路并完成作品。比赛内容涉及范围比较广，包含高频、低频电子线路设计、单片机等控制电路，几乎包含了电子类专业所有的专业课程，没有深厚的理论基础和对电子元器件扎实的认识，很难在短短的4天中完成比赛，赛前培训则成为完成比赛内容提高比赛成绩的关键。如何进行赛前培训、提高比赛成绩，已经成为指导教师及参赛学生讨论的重点问题。本文根据电子大赛和教学内容，对学生的培训可以从几个方面进行考虑，主要包括是理论培养、电路设计训练、电子元器件认识、焊接工艺练习等。

二、理论培养

良好的比赛成绩与对电路理论知识的掌握情况是分不开[2，3]。首先需要熟练掌握基础知识。电子设计大赛的电路设计与参加考试不同，对知识的认知不能停留在仅仅会做习题的层面上，需要深刻理解教材中每一个电路设计的原理，如三极管、电阻、电容、电感等元器件在电路中发挥的作用，其数值变化对电路的影响等。例如，三极管的三个工作状态饱和、截止、放大，如何设计参数，使其工作在不同的工作状态，实现所需要的功能，这些都需要学生对电路知识有深刻的认识才能够设计出相关的电路。然而，电子大赛比赛时间一般为9月初，大四的学生已经学习了电路与电工基础、模拟电子线路、单片机、高频电子线路等课程等相关的电子技术专业课，从所学习的课程上可以看出，完全具有独立完成电子大赛题目的电路设计的能力。但是由于时间的关系，大四的学生对以前所掌握的部分知识存在遗忘的现象，这些都需要学生利用业余或者假期时间重新复习以前学习过的相关知识，以便在比赛的时候能灵活运用理论去设计电路。由于电子大赛与电子线路等课程相关的内容比较多，单靠学生自己很难在业余时间复习学会相关的知识，并且，学生习惯于考试的方法学习，对于电路的设计，几乎没有任何经验，很难把握住理论学习的重点。为了提高学生的理论水平，学校应该组织在电路设计上有经验的教师，对参赛学生进行辅导，以加深对理论知识的认识与理解。

三、电路设计训练

普通高等学校课程体系建设上[4]，受到高等学校师资、投入等各方面的影响，电子类的教学还是以理论授课为主，同时开放对应的实验、课程设计等实践教学环节，学生对电路的认识还停留在实验上，很少能够形成电路设计的概念。面对一个电路设计，不知道如何从何处入，这就需要从简单的电路设计入手，培养学生设计电路的能力。如何贯穿所学电路知识设计电路，是参赛的关键。电子大赛的电路设计是绝对不是靠一门课程可以设计出理想的电路完成比赛任务的，它是需要依靠多门课程知识内容的集中体现。电子大赛的电路设计通常需要由多个小单元电路组成。如遇到显示温度、采集信号等内容则需要使用单片机等器件来实现、如果采集的信号幅度过小则需要对其进行放大达到下一级电路的输入要求。因此将电路知识融合贯穿起来才能完成整个电路的设计。总所周知，无论多么复杂的电路，都是由简单的单元电路组合起来，实现复杂的电路功能，因此，根据学生所掌握的本科知识，先给出若干单元电路题目进行设计，如加法器、振荡器、乘法器等电路设计，让学生自行设计。随着软件技术的发展，已经存在一些电路仿真软件，如EWB、Proteus等，学生可以依据这些软件将自己设计的电路进行仿真实现，验证自己的设想是否正确。采用这些软件实现电路仿真，不仅可以使学生的设计电路时候的一些想法得到实现，也可以降低成本，同时学生也可以很容易修改参数，观察每个单个电子元件在电路中发挥的作用，这在实物电路中是很难实现的。

四、电子元器件的认识与焊接工艺

电路设计采用仿真软件实现，可以对学生起到一个锻炼作用，但是这些仿真电路毕竟与实际电路的设计毕竟存在一定的距离，我们必须把仿真电路转换成实物电路，才能提高学生对真正电路的认识。对于很少接触实际应用的本科生来说，首先培养学生对电子元器件的认识，如电阻、电容、电感等型号、阻值、电容数值等的认识，如何分清三极管、二极管的管脚；认识常用的运放芯片，比如OP07等，对于比较不熟悉的芯片，学会如何查找芯片的参数，芯片输入的电压范围等，以便用于在设计电路的时候可以依据参数，选择性能比较合适的芯片用于电路中。其次，电路焊接问题一直是困扰学生电路成功参赛的主要原因，经过了2~3天的电路设计及仿真实现，学生基本上完成电路设计，在实现作品的时候，学生焊接完的电路板，经常会出现电路不能正常工作、或者输出信号与设计初衷不一样的情况，甚至无任何信号输出，电路的焊接往往是出现问题的主要原因，虚焊、焊点过大、电子元器件被烧坏等问题都严重影响电路正常工作，即使比赛结束前可以正常工作的电路，到了比赛现场测试的时候，也经常会出现电路无法正常工作，或者是电子元器件被烧的情况。当然电路无法正常工作的原因有很多，焊接技术不过关是常见的原因，由此，需要加强对学生平时对焊接工艺的训练，提高作品成功由于焊接问题导致的比赛失败。另外，熟练的掌握示波器、万用表、直流稳压电源、信号源等基本仪器也是需要对学生进行培训的重要环节。比赛赛场通常不是在本校进行，而常用的仪器种类有分为很多种，国内的仪器面板也几乎都是专业英文标识，在紧张的比赛环境中，顺利操作这些仪器仪表进行测量也不是很容易的事情，因此需要训练学生熟练掌握常用仪器的使用方法，掌握仪器面板每一个按钮的英文含义，熟练掌握仪器的操作和按钮含义以后，即使遇到不熟悉的仪器，也可以很快学会使用方法。

