简单电路设计方案范文

导语：如何才能写好一篇简单电路设计方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

1．元件的选择．电学实验中，元件的选择十分重要，它关乎着电路是否能设计成功．首先应该选择合适的电源，在选择时一定要考虑符合电路设计的电流值，其次还要对电表进行选择，尽量选择更贴近自己需要的量程，保证设计的精确性．还要选择适合电路的元件的型号等，将这些问题都进行全面考虑才能保证实验的进行．2．了解元件的使用方法．电路设计中存在许多电路元件，要想电学实验能顺利的进行，就必须了解各种电路元件的使用方法和使用规则．例如电表，电表上显示两个数值，如果不提前进行了解很容易将数值弄混．造成实验结果的错误．因此电学实验中电路设计时一定要先弄清电路元件的使用方法，才能保障实验的进行．3．熟悉电路构成，加强对特殊电路的记忆与理解电学实验中有许多特殊的电路，如果内心没有一个完整的电路构成图，在遇到这些特殊电路时，就没有办法将实验顺利开展下去．因此在实验前一定要加强对电路构成的设计．

二、电路设计的原则

1、整体性原则．在电路设计时不能将每一部分分开设计，电路的各个部分的关联性都很强，必须以整体性的原则进行设计，电流、电压的选择等都是根据电路的整体方案进行选择的．2、优化原则．电路设计不是一个简单的电学实验，它有庞大的系统性，在这个系统里又有许多小系统，这样才能形成一个完整的电路，电路设计时或多或少都会有一定的问题存在，出现这些问题不能视而不见，要将问题进行整合，拿出一套合理的改进方案，将电路设计达到最佳的设计效果．3、功能性原则．电学实验电路设计不是让学生完成一个简单的实验，目的是为了让学生通过电路设计来掌握一定的学习技能，这才是进行电路设计最终要完成的目标，所以在电路设计上一定要考虑它的功能性．

三、电路设计的方法

1．明确实验目的．所有的实验设计都有一个设计目的，为了达到这个目的才来进行实验操作，电路设计前也应该如此，首先要设定一个实验的目标，然后再进行实验，实验结束后来看看自己的实验结果是否达到了设计目的，才能从中分析思路找到设计的缺陷，从而进行改进．2．选择实验器材．实验设计除了理论的知识还需要实验器材的支撑，我们明确了实验的目的后就要进行实验器材的选择，选择时一定要配合自己的设计目标，尽可能的保证实验器材对实验带来的误差影响，选择最适宜的器材将误差降到最低．选择器材时还要考虑器材的操作性是否适用于自己的实验设计中，避免在进行实验时造成实验失败．在器材选择上最应该注意的就是器材的安全性，由于电路设计的复杂性往往会由于器材的选择不当造成电路烧毁，因此在器材的选择上这些问题都应该被注意．3．选择设计方案．电路设计是一种灵活的设计，不同的方案可以有不同的设计效果，实验目的、实验器材确定后根据这些内容来进行分析选择一些适宜的电路设计方案，将它们整理出来，绘制成设计图，结合学过的理论知识加以比较选择最适宜的设计方案．包括电流表应设计内接还是外接，滑动变阻器应采取分压式接法还是限流式接法，电路结构原理选择伏安法还是半偏法等等．保证电路的设计方案能顺利的运用在电学实验中．4．简化电路方程．电路设计中有许多的电路方程，它们是非常复杂的，但是在电路设计时还必须要用到，如果不将其进行简化在设计的过程中就会遇到许多麻烦，不仅会对电路的结构产生较大的影响，还有可能造成电路系统紊乱，所以在进行电路设计前要在合理的范围内将复杂的电路方程简化，保证电学实验的有效进行．5．电路设计案例分析．在描绘标有“2．5V0．3A”字样小灯泡的伏安特性曲线实验中，使用3V干电池和滑动变阻器进行供电．该实验本就要求小灯泡两端的电压从零起调，所以也只能是选用分压接法进行供电．只是在滑动变阻器的阻值选择上，考虑到灯泡正常发光时的电阻为12．5Ω，因此最好是选用实验室配备的5Ω或10Ω的滑动变阻器．电路实验设计题其设计思路、方法一般都来源于教材，要求用学过的物理知识、原理、实验思路、方法设计出合理的方案．因此在教学中或者复习过程中要特别注意对所学过电学实验问题的多种方法、远离的优劣、电路联接式的选择方法以及有关的实验注意事项进行归纳总结．从中体会多种方法的优劣，养成发散性思维的好习惯，才能比较顺利完成实验设计问题．高中物理电学实验电路设计学习起来虽然复杂，但是如果方法得当，进行实验前考虑的全面，在进行电路设计时就会相对简单些．高中生进行实验是对学生的理论知识及动手能力的考察，教师在学生的操作过程中也要加以指导帮助学生实验的误差变小，安全性提高，学生才能更好的将电学知识运用到考试中和实际生活中．

作者:汤从 单位:安徽省滁州市明光明光中学

参考文献:

［1］王慧．中学生电学实验能力现状及影响因素研究［D］．苏州大学，2010．

［2］曹会．高中物理电学实验资源开发与能力培养的初步研究［D］．苏州大学，2010．

［3］胡可玲．初中生电学学习中常见错误诊断性分析及策略［D］．苏州大学，2013．

篇2

现有矿用传感器模块化之间隔离通信常采用光耦实现隔离通信，针对光耦隔离具有器件体积较小空间隔离距离近、隔离后端易受隔离前端的电磁干扰等问题，提出基于红外对射管隔离电路设计方案，设计的隔离电路采用不可见光进行通信，具有抗干扰强、隔离前后端互不影响、性能稳定的优点。详细介绍了隔离电源设计、隔离电路设计;隔离电路参数，隔离电路设计方案在现有传感器得到了较好的应用和验证，应用结果表明隔离电路设计方案能够满足现有矿用传感器的数字和频率等信号的隔离要求。

关键词:

光耦隔离;隔离通信;电磁干扰;红外对射管;隔离电路

现有矿用传感器大多数都是针对一些特殊的模拟信号进行信号采集，并对采集后的信号进行处理转换为数字信号，再将采集数字信号采用隔离器件进行隔离通信，将采集的结果用于显示等［1－3］。对于常用的数字信号的隔离都是采用廉价的光电耦合便可以实现［4－6］，受限于现有光耦隔离器件体积小、隔离前端和后端相距空间距离较近，采集前的模拟信号(如电磁场)通过电磁干扰等方式会影响隔离后端［7－8］。针对此问题，采用红外对射管增加隔离前端与后端距离，红外对射管采用不可见光实现通信可减少EMC等干扰、将红外对射管采用黑色套管的方式增加接收信号的强度、消除可见光的干扰，同时也可以采用灌封减少外部的未知干扰。

1隔离电源

为了保证隔离前端与隔离后端从根本上进行隔离，因此需要对隔离前端后隔离后端的电源进行隔离［3－5］。选择的隔离电源芯片输入为5V输出也为5V，电源隔离转换电路如图1。图1中U+IN为隔离前端输入的正相电压，U－IN为隔离前端输入的负相电压，U+OUT为隔离后输出端的正相电压，U－OUT为隔离后输出端的负相电压。隔离电源芯片采用DCH01050S，满足输入正相和负相之间电压差为5V，输出正相和负相之间电压差为5V的隔离电源要求。

2隔离电路

2．1红外对射管红外对管是红外线发射管与光敏接收管的统称，其形状如图2。图2中白色为红外发射管是由红外发光二极管组成发光体，用红外辐射效率高的材料制成PN结，正向偏压向PN结注入电流激发红外光;图2中黑色为红外接收管是一个具有光敏特征的PN结具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压，无光照时，有很小的饱和反向漏电流，此时光敏管不导通。当红外光照时，饱和反向漏电流马上增加，形成光电流，在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。

