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电子系统设计上机指导书 电子系统设计上机指导书实验一利用AmpLAB软件设计运算放大电路 一、实验目的熟悉运用运算放大器辅助设计软件设计运算放大电路 二、实验设备1AmpLAB运算放大器设计软件2计算机 三、实验内容美国Microchip公司的AmpLAB运算放大器电路的辅助设计软件，可用于同相、反相和由两个运放构成的仪表放大器三种放大电路的设计。 在选定放大电路类型后，只要输入相关参数，就可以自动获得设计好的电路，并可以产生文本格式的SPICE模型 1、设计一反相运算放大器，设计参数最高频率20KHZ，V1输入信号范围01V，V ref=0V，电源电压V DD=18V，V SS=-18V，负载电阻10K，-10V0V；要求运放偏置电流在40PA以下，允许输出误差0.05%。 利用AmpLAB运算放大器电路的辅助设计软件确定该电路及运放有关参数，根据运放参数查阅运放资料确定运放型号。 设计结果运放参数选择依据带宽2MHZ转换速率0.628V/us最大输入失调电压5mV最大输入偏置电流40PA运放开环增益80dB V DD=18V V SS=-18V闭环电路放大倍数-10闭环电路输出电压范围-10V0V闭环电路最小输出电流-0.9mA电路图分析根据表3.1.2选择TL081运放，其参数为带宽4MHZ转换速率13V/us最大输入失调电压3mV最大输入偏置电流30PA运放开环增益106dB VDD=18V VSS=-18V思考 （1）、电阻如何选择？ （2）、运放是否考虑电源去耦、运放保护、外接调零电路等内容？ 2、设计一同相相运算放大器，设计参数最高频率20KHZ，V1输入信号范围01V，V ref=0V，电源电压VDD=18V，VSS=-18V，负载电阻10K，-10V0V；要求运放偏置电流在40PA以下，允许输出误差0.05%。 利用AmpLAB运算放大器电路的辅助设计软件确定该电路及运放有关参数，根据运放参数查阅运放资料确定运放型号。 3、自拟设计参数，进行由两个运放构成的仪表放大器设计练习 四、注意事项1遵守机房规章制度。 2不准进行与教学内容无关的操作。 如玩游戏、聊天、看电影等3爱护设备；动作要轻，不要随便移动设备，以免损坏设备4实验完成后，应将清理实验教室，将物品摆放整齐。 五、实验要求课内完成实验内容，课后进行分析总结，写出心得体会，完成实验报告。 实验二利用FilterLab软件设计滤波器 一、实验目的熟悉利用FilterLab软件设计滤波器的方法 二、实验设备1FilterLab滤波器设计软件2计算机 三、实验内容FilterLab2.0是美国Microchip公司推出的一款滤波器设计软件，使用该软件避免了传统滤波器设计的繁琐计算，使设计大大简化。 该软件所设计的滤波器具有?巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有LPF一类滤波器?阶数18?增益110?LPF、BPF、HPF三种类型?有塞林凯和多重反馈两种电路形式?通带截止频率(Passband frequency):0.11106HZ?品质因数Q:0.55.0?阻带衰减(Stopband Attenuation):10100Db 1、设计滤波器，其幅频特性如图所示。 设计过程 （1）点击Design Filter图标，出现Filter Design界面。 在Filter Specification窗口选择巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器(Lowpass)，增益（Overall Filter）设为1；在Filter Parameters窗口设置滤波器参数，通带衰减(Passband Attenuation)设为-3dB，阻带衰减(Stopband Attenuation)设为-100dB，通带频率(Passband Frequency)设为1000HZ，阻带频率(Stopband Frequency)设为5000HZ；在Circuit窗口，设置电路拓扑结构为MFB，电阻误差为1%。 设置结束，单击确定按钮。 （2）设计结果-点击Circuit观察电路图从界面第2行工具条可观察到，该电路为8阶低通电路。 （3）设计结果-点击Frequency观察频率特性（幅频特性和相频特性）dB HZ500010000-100- 32、设计一阶低通滤波器，其幅频特性如图所示。 