光控计数电路设计与制作

摘 要摘 要现今人们在生活、学习和工作中，经常需要对某种物品进行数量统计。而在学校的教学中，也时常要对教室或实验室里的人数进行统计，以便了解需要准备的教学仪器或是参考资料的数目。常规的机械计数和人工计数不仅麻烦，而且极为浪费时间和资源。随着社会的快速发展，人们无论是物品的检测还是计数或者其他方面都越来越要求自动化完成，人们日渐需求一种自动计数的装置。在学习了脉冲数字电路的基础上，设计一种利用光线的通断来统计数目的光控计数器。其主要系统组成为：电源、系统复位部分、信号采集部分、计数译码部分和显示部分，通过信号采集实现光电的转换，由时钟振荡电路控制，达到自动计数的功能。此产品简单方便，非常易于用于实际生活中,有教高的实用价值。本作品电路主要采用常用分立元件和 NE555集成电路，结构简单可靠，能够提供准确的统计值，成本低廉，实用性强，二次开发性高。关键词： 脉冲数字电路 光电转换 时钟振荡电路 光控计数器 NE555集成电路 AbstractNowadays people in life, study and work, often need to some objects in quantity statistics. And in the school teaching, also often to the classroom or laboratory in the number of statistics to the understanding of the need to prepare for the teaching instrument or the reference material number. The conventional mechanical count and artificial count not only trouble, and it is extremely waste of time and resources. With the rapid development of society, people whether the test items or count or other things are more and more requirements automation complete, people increasingly needs a kind of automatic counting device. In learning the pulse digital circuit, and on the basis of design using a light hige to officially purpose electric counter. The main system composition for: power supply, system reset part, signal acquisition part, counting decode part and display section, through the signal acquisition realize the transformation of the photoelectric, the clock oscillating circuit control to achieve the function of automatic counting. This product is simple and convenient, very easy to real life, there are taught high practical value. This work mainly by the circuit commonly used division components and NE555 integrated circuit, the structure is simple, reliable and can provide the accurate statistics value, low cost, practical strong, secondary development high.Keywords: pulse digital circuit photoelectric clock oscillating circuit electric counter NE555 integrated circuiti目 录目 录第一章 绪 论1第二章 光控计数电路方案设计3第三章 光控计数电路系统硬件电路设计53.1原理图53.2主要元器件介绍63.2.1 光电二极管63.2.2 红外发光二极管83.2.3 NE555103.2.4 74LS90计数器113.2.5 74LS48译码（驱动）123.2.6 数码管14第四章 电路仿真174.1 multisim简介174.2 电路仿真19第五章 PCB板的设计215.1 Altium Desiger Winter 简介215.2 原理图设计步骤215.3 PCB设计22第六章 焊接调试296.1 电路的焊接296.2 电路的调试29第七章 总结31致 谢33参考文献35附录A 元器件清单37附录B 光控计数器实物图39附录C 74LS48功能表七段译码驱动器功能表411第一章 绪论第一章 绪 论 在电子技术飞速发展的今天，电子产品的人性化、智能化和自动化的发展已经非常成熟了，其发展前景仍然不可估量而且非常可观。随着人们生活水平日益提高，人们越来越追求人性化、智能化和自动化的事物，人们需求的是一种能给生产和生活带来非常方便和便利的电子产品。1666年,在英国SamuelMorland发明了一部可以计算加数及减数的机械计数机，随之以后的技术发展到现在计数器已经非常成熟了，计数器是一款应用广泛的技术产品，随着技术的发展，这就催生出了新一代的计数器叫光控电计数器。