微电子电路分析与设计精选(九篇)

第1篇：微电子电路分析与设计范文

关键词：微课；高职院校；《电子技术》课程教学；应用

当前，随着信息技术的发展，人与人之间的交流和学习变得越来越高效便捷，“微理念”已深入人心。［1］在这样的时代背景下，一种新的教学模式“微课”应运而生并迅速兴起。

一、微课的概念及特点

在国内，“微课”最早由佛山教育局胡铁生提出。胡铁生认为“微课”是以教学视频为主要载体、反映教师在课堂教学过程中针对某个知识点或教学环节而开展教与学活动的各种教学资源的有机组合。各种教学资源以一定的结构关系和呈现方式共同营造了一个半结构化、主题突出的资源单元应用“生态环境”。［2］本研究认为：“微课”是一种学习资源，它以微视频为核心，讲解或分析某一单个知识点或技能点，可以是知识介绍或习题讲解，也可以是技能操作等。“微课”是针对传统单一资源类型的局限性而发展起来的一种新的教学资源建设和应用模式，它的主要特点有：主题突出，针对性强；资源丰富，情境真实；短小精悍，使用便捷；半结构化，扩充容易。［3］

二、高职《电子技术》课程教学中采用微课的必要性和可行性

《电子技术》作为高职院校电类专业的一门重要专业基础课，知识面广，实践性强，地位重要。《电子技术》课程中学到的很多基本能力也被越来越多的用人单位和企业列为招聘人才的重要指标，比如电子线路的识图能力、电子电路的故障检修等。由此可见，高职《电子技术》课程教学同时肩负着“为学习专业课打基础，为今后就业作保障”的双重任务。但目前，一些院校《电子技术》课程的教学存在问题，教学效果不佳。很多院校还是采用知识本位的以讲授为主的教学方法，实践课的设置还多以验证性实验为主、综合应用性实验较少，缺乏以任务为驱动的引导，学生被动地听课、参与度不高，学生的实际需求容易被忽视，学习主动性差，这样不能很好地培养学生的综合应用能力和创新能力。因此，如何结合高职《电子技术》课程特点，并针对当前教学中出现的问题进行教学改革，显得十分紧迫。“微课”具有学习时间短、授课内容灵活、主题性针对性强、课程资源构成多样、情景真实等特点，［4］将“微课”运用到高职高专《电子技术》课程教学中，将很好地解决传统授课方式中存在的问题。“微课”还可以满足不同学生的个性化需求，学生可以根据自己在本课程中知识和技能的掌握情况，利用“微课”多遍着重学习个人掌握的薄弱环节。并且，在《电子技术》课程中引入“微课”，使学生处于主动探究问题、解决问题的情境中，还有助于锻炼学生的高阶思维能力。［5］

三、高职《电子技术》微课设计开发与应用

（一）《电子技术》微课内容设计与开发

1.素材的选择与分析

本研究“微课”设计主要依据教材是《电子技术项目教程》（北京大学出版社，2014年7月第2版，徐超明、李珍主编），该教材是“十二五职业教育国家规划教材”。该教材的特点是“以项目为载体，将知识融入工作任务；做中带学，实现职业能力培养；结合实验与仿真，提高教学质量”，这和本文的微课研究思想不谋而合。全书共7个项目，分别是：直流稳压电源的设计与制作、扩音机的制作与调试、信号产生电路的设计与制作、加法器的测试与设计、抢答器的设计与制作、数字钟的设计与制作、电子电路综合训练，每一个项目中又有多个任务。其中，项目1—项目3属于模拟电子技术部分，是对二极管和三极管常用电路、集成运放等知识的运用；项目4—项目6是对组合逻辑电路和时序逻辑电路知识的应用，属于数字电子技术部分；项目7选取最基本、最普及的通信终端设备之一电话机作为综合实训内容。本研究选定《电子技术项目教程》教材中的重点知识点和技能点作为微课开发素材，最终确定了6个有代表性的重点任务来作为“微课”设计的案例。包括：“二极管应用电路制作”“基本放大电路分析测试”“比例运算放大电路制作”“三人表决电路设计制作”“数据选择器应用电路设计”和“计数器的设计”。

