電子技術(shù)課程設(shè)計基礎(chǔ)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 路的故障判斷是比較困難的，因為它是把輸出信號的部分或全部以某種方式送到模塊的輸入端口，使系統(tǒng)形成一個閉環(huán)回路。在這個閉環(huán)回路中只要有一個模塊出故障，則整個系統(tǒng)都存在故障現(xiàn)象。查找故障需要把反饋回路斷開，接入一個合適的輸入信號使系統(tǒng)成為一個開環(huán)系統(tǒng)，然后再逐一查找發(fā)生故障的模塊及故障元器件等。 前面介紹的通用方法對一般電子電路都適用，但它具有一定的盲目 性，效率低。對于自己設(shè)計的系統(tǒng)或非常熟悉的電路，可以采用觀察判別法，通過儀器、儀表觀察到結(jié)果，直接判斷故障發(fā)生的原因和部位，從而準(zhǔn)確、迅速地找到故障并加以排除。 當(dāng)遇到電路中某個元器件靜態(tài)正常而動態(tài)有問題時，不要急于 33 更換元件，應(yīng)首先檢查電路本身的負(fù)載能力及提供輸入信號信號源的負(fù)載能力。把電路的輸出端斷開，檢查是否工作正常，若電路空載時工作正常，說明電路負(fù)載能力差，需要調(diào)整電路。如斷開負(fù)載電路仍不能正常工作，則要檢查輸入信號波形是否符合要求。 由于諸多因素的影響，原來的理論設(shè)計可能要做修改，選擇的元器件需要調(diào) 整或改變參數(shù)，有時可能還要增加一些電路或元器件，以保證電路能穩(wěn)定地工作。因此，調(diào)試之后很可能要對前面的“選擇元器件和參數(shù)計算”一節(jié)中所確定的方案再作修改，最后完成實際的總體電路，制作出符合設(shè)計要求的電子設(shè)備來。 6. 設(shè)計報告的撰寫 設(shè)計報告的撰寫應(yīng)包括以下內(nèi)容： （ 1）設(shè)計電路名稱。 （ 2）內(nèi)容提要。 （ 3）設(shè)計任務(wù)和要求。 34 （ 4）總體方案選擇的論證，內(nèi)容包括曾考慮過的各方案框圖、簡要原理和優(yōu)缺點以及所選定方案的理由等。 （ 5）單元電路的設(shè)計、元器件選擇和參數(shù)計算。 （ 6）繪出總體電路圖及必要的波形圖 ，并說明電路的工作原理。 （ 7）組裝與調(diào)試，內(nèi)容包含： 使用的主要儀器、儀表。應(yīng)列出名稱、型號、生產(chǎn)廠家等； 測試的數(shù)據(jù)、波形，必要時應(yīng)與計算結(jié)果比較并進(jìn)行誤差分析； 組裝與調(diào)試的方法、技巧和注意事項； 調(diào)試中出現(xiàn)的故障及其診斷與排除方法。 （ 8）所設(shè)計電路的特點及改進(jìn)意見。 （ 9）所用元器件的編號列表。列表項目為序號、符號與編號、名稱、型號與規(guī)格、數(shù)量以及必要的說明等。 （ 10）列出參考文獻(xiàn)，格式為作者、文獻(xiàn)名、刊物名、出版單位、出版時間、卷號和頁碼。 35 7. 干擾及抑制 干擾是電子電路 穩(wěn)定可靠工作的大敵，尤其是在工作條件惡劣、干擾源很強(qiáng)且復(fù)雜的場合中。因此，干擾與抗干擾成為電子電路設(shè)計中的一個非常重要的內(nèi)容。然而，抗干擾設(shè)計又是電子電路設(shè)計者最感頭痛的難題，原因是它與具體電路和應(yīng)用環(huán)境有著密切的關(guān)系，在一個電路中有效的抗干擾措施，未必能在另一個電路中奏效。因此，設(shè)計者必須結(jié)合具體電路的實際情況，在實踐中去解決抗干擾問題。 （ 1）電子電路中常見的干擾 干擾源可來自電子系統(tǒng)內(nèi)部，也可來自電子系統(tǒng)外部。電子系統(tǒng)內(nèi)的噪聲信號，尤其是功率級內(nèi)高頻振蕩電路和功率開關(guān)電路所產(chǎn)生的噪聲信號是系統(tǒng)內(nèi)部的主 要干擾源。電子系統(tǒng)周圍的大功率電子設(shè)備的啟停，以及自然雷電所產(chǎn)生的干擾信號是構(gòu)成電子系統(tǒng)外部的主要干擾源。 干擾是客觀存在的，在工業(yè)現(xiàn)場往往又是不可避免的，不可能 36 為了電子電路的可靠運(yùn)行而去清除干擾源，那是不現(xiàn)實的。只能是適應(yīng)環(huán)境，抑制干擾，加強(qiáng)電子系統(tǒng)的抗干擾能力，以保證電子電路的可靠運(yùn)行。 