2．2红外对射管隔离电路采用红外对射管设计的隔离电路如图3，图3中D2为红外发射管，D1为红外接收管，红外发射管和红外接收管之间的通信距离最远可以达到8m。Sig_in为隔离前端的信号输入，为数字信号;Sig_out为隔离后端的信号输入，为数字信号。当Sig_in输入为高电平时，驱动三极管T1为PNP，此时三极管T1为截止状态，红外发射管无电流流过不对外发光。当Sig_in输入为低电平时，三极管T1在U+IN和Sig_in作用下导通，U+IN、电阻R1、红外发射管和U－IN构成回路。电阻R1为限流电阻，防止红外发射管因为电流过大损坏，同时可以控制红外发射管发射光的强弱，电阻R1与红外发射对管的通信距离成反比。

3隔离前后输入输出分析

隔离电路设计其参数选择非常关键，电阻R1决定了红外发射管信号强度，电阻R2，决定了T2工作状态，电阻R3和R4的选取决定了T3工作状态，红外对射管之间的距离决定了隔离前后的距离。结构设计时红外对射管之间套用黑色的胶管或者其它管道防止其他非可见光的干扰，同时可以采用环氧树脂进行灌封可显著提高通信能力和抗干扰能力，隔离前后输入和输出信号如图4，正常状态时隔离信号输入和输出如图4(a)。如果需要得到输入和输出极性相同的信号，则设计的电路如图5，输出信号如图4(b)。

4结语

将基于红外对射管的隔离电路应用于传感器模块之间的通信，可以抑制大量的干扰信号，提高电路工作的稳定性。隔离电路已在传感器中得到应用验证，应用结果表明，该方案设计合理，工作稳定可靠，能够满足现有矿用传感器的数字和频率等信号的隔离要求。

参考文献:

［1］张立军，黄扬明．几种模拟信号隔离器件实测性能比较［J］．仪表技术，2013(12)．

［2］于进杰，肖献保，魏霞．信号的精确隔离［J］．科技资讯，2008(24)．

［3］钱舒林，王学武．矿用隔爆兼本安型计算机信号隔离器设计［J］．工矿自动化，2012(4)．

［4］田野，桂欣，李一兵．基于ADUM540x隔离通信电路的设计与实现［J］．哈尔滨商业大学学报(自然科学版)，2009，25(5)．

［5］温习，阎永禄．典型信号隔离电路设计［J］．自动化技术，2011，32(8)．

［6］朱灿焰．一种简单实用的模拟信号隔离电路［J］．华东交通大学学报，1996，13(4)．

［7］吕勇军．数据采集系统中的隔离技术［J］．国外电子测量技术，2003(S1):68－69．

篇3

关键词：生产机械；电气控制系统；设计分析

在生产机械电气控制系统设计实践中，已经定型的机床和机械设备可以不用通过设计、制造一些专用的生产设备，或者对原有的机械设备进行技术改造，其它种类的机械就需要进行设计制造，主要是通过介绍经验设计法及逻辑设计法来实现对生产机械电气控制系统的设计，从而能够对生产机械的电气控制系统的设计规律及方法进行分析和研究。

1电气控制系统的设计

在设计电气控制系统的过程中，需要根据实际电气控制的要求编制和设计出机械制造、机械使用以及机械维修过程中需要用到的资料（包含了外购件的目录、材料消耗清单以及机械说明书等）以及图片样本（包含了电气原理图、电气元件的布置图、电气组建的划分图、电气系统安装接线图、控制面板图、电气箱图、非标准件的加工图以及元件、器件的安装底板图）等。根据电气设计任务书的方案可以确立电力设计方案，然后针对性的选择所涉及到的电动机类型，并且设计出合理的原理图，然后通过计算得到主要的技术参数并且核实;选择需要的电气元件、器件后制定相关的明细表，编写出机械设计的说明书。在设计内容过程时，要严格的对原理图进行设计，因为原理图是生产机械电气控制系统的关键，能够为后续的的工艺设计以及技术资料的制定提供行之有效的凭证。为了提高制造电气控制系统的效率，并将原理设计环节所涉及到的技术达到指标，必须采取工艺设计，来为机械的调试、使用以及维护提供切实可行的图样资料[1]。其所需的资料内容包含了电气系统总的布置图、安装图以及接线图的设计；电气组建的布置图、安装图、接线图的设计，电气箱、非标准元件、操作台的设计，电气元件、器件清单，机械的使用和维护说明书。

2电气控制系统中电气控制原理的电路设计

经验设计法也可以称之为分析设计法，其主要是根据具体的生产要求来选择基本的单元电路，或者将已经完备的电路设计按照一定的条件组合起来，在一定基础上根据实际情况进行修改和补充，使其成为一个满足控制要求和设计要求的完整电路，该种方法的优点是设计简单，不受固定的程序的困扰，整个过程是建立在电气控制系统设计基本环节的掌握程度以及较高的电气控制系统电路分析能力的基础上，能够快速提高工作的效率。因此在平常的设计中，经验设计法获得了广泛的应用，但是，经验设计法有其局限性:设计出来的电气控制系统的方案可能会出现漏洞，或者因为设计人员经验的不足而造成影响设计方案的完整性，间接的影响了电气控制系统的可靠性。所以，在实际的设计过程中，必须要经过反复审核检查，在一定条件下最好通过模拟实验来确定设计方案。当问题发生时作出适时的调整修改直到电气控制系统电路的设计满足生产要求。而逻辑设计法则是在电路设计中根据生产机械的工艺需要来利用逻辑代数，把控制电路中的各环节当做逻辑变量，然后根据电路控制的要求把逻辑变量之间的关系通过各逻辑关系式进行表达，在简化逻辑关系式后设计出相应的电路设计图。逻辑设计法的优势在于能够将设计方案最佳化，但是不足之处在于在实际使用过程中，设计难度较高且过程复杂，有时还可能需要结合新的理念，因此在常规的设计当中，逻辑设计法需要结合其它方法一起使用。原理图设计在满足生产工艺的要求时必须充分了解和掌握机械的性能、结构及其实际情况，然后通过控制方式、反向、启动、调速、制动等考量并且设计出联锁和保护装置，然后控制电路电源的种类和电压数值。一般简单的电气控制电路包含的元件和器件不是很复杂，可以直接采用220V的电源或者380V的电源；但如果控制电路较为复杂，就必须将控制电压根据实际情况降到24V、48V或者110V，并且要采用控制电源的变压器，以此确保电气控制电路在工作时的安全可靠性，实现的提前就是必须要保证电气元件、器件的稳定和可靠性[2]。元器件的连接不仅要符合国家的相关规定，还需要合理的安排位置和触头的位置，以便正确的连接电器线圈。

3电气控制系统中的工艺设计

电气设备设计需要根据之前制定好的原理设计图，将控制系统划分成若干个部件，然后根据实际情况将各个部件划分为若干个单元，然后整理好各个部分涉及到的进线及出线，并调整好连接方式。一般情况下，电气控制系统设计单元划分时应注意：相似功能的元件需要组合在一起;而且，为了减少单元间的连线，接线相关的控制电器应该在同一单元内；为了防止受到外界因素的干扰，需要分开强弱电；为了便于调试和检查，经常需要调节、维护的易损元件、器件应当组合在同一单元内。元件、器件布置图的绘制是依据原理设计图来制定的，在绘制时应当按照以下原则进行：监视器件应当安装在仪表板上；在电器板上方需要安装发热元件，而下方安装体积较大或者较重的元件和器件；需要经常调试和检查的元件和器件在安装时不能太高或太低，为避免受到强电以及外界的干扰，需要对弱电部分加装屏蔽设施和隔离设施。电气控制接线图的绘制时需要根据电气元件、器件的布置图以及国家的相关规定采取以下原则：接线图中各元器件的位置应当与实际安装位置一致；元器件和接线座上的标注应该与原理图中的标注一致；绘制时应当采用细线条，以便清楚地表示出接线的关系和去向。

