（电工理论与新技术专业论文）模块化电工电子平台研究与实现.pdf

西北t 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eb a s i ch a r d w a r ei nt h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i ce x p e r i m e n t s ，t h ee q u i p m e n t o ft h ee x p e r i m e n t si st h ek e yf a c t o rf o rt h er e s u l t s t h et r a d i t i o n a le q u i p m e n t sc a l l t m e e tw i t ht h ec u r r e n tr e q u i r e m e n t ，b e c a u s eo fs i m p l ef u n c t i o na n dl o wi n t e g r a t i o n t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ef a c i l i t i e sf o rt h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i ce x p e r i m e n t s b e c o m e sa ni m p e r a t i v ep r o b l e mt ob es o l v e d c o u p l e dw i t ht h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ， t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r da n df i n i s h e st h ed e s i g no ft h ep l a t f o r m t h es t u d yp r o v i d e s s o l u t i o nf o rt h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i ce x p e r i m e n t a d o p t i n gt h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ，t h ep l a t f o r mh a sas i m p l es t r u c t u r e ， c o n v e n i e n to p e r a t i o na n de a s ye x p a n s i o n a n dd i f f e r e n tm o d u l e sc a nb u i l du pt h e v a r i o u se x p e r i m e n tc i r c u i t s a p p l y i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dm a k i n gi t s s o f t w a r ea sc o i t i ，t h ep l a t f o r ma c h i e v e st h ed i g i t sa n dg r a p h i c sf o rt h em e a s u r e m e n t r e s u l t s i tr e d u c e sd e p e n d e n c eo nt h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t s f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ep l a t f o r mp r i n c i p l e s ，t h et h e s i sc o n f i r m st h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t sa n dt h e i rr e l a t i o n s t h e n ，t h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h ew h o l e s c h e m e sf o r t h es y s t e ma n dc h o o s e st h ed e s i g nt o o l s s e c o n d l y i na c c o r d a n c ew i t ht h es c h e m e ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n t a n dd e s i g no ft h em o t h e r b o a r d ，f u n c t i o nc h o i c ea n dc o n t r o lc i r c u i t sa n dm o d u l e c i r c u i t s c o m b i n e dw i t ht h eo r c