设计过程 （1）点击Design Filter图标，出现Filter Design界面。 在Filter Specification窗口选择巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器(Lowpass)，增益（Overall Filter）设为1；在Filter Parameters窗口设置滤波器参数，勾选Force FilterOr，设置滤波器阶数为1，通带衰减(Passband Attenuation)设为-3dB，通带频率(Passband Frequency)设为1000HZ；在Circuit窗口，设置电路拓扑结构为Sallen Key，电阻误差为1%。 设置结束，单击确定按钮。 （2）设计结果-点击Circuit观察电路图 （3）设计结果-点击Frequency观察频率特性（幅频特性和相频特性）dB HZ10000- 33、设计切比雪夫型低通滤波器，其幅频特性如图所示。 设计过程 （1）点击Filter SelectionWizard图标，设计向导将指导设计者一步步完成整个设计。 （2）设计结果-点击Circuit观察电路图从界面第2行工具条可观察到，该电路为4阶低通电路。 （3）设计结果-点击Frequency观察频率特性（幅频特性和相频特性） 4、自由练习 （1）单击Overlay Approximations图标，可比较不同类型滤波器的特性；dB HZ500010000-60-3 （2）在Circuit界面，可指定滤波器电容器的容量； （3）单击Auti-aliasing Wizard（抗混叠向导）图标，将向设计者提供滤波器与后接ADC的一般信息，并根据这些信息产生合适的滤波器； （4）单击Spice按钮，将为设计者提供Spice模型； （5）在Circuit界面，四级联电路的每一级可直接单击选看(Stage 1、Stage 2、Stage 3、Stage4)； （6）自拟设计参数，构成其它类型结构滤波电路（如高通等） 四、注意事项1遵守机房规章制度。 2不准进行与教学内容无关的操作。 如玩游戏、聊天、看电影等2爱护设备；动作要轻，不要随便移动设备，以免损坏设备3实验完成后，应将清理实验教室，将物品摆放整齐。 五、实验要求课内完成实验内容，课后进行分析总结，写出心得体会，完成实验报告。 实验三Pspice在电路设计中的应用 一、实验目的熟悉Pspice软件在电路设计中的仿真作用 二、实验设备1Pspice仿真软件2计算机 三、实验内容Pspice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。 1、图示电路中，电压源E1=24V，E2=20V，R=50，R1=R2=500，电流控制电流源a=50，求U ab和U。 仿真过程 （1）创建新的ProjectFileNewProject，命名example1，并在Create aNew ProjectUsing栏中选择Analog orMixed-Signal Circuit，并在下侧对话框Location中为新建文件指定存放路径，完成后单击OK按钮。 在Create PSpiceProject中选择Create a blank project（创建空白设计），单击OK按钮。 E1I1E2R1R2R UaI1ab （2）加载库文件在菜单栏中执行PlacePart命令，打开取放元器件对话框，单击Add Library按钮，将Library/PSpice文件夹中的ANALOG和SOURCE两个元件库载入，本题所涉及的元器件和电源都在这两个库中。 （3）在ANALOG中选电阻元件，符号R；选电流控制电流源，符号F。 在SOURCE库，选直流电压源，符号VDC。 放置电路中。 （4）执行菜单PlaceGround命令，放置接地符号0（地的name不要用GND，要用0）。 （5）执行菜单PlaceWire命令，按电路连线。 注意aI1中控制电流I1方向接正确 （6）元件属性用鼠标左键双击电阻元器件边上的代号，可以修改电阻名称；用鼠标左键双击电阻元器件边上的数值，可以修改电阻的大小。 对于直流电压源，同样可按此方法进行属性的修改。 对于电流控制电流源，注意修改电流系数(GAIN)的数值。 （7）存盘。 输入完成后的电路如图。 （8）创建仿真文件PSpiceNew SimulationProfile，Name中输入仿真参数文件名后，单击Creat按钮，弹出仿真设置对话框。 