4结论

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[关键词]电路设计 技术 技巧

中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0214-01

前言：大量的事实表明，在电子产品进行生产的时候，如果在最初的电路设计方面出现了问题，那么所耗费的成本是十分巨大的，对公司所造成的损失也是相当巨大的。因此，在进行电路设计时，必须使用一定的技巧，应用比较先进的技术，这样才能使得电子产品的性能更加良好，更受用户的欢迎。本文将从电子电路设计的技术和技巧两个方面进行分析，对于电路设计的技术方面，从线路设计、线路布局、STM技术应用等三个方面进行分析，而对电路设计的技巧方面，则从电源优化、地线设计、配件安全认证等三个方面进行分析，以求能对电子产品的电路设计的优化起到作用。

1 电路设计的技术分析

1.1 电路设计中的线路分析

一般情况下，电子产品都采用的是手工布线，而手工布线包含有两种方法，一种是自动推挤，另一种是布线，这两种方法通常都是相互配合的。在电子电路设计中，布线工作十分重要，而且最讲究技巧性，因此必须备受重视。布线有单面布线和双面布线两种，其设计形式也有两种，一种是自动式设计，另一种是交互式设计。两者在应用中也有先后顺序，一般情况下先用交互式设计进行部分布线。然而在线路可能会产生反射，从而造成干扰，为了防止这一干扰，不能让输出与输入端的之间的线路平行，而且仅仅这样做还是不够的，还要增加地线，将这两路线进行隔离。寄生耦合有利于线路的运行，而要产生这样的效果，必须让布线产生垂直效果。除了以上这些工作以外，要想使得电路设计中的线路更加完美，必须消除电源带来的一些干扰，怎么做呢？要在电源和电线之间增加耦电容，还要尽可能将电源与地线之间的距离增大，同时将电线加宽，这样就可以明显地降低电源与地线之间的相互影响，使得线路运转中没有过多的额外损耗，从而使得电路能够使用更长时间，也使得产品质量大大提高。

1.2 电路设计中的布局分析

电子线路的布局设计也是十分重要的，如果布局设计产生了问题，那么，电路的运行效果就会大打折扣，甚至会严重缩短电子产品的使用时限，因此，在进行布局设计时必须十分认真，注重布局设计的合理性及效果。从整体上来说，产品的质量和外观是产品能否被大众所认可的关键因素，对于一个成功地产品来说，这两者缺一不可。要想使得线路设计更完美，就不得不注重一些细节，比如，一般走线不宜过长，而为了避免这一问题，在进行飞线连接时，要将相连的电子元件放在一起，而且放置的位置要尽量宽松一点，对器件进行散热处理，因为这些器件都是要进行焊接的，挤在一起可能会将错误的线路焊接起来；为了防止出现干扰的情况，应该将数字以及模拟器件尽可能地隔离；要更多地利用Array功能。

1.3 电路设计中的STM技术应用

SMT技术在电子电路中应用十分广泛，所以要想使得电子产品的质量得到保证，就必须要重视STM技术的研究与应用，那么接下来我们就通过对多功能灯的设计理念来具体讲解一下SMT技术。通常来说，多功能灯有以下三个重要部件：LED灯头、螺旋钢管、三防外亮灯。在应用STM技术时，可以将其分为两个过程，其一是挂胶，其二是锡膏，这两个过程在进行贴片工作之前所采用的工艺是不同的，一般情况下，挂胶过程使用的是贴片胶，而锡膏过程所使用的焊锡膏。而且贴片所起到的作用也不相同，挂胶过程只是用来固定的，锡膏过程是用来焊接的。除此之外，在进行电路设计的时候，还要注意以下几点问题：拼版的选择问题以及拼版的数量问题。通过分析，我们可以知道多功能灯主控板的关键在于双面锡膏回流焊接，那么在选择主控板时就有以下两个方案：TOP层设计方案和BOT层设计方案。至于具体要使用哪一种，则要根据具体情况进行分析，根据电子元件的特点：元件数量多、元件分布不甚合理、散热不利等特点综合考虑，应该选择BOT设计方案，因为它有很多好处：提高打件效率、节约网板、将主控板做成单面板时可以手工焊接元件。主控板采用阴阳板也有很多优点：降低成本、节省优化时间、节约辅助材料、提高生产效率、生产期间用不着换产，可以生产更多的产品、节省很多的搬运时间。因此，设计中阴阳板的使用非常广泛。

2 电路设计的技巧说明

2.1 优化电源设置

一般来说，比较大型的电子产品，诸如音响等，对电源的依赖程度较高，需要各种不同型号的电源来供应线路的运转，因此，在进行线路设计时一定要将这些电源区分开来。在选择电源时，一定要根据线路的承载力以及元件的电功承受力来选择电源，一定不能选择过大的电源，以免使得元件或者线路过度发热而造成损害，减少电子产品的使用寿命。然而还需要考虑的是，对于桥式整合电路，必须要较低杂波，以免桥式整合电路的波形被杂波干扰，这就必须要增加源滤波电路，从而过滤掉咋波，这样还可以同时起到提高产品性能的效果。

2.2 地线的设置技巧

对于一些音频电子设备来说，地线处理比较复杂，其原因是由于这些电子设备的电流较大。一般来说，电路的位置是由电源来决定的。通常情况下，FM音频、DA解码芯片等地线都会连接到功放的底线上，但不排除，有的电子产品将功放电路单点接地，并将其与滤波电源相连接，这样做比较安全。但是这样做是有局限性的，可以看以下这样一个分析：假定某电源的电压为0V，功放到电源的地线之间具有0.25R的电阻，那这段电路的电流是2A，那么功放电压就提高到0.5V。有实验证明，若AUX输入的电压为1V，接入电源后，电源与功放的电压就只有0.5V。因此，我们可以知道，功放的扩大倍数将会受到限制，除此之外，因为AUX此时属于音频信号，会产生电幅的波动，进而导致功放不稳定，很显然这会使得一些音频设备的声音十分难听。

2.3 对电路配件进行安全认证

有些电子设备属于高电压产品，所以，在出厂时必须要进行安全认证。在进行安全认证时，要使用没有受到侵漆的变压器，而测试的重点则是耐压性。假如可以在电路中安装几段保险丝，那么，就会极大地避免电路因电流过大而使得元件损坏。另外，还有一些其他的比较常用的安全认证方式，例如，在连接线上添加磁环就是一个非常简便且实用的方法。对于广大用户来说，在购买这些产品时，一定要细心查看安全认证标识，确保合格后方可购买。

结语：通过以上的分析，我们已经对电子电路的设计技术及设计技巧有所了解，能够明白其复杂性和难易程度，所以，对于从事电子电路设计的工程师而言，这是一项巨大的挑战，需要设计者尽心尽力地去完成这一设计，而且不仅仅只是完成这么简单，更要完成的更好才行，要全力以赴设计出更完美的、性能更好的电路。这就要求设计者要多多联系实际，积极探索，努力从实践中积累经验，这样才能够设计出更加有效的电路，从而能够提高公司产品的质量。

参考文献：

[1]卫永琴，刘春晖.浅谈时序逻辑电路设计中的小技巧[J].科技视界，2014，30：16+62.