a dp s p i c es o f t w a r e ，i ta l s os i m u l a t e st h ec l o c kp u l s e c i r c u i t sa n dr e l a yc i r c u i t so nt h em o t h e r b o a r d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft h ec i r c u i td e s i g n a n dt h et h e s i st a k e sa ne x a m p l et oi l l u s t r a t et h e d e s i g no ft h em o d u l ec i r c u i t s b e s i d e s ，i td e a l sw i t ht h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea n ds o l u t i o n s f o rt h a ti nt h ep r o c e s so ft h ed e s i g n e v e n t u a l l y , t h eh a r d w a r ei sd e b u g g e di nt h et h e s i sa n dp l a t f o r mi st e s t e db y e x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t so fw h i c ha r eg i v e ni nt h et h e s i s t h er e s u l t sc a nm a t c hw i t h t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hs h o w st h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yi nt h eh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e m a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h el i m i t a t i o n sa n ds o l u t i o n so ft h e p l a t f o r ma r ep u tf o r w a r da n df u t u r ew o r k sa r ee x p e c t e d k e yw o r d s ：e l e c t r i ca n de l e c t r o n i ce x p e r i m e n tp l a t f o r m ，m o d u l a r i z a t i o n ，v i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i l 两北工业人学硕0 二学位论义第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术的迅速发展，模块化设计越来越多的应用于机械，电子，计算 机，航空等各领域。模块化电工电子系统正是汲取了这一设计思想的产物，目前 己引起广泛关注。刹用模块化电工电子系统结构简单，灵活有效，易于扩展的特 点将其引入到传统的电工电子实验中，将会为我们的传统实验提供全新的解决方 案。本文拟采用模块化设计思想开发出一个全新的电工电子实验平台。 模块化设计是以功能分析为基础的一种现代设计方法，根据系统的概念，采 用分解和组合的方法，建立模块化体系，并将若干具有相同或不同功能、可以互换 的模块，通过模块的选择和组合，构成不同的产品。模块化电工电子实验平台正是 利用这一设计思想，将具有不同功能的电工电子电路模块化，通过各种模块和系 统平台的不同组合搭建满足不同功能的电工电子系统。该平台与传统实验装鼍相 比较，具有体积小、重量轻、安装密度高的特点，同时模块化设计有利于系统的 安装、维修及二次开发。 本文还将结合微型计算机，应用虚拟仪器技术实现实验结果测量数字化和显 示图形化。采用虚拟仪器技术不仅减少了测量仪器，降低了硬件成本，而且使得 实验结果分析和实验设计更为灵活方便。图1 1 为这套系统的总体结构示意图。 几 u 厂婀 i 显垂l 图1 1 电：r ：电于实验系统总体结构示意幽 本文平台研制的目标是为电工电子系统的研制、开发提供一个功能较强，操 作简单的丌发环境。供机电一体化技术及电工电子系统研究人员从事科研和教学 习 究。也可供优秀本科生及研究生进行电工电子综合实验，有利于提高学生的工 程实践能力和科技创新能力。因此，本平台的研究成功具有一定的工程实际应用 价值和经济价值。 两北t 业人学硕。 二学位论文 第一章绪论 1 2 电工电子实验系统研究现状 随着科学技术的迅速发展，高等学校如何在实验教学中培养高素质的专业人 爿和科技人才，这是广大教师和科技人员面l 临的新问题。目前，国内外很多教学 实验仪器生产厂商丌发了不少相应的仪器及设备。如浙江高校自动化研究所研制 的g d d s 型系列电工电子试验装置，可让学生进行电工电子各种实验。清华同 方教学仪器设备公司，生产开发了适应电工电子各个教学环节的实验箱，可满足 学生进行相应课程内容的实验。