五、赛前模拟练习

实战模拟训练是赛前不可缺少的一个重要环节。由于电子大赛需要面向电子、通信、自动化等专业学生参赛，因此，每年电子大赛的题目大致包括几个方面：电源、放大器相关的内容、通信、控制等几个大方面的设计。指导教师可以依据自己所带学生的专业方向设计一些相关题目进行模拟训练。经过理论、电路设计等方面系统的培训，参赛学生已经基本掌握了电路设计的相关知识。在这种情况下，参赛学生也需要参与几次模拟训练以达到组员之间相互配合的目的。每组参赛队员为3人，比赛中也通常涉及基础电路设计、单片机设计、电路焊接、最后完成比赛报告。合理的分工合作能够数顺利完成电路设计，如果在比赛配合出现问题，则有可能导致在规定时间内无法完成比赛，指导教师可依据学生掌握知识的情况，对学生进行分工。如将基础知识掌握比较全面的学生作为组长，负责电路整体设计、单片机编程比较好学生的负责单片机控制、文笔比较好的同学负责论文报告的写作。这种赛前实战模拟训练还有一个重要的目的，学会排查问题电路。在电路的设计和焊接过程中，会出现各种问题，一般来说，即使是指导教师在短时间内发现问题也是很困难的事情，这些问题出现在赛场上，只能依靠学生自己解决问题，对于对电路的初学者来说，这种问题也是经常发生，焊接的电路也很难一次成功，学会排查电路故障时参赛学生必须掌握的基本内容。针对存在问题的电路，当某一部分电路出现问题的时候，首先需要要做的是需要是检查电路设计的是否正确，确信电路设计正确后，再依照电路图检查电路连线问题，如果都没有问题，则需要依照电路从前往后每一个焊点都需要采用万用表或者示波器测量电压或者波形。这也需要对电路的原理极为熟悉，清楚了解电路中每一处的电压的大小、每一处电压波形形状等相关参数，以判断电路出现的问题所在。

六、结论

本文仅仅是从以上几个方面来讨论如何在赛前对学生进行培训，以提高学生参加比赛的成绩。但是，毕竟比赛各种意外都会发生，在短时间内完成电路的设计、购买元器件、完成电路作品，即使参加培训的学生也会由于经验不足，参数设计等问题等会有很多意外发生，影响比赛成绩。加强平时对学生的训练、增加电路设计经验是靠平时一点一滴积累起来的，只有打下深厚扎实的基础，才能在比赛中取得良好的成绩。

参考文献：

[1]汤勇明，堵国樑，贺晋，等.大学生竞赛组织和创新能力培养的探索[J].电气电子教学学报，2009，31（4）：76-77.

[2]龚仁喜，孟小碧，秦钢年.创新型人才培养与实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理，2006.

单元电路论文篇（7）

【中图分类号】G712 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2012）24-0178-02

一 针对技校学生学习现状，激发学识图兴趣

技校学生入学时，多数学习基础差，理论学习能力较低，缺乏学习动力，对理论知识的学习有一种抵触和畏难情绪，尤其是遇到电子技术中的电路图更是无从下手。针对这一现状和这门课的实际教学情况，在教学中可以选择一些生活中常见的电路图实例，如扩音器、直流稳压电源、助听器、简易数字钟、门铃、收音机等，通过展示这些产品和相应的电路图，告诉学生：通过学习，掌握基本电子元件和电路原理图的识读，弄清原理，这些产品都可以通过自己动手制作出来。从而激发学生的学习兴趣，使他们从开始的厌学到想学再到主动去学。

二 采用模块式教学，让学生容易接受

电子技术基础一体化教学主要有模拟电子和数字电子两大模块。在电子制作项目中学生对识读电路原理图有困难，因此，有必要提高他们在识图技巧方面的能力。可以安排一定的课时对其进行电路原理图识读技能训练。根据一体化教学课程安排的特点，本文对电路原理图识读教学分以下三部分进行探讨。

1.模拟电路原理图的识读

电子产品制作课题中元器件较多，教学中一般不要求学生进行定量计算，而是要求学生进行定性分析。从这一点看，教学上要让学生了解交流信号的传输线路，知道交流信号经过的具体元器件及受到的处理，明白经过一个单元电路后信号幅度是增大还是减小。识读电路原理图应从以下几方面来进行教学安排。

第一，分析放大器类型。单级放大器类型有三种，分别是共射极放大器、共基极放大器和共集电极放大器。共射极放大器能放大电流和电压，这种放大器应用最广泛；共集电极放大器只能放大电流不能放大电压，应用也很广泛；共基极放大器的频宽很大，通常用来做高频放大器。放大器类型的判别方法简单，以共射极放大器为例，基极是信号输入电极，集电极是信号输出电极，而共用发射极的，就是共射极放大器。

第二，分析直流电路。有源电路需要直流电压才能工作，振荡器也需要能量的补充，如放大器和变频器。由于电容器具有隔直特性，将电路图中的所有电容器看成开路；由于电感器具有通直特性，将所有电感器看成短路。直流电路的识图方向从右到左，再从上向下。

第三，分析信号传输过程。信号传输过程分析就是信号在该单元电路中如何从输入端传输到输出端，信号在这一传输过程中受到怎样的处理，是放大还是衰减。信号传输的识图方向一般是从左到右。

第四，分析元器件作用。元器件作用分析就是电路中各元器件各起什么作用，有时不必对各个元器件进行详细分析，比如掌握耦合电容的作用后，在进行元器件作用分析时只要判断出某些电容是耦合电容即可。

第五，分析耦合电路。一级放大器的放大量是有限的，实用电路往往采用多级放大器，级间用耦合电路来连接。耦合电路不仅用于两级放大器之间，还用于信号源与第一级放大器之间、最后一级放大器与负载之间的耦合。耦合电路有RC耦合电路、直接耦合电路、LC耦合电路和变压器耦合电路等。

第六，分析电路故障。电路故障分析就是假设电路中元器件出现开路、短路、性能变劣后，对整个电路工作造成的不良影响，使输出信号出现故障现象，比如没有输出信号、输出信号小、信号失真、有噪声等。掌握电路工作原理后，元器件的故障分析将会变得简单。