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【关键词】数控;直流稳压电源;Proteus;设计与仿真;教学案例

1 引言

Proteus软件是英国LabCenter Electronics公司开发的EDA工具软件，由ISIS和ARES两个部分构成，其中Proteus ISIS软件包含了革命性的VSM（虚拟仿真技术），用户可以对模拟电路、数字电路、模拟数字混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有的周围电子器件一起仿真[1-2]。在电子类专业核心课程的教学中，除了引导学生掌握好基础理论知识外，教师更需要加强对学生实践动手能力的培养，才能促进学生电路设计能力以及实践创新能力提高，也才能满足社会对所培养人才的专业能力需求。而将Proteus仿真软件技术应用于电子类专业核心课程的教学活动中，如模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术以及嵌入式系统等课程的教学，不仅能够促进教师形象生动地完成教学任务，还可以提高学生的实践动手能力，如开展创新性设计实验、毕业设计、电子设计竞赛[2]。采用Proteus进行虚拟仿真设计实验可以根据需要随时对原理电路图进行修改，并立即获得仿真结果。一边设计一边实验，调试时随时可以修改电路，要比用万能板焊接元件搭建硬件平台更为方便，避免了传统设计中元器件的浪费，节约了时间和经费，提高了设计的效率和质量[3]。本文探讨的数控直流稳压电源的设计和仿真，涉及电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术、EDA技术等多方面知识，是电子电路设计与仿真教学的典型案例。

2 电路的硬件设计

2.1 设计方案分析

数控直流稳压电源设计是一个具有综合性的设计项目，要求具有一定的电压输出范围，输出电压能步进可调，能实时数字显示输出电压。

根据任务要求，首先该电路主体是一个电源，属于模拟电路设计，其次需要实时显示输出电压，需要译码显示电路，属于数字电路知识，还有数字到模拟的转换，需要数模转换电路，整个转换过程需要相应的时序控制，需要微控制器有序控制电压的转换、输出、显示。因此设计方案很多，本文给出一种简单实用的方案，在此方案中主要由以下几个部分组成（如图1）：

控制器部分：为了能有序控制电源的步进输出及显示，本设计选用学生熟悉又比较常用的8051系列单片机AT89C52。单片机的作用除了有效控制电压的数控输出及显示外，还可进行功能扩展。

电压输出部分：本设计对电源的输出电压电流没有太高的要求，当前已有集成三端稳压器一般能满足要求，而且这类芯片内部都有过流和过热的保护电路。例如型号为LM317集成三端稳压器，其额定电流可达1.5A，输出电压的调节范围为1.2～37V，内部有过热和过流保护电路，价格也不贵，所以采用这种芯片为主体来组成所要求的系统是比较合理的。

电压调节部分：为了能实现电源输出步进变化，结合集成三端稳压器的特点，选择模拟开关和电阻网网络构成D/A转换电路，将单片机与三端稳压器联接，实现数字信号到模拟信号的转换。控制单片机输出的数字信号即可改变三端稳压器输出电压，实现电压的数控调节。

电压显示部分：该部分选用常用的数字电路中的译码显示电路，为了节约单片机的IO端口，显示方式采用动态显示。

图1 整体电路设计方案原理图

2.2 各单元电路硬件设计

根据上面的设计思路，为了能快速方便的实现该设计方案，采用常用的一种仿真设计软件Proteus完成该电路的设计与仿真。Proteus软件包含了丰富的元器件库，能够很方便地调用设计方案中需要的各种元器件连接成电路，并进行仿真测试。

2.2.1 单片机控制电路

单片机是数控电源的核心，它通过软件的运行来控制整个电路的工作，从而完成设定的功能。本设计中控制电路选用AT89C52单片机，它是由美国ATMEL公司生产的低电压、高性能8位CMOS单片机，片内含8K字节的FLASH或PEROM和256字节的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容[4]。AT89C52接收来自按键的信息，并对按键输入的信息进行处理，从而控制输出电压的变化，并将变化的结果输出到显示电路上。

2.2.2 电压输出电路

该电路主要由集成三端稳压器LM317作为核心器件稳定输出电压，该芯片内部有过流和过热保护电路，电容C1、C3滤除交流杂波，二极管D1为负载电容的存储电荷提供一条放电通路[4]。LM317的稳压输出电路如下图2所示。

图2 LM317稳压输出电路

图2中输出电压满足下列关系，

由于调整端的电流IADJ小于100uA，大多数情况应用时可以忽略，因此输出电压近似为 ，通过调节可调电阻R2可以很方便地改变输出电压。

2.2.3 电压调节电路

从上面的LM317输出电压公式得知只要改变可调电阻R2的大小可以很方便地改变输出电压的大小，如果把R2设计成一个线性电阻网络，通过模拟开关进行切换，就可以实现数控输出电压的要求[5]。线性电阻调节网络如图3所示，电路中选用8个电阻值依次倍增的精密电阻，模拟开关选择常见的继电器，通过按键输入控制单片机P1口输出的数字量控制继电器的闭合与断开，实现一种类似于数字量到模拟量的转换网络，来改变接入LM317调整端电阻的大小，从而改变输出电压大小。

图3 线性电阻调节网络

2.2.4 电压显示电路

译码显示电路选用4位数码管的动态显示方式（如图4所示）。将单片机的P2.0和P2.1口控制数码管的段选和位选的选通，P0口实现对数码管段选和位选的数据传送。P0口既要输出位选数据还要输出段选数据，因此采用分时传送方式，分别用两个锁存器74HC573保存对应的位选数据和段选数据;两个锁存器的工作分别通过单片机的P2.0和P2.1口来控制。

图4 译码显示电路

2.2.5 声光指示电路

为了能指示输出电压的最大值、最小值，分别添加红、绿LED指示灯;为了能指示按键的增减，添加蜂鸣器，按键每按下一次，就发出报警声一次。

3 电路的软件设计

直流稳压电源系统是以单片机为核心控制电压的调节与显示，因此需要编写相应软件程序控制单片机有序工作。

根据以上电源系统的硬件特点和实现功能，软件程序的结构可分为主程序和若干子程序[6]。主程序主要完成：系统初始化、数码管显示、按键是否按下，并跳转到相应功能的子程序中去。主程序流程图如图5所示。子程序包括：系统初始化子程序、显示数据处理子程序、数码管显示子程序、按键中断子程序等。

图5 主程序流程图

4 电路的整体设计与仿真分析

单片机系统的仿真是Proteus软件的一大特色。首先在Proteus中将上面硬件设计的各单元电路连接成一个完整的数控直流稳压电源仿真电路（如图6所示）;然后创建源代码程序文件，并编辑该电源系统的程序源代码;接着将源代码编译生成为目标代码，将目标代码添加到图6中的单片机元件的属性中，相当于在实际电路中对单片机下载目标程序;最后进行电路的调试仿真[7]。

图6 整体设计仿真电路图

图6所示电路的仿真结果如下：当电路上电工作后，由于电阻网络中没有电阻接入LM317的调整端，数码管上显示出电压为1.25V。当电压增加按键按下时，单片机的外部中断0产生中断，蜂鸣器报警，电压计数值增加1，接入的电阻网络中的电阻值增加一个单位，相应的输出电压增加0.1V;保存数码管结果的计数器值加1，P2.0端口选通译码显示电路的位选锁存器，送入相应的位选数据;P2.1端口选通译码显示电路的段选锁存器，送入段选数据;数码管上显示结果值增加0.1。当电压增大到15V时，红灯亮，显示电压值不变化，输出电压值也不再增加;当电压减小到1.25V时，绿灯亮，显示电压值不变，输出电压也不再减小。