2.微课开发的工具与环境

CamtasiaStudio是本文开发“微课”主要用到的软件工具，辅助工具软件是MicrosoftOfficePow⁃erPoint2007（该软件我们都很熟悉，这里不再赘述）。下面介绍制作微课视频非常好用的Camta⁃siaStudio软件。CamtasiaStudio软件是TechSmith公司研发的、集屏幕录影和视频编辑于一体的软件套餐。该软件功能非常强大，除了能进行屏幕录影外，还能进行视频的剪辑、编辑、个性化制作，还具有视频播放与视频剧场功能。在此软件环境下，用户能非常方便地进行屏幕录像的配声，还可以添加字幕、剪辑视频，还有动画转场等功能。CamtasiaStudio软件的运行主界面见图1。

3.微视频案例

如前所述，本研究选取《电子技术》课程中具有代表性的6个重要任务（其中模拟电子技术部分3个，数字电子技术部分3个）进行“微课”设计开发。以《三人表决电路设计制作》的微课视频制作为例来说明微视频设计制作的过程。《三人表决电路设计制作》是《电子技术》课程数字电子技术部分的一个设计性案例，属于组合逻辑电路设计的典型案例。该案例涉及的知识点和技能点包括：基本逻辑门电路逻辑功能、常用中规模集成芯片管脚图的识图方法、组合逻辑电路的设计方法、会根据逻辑电路图正确地搭建电路等。在对该案例微视频的制作进行了设计、规划后，录制了该案例的微视频。该案例是借助Cam⁃tasiaStudio软件制作完成的，它在CamtasiaStudio环境中的界面如图2所示。做好PPT课件后，打开PPT课件，在MicrosoftOfficePowerPoint2007下录制完成，经过降噪等一系列后期处理后，最终生成了格式为MP4的播放视频。该案例的微课视频播放截图如图3所示。

（二）《电子技术》微课的教学过程设计与应用

本研究在制作完成6段微视频后，进入了“微课”的教学应用阶段。6段微课均在本校15电气自动化专业1班使用。本研究进行“微课”设计开发时，学生们已基本学完课程知识，即将进入复习阶段，所以，本研究选定该教材中的重点知识点和技能点作为微课开发素材，提供给正处于复习阶段的15级电气自动化专业学生，帮助学生有针对性地复习重点，提高学习效率。15电气自动化专业1班共51人，均有智能手机，任课教师在课前把本节课要复习内容对应的微视频通过QQ群或微信提前发送到每个学生的智能手机和电脑上，方便学生上课时在老师的指导下通过微视频来复习本节重点。

1.基本教学流程设计

《电子技术》课程的“微课”应用流程如图4所示。图5为本研究的“微课”应用教学模式。首先，在教师的深入引导下，学生使用智能手机等移动设备通过“微课”进行自主学习，当然也可以是小组形式的自主学习，这也是学生建构知识的过程。同时，学生会在具体的情境下提出问题，再通过小组分工协作探究来实现其知识能力的构建。然后是评价总结，教师检查学生任务的完成情况或者通过学生小组自检或互检，对学生的学习成果进行点评，这期间，教师要注意引导学生进行反思并给出优化建议。整个过程完成后，学生增加了知识、锻炼了技能，也提高了发现、探究、解决问题的能力和学习能力；另一方面，教师通过思考、构思、搜集资料设计与制作“微课”并组织课堂学习活动，指导学生进行“微课”学习后，自身专业素养和教学能力也得到了提升。［6］