2.数字电路原理图的识读

中职技校的数字电子技术一体化教学涉及门电路、编码器、译码器、触发器、分频器、计数器、比较器和555定时器等。电子制作中，它们一般以集成块的形式出现，一个集成块里有一个或多个完整的单元电路。数字电路的识图是电路原理图分析中的一个重点。识图方法可以从以下几个方面来分析：

第一，分析集成块特点。一般情况下集成块的内电路不需要分析，它具有规律性，在掌握了它们的共性后，可以方便地分析许多功能相同而型号不同的集成块。一个集成块在电路原理图里通常是一个方框加多个引脚，许多学生初学时觉得原理图大而繁，比起分析分立元器件的电路来更困难而不敢下手。实际上识图也好、检修也好，集成电路比分立元器件电路更为简单。

第二，分析集成块引脚类型。集成块引脚一般有以下几种类型：一是电源引脚。通常电源引脚只有两个，一个接电源的正极，用VCC来表示，一个接电源的负极，用GND来表示。大部分集成电路的电源正极引脚编号最大，电源负极引脚编号是电源正极引脚编号的一半。电源引脚接直流电源为内电路提供工作能量，电子制作中一定不能漏接。二是输入输出引脚。电路原理图中一般输入引脚在集成电路的左侧，输出引脚在集成电路的右侧。三是控制类引脚。控制类引脚的作用是控制集成电路的工作状态，影响输出信号，比如使能、清零、灭灯引脚等。此外，还有一种没用到的引脚，符号一般记为NC。

第三，分析集成电路引脚小圆圈表示的功能。电路原理图中集成电路输入端有小圆圈，输出端也有小圆圈，许多学生几个电路做下来对此更是迷惑不解，因此有必要进行分析。左侧的小圆圈表示的功能为：输入端的小圆圈表示低电平有效，高电平时无效（不起作用）；控制端的小圆圈表示低电平有效，执行控制功能，高电平时无效。右侧的小圆圈表示的功能为：互补输出时表示两个输出反相；单端输出时表示输出与输入反相；译码器中表示低电平输出有效。

第四，数字电路原理图的分析。数字电路原理图主要是信号传输过程的分析。与模拟电路原理图信号传输过程一样，要掌握信号在电路中如何从一个单元电路传输到下一个单元电路，了解经过一个单元电路后信号波形的变化。信号传输的识图方向也是从左到右。

3.复杂电路原理图的识读

电子制作中往往会遇到元器件较多的项目，给学生理解及分析造成极大的不便，通常把复杂电路原理图简化成原理方框图来表示。原理方框图是一种用方框和连线来表示电路工作原理和构成概况的电路图。讲解和分析原理方框图要让学生了解以下几个方面：

第一，原理方框图表示了电路原理图各单元电路之间的信号传输方向，包含了各单元电路之间的传输次序。

第二，根据原理方框图中所标出的电路名称可以知道信号在这一单元电路中的处理过程。

第三，方框图粗略地表达了电路的组成，通常给出复杂电路的主要单元电路名称、位置，以及各部分单元电路之间的连接关系。

参考文献

[1]胡斌.图表细说电子技术识图[M].北京：电子工业出版社，2006

单元电路论文篇（8）

当前,在电子技术课程教学中,大多数学校仍然是在课堂上先把知识点逐一讲述,然后再通过实验课中,在现成的试验箱上或者面包板上,通过元器件硬件连接测试,加深知识点的掌握。这种传统的教学方式不仅受实验室条件的限制,而且新器件、新设备价格昂贵,如果需要增加一些扩展型、设计型的实验时,学校更是无法承受。

随着计算机技术和电子设计自动化(EDA)技术的发展,出现了许多基于Windows的仿真工具,非常适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。这种新型的虚拟电子实验技术,可以直接在元器库中选择需要的元器件和测试仪器,搭建实际的电路,而且与实物外形相似,由于这些仿真工具中的测试仪器和元器件种类多、功能全,可以弥补弥补实验仪器、元器件的短缺及以及规格不符合要求等因素,还能利用软件中提供的各种分析方法,帮助学生更快、更好地掌握教学内容,加深对概念、原理的理解,并能熟悉常用的电工电子仪器的测量方法,进一步培养学生的综合能力和创新能力。

一、可控整流电路

整流电路(Rectifier)是电力电子技术中最为重要,也是应用得最为广泛的电路,不仅应用于一般工业,也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。

该部分课程的主要内容包括单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算,续流二极管的作用及有关波形分析。三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。整流变压器原、附边绕组电流有效值及容量计算。带平衡电抗器的双反星性大功率整流电路工作原理及波形分析。变压器漏抗对整流电路的影响。电路中谐波的产生、组成及抑制方法。整流电路的谐波和功率因数。整流电路的有源逆变工作原理及实施逆变的条件,逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与主回路电压的同步,移相工作原理。

其中,重点掌握部分为单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算。三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。变压器漏抗对整流电路的影响。电路中谐波的产生、组成及抑制方法。整流电路的谐波和功率因数。整流电路的有源逆变工作原理及实施逆变的条件,逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与主回路电压的同步,移相工作原理。

二、虚拟电子实验台MultiSim简介

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0。通过Multisim和虚拟仪器技术,电子学教育工作者可以完成理论的讲解、原理图的捕获与仿真以及测试的完整综合设计流程。

Multisim具有直观、方便的操作界面,屏幕左边为元器件和虚拟测试仪器,由于些器件、仪器构造和实际非常相似,使得学生们如同操作实际器件一样,方便构建电路;同时,Multisim拥有大量的元件数据库,特别是大量新增的与现实元件对应的元件模型,增强了仿真电路的实用性,而且还可以从生产厂商的产品使用手册中查找到想要的元器件参数,新建或扩充已经有的元件库; Multisim可以完成电路的瞬态分析和稳定分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。

三、用MultiSim进行虚拟实验的方法

笔者通过结合教学的实际需要,简要地介绍用该软件构造和测试电路的步骤:

1.从元件库选择元件放置到工作区;

2.将元件按照电路布局进行放置,设置元件参数,采用导线连接元器件;