在仿真电路中增加虚拟测试仪器，如图6中在稳压输出端Vout添加直流电压表或者电压探针，可以在仿真中实时观测输出电压的变化数据[3]。

电路仿真输出的理想结果是：电压输出大小从1.25V到15V变化，变化步进单位为0.1V;但实际上仿真结果是：数码管上显示结果与LM317输出端接的电压探针测量的电压值有一点误差。仿真测试数据如表1所示。

表1 仿真测试数据对比表

显示值 测量值 误差 显示值 测量值 误差 显示值 测量值 误差

1.35 1.356 -0.006 5.55 5.527 0.023 11.55 11.475 0.075

1.55 1.554 -0.004 5.95 5.924 0.026 11.95 11.871 0.079

1.95 1.951 -0.001 6.55 6.520 0.030 12.55 12.465 0.085

2.35 2.349 0.001 6.95 6.916 0.034 12.95 12.861 0.089

2.55 2.548 0.002 7.55 7.511 0.039 13.35 13.257 0.093

2.95 2.946 0.004 7.95 7.908 0.042 13.55 13.455 0.095

3.35 3.343 0.007 8.55 8.503 0.047 13.95 13.850 0.100

3.55 3.541 0.009 8.95 8.900 0.050 14.35 14.247 0.103

3.95 3.939 0.011 9.55 9.494 0.056 14.55 14.444 0.106

4.35 4.335 0.015 9.95 9.891 0.059 14.75 14.642 0.108

4.55 4.535 0.015 10.55 10.485 0.065 14.85 14.741 0.109

4.95 4.932 0.018 10.95 10.881 0.069 14.95 14.840 0.110

从仿真结果上看，随着电压的增加，数码管输出的理想结果与电压探针输出的结果误差将逐渐增加，最大相对误差为0.11V，即数码管上显示电压值为14.95V时，电压探针实时测量电压值为14.840V。仿真结果说明该电路在精度要求不是很高的场合足以适合应用。

分析误差的原因：（1）仿真软件中的电路元件毕竟是模拟元件，不是真实电路，即使真实电路也会有一定的误差;（2）显示结果是直接将控制继电器的数字信号通过单片机软件显示出来，而电压探针测量的是LM317输出端的电压值，两种的显示位数、精度不同。当然实际输出端的结果还取决于连接的电阻网络中的电阻值的合理选取。通过仿真不但可以观察输出结果，还可以在仿真软件中很容易修改电路并分析结果。

5 小结

本文利用Proteus软件实现了一种数控稳压直流电源的设计与仿真，无论设计过程还是仿真测试结果都达到了满意的效果。该电路的设计与仿真作为电子类专业的综合课程设计典型教学案例，在教学过程中应用Proteus仿真软件对电路的设计方案及结果进行实时的仿真测试与分析，一方面仿真设计操作简单，搭建电路、测试结果方便，修改设计快捷;另一方面在教学中增加了学生电路设计上的感性认识，便于对电路设计理论的理解，提高了学生的兴趣。总之，利用Proteus仿真软件能较好地完成设计任务，将之应用到相关课程教学中是一种新的教

学方法，有助于教师的教学和学生的自主学习。

参考文献：

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[6]周立功.单片机实验与实践[M].北京航空航天大学出版社，2006.

篇6

Lu Zhuwei；Chen Yuming

（①Sanjiang University，Nanjing 210012，China；②Wiscom Electrical Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）

摘要：研究了开关线性复合功率变换技术，提出一种复合型精密电流源的方案。该电源结合了高频开关电源和推挽线性功放电路的优点，输出波形好，效率高、体积小。同时采用三态自适应滞环电流控制方式，有效地减小了输出电流的脉动纹波。根据设计的方案制作了一台样机，实验结果表明该电流源纹波系数小、效率高，验证了方案的可行性。

Abstract: Switch-linearity hybrid power conversion was researched and a hybrid precise current source was proposed based on the technology. The current source combined the advantages of switching power module and linear power module. It had excellent waveform, high efficiency and small volume. A novel self-adaptive three-state hysteretic control strategy was also used to reduce the ripple of the output current. Then a model machine was produced according to the design scheme. The result showed that this current source had low ripple quotient and high efficiency, so it proved the effectiveness of the scheme.

关键词：开关线性 精密电流源 滞环控制

Key words: switch-linearity；precise current source；hysteretic control

中图分类号：TM1文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0036-02

0引言

随着电力事业的发展，用电单位越来越多，对电能表进行准确的校验是保证电力安全、电能计量准确的必要手段。在仪表校准中，希望交流电压源或电流源的精度与分辨率足够高，因为这是仪表能否校准好的关键所在。线性功率放大器具有设计简单、波形失真度小等优点，目前在精密功率源中一般都用它进行功率放大。但线性功率放大器的效率很低，特别是工频电工式仪表多为感性负载，此时线性功率放大器发热更为严重，因而在精密测量领域中的应用受到制约。精密开关电源能省去工频变压器，效率高，虽然纹波系数较大，但把它作为集成恒流源的前级，复合成精密恒流源，可将二者的优势互补，使其稳定性等技术指标大大提高。

1开关线性复合技术

开关线性复合技术（SLH）主要的特点是将电力电子纯开关功率变换电路与线性功率放大电路有机的结合起来，即把常规的PWM电压型变频器作为B类功率放大器的供电电源，由于射极跟随器的负反馈形成的系统具有强有力的抗干扰特点，使得系统具有较高的效率和较强的鲁棒性，从而构成的新型功率变换器，可以互补综合，优化性能。

该技术的本质在于开关滤波电路只作为复合线性电路的特殊供电电源，那么整体系统可以看成是一个比例放大器，从而获得极快的动态响应和比较准确地跟踪效果，而同时又因为具有压控射极输出特性的线性单元的高阻输入、低阻输出的特性，近似于功率级的缓冲器，阻隔了输入输出信号之间的相互干扰，很好的保证了系统的正常工作，实现了THD指标和效率指标的兼顾，符合目前大家追求的高保真、绿色、环保等电源变换的要求。

SLH的结构图如图1所示，由图可以看出，开关线性复合器由参考信号、前置功放、前置放大、开关电源、线性功率放大等组成。产生标准正弦信号作为参考信号，同时控制开关变换单元和线性功率放大单元，是系统输出理想波形的参考；将参考信号前置放大的目的是驱动线性功率放大装置中的功率开关器件；开关电源的作用就是为线性功率放大装置中的功率开关器件提供脉动正弦供电电源。

2基于开关线性复合技术的电流源方案设计

2.1 系统总体设计方案本文设计一种开关电源和线性功率放大器复合的电流源，将开关电源作为复合电源的前级，开关电源的输出整流滤波成馒头波后为线性功率放大器的功率放大管供电，且馒头波与系统输出电压接近线性放大器功率管的管压降，这样就大大提高了电源的整体效率。这种复合电源既保留了传统电源的优点，又根据实际需要对现有传统电源的不足作了改善。复合电源总体设计方案如图2所示，输入为50Hz、220V交流电压，经整流滤波后得到311V直流电压，采用DC/DC变换器将直流电压变换成100Hz、最大值为80V的馒头波。该馒头波经滤波后作为DC/AC逆变器的输入，DC/AC逆变器采用了三态滞环和自适应滞环相结合的电流控制方式，使输出的电压波形具有较小的波形失真度。

2.2 DC/DC变换电路设计开关电源DC/DC电路的设计方案如图3所示。交错型双晶体管正激变换器在保留双管正激变换器功率开关管电压应力低和可靠性高的优点同时，克服了等效占空比小、副边二极管电压应力高、输出电流脉动大等缺点。与全桥变换器或半桥变换器相比，它的每一个桥臂都是由一个二极管和一个开关管串联组成，从结构上消除了桥臂直通现象，可靠性高，特别适合输出中等功率、输入电压较高的应用场合。因此，DC/DC变换电路采用交错并联的双晶体管正激变换电路。