2.具体教学流程设计

本文研究的基于“微课”的具体教学流程设计如图6所示。

（三）《电子技术》“微课”应用效果与评价

1.考核成绩分析

考核成绩分析是基于“微课”应用前和“微课”应用后两次考核的结果对比来进行的。第一次考核是在课程内容学完之后还未进行“微课”应用时进行。第二次考核是在将“微课”应用到15电气自动化专业的复习课中辅助教学，在“微课”应用结束后进行的。两次考核项目都是在题库中随机抽取1个综合应用项目，类型相同，分值相同，时间相同（都是满分100分、时间100分钟）。考核完成后对15级电气自动化1班51名学生的考核结果进行统计。忽略试题细微的难度差别和学生知识掌握熟练程度的差别，15电气自动化1班的平均成绩为79.6分，比前一次考核（在“微课”应用之前）的平均分72.8分提升了大约9.3%。其中，最高分提升约9.0%，最低分提升约7.2%。由此可见，在复习课中应用“微课”能明显提升学生知识和技能的掌握程度。

2.对学习者的问卷调查分析

在“微课”应用结束后，对51名学生进行了调查，问卷调查主要包括以下3个方面：是否喜欢利用微课学习；使用微课后的效果感受；对微课设计和微视频制作的满意程度。问卷调查的目的是为了了解《电子技术》“微课”的应用效果，及时发现其中的不足，以便总结经验教训。调查问卷共发出51份，回收有效问卷48份，有效回收率为94.1%。调查结果显示，80%以上的学生喜欢利用微课进行学习；77.1%的学生认为微课能提高自己对该课程的学习兴趣；81.1%的学生认同微课提高了自己的自学能力；85.5%的学生认为微课能帮助自己更好地掌握知识点和技能点；77.8%的学生认为微视频内容简洁、针对性强；76.1%的学生认为微视频中的知识点、技能点划分合理；81.3%的学生认为微视频中关于知识点和技能点的讲解清晰、全面；95%以上的学生认为微视频的画面质量好、声音清晰。通过考核成绩分析和调查问卷分析结果可见，微课在提高学生学习兴趣、学习效果以及提升学生自学能力等方面都有显著效果。

四、总结

高职《电子技术》“微课”开发不仅是教育教学理念的革新，也是学习方式的变革。“微课”以一个个小的知识点、技能点为单位，和传统的以课时或单元章节为单位的教学资源相比，更容易被学生吸收、消化，更能适应学生个性化的学习需求和当今时代教育信息化的要求，并能切实提高学生学习的有效性。“微课”在高职《电子技术》课程教学中的实践探索研究对促进该课程的教学改革、促进教学有效性的实现有着重要意义。本研究的建设成果也能为其它专业、其它课程的“微课”应用提供有价值的参考。目前本研究中“微课”使用是将微视频和其它“微课”资源通过QQ、微信的方式共享给学生，还缺乏“微课”学习网站等“微课”平台建设，下一步要加快“微课”学习网站建设，不断完善《电子技术》“微课”研究设计和开发。

参考文献：

［1］张静然.微课程之综述［J］.中国信息技术教育，2012（11）.

［2］胡铁生.“微课”：区域教育信息资源发展的新趋势［J］.电化教育研究，2011（10）.

［3］胡铁生，周晓清.高校微课建设的现状分析与发展对策研究［J］.现代教育技术，2014（2）.

［4］李玉平.微课程——走向简单的学习［J］.中国信息教育技术，2012（11）.

［5］张艳艳.微项目学习在高职《计算机应用基础》课程教学中的应用研究［D］.西安：陕西师范大学，2013.