电子计数器有多种计数触发方式，它是由实际使用件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用光控的光电转换的非接触式触发的，它是一种非接触式电子转换器。采用光电转换器制作的光电式电子计数器。数字式电子计数器有直观和技术精确的优点，其利用光束遮断时红外控制理，通过外发射器与收器实现计数。在实际的啤酒等灌装生产线上当瓶子从光源和光接收器之间通过时，通过光电转换将光的变化转换成输出电压的变化，经可编程逻辑器实现自动计数，给人们进行的自动计数带来了方便随着科学技术的发展，电子计数器的辅助功能也逐渐增加，现在已经出现了多功能计数器，多功能计数器产品的响应度较高，交直、流电两用、耗能低、价格低、无机械碰撞、无磨损、使用寿命长，既可计数，又可计算。例如在毛衣编织机运用，除可计数和计算外，还可实现断线报警。通用计数器不仅可测频率、周期可以测多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。频率计数器专门用于测量高频和微波频率的计数器。微波计数器是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动、全自动3类。系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。3第二章 光控计数电路方案设计第二章 光控计数电路方案设计 本设计主要是利用光线的通断来统计进入图书馆人数。要求设计一路光控电路放置在门里，当通过门口时进入图书馆通过光门时输出一个反向电流，触动后面的计数器进行加计数，要求计数器的最大计数容量为999人，并用数码管显示数字。 本计数器总体设计方案较为简单，由六部分组成：电源、系统复位部分、信号采集部分、计数译码部分和显示部分。当接通电源，由LED红外发射管发出红外信号，红外接收管收到红外信号使接地支路导通。当红外信号被阻挡时，接地支路阻断，由于电压变化，从而得到信号脉冲；将脉冲传送到比较器中，即将一个负脉冲输入比较器，比较器再输出一个相应的正脉冲到译码电路；最后译码电路将输出相应译码电平驱动数码管显示。其系统设计的原理框架为： 图2.1光控计数器设计原理框架 设计光控计数器的原理流程为：图2.2光控计数器原理流程 15第三章 光控计数电路系统硬件电路设计第三章 光控计数电路系统硬件电路设计3.1原理图图3.1 光控计数器原理电路 从上面的原理图可以看出，信号采集、计数译码是均采用统一供电方式：干电池。信号采集部分连接在电源两端，发光二极管DS1与一个保护电阻R2串联接在输出电压两端；后光电二极管DS2和保护电阻R3连接入电源两端。其中，要求DS1和DS2要对齐，距离不要太大。当电路正常工作时，DS1与DS2之间形成一个光通道，以DS1发出光线，DS2是否受到光线来判断有无阻挡物。 当没有阻挡物通过，光电二极管DS2能顺利接收到发光管DS1的光时，光电二极管DS2产生一个反向电流经过限流电阻R4到检测比较器件NE555的阀值端上比较器引脚6的（THOLD），即设定NE555的阀值并为后面来的信号进行比较，以便产生光控脉冲计数。电路工作时由IC7等器件组成的时钟振荡电路产生一个振荡信号，由IC7的3脚输出。IC4、IC5、IC6为十进制计数器，该计数器是由四个主从触发器和用作除2计数器及技术周期长度为除5的3位2进制计数器所用选通所组成。由IC7的3脚输出的时钟振荡信号加在IC6的时钟输入端14脚输入，当IC6计数溢出时,IC6的11脚Q3端输出的计数脉冲接到IC5的时钟输入端14脚上。计数信号经IC4、IC5、IC6的输出端Q0-Q3加在IC1IC2IC3的译码地址输入端经过译码后，再经输出端输出驱动数码管显示。3.2主要元器件介绍3.2.1 光电二极管 光电二极管的概述光电二极管又叫光敏二极管，是一种能够将光能转换成电能的半导体器件。与普通二极管相似，光电二极管也是具有一个PN结的半导体器件，所不同的事光电二极管壳上有一个透明的窗口，以便使光线能够照射到PN结上，将光线强度的变化转换成电流的变化。常见的有透明塑封光电二极管、金属壳封装光电二极管、树脂封装光电二极管等。光电二极管有许多种类、常用的有PN结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型等。其中硅材料PN结型光电二极管最为常用。 检测方法1电阻测量法:用万用表1k挡。光电二极管正向电阻约10k左右。在无光照情况下，反向电阻为时，这管子是好的(反向电阻不是时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几k或1k以下，则管子是好的；若反向电阻都是或为零，则管子是坏的。 2电压测量法:用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0204V。 3短路电流测量法:用万用表50A档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百A。 在实际工作中，有时需要区别是红外发光二极管，还是红外光电二极管(或者是光电三极管)。其方法是：若管子都是透明树脂封装，则可以从管芯安装外来区别。红外发光二极管管芯下有一个浅盘，而光电二极管和光电三极管则没有；若管子尺寸过小或黑色树脂封装的，则可用万用表(置1k挡) 来测量电阻。用手捏住管子(不让管子受光照)，正向电阻为20-40k，而反向电阻大于200k的是红外发光二极管；正反向电阻都接近的是光电三极管；正向电阻在10k左右，反向电阻接近的是光电二极管光电二极管的主要技术参数1最高反向工作电压：最高反向工作电压U是二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因为反向击穿而损坏，通常为击穿电压的一半2暗电流：暗电流也称无照电流 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。 