3.在电路中需要观测的节点放置、连接电压、电流表计和示波器、信号发生器等观测仪器;

4.根据测试要求设定仪器参数,进行电路仿真、观测;

5.点击“运行”后,通过测试仪器,对输入信号进行分析,形成电路的数据值解,并将所得数据送至输出级,从测试仪器如示波器或万用表等上获得仿真运行的结果。

四、可控整流电路的仿真模型

可控整流电路的带纯电阻性负载情况比较复杂,在仿真模型的应用中先对相应的参数设置进行描述:①交流电压源参数U=100V,f=50Hz;②晶闸管参数Rn=0.001Ω,Lon=0H,Vf=0.8V,Rs=10Ω,Cs=250e-6F;③负载参数R=10Ω,L=0H,C=inf;④脉冲发生器触发信号1、2的振幅为5V,周期为0.02s(即频率为50Hz),脉冲宽度为2。

将双踪通用示波器接入输入信号、输出信号端,相邻、相对两桥臂,测得整流桥的信号如图2所示,二极管桥式整流电路波形。该电路具有将双向的交变电压变换为单向的脉动电压的功能。对波形的进一步观察发现,二极管上承载电压的情况, V1、3管、V2、4管分别承受不同周期的反向电压,但管子承受的最大反向电压与电源最大反向电压相同。以上两点满足了我们提高变压器利用率并降低整流管最大反向电压的要求,实现了二极管整流输出的最佳性能。

五、结论

笔者在对单相桥式可控整流电路理论分析的基础上,利用MATLAB面向对象的设计思想和自带的电力系统工具箱,建立了基于MATLAB/Simulink的单相桥式可控整流电路的仿真模型,并对其进行了对比分析研究。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性,可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的问题。工作者们可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真再现出来,并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性;真正地做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。

参考文献:

[1]唐益.Multisim软件电路设计与仿真分析[J].乐山师范学院学报,2002,(04).

[2]沙春芳.Multisim2001在电路仿真中的应用[J].现代电子技术,2001,(11).

[3]任斌.虚拟实验平台的辅助教学作用[A].全国高等学校电子技术研究会2008年年会论文集[C].2008.

单元电路论文篇（9）

作者简介：李铁军（1976-），男，吉林松原人，集美大学信息工程学院，讲师；陈虹宇（1976-），女，四川广安人，集美大学轮机工程学院，讲师。（福建 厦门 361021）

基金项目：本文系集美大学教学改革项目“强化供用电能力培养的《供电技术》教学改革”（项目编号：JY09037）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0131-02

“模拟电子技术”课程是工科院校信息科学与技术学院类自动化、电气、测控、电子等相关专业的主干专业基础课，具有较强的理论性和专业实践性等特点。实际教学中存在如下问题：理论知识比较抽象；基本元器件具有非线性特征，需视不同的工作环境作不同的线性等效，学生不易掌握；同一元器件组合用在不同的电路中，特性应用的侧重点不同，学生经常丢主抓次。[1]实践教学是弥补理论教学不足的重要手段，实践教学不仅能锻炼学生的动手能力，而且能加强学生理论联系实践的能力。[2]而传统实践教学存在仪器操作复杂；实验一般在已封装好的实验箱或实验台上进行，以验证实验为主，导致学生对元器件的作用不明确，电路基本原理不清楚，不会根据电路原理图布线，实验结果缺乏分析；不利于创新思维培养等缺陷。

德国心理学家巴特利特（Bartlett）在《记忆》一书中最早使用了图式（schema）的概念。他认为图式是“过去的反映，或过去的经验的积极组织”，是一个不断发生作用的已有知识结构，遇到新事物时，只有把这些新事物和已有的图式联系起来才能被理解。[3]图式在外语教学[7]及机器人路径规划[8]等方面得到了成功应用。

为顺应教育部推动的“卓越工程师教育培养计划”，本文引入图式概念，将知识点进行了分解，建立了分层递阶学习模式，形成了由浅入深、由元器件向电路、由仿真向硬件过渡的模块化教学，锻炼了学生的实践动手能力，培养了学生的电子线路设计能力与创新能力，加强了学生分析问题、解决问题的能力，以及启发了学生的创新意识。

一、基于图式的学习框架设计

图式理论是现代认知心理学的一种认知理论，图式是“表征存储在记忆中的一般概念的资料结构”，具有高度抽象和结构化的特点。作为知识经验的贮存结构，图式影响着人对客观事物或各种刺激情境的理解和反应。就教学活动而言，图式有利于知识的记忆、应用、迁移。一旦图式知识被激活，就能引导问题解决者以特定的方式搜寻问题空间、寻找问题的有关特征，从而提高问题解决的效率。[4]

皮亚杰认为图式就是心理、思维或智力的结构。图式经过同化、顺应和平衡这样的学习与适应过程，构成了新的图式，不断发展变化，不仅有量变，也有质变。其中同化是图式的量的变化，顺应是图式的质的变化。[5]基于上述思想，将图式引入到“模拟电子技术”课程实践教学过程中，设计符合“模拟电子技术”课程特点的学习框架，如图1所示。

由于实践教学的主要目的是锻炼学生的动手能力，加强学生理论联系实践的能力，且学习是循序渐进的过程，因此学生首先要学会基本元器件的用法，即元器件的构成、基本原理、性能和使用方法，并在此基础上进行综合应用。故基于图式的教学框架采用分层递阶模式，包括如下三个主要部分：

1.知识模块层

通过知识点分解从最基本的元器件开始学习，每个元器件建立一个独立的学习图式。在此基础上，再迁移学习其他元器件，首先学习共性，再延伸出差异性，这样由浅入深、由易到难、由简单到复杂逐步掌握基础知识。