浙江大学求是教学设备有限公司，也先后根据电 工电子教学内容开发研制了d c l 、m d s 、e t l 和q s 等电工电子实验箱。还有 陕西华宇电子科技有限公司，杭州天科技术教学仪器厂等，先后都开发出各具特 色的电工电子实验设备。这些厂商生产的各类电工电子实验设备在国内高校中占 有相当的份额。除此之外，如意大利的d e l o r e n z o 公司的各种电工电子实验 仪器和设备也开始进入国内高校的实验室。 这些实验教学仪器和设备，尽管在安全性、可靠性、仪器和设备的外观设计 等方向各有自己的特点。但本文认为这些生产厂商的实验教学仪器和设备仍存在 着许多不足之处。如实验内容设计比较单一，有的实验仪器和设备只能进行相关 教学内容的某个实验；电工电子实验内容比较传统，有的实验仪器和设备只能进 行某个定理和原理的验证性实验；实验仪器和设备使用的负载还只停留在实验 室，有的负载就是模拟负载，导致学生只能在实验中照猫画虎，严重缺乏工程锻 炼和实践能力：实验仪器和设备的实验内容很难培养学生的系统综合能力：学生 在实验中思维和创新能力受到一定的限制。 本文在充分调研的基础上，拟研制开发出一种基于虚拟仪器的电工电子实验 平台。该平台采用模块化设计，与一系列电工电子实验模块组成各种实验系统， 实验内容覆盖广，可完成电工电子基本实验。利用平台的扩展性，学生既可以自 行设计实验内容，搭建实验系统，也可以自行开发新的模块。有利于学生的工程 实践能力和科技创新能力的培养。 1 3 电工电子系统发展趋势 1 3 1 模块化设计思想 2 0 世纪5 0 年代不少欧美国家提出了“模块化设计” 3 1 。所谓模块化设计就 是在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能 模块。根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或 功能相同但性能不同、规格不同的产品。模块化设计开始是专用于工程技术领域、 针对于具体产品的，后来人们对模块化方法的认识不断深入，并将其运用于其他 西北t 业人学硕l 二学位论文第一章绪论 领域，模块化成了现代一个广义的概念。 电子系统的模块化设计主要是以功能分析为基础，用系统的观点，采用分解 和组合的方法，充分利用模块化元件的思想来搜寻一些可用于多种电路设计的标 准元件。在本系统中所说的标准元件就是一些常用的基本电路。在此称之为功能 模块。将它们之间接口标准化，在搭建具体复杂系统时就可以根据功能选用不同 的模块。 模块化设计可以通过采用已设计好并经测试的元件来创建独特的系统，可将 丌发周期缩短3 0 至5 0 。如果只在基于模块化设计的基础上添加新的功能或 定制某项设计，所节省的时间将远远超过5 0 。模块化元件的益处不仅仅局限于 节省时间。这些通用模块在引用之前大都进行过充分的测试和验证，拥有较高的 可靠性。同时由于模块化元件必须适应多种用途，因而其设计通常要符合某种通 用标准。对实验室而言，采用模块化设计，资源的重复利用率高，易于二次开发， 便于维修。所以在这套系统的设计中，我们决定采用模块化设计，这样实验者亦 可在实验时选用不同的模块构建简单或复杂的各种系统。 1 3 2 虚拟仪器的引入 此外，虚拟仪器作为计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模 式己被引入到电子系统的设计中。虚拟仪器起源于美国，1 9 8 6 年美国国家仪器 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 为m a c i n t o s h 设计了l a b v i e w , 它是一种基于图形 的开发、调试和运行集成化环境，实现了真正意义上的虚拟仪器概念。l a b v i e w 和m 后来推出的l a bw i n d o w s c v i “1 是目前虚拟仪器常用的开发软件。 虚拟仪器增强了用户在标准的计算机上配以经济高效的硬件设备就可以构 建自己的仪器系统的能力【5 q 】。这种以软件为核心的系统可以充分利用计算机超 强的运算、显示以及通讯能力来灵活地自定义功能强大的仪器功能。并且可以轻 易地将数据采集、仪器控制硬件以及原有的仪器设备进行整合，从而构成完全符 合需求的虚拟仪器系统。图1 2 所示为虚拟仪器的工作原理图。 囤园圈 园 图1 2 虚拟仪器工作原理图 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同 的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器， 因此可以说“软件即仪器”。目前的软件主要有美国n i 公司的l a b v i e w 和 l a b w i d o w s 。用户用鼠标和键盘操纵虚拟仪器就如同操作传统仪器一样，但用户 两l t t 业人学硕l ：学位论文 第一章绪论 可以自己定义、自己设计仪器，以满足不同的需要。 在电工电子实验中应用的电工仪器种类多，数量大，体积庞大，维修工作量 比较大，如果在电工电子实验中，应用虚拟仪器则有以下优点【8 】： ( 1 ) 实验仪器集成在一台p c 机上可完成多台仪器的功能： ( 2 ) 可根据需要设计虚拟仪器，仪器功能从厂商定义转变为用户定义，使 功能更贴近需要： ( 3 ) 仪器主要由软件组成，因此易修改更新，功能扩充性强，使仪器不断 升级； ( 4 ) 虚拟仪器利用网络化，不仅可用于实验的测量及仪器控制，还可实现 实验数字化管理和网络化教学。 