第2篇：微电子电路分析与设计范文

【关键词】微电子专业实验 教学改革

【中图分类号】G424 【文献标识码】A 【文章编号】1006-5962（2013）02（a）-0019-01

引言：

微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向。现代社会是一个信息社会，信息技术发展的方向是多智能化、网络化和个体化。要求系统获取和存储海量的多媒体信息、以极高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用信息显示出来或用于控制。所有这些都只能依赖于微电子技术的支撑才能成为现实。超高容量、超小型、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境追求的目标，是微电子技术迅速发展的动力。

目前我国的微电子行业领域正以日新月异的速度高速向前发展，但是微电子专业学生往往理论强于实践，成为制约我国微电子行业发展的最大障碍。为了培养出合格的微电子专业毕业生，在微电子教学过程中必须理论和实践并重。

我们在结合我校多年微电子专业实验教学的实践工作以及目前微电子行业的现状和前景，提出了在本科阶段微电子专业实验改革实验内容――抓好两大平台建设；革新实验课程教学体系的新思路――因人而宜，因材施教，学生为主，教师为辅。

微电子专业实验改革实验内容：

在实验改革中主要分成两大主要平台：集成电路设计平台和集成电路测试平台。

集成电路设计平台：

实验室是开展研究性教学、培养和提高学生创新能力的重要阵地。微电子实验所涉及的一些必要的实验装备往往价格不菲，而一些综合性、设计性、研究探索性实验以及课程综合设计所需要的系统级先进设备和测试仪表更是价格惊人，在本科教学实验室中根本无法配置。为了解决这一矛盾，我们在实验室建设中引进先进的EDA软件，包括ECAD和TCAD软件构建集成电路设计模块。在这个模块中学生可以完成（1）数字IC和模拟IC的设计：进行数字集成电路、模拟集成电路和片上系统SoC的设计实验；（2）可以完成版图设计：进行数字集成电路版图设计、模拟集成电路版图设计；（3）还可以完成器件和工艺设计：进行微电子器件、纳电子器件和光电子器件的结构设计、性能仿真、工艺设计、参数优化和虚拟制造的实验。利用这些软件学生不仅可以完成一些过去因条件限制根本无法完成的综合性、设计性实验和课程设计，更主要的是学生在开展科技创新训练和复杂程度高的系统级毕业设计中，可以首先利用这些软件平台进行设计、仿真分析、反复修改，在获得正确设计和初步结果后再利用实验设备和测试仪器进行实验验证。这样做不仅减少了研究工作和实验工作的盲目性，而且降低了运行成本和设备维修率，提高了设备利用率。

集成电路测试平台：

该平台是针对微电子技术本科专业中关于半导体器件物理、固体电子导论、微电子器件设计、半导体基础实验、集成电路测试等课程的教学要求，完成以下几个模块设计实验：（1）半导体材料测试模块。通过四探针测试仪（包括电脑、软件）、导电类型鉴别仪、半导体霍尔效应测试仪和少子寿命测试仪可进行半导体材料（硅片）的导电类型、电阻率、电导率和少子寿命测试等实验和研究。（2）半导体器件测试模块。通过晶体管特性测试测试仪、数字万用表、半导体特性分析仪和CV特性测试仪可进行二极管、NPN、PNP、MIS和MOS晶体管的特性测试和参数提取的实验和研究。（3）IC在晶圆测试模块。通过STl03A手动探针台、数字示波器和逻辑分析仪可进行集成电路和半导体器件性能的在晶圆测试的实验和研究。（4）版图分析与电路提取模块，利用大平台显微镜、计算机和数字摄像头可进行集成电路的版图分析、图形测量和电路提取实验和研究。

微电子专业实验课程新教学体系：

为了培养高素质的、有创新能力的、符合新时代要求的学生，我们制定了新的微电子教学实验大纲。新大纲具有以下特点：（一）内容覆盖范围广，包括大部分微电子专业课程内容：半导体器件物理、固体物理、集成电路版图和工艺设计、集成电路CAD和微电子器件等等；（二）对实验者水平要求更高，编排结构更合理。大部分实验包含基本验证性和综合分析性，要求学生掌握扎实的基本知识，突出对学生能力培养和素质教育；（三）大纲规定了必做实验和选做实验两种类型实验，必做类型要求所有学生都要完成，而选做实验主要是针对部分学生开设的能力提高型实验，做到“因人而宜，因材施教”。