2.功能应用层

在掌握基本元器件的基础上，通过元器件组合构成具有特定功能的电路图式。电路图式也是从单功能到多功能、由静态到动态、由单板到集成的渐进学习。

3.应用设计

根据实际需求，设定由简单到复杂的题目，教会学生进行逆向学习，培养学生的应用设计能力及创新能力。学生拿到题目，首先要进行任务分解，其次要选择能完成某个子任务的电路图式，再选择相应元器件，最后完成该电路图式的具体设计。调试电路并观察输入输出，在确定电路功能正确的基础上，同理完成其他子任务。整个过程学生完全是主体，教师可作为辅助，适时指导。

整个学习过程采用自顶向下（Top-down）和自底向上（Bottom Up）两种方式。自底向上着重学生的学习过程，即教会学生由独立到整体、由特殊到一般的学习方法；自顶向下突出学生应用能力的培养，即学生在前期知识积累的基础上，根据给定任务进行任务分解、功能模块选择及组合应用的过程。两种方式相辅相成，既教会了学生的学习方法又锻炼了学生的设计应用能力。

二、元器件层

元器件图式可参考机器人学的慎思/反应结构进行设计，如图2所示。

感知代表输入，即与元器件相关的一些信息，部分输入信息如下所示：

1.型号命名方法

了解基本元器件的型号命名方式，并不是要记住所有命名方式代表什么含义，而是认识其型号命名表示方式，为以后实际应用中可以自己进行选型奠定基础。如湿敏电阻器的型号名称包含三部分：第一部分用字母表示主称，第二部分用字母表示用途或特征，第三部分用数字表示序号以区别外形尺寸和性能参数，则MS01-A代表通用型号湿敏电阻器。

2.技术参数

如标称阻值、允许误差、极限工作电压（电流）等。

3.等效模型

即元器件的理想模型与类等效模型。

执行代表该元器件的功能，即用途，这里需要掌握的内容主要是元器件的引脚排布和元器件按功能分类。

规划主要是对某个元器件的性能监测，如二极管导电性能，可利用数字万用表，其正向电阻越小，反向电阻越大，性能越好。

在完成某个元器件图式的学习后，下一个元器件图式的学习主要利用迁移的学习方法，即类比与对比，对二者的相同与差异之处进行学习。例如，学了电阻器元器件后，电容器元器件感知输入的型号命名由电阻器的三部分增加为四部分，即在电阻器第一和第二部分中间增加了一个材料。

三、电路层

电路是具有某种功能的基本单元，由一系列元器件有机组合在一起。基于人工生命的行为选择理论设计的电路图式如图3所示。教会学生如何依据实际任务需求（高阶感知）进行任务分解，根据前面所学的元器件先验知识（知识库）选择能完成某个子任务的元器件序列，形成具有一定功能的电路图式。同理，设计其他子任务模块，最终完成整体学习。

将基本电路的工作特性与实际应用相结合进行分析。结合实际需要根据课程教学要求，将知识点分解为整流滤波电路、共射放大电路、射极跟随器、差分放大电路、功率放大电路、反馈电路、运算放大电路、振荡电路、稳压电路等多个模块，通过计算机仿真辅助教学，有助于学生理解，激发学生的学习兴趣。

放大电路是模拟电子技术的核心，电路学习可以从最基本的放大电路开始，例如，首先用动画给学生展示放大电路，学生能直观地了解什么是放大，电路是如何放大信号的。其次学生可以动手搭建放大电路，用示波器观察输入和输出波形，正确理解放大概念。

四、教学方法的实施

上述基于图式的教学方法，实施过程可在仿真软件上进行，避免学生因不能分清集成电路等元器件引脚，甚至不会用最常用的电子仪器仪表（如万用表和示波器等）导致误操作，将电子元器件烧坏或带来安全隐患。在仿真学习的基础上，再迁移到实际硬件平台上。应用软件学习也遵循图式的分层递阶学习模式，先熟悉各软件的功能作用、用法，再进行整体协调应用。

1.基本学习

EWB（Electronics WorkBench）是加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司在20世纪90年代推出的电路仿真软件。Multisim是EWB的一部分，可实现电路输入及仿真。[6]因此，本文利用Multisim实现元器件图式和电路图式的教学过程，以将抽象的理论形象化，减少枯燥感。同时，可以将特性分析图像化，从而提高学生的学习兴趣。

学习过程为：元器件绘制绘制电路图调节参数改变每个元器件型号和参数值观测结果。

在掌握基本知识点的基础上，可以再仿真实际应用中容易出现的问题，加强学生对元器件及电路的认识。

2.结果监测与调试

设计由示波器、万用表和频谱分析仪构成的测试系统价格昂贵、体积庞大，同时如果操作不当，会造成经济损失。而LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是实验室虚拟仪器集成环境，通过图形编程来模拟一些监控仪器。因此，本文引入LabVIEW来实现监测仪器的虚拟设计，并通过仿真环境学习这些仪器的使用方法、连线方式等。在仿真学习的基础上进行实物应用。

3.高级应用设计

仅仅学会某些独立器件或电路设计并不能锻炼学生的创造性思维。为此，本文提出了基于任务的高级应用学习，充分利用Protel丰富的设计功能进行原理图的设计、印制电路板的设计等。

教学过程中，充分考虑到学生的不同层次，设定了难易程度不同的案例。每个案例都要求学生学会进行题目分析和任务分解，针对每个子任务去培养学生的学习能力，如了解PCB板设计的布局布线原则，学习元器件的“封装”等知识。

五、结束语

“模拟电子技术”是电类学生的一门专业基础课，工程实践性强，要求学生不仅有较强的理论知识还要有一定的动手能力。教师单纯的填鸭式教学，学生理解难度大、兴趣不高。本文结合实际需求，根据课程特色，提出引入图式理论建立自底向上和自顶向下结合的分层递阶学习模式，这样既能实现基础教学又能兼顾能力培养。整个教学过程可在仿真平台上进行，学生有基础后再进行实物实验。

参考文献：

[1]黄明.EWB软件在模拟电子技术教学中的应用[J].鄂州大学学报，2012，19（5）：12-14.

[2]王革思，赵旦峰，张朝柱，等.《模拟电子技术》实验课程体系的研究与实践[J].实验科学与技术，2012，10（5）：99-102.