抗干擾技術(shù)主要是從干擾進(jìn)入電子系統(tǒng)的通路上來采取抑制措施。根據(jù)干擾傳播通道，干擾主要分為： 來自電網(wǎng)的干擾； 來自地線的干擾； 來自信號通道的干擾； 來自空間電磁輻射的干擾。 上述四種干擾，危害性最大的 是來自電網(wǎng)的干擾和來自地線的干擾，其次為來自信號通道的干擾，而來自空間電磁輻射的干擾一般不太嚴(yán)重，只要電子系統(tǒng)與干擾源保持一定距離或采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧旧暇涂山鉀Q。這里只重點介紹前面三種干擾及抗干擾措施。 （ 2）常用的抗干擾措施 電網(wǎng)干擾及抗干擾措施 37 大多數(shù)電子電路的直流電源都是由電網(wǎng)交流電源經(jīng)整流濾波、穩(wěn)壓后提供的。若此電子系統(tǒng)附近有大型電力設(shè)備接于同一個交流電源線上，那么，電力設(shè)備的啟停將產(chǎn)生很高的浪涌電壓疊加在50HZ 的電網(wǎng)電壓上。此外，雷電感應(yīng)也在電網(wǎng)上產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻浪涌電壓，其幅值可以達(dá)到 電網(wǎng)電壓的幾倍到幾十倍。這些干擾信號沿著交流電源線進(jìn)入電子系統(tǒng)，可干擾電子電路的正常工作。 為了防止這些從交流電源線引入的干擾，常見的抗干擾措施有： A． 采用交流穩(wěn)壓器。用來保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過電壓與欠電壓，有利于提高整個電子系統(tǒng)的可靠性。由于交流穩(wěn)壓器比較貴，在一些小型電子電路中一般不用，只用于較大型的電子系統(tǒng)，以及抗干擾要求比較高的場合。 B． 接電源濾波器。它接在電源變壓器之前，其特性是讓交流50HZ 基波通過，而濾去高頻干擾信號，改善電源波形。在市場上可以購到體積小、價格合理的電源濾波器。 C． 采用帶有屏蔽層的電源變壓器。由于高頻干擾信號通過電源變壓器的主要傳播通道是初級線圈與次級線圈之間的分布電容，而 38 不是初、次級之間的電磁耦合。因此，在初、次級線圈之間加一個金屬屏蔽層，并將屏蔽層接地，可有效地減小分布電容值，從而有效地抑制高頻干擾信號通過電源變壓器進(jìn)入初級線圈，這是最常見的抗電源干擾的措施。 D． 雙 T 濾波器。它用于整流電路之后，其特性是阻止 50HZ工頻干擾或其他固定頻率的干擾信號進(jìn)入電子電路。雙 T電路參數(shù)計算公式為： f ＝ 21 RC。 若欲阻止 50HZ 工頻干擾，則選用 f ＝ 50HZ。在抗干擾要求不高的場合，可以不采用抗干擾措施，以免增加電路的復(fù)雜性。 E． 電容濾波。采用 ～ f的無極性電容，并接到直流穩(wěn)壓電路的輸入和輸出端以及集成塊的電源引腳上，用以濾掉高頻干擾。 地線干擾及抗干擾措施 地線干擾是存在于電子系統(tǒng)內(nèi)的干擾。由于電子系統(tǒng)內(nèi)各部分電路往往共用一個直流電源，或者雖然不用同一個電源，但不同電 39 源之間往往共用一個地，因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過公共地電阻時便產(chǎn)生電壓降，此電壓降便成為各部分之間相互影響的噪聲干擾信號，即所謂地線干擾 。抗地線干擾的措施： A． 盡量采用一點接地，即各部分的地自成一體后再分別接到公共地的一點上，印制電路板上采用此方法不太方便布線，而都是采用串聯(lián)接法，為了減少地線噪聲干擾，可適當(dāng)加大地線寬度。 B． 強(qiáng)信號電路和弱信號電路的地應(yīng)分開，然后再在一點上接公共地。 C． 模擬地和數(shù)字地也應(yīng)分開，然后再在一點上接公共地，切忌兩者交叉混連。 D． 不論哪種方式接地，接地線應(yīng)短而粗，以減小接地電阻 信號通道干擾和抗干擾措施 在遠(yuǎn)距離測量、控制和通信中，電子系統(tǒng)的輸入和輸出信號線很長，線間很近，信號在此長線內(nèi)的傳輸過程中很容 易受到干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘柊l(fā)生畸變或失常，從而影響電子電路的正常工作，必須予以足夠的重視。