与此同时，根据大纲的修订，我们对《微电子专业实验》讲义进行了重新编排，以了解新知识，掌握新技能，培养新能力为重点。通过大纲和讲义的修订和编排都为微电子专业实验的教学改革奠定了基础。

第3篇：微电子电路分析与设计范文

 

1微电子产业人才职业岗位需求分析微电子产业是由设计、芯片制造、封装、测试、材料和设备等构成的产业链。

 

1微电子产业的复杂性也带来了其人才需求的多样性，而适合高职层次人才的岗位主要集中在制造业以及设计业中的版图设计方面，适应的岗位群主要有IC助理版图工程师、硬件助理工程师、集成电路制造工艺员和集成电路封装与测试工艺员等。

 

2典型工作任务分析

 

微电子产业是集设计、制造和封装与测试于一体的产业群，从而形成了以设计为主的设计公司，以生产制造为主的芯片制造公司和以芯片封装测试为主的封装测试公司。经过对各微电子企业相关岗位的工作过程和工作任务情况的调研，总结出微电子企业对微电子技术专业人才需求主要在集成电路制造、集成电路版图提取和集成电路芯片测试与封装等岗位群。依据高职学生的特点，我院的微电子技术专业人才主要满足集成电路制造企业和集成电路测试和封装企业的需求。

 

微电子技术专业岗位群及典型工作任务间、淀积车间和口刻蚀车间和金属化车间。对应的岗位分为光刻工、氧化扩散工、离子注入工、淀积工、刻蚀工和金属化工。岗位对应的主要工作任务为把掩膜板上的图形转移到硅片上、在硅片上生长薄膜层、对硅片进行掺杂以及对硅片进行金属化工艺。通过组织召开企业专家研讨会，按照工作任务的典型性，对工作任务进行进一步的分析、筛选，总结出典型工作任务。

 

集成电路测试封装企业主要工作岗位有集成电路划片组装、封装成型和芯片测试等。岗位对应的主要的工作任务为减薄工艺、划片工艺、分片工艺、装片工艺、引线键合工艺、封装成型工艺和测试工艺。微电子技术专业岗位群及典型工作任务如图1所示。

 

3行动领域归纳

 

按照职业岗位需求和工作内容相关性等原则对典型工作任务进行合并，形成相应岗位的行动领域。表1以集成电路制造工艺员岗位为例，归纳其行动领域归纳。

 

4专业学习领域课程体系设置

 

本专业的学习领域分为四个模块：公共通识平台+综合素质平台、专业基础模块、核心岗位模块和岗位拓展模块。公共通识平台+综合素质平台主要培养学生的综合职业能力，例如学生的职业规划教育，学生的职业道德的培养，以及学生心理素质的提高等;专业基础模块主要培养具有学生专业基础知识的能力，掌握基本的电学原理，微电子学基本原理。核心岗位模块主要培养学生主要工作岗位的能力，主要有集成电路制造工艺相关课程和集成电路芯片测试与封装工艺相关课程。拓展学习领域课程是结合拓展职业活动、拓展工作岗位的需要而配置的课程，包括横向拓展学习领域课程和纵向拓展学习领域课程，以适应部分毕业生工作一段时间后转换到质量检验、设计与营销岗位的需要。

 

5专业学习领域课程考核

 

课程考核采取与职业资格考试相结合的模式，学生在理论课程学习完成以后，立即进行职业资格认证。学生可以考取集成电路芯片制造工、集成电路封装工艺员等职业资格证书。学习领域课程考核评价包括结果性评价和过程性评价两个方面。结果性评价主要考核完成任务的质量和掌握的专业知识与技能，可采用理论考试和工作成果评价相结合的形式。过程性评价主要考核团队合作能力、方法能力、社会能力和安全环保等方面，可采用观察、专业答辩等方式。

 

[参考文献]

 

[1]李军.工作过程系统化课程体系设计研究.以十堰职业技术学院为例[J].十堰职业技术学院学报，2009,22⑹:1-5.