在Analysis type下选Bias Point，在Output FileOptions勾选Include detailedbias pointinformation fornonlinear controlledand semiconductors，即完成直流工作点分析设置。 （9）执行PSpiceRun仿真，单击工具栏快捷按钮V，显示节点电压，如图。 （10）由图可得U ab=20-20=0V U=20V 2、电路如图，已知1 (3040)Z j=+?,2 (5020)Z j=?，3 (1020)Z j=+?，100cos (6280)V u t=,求各支路电流。 R1500aI1FE124VdcE220VdcR2500R50aI1F0VR50R2500R150020.00V20.00V24.00VE124Vdc24.00VE220Vdc3z U?1I?2I?3I?1z2z仿真思路1 （1）电路参数处理6280100cos (6280)V10012utV fKHZ=?=幅值，频率111 (3040)R30,6.37Z jL mH=+?=?=222 (5020)R50,7.962Z jC uF=?=?=333 (1020)R10,3.185Z jL mH=+?=?= （2）创建设计项目（与前述过程一致部分不再赘述）。 完成电路图的输入，如图所示。 图中交流电源为SOURCE库中的VSIN，属性时，AC设为100V，VAMPL设为100V，FREQ设为1KHZ，VOFF设为0。 （3）创建仿真文件PSpiceNew SimulationProfile，Name中输入仿真参数文件名后，单击Creat按钮，弹出仿真设置对话框。 仿真参数设置如图所示。 利用交流特性分析（AC Sweep），但扫描频率固定在1KHZ。 （4）在需要求取变量的元件管脚上放置探针。 为求取流经Z1的电流，放置了4个探针，分别是I探针用于显示电流幅值。 执行命令PSpiceMarkersCurrent intoPin IP探针用于显示电流相角。 执行命令PSpiceMarkersAdvancedPhase of Current IR探针用于显示电流实部。 执行命令PSpiceMarkersAdvancedReal partof CurrentII探针用于显示电流虚部。 执行命令PSpiceMarkersAdvancedImaginary partofCurrent注利用R键旋转探针位置放置探针后图 （5）运行方针后如图从图上可知，流经阻抗Z1的电流实部为0.924A，虚部为-1.095A，最大值为1.433A，相角为-49.86则支路Z1电流为11.433cos(628049.86)i tA=? (6)同理20.5341cos(628013.57)i tA=+31.286cos(628071.67)i tA=?IR130III R0R250I PC27.962uFR310V1FREQ=1khzVAMPL=100VVOFF=0L33.185mHL16.37mH仿真思路2 （7）如各支路添加工具栏电流探针（Current Marker），仿真参数进行如图设置，即进行时域分析(Time Domain)，仿真结果可观察各支路电流波形。 IV1FREQ=1khzVAMPL=100VVOFF=00IR310IC27.962uFR250R130L16.37mHL33.185mH仿真思路3 （8）利用输出标识符，将分析结果以数据列表形式存入.out文件。 如图，在电路相应位置放置电流输出标识符IPRINT，它们存放在SPECIAL库中，在IPRINT的属性设置栏中，在需要的分析类型名那一栏内键入“y“，即AC、MAG（振幅）、PHASE（相位）。 （9）创建仿真文件同 （4） （10）运行仿真后，在Probe窗口中执行ViewOutput File，即可在输出文件中看到如下所示输出结果FREQ IM(V_PRINT1)IP(V_PRINT1)1.000E+031.433E+00-4.986E+01FREQ IM(V_PRINT2)IP(V_PRINT2)1.000E+035.34E-011.357E+01FREQ IM(V_PRINT3)IP(V_PRINT3)1.000E+031.286E+00-7.167E+ 013、共射级放大电路仿真研究 （1）静态分析绘制电路，创建静态仿真，点击工具栏V、I后，可得各静态参数。 如图所示。 