2.3 DC/AC电路设计方案开关电源DC/AC电路的设计方案如图4所示。开关电源DC/AC电路的输入为变换成100Hz、最大值为80V的馒头波。再经全桥逆变为正弦交流电压，并经LC滤波网络滤去高次谐波，最后得到所需的正弦波作为输出。吸收电容用于吸收负载以及滤波电容的回馈能量,防止直流母线电压上冲。该逆变器控制电路采用输出电流外环加电感电流内环的双环控制方案，采用三态滞环控制进一步减小输出电流的THD，采用自适应滞环控制解决了输出小电流、低电压情况下电流的THD超标问题。

2.4 后级线性电源设计后级线性电源的设计方案如图5所示，基准正弦电压经PI调节器后经差分对管输入，经中间放大级电路放大，输出采用乙类互补推挽功放电路。前级开关电源DC/AC逆变电路输出电压经整流滤波后，输出电压波形与线性功率放大器的输出波形的电压差近似为功率放大管的饱和管压降，作为线性功率放大器中功率放大管的供电电源。线性功率放大器的输出电压跟随负载的变化而变化，DC/AC逆变电路的输出电压根据功率放大管的管压降实时调整，保证电压差始终接近功率放大管的饱和管压降值。

3系统实验分析

根据设计的方案制作了一台样机，在样机实验中，负载为1A时，线性功放输出电压及电流波形如图6所示。负载为3A时，线性功放输出电压及电流波形如图7所示。

复合电源的实验数据如表1所示。由此可以看出电流源能输出高质量的正弦电流，有较好的稳定性，谐波失真度不超过0.5%。

4结论

文章将精密开关电源作为集成恒流源的前级，将线性放大电路作为后级，将二者的优势互补，复合成精密恒流源，使其技术指标大大提高。采用了三态滞环和自适应滞环相结合的控制方式，作为全桥逆变电路的电流环控制方式，减小了输出电流的脉动，减小了逆变桥开关次数，使输出电流的THD在输出电流和负载变化时均能满足小于0.5%的要求。

参考文献：

[1]黄松清.开关线性复合技术及其在电力电子变换领域中的应用[J].北京：电气技术，2006.

[2]周谦之.开关线性复合功率变换技术及其应用[J].北京：电工技术学报，2004.

[3]胡文斌，哈进兵，严仰光.自适应滞环控制高频软开关电流源的研究[J].西安：电力电子术，2004.

篇7

【关键词】测试精度；小信号测试；不确定度

1概述

高精度数字万用表是常用的基础电测量仪器，通常具有直流电压/电流、交流电压/电流、二线/四线电阻等测量功能，是高性能电子元器件筛选和电子设备维修最基本和最常用的测试设备，是对电参量测试基本工具，是电子设备研制、生产和维护所必不可少得工具。利用数字万用表对基本电参量精确测量功能，可以实现对电路板电子元器件故障的精准测试，及时排除故障隐患。

2恒流源电路设计

高精度恒流源的设计克服了导通电阻对输出电流的影响。恒流源是电阻测量的基础和关键。电路设计率先采用低泄漏、小体积的多路开关MAX329作为电流切换元件，采用“采样端”与“传感端”分开的巧妙方法，消除了多路开关导通电阻的影响，在不降低精度的前提下减小了体积。，UK4、UK5替代了3个传统继电器及二极管、三极管等附属元件。其中UK4的第8脚漏电流很小仅为pA级，因此在第8脚与第5脚（或4脚）之间的导通电阻上几乎没有压降，形成了“传感端”；而“采样端”第9脚与12脚（或13脚）之间，尽管有压降，但这里关注的仅是电流信号，不关注压降。因此达到了不影响基准电流精度和稳定度的效果.

3交流变换电路设计

交流变换电路的设计实现消除了导通电阻对增益的影响。在交流测试电路中，用电子开关替代继电器，必需考虑电子开关导通电阻（尤其是温度漂移）对增益的影响。图4给出了交流变换电路设计的交流电路原理图，尽管将电子开关接入了反馈环中，但为了保证增益的准确性和稳定性，对信号输出环节进行了改进。若按照传统方法从U1B的第7脚输出，整个电路的增益收到电子开关导通电阻的影响，使得变小，而且随温度变化，该导通电阻变化较大，使得电路增益对温度极其敏感，该电路设计相当于输出电压从反馈环的有效电阻后端引出，由于在开关UK2的A侧（DA、SxA）上的导通电阻几乎没有电流（由UA1A的偏置电流和UK2的漏电流共同决定），因此没有压降产生，克服了该导通电阻对增益准确度和稳定性的影响。交流信号电路完整电路图，电路包括交流电压衰减电路、交流信号放大电路、真有效值变换电路、比较整形电路4个部分。隔离电源变换出来的正负15V电源，需要经过电感隔离和电容稳压后作为交流器件的电源+15A和-15A。真有效值变换电路。C44和R56用于消除交流信号处理电路中的直流分量，N19B和N22的2个比例电阻及N26的第2组开关选择信号进入真有效值转换前是放大1还是2倍，控制信号为AMPL；N22的另两个比例电阻和N26的第1组开关用于选择是衰减1或2倍后作为ACOUT（AMP7）进入直流信号选择电路，控制信号为AMPL。真有效值转换芯片为AD637，其转换前的放大和转换后的衰减是为了确保较小信号也能在真有效值转换时处于较大的状态，以确保转换的技术指标。由于比例电阻温度系数匹配，放大和衰减的误差可以忽略不计，该部分的误差主要是真有效值芯片的误差E22，以及频率因素造成的幅频误差E23。比较整形电路。该部分电路是一个经典的回差比较电路，比较器为LM311，比较器工作允许选通控制信号为STROBE。

4误差拓扑分析

交流信号测量的准确度要求比直流信号测量要低，因此交流信号的误差来源只考虑分立精密电阻的比例温度变化误差E21为4ppm，真有效值转换非线性误差E22为最佳0.02%，可约定为0.1%，幅频特性误差E23为0.2%（幅频特性修正后的指标），这些误差均按系统误差合成，欧姆电流源的误差来源如图4所示，变流电阻选择是由3精密电阻比例变换实现，其温度误差E41为6ppm，I/V变换的泄露电流误差e41对大电阻测量影响大，与PCB板的绝缘度有关，定义泄露电流变化误差e41约为10pA。

5结束语

本文介绍了高精度数字万用表的恒流源和交流测量电路的一种设计方案并给出了误差的拓扑分析。整个电路具有准确度高、结构简单、操作方便成本较低等特点，但电路方案的设计还不够完善,还有待进一步的研究。

参考文献

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[2]陈尚松,雷加,郭庆.电子测量及仪器[M].北京:电子工业出版社,2005.