可见在电工电子实验平台的设计中采用虚拟仪器技术是非常必要的。虚拟 仪器实验室为实验室建设提供了新的发展方向。 1 4 系统的先进性 该实验系统设计的先进性有以下几点： ( 1 ) 仪器系统由传统的“堆放式”发展成为“模块式”，它具有安装密度 高，体积小，重量轻的优点。此外外形尺寸小，故可提高被测信号的保真度。同 时减小了仪器与被测装置的引线长度，降低系统噪声，改善屏蔽效果： ( 2 ) 本实验系统为开放式实验系统，由于采用模块化设计，系统拆装方便， 用户可以根据各自需要选用不同的模块。现有模块如不能满足用户的需求，用户 还可以自行研制新的模块，升级原系统： ( 3 ) 采用了虚拟仪器技术，将仪器硬件( 如a i d ，d a 转换器，数字i 0 ) 、 计算机资源( 如微处理器、存储器、显示器) 、软件( 如图形界面，数据处理) 有效结合起来。用户可以自行开发所需的仪器，降低了对传统测量仪器的依赖， 节省硬件费用。实时的结果显示及分析为正确评估实验效果提供了可靠的依据； ( 4 ) 实验系统操作简便，实验系统采用低压供电，安全可靠。尤为可贵的 是在实验内容上由于采用了模块化设计，实验者可以充分发挥能动性，选择不同 的模块搭建不同的系统，而不拘泥于已有的实验说明。 1 5 论文研究工作及内容安排 本论文的任务就是要丌发和实现一个基于虚拟仪器的模块化电工电：f 实验 系统。论文的工作将包括以下几个方面： ( 1 ) 接合预先要求的性能指标、功能要求等对电工电子实验平台进行功能分 析及功能划分。 4 婀北t 业大学硕 学位论文第一章绪论 ( 2 ) 以已有的功能分析为基础，结合资料，对实验平台进行单元模块的设 计，然后再综合各模块的设计，考虑各模块问的相互关系将它们连接成形成系统。 ( 3 ) 从产品的角度为整个系统设计简单实用的内部机械结构和美观大方的 外形。 围绕以上内容本论文内容组织如下： 第二章：根据实验平台的功能，测试信号的性质，及工作环境，电源等具体 要求设计该实验系统的总体方案，主要是系统电路板的硬件结构。同时说明各部 分的连接关系以及设计工具介绍。 第三章：结合第二章的介绍，详细叙述母板的设计过程及思路。并根据母板 的不同功能块，从细节方面介绍母板的功能设计。母板的设计即是整个设计的核 心。它的完成与实现使系统初见雏形。 第四章：本章叙述了功能选择部分的设计。它的设计也是以第二章相关知识 为铺垫展开的。从功能和硬件上将该部分分为两部分。一部分输入选择信号，一 部分功能实现。为查错功能的实现提供了硬件基础。 第五章：模块是实验系统中形式多样的一部分。由于采用模块化设计，每个 模块对应不同的实验。这里以其中一个模块的设计为例说明模块设计的思路及方 法。 第六章：根据上述已有的电路板设计，结合人机功能设计方法为整个实验平 台设计系统机械外形及内部结构。 第七章：整个系统作为一个电子设备还需要考虑到它的抗干扰设计。在整体 设计和电路板设计中，多次采取了抗干扰措施。 第八章：系统在设计制造完成以后，对它进行测试必不可少。本章叙述了测 试的步骤及方法。测试结果表明该系统的设计功能基本实现，系统稳定可靠。 最后以第九章总结全文，并提出了今后工作的进一步展望。 两北t 业人学倾l 学位论文第二章电_ t 乜子5 f 台的方案设计 第二章电工电子平台方案设计 2 1 引言 本章将详细叙述电工电子平台的设计方案。总体方案设计将为后继设计提供 基础和指导。首先从功能分析的角度，用功能分解法分析了平台所需实现的功能， 从整体上确定了方案实现的几大部分及各部分之间的关系，并给出了平台工作的 原理图。在随后又分别初步确定了各部分的设计与实现。当然电路设计工具的选 择也是方案确定的一部分。 2 2 实验系统工作原理 电工电子实验平台的功用主要是为电工电子工程人员提供一个实验、研发的 平台。它的工作原理笼统说就是为实验者提供电源、电子元件、信号及各种附加 功能，满足实验者在平台的基础上搭建各种实用电路的要求。 鉴于以上的原理对系统进行功能分析是必不可少的。功能分析主要是将系统 按其功能进行分解，分解成不同的功能模块。然后再对不同的功能模块进行具体 分析。 1 首先一个实验系统必须向实验者提供一个操作平台，以满足实验者完成 各项实验的要求。本实验系统所谓的模块化设计也主要体现于此。考虑到各项实 验中所用到的具体电子元件不同，我们将一些基础的，常用的，或具有通用性的 元器件制作在一个电路板上，这块电路板将作为其它所有实验的基础，因此它可 被称为母板。 在进行功能分析时，对于母板它应具备一些基本的实验功能。例如产生逻辑 高低电平，七段数码管显示，时钟发生器等。此外母板还需要为模块电路提供实 验信号，实验电源等。实验信号既可由母板产生，也可由外部输入，通过母板传 递给模块。 2 由于不同实验对元件的要求各异，依据模块化的设计思想，设计一批具 备常用功能的电路板，它们被称作本实验系统的基本模块。这些基本的模块又被 称为子板。 模块电路在实验时是搭建在母板上的，每个模块的具体功能设计主要依赖于 与之对应的实验的要求。 3 电工电子实验系统必不可少的部分自然是电源模块，考虑到实验的负载 两北t 业大学帧 ：学位论文 第一章f u l = 电了平台的方案改汁 及安全性，电源部分输出的功率并不要求很大，电压的幅值也不必太高。具体要 多大功率则视实验部分的具体设计而定。