[3]朱秀芝，曹妍.基于图式理论和关联理论的英语听力教学研究[J].外语交流，2012，（8）：40-41.

[4]邓铸，姜子云.问题图式获得理论及其在教学中的应用[J].南京师大学报（社会科学版），2006，（4）：111-115.

[5]邵桂芳.基于动觉智能图式的人工生命体行为及其选择与进化研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[6]王海.Multisim10在模拟电子技术课程模块化教学中的应用[J].电脑知识与技术，2012，8（28）：6856-6858.

单元电路论文篇（10）

Abstract: This paper presents a low noise、low power charge pump phase locked loop which is used as clock generator for USB2.0, The active circuit was implemented in CSM 0.18um CMOS technology. The whole PLL consists of phase/frequency detector、charge pump、loop filter、voltage control oscillator and frequency divider. Simulation result shows that, when output frequency is 480MHz, PLL peak to peak jitter is only 5.01ps and power consume is only 8.3mW.

Keywords: low noise;charge pump;VCO

1绪论

随着微电子技术的发展,微处理器等系统主频的不断提高,通信速度的不断提高,系统对时钟生成恢复电路的要求越来越高,计算机需要处理的数据越来越多。接口,作为计算机与外设数据交换的通道,传输速度的要求随着数据量的增加而不断提高。在市场的推动下,USB 2.0 接口因为其高速和热插拔特性在现代消费类电子接口技术上有着广泛的应用。根据接收的数据恢复数据和时钟,提供给数字系统一个精准的一个低抖动、与工艺无关数据时钟在数据接收部分非常关键,因此对锁相环电路的研究和设计也就具有了更加重要的意义。

由于电荷泵锁相环具有频率获取能力、理论上无限大的频率牵引范围和零静态相位误差,因此电荷泵锁相环成为了现代最流行的锁相环结构[1]。图1-1为本篇论文的锁相环的整体结构框图,它主要包含三个基本部件: 鉴相\鉴频器(Phase\Frequency Detector,PFD )、环路滤波器(Loop Filter,LPF)和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO )。另外,为了实现频率倍增,在锁相环反馈回路中加入了一个分频器,把输出频率分频后与输入参考频率比较。另外,USB 2.0所要求的时钟占空比为50%,所以需要在VCO的输出加一个输出占空比为50%的转换电路。

输出频率为Fout =NFref =F0 +vcKvco,其中Fref 是输入频率,F0 是压控振荡器的中心频率,Kvco是压控振荡器的增益。本文首先对锁相环的数学模型进行了理论推导,然后根据理论对锁相环的各个子模块电路进行了设计,并给出了整个锁相环的仿真结构,最后给出结论。

2锁相环的数学模型

锁相环是一个非线性系统[2],但是,如果锁相环处于锁定状态时,我们可以用线性模型来分析它。锁相环处于锁定状态是指由鉴相\鉴频器产生的相位误差信号Ve为一个固定的值。这时,输出信号和输入参考信号的频率完全相等;如果PLL用作一个频率合成器,那输出频率就是输入频率的N倍。图2是一个基本的PLL线性模型图。在这节中我们将一步一步推导出锁相环的闭环增益H(S),并由此得到锁相环两个重要的参数:固有频率ωn和阻尼系数ξ。

在锁相环内部,鉴相\鉴频器产生的相位误差信号V是由输入参考相位θ和反馈相位θ的差,乘上鉴相\鉴频器的增益K得到的:

V(S)=K [θ(S)-θ(S)]=Kθ(S)

这个相位误差电压通过环路滤波器产生了VCO的控制电压:

V(S)=V(S)F(S)

VCO的工作就像一个理想的积分器,它的传输函数是,则输出相位可以表示为

θ(S)=

输出相位被反馈,并通过一个N分频的环路分频器,产生了反馈相位θ:

θ(S)=

由此便可以得出锁相环的传输函数H(S)

H(S)==(1)

锁相环的传输函数具有低通特性。这意味着如果输入参考相位变化非常缓慢,输出相位将跟踪它的变化。

本文中锁相环采用如图3所示的环路滤波器,这是一个二阶滤波器。但C1的作用只是防止V的纹波干扰,它的取值一般为C2的1/10。由于这个原因,这个环路滤波器可以看作一阶滤波器,它的传输函数(S)可表示为:

F(S)=R+

代入式(1)中,得到:

H(S)=

=N (2)

由上式可以得出锁相环两个重要的参数:固有频率ω和阻尼系数ξ

ω= (3)

ξ= (4)

固有频率ω和阻尼系数ξ是锁相环系统级设计中两个关键的参数。使用S域坐标可以方便地说明它们的意义[3]。

我们可以看到,极点以θ=sin-1ξ的角度距离原点ω。阻尼系数ξ是稳定性的量度。如果ξ等于零,则极点位于虚轴上,系统将以ω的频率稳态振荡。当ξ增大,极点会移向左半平面,系统也因此变得稳定。在这种情况下,系统的脉冲响应是一个以ω频率的阻尼振荡。阻尼系数ξ越大,系统越稳定,但系统的稳态时间也越长。为了在两者之间折中,我们取ξ==0.707。

固有频率和阻尼系数同样影响到锁相环的环路带宽。锁相环的3-dB带宽为[4]:

ω=ω

其中,α等于:

α=2ξ+1-4ξ-

在整个锁相环中,压控振荡器是最大噪声源,而且它的噪声具有高通特性。为了抑制VCO噪声,一般将锁相环的3-dB带宽选取得稍大一些。在本论文中,锁相环的3-dB带宽等于1 MHz。固有频率ω和阻尼系数ξ这两个参数确定下来后,我们可以由它们代入式(3)(4)解出环路滤波器的参数C1、C2、R2。

3子模块设计

3.1 鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LPF)的设计

图5所示的电路图包括了鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)和环路滤波器(LPF)。本文采用的VCO随着控制电压的升高,频率是降低的。故在电荷泵中,dn信号为高时,环路滤波器中的电容放电,使控制电压下降,VCO频率升高;而up控制上面的开关,当其有效时,环路滤波器中的电容充电,VCO频率降低。