 

[2]陈莉.基于工作过程系统化的高职课程开发模式探究[J].职业教育研究，2010,7:138-139.

 

[3]李淑萍.微电子技术专业服务地方经济培养高技能人才的探索[J].职业技术教育，2010,11:13-16.

 

[4]许先锋.基于工作过程系统化的高职课程开发[J].中国科教创新导刊2010,13：127.

第4篇：微电子电路分析与设计范文

【关键词】 EDA技术 职业教育 实践探索

EDA（Electronic Design Automation）技术，即电子设计自动化技术，是在CAA和CAD（电子线路计算机辅助分析和辅助设计）技术基础上发展起来的计算机设计软件系统，它集计算机、电子、信息和CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）等技术于一体，不仅具有强大的设计能力，还具有测试、分析及管理的功能，可完整实现电子产品从电学观念设计到生成物理生产数据的全过程。它改变了以往采用定量计算和搭电路实验为基础的传统设计方式，使电子电路的分析与设计方法发生了重大变革。微电子技术的迅猛发展和微型计算机的快速普及，给EDA技术的广泛应用创造了良好条件。EDA技术已成为当代电子系统及专用集成电路设计中不可缺少的重要手段。

一、常用的EDA技术软件

目前引入我国EDA软件有多种，其中影响比较在的有：Pspice、Multisim(MULTISIM)、Protel、Orcad等。

Pspice（Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis）是美国MicroSim公司于20世纪80年代开发的电路仿真分析软件，可以进行模拟/数字电路混合分析、参数优化等。

Multisim的前身是在我国具有一定知名度的EWB（Electronic Workbench）软件，是加拿大Interactive Image Technologies Ltd公司20世纪90年代初推出的专用于电工电子线路仿真的软件，可以实现对模拟数字电路的混合仿真。

Protel的前身版本是Tango，由澳大利亚Protel Technolog公司研制开发。该软件功能十分强大，可以完成电路原理图的设计、电路仿真分析、印制电路板设计及自动布线、信号完整性分析、可编程逻辑器件（PLD）设计等。

Orcad软件包是20世纪90年代初由美国Orcad公司研制开发的EDA软件包，包括原理图设计、PCB设计、VST、PLD Tools等软件。

EDA软件很多，其功能各有所长，但也有相似之处。因此对于在校的大中专学生来说，没有必要也不可能通晓所有软件，重点学习一到两种即可，因为每学习一种软件都需要时间。就目前了解的国际国内EDA软件的推广应用情况来看，Multisim和Protel是两款优秀的EDA软件。

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二、Multisim软件

Multisim软件被誉为“计算机里的实验室”。具有界面交互友好、画面形象直观、易学、易用、快捷、方便、真实、准确的特点，可实现大部分硬件电路实验和分析的功能。

Multisim的设计实验工作区好象一块面包板，在上面可建立各种电路进行仿真实验及分析，工具栏中存放着数字电压表、数字电流表、数字万用表、功率表、具有存贮功能的示波器、能产生正弦波三角波和方波的函数发生器、可直接显示电路频率响应的扫频仪、数字信号逻辑分析仪、数字信号发生器，还有可进行逻辑表达式和逻辑电路图相互转换的逻辑转换仪等。