0L33.185mHR250IPRINTPRINT3IPRINTPRINT2R310L16.37mHIPRINTPRINT1V1FREQ=1kVAMPL=100VOFF=0C27.962uFR130C210u0ViFREQ=1kVAMPL=20mVOFF=00AC110uV6Vdc1.545mA00V0VRc1k1.536mA4.464VRL100k0A655.8mV0V6.000VRb560k9.543uAQ1Q2N22229.543uA1.536mA-1.545mA0V由图观察可得9.543uA1.5364.464BQ CQCEQI ImA UV= （2）添加电压探针，进行瞬态分析，观察输入、输出波形。 添加电压探针后图瞬态分析设置如图仿真波形C210u0ViFREQ=1kVAMPL=20mVOFF=0C110uV6Vdc0Rc1kVRL100kVRb560kQ1Q2N2222结果1）输入输出反相2）点波形左下角V(RL:2)出现白虚框，点TraceCursorDisplay，TraceCursorMax，得输出电压幅值838.236mV，同理点波形左下角V(c1:-)出现白虚框，得输入电压幅值19.997mV，放大倍数为838.236/19.997=41.92 （3）进行交流小信号分析，观察幅频特性Vi设置AC为20mV。 交流分析设置如图运行仿真，TraceAdd Trace，添加V(RL:2)/V(Vi:+)轨迹，即即输出幅度与输入幅度之比（增益）随信号频率变化的关系。 如图所示。 思考由图求得中频放大倍数、上限频率、下限频率、频带宽度。 四、注意事项1遵守机房规章制度。 2不准进行与教学内容无关的操作。 如玩游戏、聊天、看电影等3爱护设备；动作要轻，不要随便移动设备，以免损坏设备4实验完成后，应将清理实验教室，将物品摆放整齐。 五、实验要求课内完成实验内容，课后进行分析总结，写出心得体会，完成实验报告。 实验四EWB5.0C在电路设计中的应用 一、实验目的熟悉EWB5.0C软件在电路设计中的仿真作用 二、实验设备1EWB5.0C仿真软件2计算机 三、实验内容 1、直流工作点分析（DC Operating Point Analysis）直流分析时，软件自动将交流电源被视为零值，电容开路，电感短路。 分析过程 （1）在电子工作主窗口的电路工作区创建仿真电路。 电路生成后，可将其存为电路文件保存，方法是选择File/Save As命令，弹出对话框后，选择合适的路径并输入文件名，再按下“确定”按钮。 （2）选定Circuit/Schematic Option/Show Nodes，则电路的节点标志显示在电路图上。 （3）选定Analysis/DC OperatingPoint项，电子工作台会自动把电路中所有节点电压数值和电压源支路的电流显示在Analysis/Display Graph中。 （4）双击数字万用表，显示R3支路电流结果节点1电压7V；节点2电压9V；节点3电压7V；节点4电压12V；电压源支路电流-5mA（指向参考点）；R3支路电流7mA。 2、交流频率分析(AC FrequencyAnalysis)所谓交流分析，就是分析电路的频率特性。 分析时先选定被分析的电路节点，在分析时，电路中的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等元器件均设置为交流模式，输入信号设定为正弦波模式。 分析过程 （1）创建仿真电路、命名保存、静态分析（Analysis/DC OperatingPoint） （2）交流分析。 选定菜单中的Analysis/AC Frequency。 在打开窗口中设置如下起始频率（Start Frequency）1HZ终止频率(End Frequency)10GHZ扫描形式(Sweep Type)十倍频点数（点/每单位）(Number ofPoints/Points Per)100纵向刻度(Vertical Scale)Log（对数）分析的节点号(Nodes forAnalysis)4（将被分析的节点号4加到(Add)欲分析节点(Nodes forAnalysis)按Simulate（仿真）键，可以显示幅频特性和相频特性两个图 3、瞬态分析(Transient Analysis)瞬态分析，是指电路选定节点的时域响应。 即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。 进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随时间而改变，电容和电感都是储能元件。 分析过程 （1）创建电路图 （2）选择菜单项Analysis/Transient，在弹出的对话框中设置瞬态分析参数，取值及含义如下?