此外在生理学方面，是指在无光照时视网膜视杆细胞的外段膜上有相当数量的Na离子通道处于开放状态，故Na离子进入细胞内，形成一个从外段流向内段的电流，称为暗电流。 暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流.(它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流.) 所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。 光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流。 3光电流：光电二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯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,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。 4响应特性：由PN结的结电容与负载电阻决定。反偏电压越大，结电容越小，工作频率越高。光电二极管的工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。光电二极管图示及符号1光电二极管的工作原理图及正、负极判别 图3.2光电二极管工作原理示意图 图3.3 光电二极管正、负极判断标示2光电二极管的外形与电路符号 图3.4 光电二极管符号 图3.5 光电二极管的外形 3.2.2 红外发光二极管 发光二极管的概述 常用的红外发光二极管（如SE303.PH303)，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光。管压降约1.4v，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离。提高Ip的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度T，一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲占空比约为1/3-1/4；一些电器产品红外遥控器，其占空比是1/10。减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。常见的红外发光二极管，其功率分为小功率(1mW-10mW)、中功率（20mW-50mW)和大功率（50mW-100mW以上)三大类。要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光一电转换元件，如红外接收二极管，光电三极管等。实用中已有红外发射和接收配对的二极管。接收方式红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。双管红外发射电路，可提高发射功率，增加红外发射的作用距离。 发光管（LED）未经谐振输出，发非相干光的半导体发光器件称为发光管。发光二极管简称LED，它是一种将电能转换成光能的半导体器件，主要由IIIV族化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）制成。它由一个PN结组成。当加正向电压时，P区和N区的多数载流子扩散至对方与少数载流子复合，复合过程中有一部分以光子的形式放出，使二极管发光。发出的光波可以是红外光或可见光，砷化镓发射红外光，发光二级管常用作显示器件，如指示灯、七段数码管、矩阵显示器等。工作时加正向电压，并接入限流电阻，工作电流一般为几到几十毫安。电流愈大，发出的光愈强，但是会出现亮度衰退的老化现象，使用寿命将缩短。发光二极管导通时管电压降为1.82.2V。发光管的特点：输出功率低，发射角大，光谱宽，调制速率低，价格低廉，适合于短距离通信。其发光二极管的符号如图3.6。 图3.6 发光二极管符号3.2.3 NE555 NE555概述 NE555集成电路开始是用作定时器的应用，因此也叫做555定时器或555时基电路，可随着电子元器件的研究与开发，它不仅可以做延时控制外，还可以用于调光、调温、调压等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中。NE555集成电路内部有几十个元器件，其中有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管及缓冲器，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。 NE555的特点有： 1 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2 它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜 5 静态电流 最大值VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mA NE555引脚功能 图3.7 NE555按输入输出引脚排列 图3.8 NE555引脚图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 3.2.4 74LS90计数器 74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，引脚排列如图2.8，功能表如表2.9所示。 （1）将输出QA与输入B相接，构成8421BCD码计数器； （2） 将输出QD与输入A相接，构成5421BCD码计数器； （3） 表中H为高电平、L为低电平、为不定状态。 （4). 74LS90具有如下的五种基本工作方式： 1五分频：即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。2十分频（8421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。3六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。其计数顺序为000101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。 4 九分频：QAR1、QDR2，构成原理同六分频。5十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。 此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。复位输入输出R1R2S1 S2QDQC QB QAH H L H H L H HX L LL L L L L L L L L LL L L LH L L H计 数计 数计 数计 数 图3.9 74LS90的引脚排列图 图3.10 74LS90的功能表 (5)74LS90的逻辑功能 计数脉冲由单次脉冲源提供，如果从A端输入，从QA端输出，则是二进制计数器；如果从B端输入，从QD，QC，QB输出。则是异步五进制加法计数器；当QA和B端相连，时钟脉冲从A端输入，从QD，QC，QB，QA端输出，则是8421码十进制计数器；当A端和QD端相连，时钟脉冲从B端输入，从QD，QC，QB，QA端输出，则是5421码十进制计数器。输出端QD、QC、QB、QA接一译码器74LS248（或74LS48），经过译码后接至数码管单元的共阴数码。 3.2.5 74LS48译码（驱动）（1）译码器概述 译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。 显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。它能将二进制数信号转换成十或十六进制数信号，且能驱动数码管显示。故而，本电路设计中电源采用的总电源供电，数码显示必须驱动以显示。因此，设计中采用这种显示译码器。（2）译码器分类译码器分类有很多，但其工作原理和分析设计方法类似，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是使用最广泛，也是最典型的译码器。二进制译码器是一组二进制代码（N位）输入便可得到一组高低电平信号（2N位）的器件；二-十进制译码器是将代码翻译成十个十进制数字信号的器件；它的输入是十进制数的4位二进制编码（BCD码），分别用A3、A2、A1、A0表示；输出的是与10个十进制数字相对应的10个信号(低电平)，用Y9Y0表示。由于二-十进制译码器有4根输入线，10根输出线，所以又称为4线-10线译码器；数字显示译码器（七段显示译码器）是用来显示数字、文字或者符号的器件。本文是设计计数器，鉴于译码器的分类我们采用的是七段显示译码器（74LS48）。（3）74LS48 74LS48为有内部上拉电阻的BCD七段译码器/驱动器，输出端（YaYg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。 1当要求输出 015 时，消隐输入（ ）应为高电平或开路，对于输出为0 时还要求脉冲消隐输入（ ）为高电平或者开路。 2当 为低电平时，不管其它输入端状态如何，YaYg均为低电平。当RBI和地址端（A0A3）均为低电平，并且灯测试输入端（ ）为高电平时， Ya Yg为低电平，脉冲消隐输出（ ）也变为低电平。 3当 为高电平或开路时， 为低电平可使YaYg均为高电平。48 与248 的引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6 和9,248 所显示的6 和9 比48 多出上杠和下杠。 图3.11 74LS48逻辑图4引出端符号 A0A3 译码地址输入端 / 消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效） 灯测试输入端（低电平有效） 脉冲消隐输入端（低电平有效） YaYg段输出3.2.6 数码管 数码显示有LED数码管和LCD显示器。前者即七段数码管，又有共阴极和共阳极之分；后者即液晶显示器。从功能和成本的角度考虑，本设计采用七段数码管（LED）。LED数码管是电子系统设计中最常用的显示器之一，它是由8个发光二极管构成，通过不同的组合可用来显示数字09、符号“”及小数点“.”等。无论LED数码管的共阴极还是共阳极，其外形结构与封装形式均相同，如图3.5所示。 引脚图 共阴极 共阳极 图3.12 LED数码显示器共阴极数码管的8个发光二极管的阴极连接在一起，即COM端。通常，公共阴极COM端连接低电平，其他管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时要求段驱动电路能提供额定的导通电流，还需要根据外接电源及电流来确定相应的限流电阻。要使数码管显示出相应的数字或字符，必须为LED显示器提供显示段码，也叫字形代码。因为LED显示器共8个发光段，所以一个字形代码正好为一个8为二进制数。字形代码的各二进制位与发光段的连接对应关系一般关系为：段码位D7D6D5D4D3D2D1D0发光段DpgfedcbA共阳极数码管的8个发光二极管的阳极连接在一起，即公共端COM。通常，公共阳极COM端结高电平，其他管脚结发光段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸引发光段的导通电流，还需要根据外接电源及发光段的导通电流来确定相应的限流电阻。 