長線信號傳輸所遇到的干擾有： 40 A． 周圍空間電磁場對長線的電磁感應(yīng)干擾。信號線越長及周圍電磁場越強(qiáng)，則干擾強(qiáng)度越大。 B． 信號間的干擾。當(dāng)強(qiáng)信號線與弱信號線靠得很近時，通過線間分布電容和互感產(chǎn)生線間干擾。信號線間越近和線越長，干擾強(qiáng)度就越大。 C． 長線信號的地線干擾。信號線越長表明信號源與電子系統(tǒng)的距離越遠(yuǎn)，則信號地線也越長，即地線電阻就越大，會導(dǎo)致信號源的地與電子系統(tǒng)的地不是等電位，而形成較大的電位差，此電位差構(gòu)成長 線信號的地線干擾信號。 針對上述信號通道上的干擾，常用的抗干擾措施有： A． 使用雙絞線傳輸。即每個信號都采用互絞的線進(jìn)行傳輸，其中一條是信號線，另一條是地線。雙絞線是抑制空間電磁干擾、線間串?dāng)_和信號地線干擾最有效且簡便的方法。因為空間電磁場在每個絞環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是相同的，但對每一條線來說，感應(yīng)電動勢可互相抵消，因此，不會對傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生影響。其次，信號電流在兩條線上大小相等、方向相反，所以雙絞線對其他信號的互 41 感是零，抑制了串?dāng)_。另外，各個信號的地線是單獨(dú)的，可有效地抑制信號間通過地線的干擾。 B． 采用 光電耦合傳輸。光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，兩者相互絕緣地密封在一起，信號從發(fā)光二極管一方輸入，使發(fā)光二極管發(fā)光，光照射到光敏晶體管基極上，使光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并從集電極輸出。輸入與輸出被隔離開，只有光耦合，而無電的聯(lián)系，因此，兩邊的地可以不同，彼此可以獨(dú)立。 若電子系統(tǒng)的每條輸入信號與輸出信號線之間均采用光電耦合傳輸信號，則可以有效地抑制信號線干擾和信號線上的噪聲干擾，這是因為兩邊的地是獨(dú)立的，所以不存在地線干擾。由于光電耦合器輸入阻抗很低，而疊加在信號上的噪聲信號的內(nèi)阻很高，所以，盡管噪聲 信號的幅值較高，但進(jìn)入光電耦合器的噪聲很小，只形成很微弱的電流，不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，從而抑制了噪聲信號的傳輸。 光電耦合器分為傳送模擬信號和傳送數(shù)字信號兩種類型。 42 二、數(shù)字電子電路設(shè)計 數(shù)字電路作為電子電路的一大分支，其應(yīng)用是極為廣泛的。常用的數(shù)字電路有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)值比較器、寄存器、計數(shù)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等。常見的半導(dǎo)體存儲器（ RAM、 ROM）也屬于數(shù)字電路。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)的研究和應(yīng)用又取得了新的進(jìn)展，其中尤以可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用令人矚目。下面主要討 論常用數(shù)字電路的設(shè)計與應(yīng)用方法。 1. 常用組合邏輯電路的設(shè)計 根據(jù)邏輯功能的不同特點，可以把數(shù)字電路分成兩大類，一類為組合邏輯電路（簡稱為組合電路），另一類則是時序邏輯電路（簡稱時序電路）。 對于組合邏輯電路，任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)無關(guān)。分析組合邏輯電路，就是通過分析確定電 43 路的邏輯功能，再根據(jù)給出的實際邏輯問題，求出實現(xiàn)這一邏輯功能的最簡單邏輯電路，這即是設(shè)計組合電路時要完成的工作。所謂的“最簡”是指電路所用的器件數(shù)最少、器件種類最少、器件之間的連線也最少。 （ 1）組合 邏輯電路的設(shè)計 組合邏輯電路在設(shè)計過程中，應(yīng)注意掌握組合邏輯電路的分析和設(shè)計工具，如：邏輯表達(dá)式、真值表、卡諾圖、時序圖等。組合邏輯電路的基本設(shè)計步驟如下： 邏輯抽象。在許多情況下，提出的設(shè)計要求是具有一定因果關(guān)系的實際問題，這時就需要通過邏輯抽象的方法，用一個邏輯函數(shù)來描述這一因果關(guān)系。 邏輯抽象的工作通常包括以下幾個方面： A． 分析事件的因果關(guān)系，確定輸入變量和輸出變量。一般總是把引起事件的原因作為輸入變量，而把事件的結(jié)果作為輸出變量。 B． 邏輯狀態(tài)的含義。以二值邏輯的 0、 1分別代表輸入變量和輸出變 量的兩種不同狀態(tài)，這里的 0 和 1的具體含義完全由設(shè)計者 44 人為選定，這項工作也叫做邏輯狀態(tài)賦值。 C． 根據(jù)給定的因果關(guān)系列出邏輯真值表，將一個實際的邏輯問題抽象成一個邏輯函數(shù)，而且這個函數(shù)首先是以真值表的形式給出的。 寫出邏輯函數(shù)式。為了便于對邏輯函數(shù)進(jìn)行簡化和變換，需要把真值表轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的邏輯函數(shù)式。 將邏輯函數(shù)化簡或變換成適當(dāng)?shù)男问健榱水a(chǎn)生所需要的邏輯函數(shù)，即可以用小規(guī)模集成的門電路組成邏輯電路，也可以用中規(guī)模集成的常用組合邏輯器件或可編程邏輯器件等構(gòu)成相應(yīng)的邏輯電路，應(yīng)該根據(jù)對電路的具體要求和器件 的資源情況，決定采用哪一類型器件。 A． 在使用小規(guī)模集成門電路進(jìn)行設(shè)計時，為獲得最簡單的設(shè)計結(jié)果，應(yīng)將函數(shù)式化成最簡形式，即函數(shù)式中相加的乘積項最少，而且每個乘積項的因子也最少。如果對所用器件的種類有附加的限制，則還應(yīng)將函數(shù)式變換成與器件種類相適應(yīng)的形式。 B． 在使用中規(guī)模集成常用組合邏輯電路實現(xiàn)電路時，需要把函 45 數(shù)式變換為適當(dāng)?shù)男问剑员隳苡米钌俚钠骷妥詈唵蔚倪B線接成所要求的邏輯電路。 根據(jù)化簡和變換后得到的邏輯函數(shù)式，畫出邏輯電路的連線圖，完成原理性設(shè)計（或稱邏輯設(shè)計）。 工藝設(shè)計。為了把邏輯電 路實現(xiàn)為具體的電路裝置，還需要做一系列的工藝設(shè)計工作，包括設(shè)計機(jī)箱、面板、電源、顯示電路、控制開關(guān)等，最后還必須進(jìn)行組裝和調(diào)試。 （ 2）利用中規(guī)模集成電路實現(xiàn)組合邏輯電路 由于人們在實踐中遇到的邏輯問題層出不窮，因而為解決這些邏輯問題而設(shè)計的邏輯電路也不勝枚舉。然而人們發(fā)現(xiàn)，其中有些邏輯電路經(jīng)常大量地出現(xiàn)在各種數(shù)字系統(tǒng)中，這些電路包括編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)值比較器等。為了方便人們使用，這些邏輯電路已經(jīng)被制成了中規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化集成電路產(chǎn)品。在使用中規(guī)模集成電路設(shè)計組合邏輯電路時，第一步進(jìn)行邏輯抽象；第二 步寫出邏輯函數(shù)式，這和使用小規(guī)模集成電路時沒有區(qū)別；第三步將邏輯函數(shù)變換為適當(dāng)?shù)男问剑灰欢ㄒ蠡癁樽詈喰问健Ｒ驗槊?46 一種中規(guī)模集成電路的組合邏輯電路都有確定的邏輯功能，并可以寫成邏輯函數(shù)式的形式，所以，為了使用這些器件構(gòu)成所需要的邏輯電路，必須把要產(chǎn)生的邏輯函數(shù)變換成與所用器件的邏輯函數(shù)式類似的形式。將變換后的邏輯函數(shù)式與選用器件的函數(shù)式對照比較，有以下四種可能的情況： 兩者形式完全相同，使用這種中規(guī)模集成器件效果最為理想。 兩者形式類同，所選器件的邏輯函數(shù)式包含更多的輸入變量和乘積項，這時只需對 多余的變量輸入端和乘積項作適當(dāng)處理，也能很方便地得到所需要的邏輯電路。 器件的邏輯函數(shù)式是要求產(chǎn)生的邏輯函數(shù)