在电荷泵的电路设计中,由于模拟电路采用的电源电压为3.3 V,因此采用共源共栅的电流镜来减小Icharge和Idischarge之间的失配。同时,为了降低时钟馈通效应,以及开关管m0、m1、m6、m7的沟道电荷注入效应,在电路中增加开关管m2、m3、m4、m5,并且开关管m0、m1、m6、m7选用最小的沟道长度,在其满足通过电流源的电流的条件下宽长比尽可能小。采用单位增益放大器使得Vc与节点C的电压保持一定,从而降低Vc和节点A,B的电荷分享效应。

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3.2 压控振荡器(VCO)

现代CMOS工艺中,环型振荡器应用广泛,而且偶数级延时单元构成的环型振荡器可以方便地产生同相和正交相输出信号,不需要多相滤波器等后续处理电路[5]。所以本文采用四级延迟单元组成的环形振荡器,并且用控制电压Vc控制延迟单元的延迟时间,如图6所示。

锁相环结构中,产生相位噪声的最主要模块是VCO,所以VCO必须对电源电压和衬底噪声不敏感,差分缓冲级(Differential Buffer Stage)延迟单元正好可以满足这个要求,每个延迟单元包含一组源极耦合的差分对,其负载由栅漏短接的PMOS管和用VBP偏置的同样尺寸的两个PMOS管并联组成。通过改变的大小可以改变延迟单元负载阻抗的VBP大小,从而改变了延迟单元的延时。

采用单个MOS管作为延迟单元的可调电阻负载,负载一般都是非线性的,非线性负载会将共模噪声转变为差模噪声,从而影响到延迟时间。而图6中延迟单元的负载为两个MOS管并联组成,其电流电压特性关于电压摆幅的中点对称,由于其具有对称性,虽然也是非线性的,可将一阶耦合项消除掉,只留下高阶项,从而较大程度上可以减小电源上的共模噪声所引起的抖动。

另外,为了降低电源电压噪声对环形振荡器的影响,本文采用负反馈的动态偏置方式来对延迟单元进行偏置,如图6所示。该偏置电路由一个运放和两个半镜像电路组成,由运放输出产生的VBN动态地调整流过镜像电路和延迟单元的电流,直到VA、VBP和Vc相等,负反馈有效地提高了电流源的输出阻抗,使其电流和电源电压和衬底电压无关。同时,由于采用了自偏置技术,此延迟单元对电源噪声和衬底噪声不敏感,且不需要额外的带隙基准来对运放和延迟单元进行偏置。

3.3 50%占空比转换电路

USB 2.0所要求的时钟占空比为50%,需要在VCO的输出加一个输出占空比为50%的转换电路。传统的做法是在VCO的输出加一个2分频器电路[6]。采用该种方法将使VCO的工作频率是输出频率的两倍,这将限制最大的输出频率。为此,本论文采用一个双端变单端的转换电路,该电路同样能输出一个占空比为50%的方波,而且VCO的工作频率无需是输出频率的两倍。电路如图7所示,它包括两个反相NMOS差分对放大器、两个PMOS共源放大器和一个NMOS电流镜。由于两个NMOS差分对的电流和VCO延迟单元的偏置电流一样,所以该NMOS差分对放大器能够准确地接收VCO延迟单元输出的共模电压,NMOS差分对放大器对信号进行放大并给PMOS共源放大器提供一个直流偏置电压,PMOS共源放大器再对信号进行放大并通过一个NMOS电流镜转换成单端输出,实现双端转单端的功能,并且输出占空比为50%。

4整体仿真结果

在前文子电路分析与设计的基础上,采用CSM 0.18μm CMOS模型对整体电路进行了仿真。其中,输入参考频率Fref =12 MHz,分频器N = 40,输出频率为12MHz*40 = 480 MHz。图8为锁相环版图和输出抖动图,从图中看到,在锁相环输出频率为480 MHz时,峰峰抖动是5.01 ps。整个芯片中模拟电路用3.3 V供电,数字电路用1.2 V供电,功耗仅为 8.3 mW。

5总结

本文以“自顶而下”的方法设计了一款480 MHz、用于USB 2.0的时钟产生功能的、低噪声、低功耗CMOS锁相环。本文首先从锁相环的数学模型入手,缜密地推导出了锁相环的传输函数和两个对锁相环性能有巨大影响的参数:固有频率ωn和阻尼系数ξ;接着详细分析了构成锁相环的各个子电路:鉴频/鉴相器、电荷泵、压控振荡器等。最后将整个锁相环进行了整体仿真。仿真结果表明,在输出频率为480 MHz时,峰峰值抖动仅为5.01 ps,功耗仅为8.3 mW。设计完全可以满足USB 2.0时钟的要求。

参考文献

[1]Behzad Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, McGraw-Hill Higher Education, 2001.

[2] F. M. Gardner, Phaselock Techniques, 2nd Edition. John Wiley & Sons, New York, NY 1979.

[3] G. F. Franklin, J. D. Powell, and A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, 3rd Edition. Addison-Wesley, Reading, MA 1994.

[4] U. L. Rohde, Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Applications.John Wiley & Sons, New York, NY 1997.