电源所需提供的电源的范围取决于所崩 芯片及特殊元器件对电源的要求。由于大部分常用芯片的电源在o 1 2 v ，所以 现设计输出电压范围为0 1 2 v ，输出电压的大小包括5 v 、1 2 v 、可调电压0 1 2 v 。同时由于安全性的考虑，电源还应具备一些保护措施，例如短路大电流自 动断丌装置。 4 最后本实验系统拟设计一个特殊的功能一查错功能。所谓查错功能实际 是人为的使实验电路某一部分发生短路或断路，从而改变实验的结果。为了说明 这项功能的作用现举例如下。图2 1 为运算放大器同相比例放大电路 9 a o 。 当丌关断开时 = ( 1 + 砟- 蜀) 心 ( 2 一1 ) 当开关闭合时，由于形成短路，则 u o = u f ( 2 - 2 ) 显然，开关的闭合与断开将导致u 。的变化。对于实验者由于不了解电路的 内部设计，只能依靠分析实验结果的变化来推断产生该现象的原因。 卫 图2 1运算放大器i 司相比例放大电路 设计查错功能的目的是希望增强学生的纠错能力，发现实验结果与预期的不 符时，及时找出问题的所在，有利于提高学生的主动性，而不是只让学生一味的 按已有步骤实验。 基于以上思想，在设计实现这项功能时，主要依靠的是继电器。通过继电器 的断丌与闭合达到电路的通断。从硬件的实现来说主要分为两步：一步用来选择 功能输入，也就是产生使继电器动作的信号；另一步则为功能输出，即为继电器 动作。 懿个系统的功能关系如图2 2 所示，它反映了各模块之所具有的功能及棚 ! c 关系。 7 两北r 业人学颂 。学位论文第二章电t i u t - 平台的方案设计 实验结果卜一、 二= ( 操作者) i 、一j ，- i 图2 2实验系统总体功能关系示意图 2 3 电工电子平台设计方案确定 功能输入 平台的设计方案主要依据功能模块的划分，分别确定实现各个模块的方案， 同时理清各个模块之间的关系，采用“搭积木”的方式构建整个系统的实现方案。 在这里只是从原理上初步说明设计方案，具体实现的细节将在3 5 章中分别叙 述。 2 3 1 电源部分的设计方案 本文实验系统的电源输入为2 2 0 v ，5 0 l l z 交流电。电源模块通过滤波整流以 后为系统提供5 v 、1 2 v 、0 1 2 v 的电压。 按照一般电源的设计，这部分将采用先由变压器调压，然后滤波整流，再送 到三端稳压器输出直流电压的常规方法设计电路。由于该电路不在本毕业设计任 务之列，这罩不再赘述。 2 3 2 母板设计方案 母板是整个实验系统的基础与核心，它为各项实验提供最基本的元器件和功 能。主要有【1 1 】： 1 为各项实验提供电源。在母板上将会提供各种电源的输出插口，包括 5 v 、1 2 v 、0 1 2 v ，实验者可用导线将电源引入到实验中。 2 提供逻辑高低电平。逻辑高低电平是电子实验所必须的。 3 二极管显示。发光二级管的导通与截止用来指示电平的高低。 4 一l 二升沿和下降沿触发电平。这些电平可以作为一些芯片的输入，例如触 矛 一窄到 罂j 、 一块照铲墨 两北t 业大学顾“i ：学位论文第二章电t 电了平台的方案设计 发器就需要这样的触发信号。 5 时钟信号发生器。时钟信号在数字电路中用途广泛，例如分频电路，计 数电路等。 6 反相器。反相器的功用自然是将高低电平反相。此外由于该反相器用施 密特触发器设计，所以它还可用于波形变换，把变化缓慢的周期信号变换为矩形 信号。 7 七段码显示。七段码显示将由二一十六进制译码器及半导体数码管组成。 向它的四个不同的输入端输入高低电平就能显示o f 的十六位数。 8 蜂鸣器。可用于鉴幅，当输入电压高于一个门槛电压时，蜂鸣器发声。 9 音频放大及扬声器。这部分功能是把音频信号放大并通过扬声器产生声 音。用于音频放大的芯片和扬声器是独立的，可以根据自己的实验设计选择使用。 l o 可调电阻。提供了三个常用的可调电阻：分别为l k q ，l o k q ( 两个) 。 1 1 继电器。两个完全相同的小型低功率继电器。每个继电器都会提供四个 接口：常开接口，常闭接口，公共端，输入端。当输入端是高电压时，继电器发 生动作。 鉴于以上各部分功能和元器件关联性不是很强，所以它们的设计也是采用分 别设计，综合布置的方法。 2 3 3 查错功能设计方案 查错功能如本章所述，它是通过人为的改变实验电路影响实验结果，实验者 则通过观测和分析找出影响结果的原因。 实验者可遵照实验的要求预先选择一定的功能，使继电器动作，通过开关闭 合或断开造成实验电路的改变。为了便于操作，查错电路的功能选择部分应该位 于实验平台上。考虑到美观及使用安全，把继电器实现部分置于系统内部。继电 器由功能选择产生的信号控制，选择不同的功能则会使对应的继电器发生动作。 基于这样的考虑，很自然的将查错功能部分分成两块电路板来实现，一块产生控 制信号，另一块实现继电器动作。具体的实现将在第四章详细介绍。 2 3 4 实验模块设计方案 由于采用模块化设计，不同的实验使用不同的模块，所以需要设计一套p c b 板，以满足电工电子实验的要求，模块的设计将在第五章讨论。 2 3 5 电路板之间的关联 电路板设计并制作好以后，需要用导线将它们连接起来组成一个系统。为了 便于拆装，对于实验系统内部的电路板可以在电路板上焊接单列直插式单排插 西北工业人学硕i 学位论史 第二章f u t i u 了平台的方案漱计 座，并用排线连接。系统外部面对实验者的电路板则要尽量减少导线连接，即使 用导线连接也不应裸露在外部。