假如使用共阳极数码管时，若字形代码的某位数据位0，则表示对应字段两，数据位1表示对应字段不亮；若使用共阴极数码管，则字形代码的某位数据为0表示对应字段不亮，数据为1表示对应字段亮。例如：要显示“0”，共阳极数码管的字形代码应为：11000000B（C0H）；共阴极数码管的字形代码应为：00111111B(3FH)。依次可得以下数码管常用的字形代码表:字形共阳极代码共阴极代码字形共阳极代码共阴极代码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHb83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HdA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H 本设计采用的是共阴极LED数码管，因为比较常用，而且方便，设计中的译码显示器件74LS48有驱动显示功能，这样数码显示管就不需要再外接电源。 19第四章 电路仿真第4章 电路仿真4.1 multisim简介 随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim极大地提高了学员的学习热情和积极性,真正的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。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器技术对教员的教学也是一个很好的提高和促进。图4.1 multisimMultisim的特点： (1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。 (2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。 (3)丰富的测试仪器： 除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。图4.2 示波器和万用表(4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析,Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。图4.3 仿真网络分析仪和频谱分析仪强大的仿真能力：Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。4.2 电路仿真 原理电路的仿真一般过程为： 找到仿真原理电路图中所有需要的仿真元件，如果仿真元件库中没有所需元件，则就只能手动建立其仿真库文件，并添加仿真模型（FileNewLibrarySchematic Library,然后绘制自己所需元件，且修改该元件的参数特性、电气特性、值的大小等等）； 1 仿真元件的放置和电路的连接，并且添加激励源； 2 在需要绘制仿真数据的节点处添加网络标号； 3 仿真器参数设置以及电路仿真并分析仿真结果。图4.4 光控计数器仿真原理图27第五章 PCB板的设计第五章 PCB板的设计5.1 Altium Desiger Winter 简介 Altium Designer是Altium公司（澳大利亚）继Protel系列产品（Tango（1988）、Protelfor DOS、Protelforwindows、Protel98、Protel99、Protel99 SE、ProtelDXP、ProtelDXP 2004）之后推出的高端设计软件。 2001 年，ProtelTechnology公司改名为Altium公司，整合了多家EDA软件公司，成为业内的巨无霸。 2006 年，Altium公司推出新品AltiumDesigner 6.0，经过AltiumDesigner 6.3、AltiumDesigner6.6、AltiumDesigner 6.7、AltiumDesigner 6.8、AltiumDesigner 6.9、AltiumDesignerSummer08、AltiumDesigner Winter 09、AltiumDesigner Summer09等版本升级，体现了Altium公司全新的产品开发理念，更加贴近电子设计师的应用需求，更加符合未来电子设计发展趋势要求。 Altium Designer是基于一个软件集成平台，把电子产品开发提供完整环境所需的工具全部整合在一个应用程序中。Altium Designer包含所有设计任务所需工具：原理图和HDL（Hardware Description Language硬件描述语言）设计输入、电路仿真、信号完整性分析、PCB（ Printed Circuit Board印刷电路板 ）设计、基于FPGA（Field Programmable Gata Array现场可编程们阵列）的嵌入式系统设计和开发，另外，还可以对Altium Designer工作环境加以定制，以满足用户的各种不同需求。5.2 原理图设计步骤为了实现后面PCB板的设计，首先，创建一个新项目;然后，创建一个新的原理图图纸；最后，绘制原理图。具体为： 1首先创建项目文件：在菜单栏选择File New Project PCB Project,之后Projects面板出现，重命名项目文件存储。 2其次创建新的原理图图纸：单击File New Schematic（或者在工作区左边的Files面板的New单元选择Schematic Sheet），再通过FileSave As来将新原理图文件重命名存储（注：此时文件存储的文件名为*.SchDoc）。对于原理图纸选项的设置在菜单栏中DesignDocument Options选择图纸参数设置，一般值选择设为默认值（Defult）即可。 3最后绘制原理图：首先从元件库中选取元件放置图纸中。