设置为零(Set toZero)不选（若从零初始状态开始则选择此项）；?使用者定义(User-Defined)不选（若从使用者所定义的初始状态开始，则选择此项）；?计算静态工作点(Calculate DCOperatingPoint)选用（若从静态工作点开始分析，则选择此项）;?起始时间(Start Time):0s（瞬态分析的起始时间必须大于或等于零，而且小于终止时间）；?终止时间(End Time)0.001s（瞬态分析的终止时间，必须大于起始时间）；?自动产生步进时间(Generate TimeSteps automatically)选中（EWB将尝试选择模拟电路的合理性及最大步进时间）。 ?添加要观测节点观察节点4波形 （3）按Simulate键，即可在显示图上获得被分析节点的瞬态波形。 按Esc键，将停止仿真。 瞬态分析的结果与用示波器观察的结果是一样的。 但是采用瞬态分析法，可以通过设置，更仔细的观察到波形起始部分的变化情况。 ?用示波器观测节点4波形 4、参数扫描分析（Parameter Sweep）对电路进行参数扫描分析，可以观察某元件在一定范围内变化时对电路响应的影响，获得静态分析、瞬态分析、交流频率分析等随参数变化的情况分析过程 （1）创建要分析的电路。 如图。 （2）Analysis/Parameter Sweep，在弹出的的参数设置对话框中，设置要分析的元件及参数起始和终点值、扫描方式（10倍/线性/8倍）以及分析类型（直流工作点分析/瞬态分析/交流频率分析）。 元件（Component）R1（选择欲扫描的元件）参数（Parameter）Resistance(电阻值)（欲扫描的元件的第一参数）起始值(Start Value)10（所选元件的扫描参数的起始值）终止值(End Value)1000（所选元件的扫描参数的终止值）扫描方式(Sweep Type)Decade（电阻R1按10倍程从10到1000变化）增量步长(Lncrement StepSize)1（根据参数值大小而定，仅适用于线性扫描）输出节点（Output node）3（欲分析的电路节点。 本题即观察R1分别为10、100、1000时在节点3输出的波形）扫描适用(Sweep for)瞬态分析点击“Set TransientOptions”或“Set ACOptions”，将打开对话框，对选定分析类型进行设置。 设定结束后，点击“Aept”，返回“Parameter Sweep”对话框，点击该对话框中“Simulate”开始仿真，按ESC键停止仿真。 5、虚拟工作台方式电路仿真 （1）输入原理图，设置元件参数 （2）放置和连接测量仪器，设置测量仪器参数 （3）启动仿真开关，在仪器上观察仿真结果。 前面用数字电压表观察R3支路电流，用示波器观察节点4波形内容就属于该方面内容，此处不再赘述，同学们可自找电路练习 四、注意事项1遵守机房规章制度。 2不准进行与教学内容无关的操作。 如玩游戏、聊天、看电影等3爱护设备；动作要轻，不要随便移动设备，以免损坏设备4实验完成后，应将清理实验教室，将物品摆放整齐。 五、实验要求课内完成实验内容，课后进行分析总结，写出心得体会，完成实验报告。 实验五电路设计 一、实验目的 1、熟悉组合逻辑电路设计方法 2、熟悉时序逻辑电路设计方法 二、实验设备1EWB5.0C仿真软件2计算机 三、实验内容 1、试设计一个路灯控制逻辑电路，要求在四个不同的地方都能独立的控制路灯的亮和灭。 设计过程设逻辑电路的四个输入变量为A、B、C、D，分别由s1、s2、s3、s4四个开关控制，接入高电平（+5V）作为逻辑“1”，接入低电平（地）作为逻辑“0”。 逻辑电路输出端Y接一个指示灯，模拟所控制电路，输出高电平（逻辑“1”）时指示灯亮，输出低电平（逻辑“0”）时指示灯灭。 操作过程如下 （1）打开逻辑转换仪面板，在真值表区单击A、B、C、D四个逻辑变量建立四输入变量的真值表，根据逻辑控制要求在真值表区输出变量列中填入相应逻辑值，如图所示。 （2）单击逻辑转换仪面板上“真值表简化逻辑表达式”按钮，求得简化逻辑表达式，如图逻辑转换仪面板底部逻辑表达式栏内所示。 逻辑转换仪面板底部逻辑表达式为Y ABCD ABCD ABCD ABCDABCDABCDA=+ （3）单击逻辑转换仪面板上“表达式逻辑电路”按钮，获得逻辑电路如图（虚线以下部分）所示。 虚线以上部分是电源、输出、操作开关操作开关由Basic/switch位置调取输出指示灯由indicators/Red probe位置调取 （4）测试逻