单元电路论文篇（11）

模拟电路故障诊断是电路分析理论中的一个前沿领域。它既不同于电路分析，也不属于电路综合的范畴。模拟电路故障诊断所研究的内容是当电路的拓扑结构已知，并在一定的电路激励下知道一部分电路的响应，求电路的参数，他是近代电路理论中新兴的第三个分支。但由于模拟电路中未发生故障的正常元件存在容差，其参数并不恰好等于额定值，而有一定的分散性，这给电路分析带来一定的模糊性。而且模拟电路常含有非线性元件，他的性能不仅因本身故障而改变，而且其他元件故障引起他的工作点移动时，也将造成其性能变化。因此模拟电路故障诊断的理论还不是十分成熟。

模拟电路发生了故障，就不能达到设计时所规定的功能和指标，这种电路称为故障电路。故障诊断就是要对电路进行一定的测试，从测试结果分析出故障。一般来讲，模拟电路故障诊断的方法可以分为估计法，测试前模拟法和测试后模拟法三大类。本文将对其中的估计法展开讨论。

估计法是一种近似法，这类方法一般只需较少的测量数据，采用一定的估计技术，估计出最可能发生故障的元件。这类方法又可分为确定法和概率法。确定法依据被测电路或系统的解析关系来判断最可能的故障元件，概率法是依据统计学原理决定电路或系统中各元件发生故障的概率，从而判断出最可能的故障元件。本文重点介绍确定法中的最小平方判据法。 最小平方判据法又分为结合判据法和迭代法。

1. 结合判据法：

设模拟电路含有m个不同的参数，对电路进行测量，得到m个不同的特性测量值，且m<n。令xi (i=1,2,3,4……n)表示参数值，yj(j=1,2 3…,m)表示特性计算值，因为如果电路的拓扑结构已知，则参数和特性之间存在一个确定的解析关系，所以y&not;j=fj(x1,x2,….xn)。特性参数的测量值用gj(j=1,2,3…,m);如果实际所用的各参数值为实际值，同时测量不存在误差，则gj=yj, 即特性偏差为零，其中yj是在参数为额定值x10,x20,…,xn0时计算出来的。如果特性的测量值与计算值相等，说明电路没有发生故障，处于正常工作状态。

如果电路中第i个元件发生故障，其参数为xi ,其余各元件的参数都为额定值，那么任意一个点的测试值都可以表示为xi 的函数：

yj=fj(xi)=fj(x10,x20,…,xi,…xn0) j=1,2 3….m

其中，xi 为参数矢量，其中除第i 个分量为xi 外其余各分量为参数的额定值。于是有 ：

j=1,2,3,…,m (1.1)

对每一个参数都引入一个物理量s，s为特性偏差的平方和，于是对于参数i有：

i= 1,2,3…,n (1.2)

当xi 变动时，s也随之而改变。如果电路中只存在单故障，那么当xi等于故障参数的实际值时，特性值的测量值与计算值十分接近，特性偏差接近与零。此时表征特性偏差平方和的物理量si将最小。因此我们可以将si作为故障诊断的一种判据，我们将si的最小值定义为结合参数i的灵敏度因子。

如果电路中发生的单故障是偏离其额定值不大的软故障，特性值yi的计算值可以展开成泰勒级数：

(1.3)

式中额定参数矢量x0=[x10,x20…,xn0]’;参数增量矢量 ， 为泰勒级数中大于一阶的高阶项，若电路中发生的是软故障，此项可以忽略不计。 ?xi=xi0 (i=1,2,3…n)，为特性j对特性i 的灵敏度。发生单故障时，只有 不等于零，所以

(1.4)

代入(1.2)式可得：

(1.5)

令 求得：

(1.6)

于是可以求出结合参数i的灵敏度因子

(1.7)

测试前可先根据电路的额定参数计算出各灵敏度aji及各特性值的计算值yj0，测试后可以得到各特性的测量值gj,由上式可以直接求出灵敏度因子，从而确定故障发生点。

由前面的讨论我们可以总结出采用结合判据法进行故障诊断的具体步骤如下:

（1）先进行测试，从可及节点得到m个特性测量值。

（2）求得结合参数xi 的灵敏度因子，即si 的最小值，作为故障诊断的判据。

（3）在n个参数的灵敏度因子都求得之后，其中最小的灵敏度因子所对应的参数是最有可能发生了故障的参数。

结合判据法简单易行，所需的测量数据少，但是由于各元件的参数都存在一定的容差，各特性在测量时也存在一定的误差，这些都会影响判断的真实性。另外，从前面的分析我们可以看出这种方法只适合于参数变化不大的单、软故障的定位，而不适用于多故障的定位。

2. 迭代法

我们在最小判据法的基础上进一步引申，找一个类似于灵敏度因子的判据，并计算使这个判据达到最小时的各个参数的值，即各个参数的实际值，然后与额定值进行比较，从而确定故障点，这样就可以用于多故障的定位。这就是迭代法的基本思路。

与结合判据法不同的是，迭代法对所有的参数都共用一个判据。令

(2.1)

其中， 为特性测量值gj的方差。将yj=fj(x)在x0处按泰勒级数展开，如果 不大，可忽略高次项，得

(2.2)

代入式 (2.1),得：

(2.3)

当s达到最小值时所对应的x＝x0+ 即为各参数的估计值，如果某些元件的参数估计值超过其容差范围，则可能为故障元件。

式 (2.3)可以写成：

(2.4)

其中：

如果要求s的最小值，只需对式(2.4)求导，并令倒数为零，可得：

(2.5)

我们采用迭代法求解，首先设x的初值为x0,在x0处计算p,a,pa,

然后再由式(2.5)计算出 ，由式(2.4)计算出s,完成一个迭代过程。然后令x的新值为 ,在x1处计算p,a,pa, 及s的值，如此循环下去，直到第k次满足 时为止，此时对应的xk就是所要求的参数估计值。

由此可以看出迭代法与我们前面所讨论的结合判据相比，测量值数必须要大于或等于参数的个数，它考虑了测量误差。另外，它能够估计出各个元件的参数值，可以用于多故障诊断，但计算量大。

3. 总结：

本文主要介绍了模拟电路故障诊断方法中的估计法。这种方法只需要较少的测量数据，但诊断结果一般只是近似的。估计法中的大部分方法都适用于电路元件的故障定位，可用于诊断线性电路中的单个的软故障。其中很多方法还可用于多故障诊断，例如文中介绍的迭代法。

估计法只是一种比较传统的故障诊断方法，随着人们对这一领域研究的不断深入，已经出现了一些用于非线性模拟电路以及大规模网络的故障诊断方法，例如分解网络技术，人工智能技术等。故障诊断技术与计算机技术的结合也越来越密切，利用微型计算机和微处理器可使故障诊断更加快速可靠。