篇8

关键词：电磁密码箱，报警，蜂鸣器，STC89C52

一、总体方案设计

它是以STC89C52单片机为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存贮、识别、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接收蜂鸣器送来的报警信号、发送数据等功能，单片机接收键入的代码，并与存贮在EEPROM中的六位密码进行比较，六位密码可以有298万多组密码供主人随意变换，保密性极高，可选密码组是连续排列的，如果密码正确，则驱动电磁执行器开锁；如果密码输入不正确，则单片机通过通信线路向智能报警器发出报警信号。

密码箱主要由矩阵键盘、单片机、外部硬件等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电磁密码箱的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈，单片机将每次开锁操作和此时电磁执行器的驱动电流值作为状态信息发送给单片机的芯片处理，同时将接收来自无限循环的密码识别程序的报警信息也发送给智能报警器，从而使整个密码箱正常运行。

二、硬件现及单元电路设计

1、单片机的时钟电路与复位电路设计

本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序较为方便；STC51单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。

2、键盘电路设计

在单片机应用系统中，一般都会设置键盘，主要为了控制运行状态，输入一些命令或数据，以完成特定的人机交互。键盘是与单片机进行人机交互的最基本的途径，其以按键的形式来设置控制功能或输入数据，按键的输入状态本质上是一个开关量。对于简单的开关量的输入可以采用独立式按键，这种方法接口简单，但占用单片机I/O端口资源较多。对于输入参数较多、功能复杂的系统，需要采用矩阵式键盘进行输入控制。本系统采用4×4矩阵式键盘。

3、液晶显示电路设计

液晶显示器（LCD）是一种功耗很低的显示器，它的使用非常广泛，比如电子表、计算器、数码相机、计算机的显示器和液晶电视等。电子密码锁中需要显示的信息比较多，为了能直观的看到结果，并且为了设计显的美观，使用总线和排阻进行简化连接方式，本设计采用液晶显示屏LCD进行显示，

4、存储芯片电路设计

I2C总线（Inter Intergrate Circuit BUS）全称为芯片间总线，它在芯片间以两根连线实现全双工同步数据传送，一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SDL），可以很方便地构成器件扩展系统。I2C总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成，为了对数据进行存储，本系统使用串行EEPROM芯片，AT24C01系列是典型的I2C串行总线的EEPROM，本系统采用此芯片进行数据存储。

三、系统软件设计方案

1、主程序流图

如图所示为主程序流程图，用户才可以自行设定和修改6位密码，密码输错会有提示声。只有键入6位开锁密码完成正确才能开锁。

四、系统的安装与调试

安装步骤1.检查元件的好坏。按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。

参考文献：

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[4] 朱勇. 单片机原理与应用技术[M]. 清华大学出版社， 2006， 14-16

篇9

在实验教学内容上,从专业培养目标出发,全面修订了实验教学大纲,优化实验知识结构,形成梯次的教学内容体系,即基础性实验、综合性实验和创新设计性实验。在实验总学时保持不变的前提下,减少验证性实验项目,增加了综合性、设计性实验项目,并且注重实验项目课程内综合更新、课程间重组以及跨学科交叉融合,尤其重视医学和生物医学工程专业知识综合运用能力和研究创新能力的培养。近两年,面向本院生物医学工程专业本科生所开设的数字电子技术实验项目及学时分配如表1所示。从表1可知:实验项目从12个减少到9个,但是总学时保持未变;从实验内容设置来看,实验难度成梯度;实验类型分为基础验证性、设计性和综合创新设计性三种。纯粹的验证性实验只有2个,分别为实验一逻辑门测试和实验四触发器功能测试。实验一为第一次实验课,先要教会学生使用实验箱和认识芯片实物,向学生传授实验技巧,所需时间较多,因此设置的内容稍简单,让学生的实验过程既顺利又充实而有成就感,从而激起学生的实验兴趣。实验五分为两个部分:先验证计数器及寄存器逻辑功能,随后重点完成常用计数器芯片74LS161和寄存器芯片74LS194的扩展应用设计,如果只是单纯的芯片功能测试,就缺乏应用训练,不利于后面相关设计性实验的开展。实验二和实验三为组合逻辑电路设计,分为小规模和中规模,内容上不重复,电路的实现从采用逻辑门升级到采用中规模集成芯片。实验六为经典的时序逻辑电路设计,考虑到难度稍难及根据往届实验情况,将其学时调为3学时,通过该实验项目,学生对时序逻辑电路的设计流程、动作特点及测试方式有了更深刻的理解。实验七为综合性实验,主要进行综合实践训练,培养学生综合运用知识的能力。时钟脉冲信号在数字电路的工作中起控制作用,因此,特设置了一个采用经典的模数综合器件555定时器来构建简易时钟脉冲信号源的实验项目。前八个实验基本涵盖了数字电路理论内容,且按照理论课章节顺序来设置。在实验课程的最后,为了综合考查学生知识运用、创新、动手操作及团队合作能力,特设置了一个系统设计性实验项目,如《交通灯控制电路设计》。该设计任务涉及到多个功能模块,由于电路较复杂,设定学时为6学时,需要学生综合运用所学知识来实现,作为实验课程考核部分之一。综上,整个实验教学分为四个阶段:基础训练实验阶段、基础设计实验阶段、综合应用训练阶段和系统设计实验阶段。使学生从基本的实验设备和器件的使用、实验数据的处理、知识的综合运用、电路设计调试到实践创新能力都得到了训练。

2实验方式方法改革

在学生掌握了常用的实验仪器如数字电路实验箱、万用表、信号发生器等的使用方法,熟识了常用的集成电路芯片的基础上,结合各实验项目的要求及特点,采用多种实验方式来完成实验。验证性实验可只用数字电路实验箱来实现,多个芯片同时在实验箱上连接,连线方便,费时较短,一次实验课中可以完成多个任务。较简单设计性实验采用分立元件连接来构建电路,既可以锻炼学生动手能力,又可以在规定时间内完成实验。综合设计性实验由于难度最高,可让学生用软件仿真出电路原理图,然后制作PCB板,实现电路实物。课程开始时教师讲授的时间不易超过15min,主要帮助学生完成对实验的理解,思路的建立。实验方案的设计、实验电路的搭建及问题的排解,要有学生自主完成。在实验进行中,教师和学生各自的定位要准确,教师主指导,注重培养学生的实验兴趣。在整堂实验课中,要让学生体现主动性,感受到“做中学”的乐趣。由于实验内容大部分为设计性实验,如果纯粹依赖实验指导书进行教学,较难达到培养学生电路设计能力的目的。因此在现阶段,采用项目驱动法来开展实验教学,具体做法为:开学初把数字电子技术实验的所有实验项目以电子文档的形式发送给学生,每个设计性实验只提供设计任务、设计要求和可供参考使用的芯片种类,设计方案和电路原理图由学生自主完成。这样既可以改善学生的懒惰思想,又可以实现课前预习、培养学生查阅参考文献的和初步设计的能力。对于学时较长和难度较大的实验项目,2～3名学生可组成小团队,团队成员在参阅大量参考文献后进行小组讨论,多次讨论后确定设计方案。在电路构建及测试过程中,每个成员都必须积极参与,教师也给予一些必要性的指导。经过两年的实践发现,该实验教学方法有效增强了学生的自主学习能力、分析问题及解决问题能力、自我管理能力、团队合作能力和创新实践能力。每次实验完成之后,学生不仅对相关知识有了更深刻的理解,也获得了满足感,极大提高了学生参与实验的兴趣。

3实验室教学管理改革

对于任何一个实验项目,都允许并鼓励学生之间相互交流,教师作为引导者虽不过多干预学生的实验过程,但是也积极关注他们的实验进度,认真聆听他们的实验想法,适时给出建议,甚至和学生进行热烈讨论,帮助他们构建更正确的实验方案。当学生搭建的电路不能正常工作时,不过多责备,反而是启发他们自己寻找问题的所在,鼓励学生多思路分析问题。因此,实验室的氛围既严谨又活跃,绝大部分学生都非常专注的投入到实验中,实验效果理想率可达到95%以上,实验数据抄袭的现象非常少。

4实验考核方式改革

很多学生不重视数字电子技术实验教学的原因之一就是其考核方式不太合理,实验成绩要么只占数字电路课程成绩的百分之二十,要么只由实验报告的成绩和平时考勤成绩组成,导致有些学生认为只要期末考试卷面成绩高就行,实验做不做问题不大,有些学生虽然每次实验都出勤,但是在实验室并不认真做实验,实验报告抄袭他人。基于这些现象,近两年本院生物医学工程专业开展的数字电子技术实验考核方式做了如下改革。