因为导线外置，很容易使系统遭到意外的损坏， 而且影响美观。为此采用的措施有： ( 1 ) 实验平台上的母板和功能选择电路板的连接用多针d 型插头连接，拆 装简单方便，同时减少了导线的长度，降低了外界干扰。 ( 2 ) 模块直接搭建在母板上，采用两个单排针式插头连接。除了传输电源 和信号外，还可以起一定的支撑作用。 ( 3 ) 电源部分由于电流较大，变压器与电路板的连接不采用排线，而用较 粗的导线，其接头为压线接头。 2 4 设计工具选择与介绍 电路设计自然离不开电子设计自动化即e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 工具的支持。目前e d a 软件在我国的电路行业用途越来越广泛【1 2 】。 2 4 ip r o t e l p r o t e l 是p o r t e l 公司在2 0 世纪8 0 年代末推出的电路行业c a d 软件， 它当之无愧地排在众多e d a 软件的前面，是电路设计者的首选软件。它较早在 国内使用。普及率也最高，几乎所有的电路公司都要用到它。早期的p r o t e l 主要作为印刷板自动布线工具使用，运行在d o s 环境，对硬件的要求很低，在无 硬盘2 8 6 机的i m 内存下就能运行。它的功能较少，只有电原理图绘制与印刷板 设计功能，印刷板自动布线的布通率也低。目前普遍使用的是p r o t e l 9 9 ，其包 含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计( 包 含印刷电路板自动布线) 、可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支 持宏操作等功能，并具有c l i e n t s e r v e r ( 客户服务器) 体系结构，同时还兼容一 些其它设计软件的文件格式，如o r c a d 、p s p i c e 、e x c e l 等。使用多层印制 线路板的自动布线，可实现高密度p c b 的1 0 0 布通率。 2 4 2o r c a d o r c a d 是由0 r c a d 公司于2 0 世纪8 0 年代末推出的e d a 软件，它是世 界上使用最广的e d a 软件。相对于其它e d a 软件而言，它具有较强的功能。由 于o r c a d 软件使用了软件狗防盗版，因此在国内它并不普及，知名度也比不i 二 p r o t e l ，使用的用户也比较少。早期工作于d o s 环境的o r c a d4 0 ，就集成 了电原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能， 而且它的界面友好且直观。它的元器件库也是所有e d a 软件中最丰富的，在世 界上它一直是e a d 软件中的首选。o r c a d 公司与c a d e n c e 公司合并后，更 i o 两北t 业人学硕i 学位论文 第二二章电_ t i u 了二，f 台的方案敬计 成为世界上最强大的开发e d a 软件的公司，其产品o r c a d 集成了电原理图绘 制，印刷电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能。电路仿真的元器件库更 是达到了8 5 0 0 个，收入了几乎所有的通用型电路元器件模块。本文为了检验设 计结果是否满足设计要求，进行了计算机仿真。所用仿真软件是o r c a dp s p i c e 。 2 4 3p s p i c e p s p i c e 是较早出现的e d a 软件之一，1 9 8 5 年就由m i c r o s i m 公司推出。 在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用。现在应用较 多的是p s p i c e6 2 ，工作于w i n d o w s 环境，占用硬盘空间2 0 多兆，整个软件由 原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使 用时是一个整体，但各个部分各有各的窗口。p s p i c e 发展至今，已被并入 o r c a d ，构为新软件o r c a dp s p i c e 。但p s p i c e 仍然单独销售和使用，新推出 的版本为p s p i c e9 1 ，工作于w i n d o w s9 x n t 平台上，要求是奔腾以上c p u 、 3 2 m 内存、5 0 m 以上剩余硬盘空间、8 0 0 6 0 0 以上显示分辨率，是功能强大的 模拟电路和数字电路混合仿真e d a 软件。它可以进行各种各样的电路仿真、激 励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一个窗口内 同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括 i g b t 、脉宽调制电路、模数转换、数模转换等，都可以得到精确的仿真结 果。对于库中没有的元器件模块，还可以自己编辑。 本文设计的电工电子实验平台采用p r o t e l 进行原理图和p c b 印刷电路板设 计，并用o r c a dp s p i c e 进行电路仿真。