单击菜单栏中DesignerBrowse Library,打开元件库Libraries,其中，基本元器件是在Miscellaneous Devices.IntLib集成库中，而连接器件在Miscellaneous Connectors.IntLib集成库。选择元件时在元件库Libraries的下拉菜单中选择者两个集成库，在搜索所需元器件，然后双击即可激活并选取该元器件，最后放入原理图图纸中。其中，选择元器件会选择器件的参数，对于元器件的参数（值的大小Value、元件描述Description及显示名称Designator等）设置是在我们放置元件与图纸中时，按下“Tab”键即可对所选元件进行参数设定。当所有元器件都选择好之后，摆放于图纸中。如果需要移动元件，只要左击并拖动元件体到需要的位置放开鼠标即可。最后，按照正确的要求连接各元器件：单击菜单栏的PlaceWire,再将鼠标放置元件的连接处连接即可。将所有元件连接好之后原理图就完成了。 4当原理图绘制完成后，我们必须检查原理图是否正确，是否导通等其他问题。这时，就必须检查原理图。Altiuum Designer软件编辑项目可以检查设计文件中的设计原理路图和电气规则的错误，并提供用户一个排除错误的环境。 首先，编辑我们绘制好的原理图：ProjectCompile PCB Project *.PrjPCB编辑原理图;然后，当项目被编辑后，任何错误都将显示在Messages（菜单栏ViewWorkspace PanelsSystemMessages）面板上，如果电路有严重的错误，Messages面板会自动弹出，否则，Messages面板不出现。如果报告给出错误，我们就应该检查电路并纠正错误。 只有完成这几步后，且检查Messages面板上没出现任何错误信息，则说明我们绘制的原理图就是正确的。5.3 PCB设计PCB（Printed Circuit Board）是印刷电路板的缩写。印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局。金属连线和通孔的优化布局。电磁保护。热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。 1 PCB设计简介在高速设计中，可控阻抗板和线路的特性阻抗是最重要和最普遍的问题之一。首先了解一下传输线的定义：传输线由两个具有一定长度的导体组成，一个导体用来发送信号，另一个用来接收信号（切记“回路”取代“地”的概念）。在一个多层板中，每一条线路都是传输线的组成部分，邻近的参考平面可作为第二条线路或回路。一条线路成为“性能良好”传输线的关键是使它的特性阻抗在整个线路中保持恒定。线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值，通常在25欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中，传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条线路中保持恒定。但是，究竟什么是特性阻抗？理解特性阻抗最简单的方法是看信号在传输中碰到了什么。当沿着一条具有同样横截面传输线移动时，这类似图1所示的微波传输。假定把1伏特的电压阶梯波加到这条传输线中，如把1伏特的电池连接到传输线的前端（它位于发送线路和回路之间），一旦连接，这个电压波信号沿着该线以光速传播，它的速度通常约为6英寸/纳秒。当然，这个信号确实是发送线路和回路之间的电压差，它可以从发送线路的任何一点和回路的相临点来衡量。图2是该电压信号的传输示意图。Zen的方法是先“产生信号”，然后沿着这条传输线以6英寸/纳秒的速度传播。第一个0.01纳秒前进了0.06英寸，这时发送线路有多余的正电荷，而回路有多余的负电荷，正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1伏电压差，而这两个导体又组成了一个电容器。在下一个0.01纳秒中，又要将一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1伏特，这必须加一些正电荷到发送线路，而加一些负电荷到接收线路。每移动0.06英寸，必须把更多的正电荷加到发送线路，而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01纳秒，必须对传输线路的另外一段进行充电，然后信号开始沿着这一段传播。电荷来自传输线前端的电池，当沿着这条线移动时，就给传输线的连续部分充电，因而在发送线路和回路之间形成了1伏特的电压差。每前进0.01纳秒，就从电池中获得一些电荷（Q），恒定的时间间隔（t）内从电池中流出的恒定电量（Q）就是一种恒定电流。流入回路的负电流实际上与流出的正电流相等，而且正好在信号波的前端，交流电流通过上、下线路组成的电容，结束整个循环过程。 2 PCB设计基本概念 1)尽量少用过孔一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙，如果是自动布线，可在“过孔数量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜单里选择“on”项来自动解决。（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。 2)丝印层（Overlay）为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出的PCB效果。他们设计的印板上，字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是：”不出歧义，见缝插针，美观大方”。 3)SMD的特殊性Protel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。因此