(1)电子技术实验单独为一门课程。该课程成绩中模拟电子技术实验成绩占50%,数字电子技术实验成绩占50%。就数字电子技术实验成绩而言,平时出勤率仅占10%,实验过程中的表现占40%,系统设计实验考核成绩占30%,实验报告成绩占20%。因此,学生的实验态度与实验能力最大程度上决定了其课程成绩。这就使得绝大部分学生能以正确、积极的态度来对待实验课程,并尽量通过自主努力完成实验。

(2)系统设计实验项目考核时,分模块考核。比如在《交通灯控制电路设计》实验项目中,总分100分,完成时钟信号源电路模块,得10分;完成定时器模块,得25分;完成控制器模块,得40分;完成译码驱动器模块,得15分;设计方案阐述和回答教师提问部分完成,得10分。这样不仅避免由于电路硬件原因导致电路系统最终实验效果不理想而得零分,打击学生信心的情况出现,又可以让学生在实验过程中能逐级测试电路,保证最后的电路系统效果理想,且对学生的团队合作能力和答辩能力进行了培养。

5结语

篇10

关键词：仿真；课程设计；效果；效率

Comprehensive application for the simulation software in the course design and the measures for some problems

Xu Junyun

South China of agriculture university, Guangzhou, 441052, China

Abstract: Introduced a method for conducting students to apply the simulation software comprehensively to do course design about the power electronics system. Through analyzing the characteristics for two kinds of simulation softwares, guided students to use Matlab/Simulink to do power electronic main circuit design, and to use Orcad/Pspice to do the power electronic control circuit design, and give a useful measure for convergence problem in the simulation. The practices show that the comprehensive application of simulation softwares can effectively help students improve the effect and efficiency of the power electronics circuit design.

Key words: emulation; course design; effect; efficiency

高校实践教学是一项需要不断创新的工作，实践课教师有必要探索新的实践教学方法，改进实践教学效果。因此，笔者在本校电气工程及其自动化专业的专业课―电力电子技术的实践教学的指导方法上做了改进，引导学生采用一种综合应用仿真软件辅助电力电子电路课程设计的方法。

1 电力电子电路常用仿真软件特点分析

目前在电力电子电路设计和分析上主要采用Matlab/Simulink和Orcad/Pspice这两种仿真软件。在Matlab/Simulink仿真平台，电力电子器件模型使用的是简化宏模型，它只要求元器件的外特性与实际元器件特性基本相符，而不考虑元器件的内部细微结构，属于系统级模型。 Orcad/Pspice是不同于Matlab/Simulink的仿真平台，它构建的元器件模型除了要求元器件的外特性与实际元器件特性相符，还要考虑元器件内部的细微结构，相比Matlab/Simulink的宏模型更详细，更复杂，是属于器件级的模型，用Pspice仿真可以细致地反映元器件的工作情况。虽然Matlab/Simulink的电力电子器件模型较为简单，但是它占用的系统资源较少，因而在仿真时出现不收敛的几率相比Orcad/Pspice要少。鉴于此，可以考虑将这两种仿真软件有机结合起来，取长补短，以提高仿真的效率。

下面以一种基于TL494控制的开关电源的设计为例，介绍在电力电子技术课程设计实践教学中建议学生采用的综合性设计方法。

2 基于TL494控制的开关电源设计举例

本示例要求设计出一种以TL494为控制器件的开关电源，电源电压范围为0～12 V。要求该开关电源性能可靠，纹波电压小，控制精度高。

2.1 设计步骤1―主电路的原理电路设计

主电路的原理电路设计方案利用所学知识，学生容易确定。如本设计中的主电路可采用常规的非隔离式Buck电路，开关管采用P沟道MOSFET，驱动采用“图腾柱”电路，输出电压反馈电路由一个比例运放电路构成(如图1所示)。

图1 主电路、驱动电路及电压反馈原理电路

2.2 设计步骤2―控制电路原理电路设计

控制电路原理电路方案参照相关资料，并利用所学自动控制理论知识，学生也较容易确定。本部分要求以TL494作为控制芯片。

TL494控制原理电路(如图2所示)，1和2脚前接上两相同阻值的电阻，起到限流阻隔的作用，其中1脚接主电路输出反馈电压Vo，2脚接设定电压Vset，当改变Vset的值时，Vo和Vset经误差比较后控制PWM信号的输出；3脚经一个PI比例积分回路串上2脚，起到反馈的作用；4脚接地；5脚经一个电容接地，6脚经一个电阻接地，5，6脚共同构成振荡回路；8，11脚与12脚共同接工作电压；13脚接地，使9，10脚以并联工作方式输出。

图2 TL494控制原理电路

2.3 设计步骤3―开关电源系统仿真预设计

这个环节是整个设计的重点和难点。对学生而言，设计原理电路并不难，难的就在于如何确定原理电路中具体的元器件参数，在这方面学生缺乏经验。

2.3.1 仿真软件使用方案及问题对策

按常规设计方法，直接将Orcad/Pspice仿真软件用于电力电子电路设计，对初学者特别是学生来说，往往困难较大。学生在使用该软件的时候，很容易碰到仿真不收敛的问题，从而一筹莫展。

因此，在教学实践中，引导学生首先利用Matlab中Simulink仿真平台仿真快而不易出现收敛问题的优势进行主电路的仿真设计，较高效地确定出主电路中的电感、电容和电阻的最佳参数值。然后再利用Orcad/Pspice仿真软件进行控制电路的仿真设计。控制电路部分设计的难点在于PI参数的选择，因此要引导学生采用Orcad/Pspice仿真软件来进行。因为Orcad/Pspice是器件级仿真软件，仿真精度高，辅助控制电路参数的确定最佳。

对Orcad/Pspice在电力电子电路整体仿真中容易遇到的收敛性问题，笔者通过和学生一起分析研究、查找资料，积累了一些解决问题的经验。实践表明，这些经验对开关电源系统电路的仿真设计是有用的。下面给出一个对此问题有用的对策。

在用Orcad/Pspice进行仿真调试的时候，经常出现ERROR -- Convergence problem in transient analysis at Time =？ Time step =？, minimum allowable step size =？这个问题。一个有效的解决方法就是修改参数。系统默认参数及参数修改的方法如图3和图4所示。

图3 PSpice系统默认参数

图4 参数修改图

2.3.2 系统仿真输出波形图示例

通过对不同参数条件下仿真结果的比较，按照开关电源纹波电压小，控制精度高等要求可确定原理电路参数。下面是利用仿真平台方便的参数比较功能得出的主电路最佳仿真输出波形图及控制电路采用最佳PI参数值时系统的输出电压仿真波形(如图5，图6所示)。

图5 主电路负载电压仿真输出波形(Simulink)

图6 总电路负载电压仿真输出波形3(Pspice)

图5是在开环状态下选择出的相对最优电感、电容和电阻参数值下的负载电压波形；图6是在控制电路选用相对最优比例系数和积分电容参数时的负载电压波形。

2.4 设计步骤4―实际开关电源系统测试

依据仿真预定元器件参数构建出具体的电路。在实验室调试中，要求学生利用示波器等检测仪器分析电路中的问题，帮助进一步确定最佳元器件参数。下面是对系统进行实际测试的一些数据(见表1，表2)。

表1 输入设定电压和输出实际电压

表2 输入设定电压和输出实际电压

实验测试结果表明：本电路系统可以稳定地输出0～12 V的直流电压。

实践表明，引导学生将不同仿真软件综合应用于电力电子电路的设计，不仅能有效地帮助学生提高电路设计的效率，而且对开拓学生思维，培养学生的创新能力也是有益的。

参考文献

[1] 许俊云.实验设备的改进与使用[J].实验室研究与探索,2010,8:337-339.