没有采用o r c a d 设计原理图和p c b 图 的原因是目前国内的p c b 制造厂商主要使用的e d a 软件是p r o t e l 。但是经过使 用发现p r o t e l 的仿真略逊于0 r c a dp s p i c e 。所以本文拟将二者结合起来使用， 先出p r o t e l 绘原理图和p c b 图，再用o r c a dv s p i c e 仿真。 本设计所用e d a 技术的基本设计方法尚处于电路级设计【l ”。设计的主要步 骡是：首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具 体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、 故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元 件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源 汞i 示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后， 根据原理图产生的电气连接网络表进行p c b 板的自动布局布线。在制作p c b 板 之f j i 还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性 分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，电称为 后仿真，这一次仿真主要是检验p c b 板在实际工作环境中的可行性。 电路级的e d a 技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全面 两北工业人学硕l 二学位论文 第二章电工电子平台的方案、世计 地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶 段，不仅缩短了丌发时间，也降低了开发成本。 2 5 本章小结 本章从功能分析入手，将平台的功能划分为电源、母板、查错功能电路及实 验模块等几个部分，明确了各硬件电路所要实现的功能及拟采用的初步方案，完 成了电工电子平台整体设计。并对设计查错电路的原因进行了说明。本章比较了 几种主要的e d a 设计软件，根据实际情况确定了所用设计工具，拟定了初步的 电路e d a 设计方法及步骤。这些都为下一步的具体设计奠定了基础。 两北工业大学硕卜学位论文第三章母板设计0 实现 第三章母板设计与实现 3 1 前言 母板是整个电工电子实验系统的核心。从结构上分析，它是平台上的模块 电路和内部电源及控制电路的连接枢纽，也是模块搭建的基础。从功能上分析， 它拥有大部分实验所需的基本功能模块，同时向模块提供电源及信号。母板设 计与实现的重要性由此可见一斑。 3 2 母板设计综述 在第二章中，已经对母板进行了功能分析，在此不再多叙。针对母板所要实 现的功能多且杂的特点，决定在设计中采用先分别设计各个功能块，再整合的方 法设计母板。母板上功能块的划分基本上是一个功能就作为一个功能块。在设计 的过程中，我们的设计步骤基本是先用e d a 软件设计出电路，然后用面包板和 万能板实验测试，对复杂的电路，还采用了首先用o r c a d p s p i c e 计算机仿真， 再实验测试的方法。以下将按功能块分别介绍具体的设计与实现。 3 3 母板功能块的具体设计与实现 母板上主要由以下功能块构成： ( 1 ) 八路逻辑开关量输出： ( 2 ) 多频率可调时钟信号源； ( 3 ) 四路脉冲电路； ( 4 ) 两个反相门驱动的l e d ； ( 5 ) 小功率扬声器及其驱动电路 ( 6 ) 七段码数码管显示及驱动电路： ( 7 ) 单路电压比较及蜂鸣器： ( 8 ) 继电器及驱动电路： ( 9 ) i k q ，1 0 k q 电位器及电源： ( 1 0 ) 大功率器件接口电路及其显示。 两北丁+ 业火学硕i 学位论文 第三章母板设计与实现 3 3 1 八路逻辑开关量输出 由于数字电路的基础是高低逻辑电平。所以母板需要提供1 、0 ，数字逻辑 电平。这些电平可以作为一些数字电路芯片的输入。本电路的设计如图3 1 ，是 以0 伏左右的电平作为低电平，5 伏左右的电平为高电平。据此设计电路当然非 常简单。直接用拨动开关连接电路板上输出的+ 5 v 、0 v 电压。当开关中间引脚 和o 伏导通时，输出为逻辑0 ，当它和5 伏导通时，输出逻辑为1 。考虑到电流 不能过大，所以在电平输出端，还加上了负载电阻，起到限流的作用。 。昌o ，l ，2 柱，3 一冉。，4 。磐。，5 虬，6 一一_ c 垒。，7 一，坚一 图3 1 逻辑开关量输出 图3 2 时钟脉冲发生电路 3 3 2 多频率可调时钟信号源 多频率可调时钟信号源的目的是要产生频率为6 0 6 0 0 h z 和0 5 5 h z 两个范 围的时钟信号。这些时钟信号可用于时序电路。在时序电路中，作为时钟信号的 矩形脉冲控制和协调着整个系统的工作。时钟信号范围的选择由拨动开关来实现， 调节图中的可调电阻则可以调节某一范围内的频率值。 目前获取矩形脉冲的方法不外乎两种【1 4 】：一种是利用各种形式的多频振荡器 电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种是通过各种整形电路把已有的周期波形 变换为所需要的矩形脉冲。 施密特劁泼器( s c h m i t t t r i g g e r ) 是脉冲变化中经常使用的一种电路。它在性能 上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下 降时的转换电平不同；第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使 输出电压波形的边缘变得很陡。利用这两个特点，不仅可以将边沿变化缓慢的信 号整形为波形陡峭的波形，而且可以将叠加在矩形脉冲上的噪声有效的消除。 本文在该电路的设计中采用了常用的集成电路7 4 h c l 4 ，它是六路反相施密 1 4 陌北1 = 业人学碳i ：学位论义第三章母板设计1 j 实现 特触发器，包含有六个施密特触发器。它的输入电压范围一o 5 v 7 0 v 。在这罩 采用+ 5 v 电源供电。在4 5 v 时，它的上阀值电压典型值蜥+ = 2 7v 下阀值电压 典型值蜥一= 1 8 v 。 因为振荡器不需要外界输入信号，结构简单，所以在这里用多谐振荡器来产 生矩形脉冲。具体电路如上页图3 2 所示。 1 原理 该电路利用施密特触发器的电压传输特性：有一个滞回区的特点，将输入电 压在阡+ 和所一之间不断变化，然后在输出端就可以得到矩形脉冲。 在如图3 2 所示的电路中，接通电源后，因为电容上的初始电压为零。所以 输出端的高电平通过电阻向电容充电。当充电到输入电压为u 产蜥+ 时，输出跳 变为低电平，电容又经电阻开始放电。当放电至u = n 时，输出电位又跳变至高 电平。电容重新开始充电。如此周而复始，电路便不停的振荡。 2 周期计算 假设输出的v o h d ，v o l 0 。周期为 丁：f + f ，；r c l n 叠二坠= + r c l n v t +( 3 一1 ) d 一蜥+ ：r c i n 。r o d - - v t _ 粤( 3 - - 2 ) d 一听+ 脚一 式中。d 为施密特触发器的输出高电压的电压值，蜥一，蜥+ 分别为两个门槛电 压。 由式( 3 2 ) 可知。通过调节r 、c 的大小，即可改变振荡周期。本电路正 是利用了这一原理，依靠拨动开关改变电容，调节可变电阻来改变阻值。拨动开 关拨到电容c 这边时，c l 和c 2 并联，电容变大，所以周期变大，频率变小。当 c 。不接入电路时，周期变小，频率变大。 3 仿真 为了检验设计结果是否满足设计要求，我们进行了计算机仿真。所用仿真软 件是o r c a dp s p i c e 。鉴于该软件在第二章中已经叙述过，故不再赘述。 由于目前使用o r c a d 绘制p c b 板并不普遍，在此只是用o r c a d p s p i c e 进 行电路仿真15 1 ，p c b 设计则由p r o t e l 完成【1 7 】。仿真结果如图3 3 3 5 所示，仿 真时取c l = 2 2l af ，c 2 = 2 2 n f 。 s i 断丌，r 2 = 0 ，r l = 1 0 k q 时输出的时钟脉冲如图3 3 所示。 s l 闭合，r 2 = o ，r l = 1 0 k q 时输出的时钟脉冲如图3 4 所示。 乱闭合，r 2 = 1 0 0 k q ，r i = 1 0 k q 时输出的时钟脉冲如图3 5 所示。 堕苎王些查兰堡! ：兰竺笙兰 笙三里壁堡壁生! ! 茎翌 6 4 2 ” 6 0 v 4 0 v 2 0 v 0 s 5 m s o v ( u 1 a ：y ) 图3 3s l 断开，r 2 = o 1 0 m s1 5 m s 2 0 m s t r l = 1 0 k q 时输出的时钟脉冲。 l ；| l | | p i ； j 0 s1 0 0 m s ov ( u l a ：y ) 5 0 v 2 5 v 3 0 0 m s t 5 0 0 m s6 0 0 m s 图3 4s l | = j j 合，r 2 = 0 ，r l = 1 0 k q 时输出的时钟脉冲 i 0 s1 0 s o v ( u i a ：y ) 2 0 s 3 0 s4 0 s t 图3 5s l 闭合，r 2 = 1 0 0 k q ，r i = l o k q 时输出的时钟脉冲 1 6 两- i b q 2 业大学硕l 学位论文 第三章母板设计j 实现 从仿真图可以看出，输出波形为方波信号，并且当s l 闭合，r 2 增大时，周 期也增大，符合原理分析的结论。经计算，电路仿真周期与计算结果吻合，电路 设计满足预先要求。 3 3 3 四路脉冲电路 脉冲电路的作用主要是产生作为输入信号的脉冲。脉冲包括上升沿脉冲和下 降沿脉冲。开关e b 按键式开关实现。当按下丌关时，将同时产生上升和下降两种 脉冲。 由于时钟脉冲电路一样也是为了产生矩形脉冲，所以仍然利用施密特触发器 具有迟滞电压的特性。不同的是它只需要产生单个脉冲，所以不象振荡器设计那 样采用输出反馈反复变化来产生一系列的脉冲。 在图3 6 所示的电路中，初始状态时，按键开关尚未合上，电容c 的初始电压 为零。电源经由月2 向电容c 充电。当电容充电至蜥+ 时，施密特触发器7 4 h c l 4 ( 1 ) 输出发生跳变，变为低电平。电容继续充电直至达到5 v 。当按下按键以后，电 容通过尺1 开始放电。在下降到咋时，7 4 h c l 4 ( 1 ) 发生跳变，变为高电平。电容继 续放电直至接近零伏。当松开按键时，电容c 又一次充电，触发器将再一次跳变为 低电平。电容c 充电直至约为+ 5 v