Multisim的器件库为用户提供数万种以上的常用模拟和数字元器件，设计和实验时可通过工具栏任意取用，每种元器件使用数量不受限制。元器件之间的连线操作也非常方便，当你将电路所用元件放置到工作区后，只要将鼠标箭头指向元器件的引脚，立即就会出现一个黑色圆点，这时按下鼠标左键，移动光标到另一个元器件的引脚，一条连线自动形成。实验时，发光二极管可以发出红绿蓝各色光，逻辑探头可直接显示电路节点的高低电平，继电器和开关的触点可以分合动作，熔断器可以被烧断，灯泡可以发光或烧毁，蜂鸣器可以发出不同音调的声音，电位器的触点可以按比例移动改变阻值，仪器仪表可以显示相应的数据和波形。Multisim为用户造就了一个一体化的设计实验环境，建立电路、实验分析和结果输出在系统菜单系统中可以全部完成。如果是电子电路设计，Multisim还可进行直流工作点分析、瞬态分析、傅里叶变换分析、噪声和失真度分析、温度扫描分析、参数扫描分析、灵敏度分析、零极点分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析等，分析结果以数值或波形直观地显示出来。图1所示为用Multisim建立的单管放大电路及仿真实验测试的输入输出电压波形。

三、Protel软件

Protel软件功能十分强大，尤其是印制电路板的设计与制作方面具有独到之处。目前应用的最新版本ProtelDXP是一个32位的EDA设计系统，可以完成电路原理图的设计、错误检查、仿真分析、印制电路板设计、信号完整性分析、可编程逻辑器件（PLD）设计等。该软件集强大的设计能力、复杂工艺的可生产性、设计过程管理于一体，具有电子产品从设计到生产的完善的技术保证。Protel还具有网络功能，对复杂的电子系统可通过网络实现多个成员分工合作设计，设计成员通过设置密码规定访问权限。Protel采用数据库文档管理方式，对多个相互关联的设计文档实现同步设计和统一管理。

Protel仿真器，可以进行模拟信号和数字信号电路的混合仿真，给出各测试点输出信号的数据和波形。同时它还能够进行直流工作点、瞬态、交流小信号、失真、噪声、温度、蒙特卡罗等多种分析，通过分析可以发现电路的性能缺陷，及时地加以修正。Protel所带的信号完整性分析工具能够精确地模拟和分析印制电路板的性能，从而使得用户可以了解网络阻抗、传输特性、传播延迟、信号质量、信号反射、串音以及电磁兼容性等问题以及它们带来的影响。确保了电子产品的设计质量。图2所示为用Protel设计的“振荡器和积分器”电路原理图、仿真波形和印制电路板。

四、与时俱进开展EDA教学

教育要面向现代化，面向未来。教学内容要跟随时代变化及时更新。EDA是最近十多年刚发展起来的新技术，其卓越的功能，不仅缩短了产品开发的周期，降低了设计和制作成本，而且大大提高了产品的质量，使电子科技界发生了重大变革。许多大中专校已经开设了相关的课程，现在市面上已有多种版本的EDA教材出版， EDA技术方面的参考书也很多。教育部组织制订的新的电子类电气类各专业教学大纲也已将EDA技术列为学生必学的内容之一。

第5篇：微电子电路分析与设计范文

中图分类号:TN710-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0172-04

Application of Multisim10 in RF Electronic Experiment Teaching

LI Song-song1, LI Xiang1, GAO Xiao-ye2

(1.School of Information Engineering, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 2.Dalian Vocational & Technical College, Dalian 116035, China)

Abstract: Multisim10 is a software of modern computer simulation, is organic carrier of electronic design automation, and is an effective means of theory and practical ability in teaching. Through theoretical analysis of RF circuit, the RF circuit design principles are described and the network analyzer is used to simulate in Multism10. The theoretical analysis is verified by virtual experiments, the results of simulation show Multism10 is more flexible, exact and quick in assist teaching and practice in teaching.Keywords: Multisim10; electronic circuit simulation; RF circuit; maximum power transfer

0 引 言

随着教育改革的不断深入,教育技术现代化,教学手段现代化已成为我国教育改革所面临的十分重要的课题。其中电子线路EDA技术的发展,正是弥补目前我国各院校电子学实验室的条件不足,特别是新器件,新设备价格昂贵时,而开设一些内容更新颖、具时代意义的创新型、设计型以及综合型实验而设置的[1]。同时,对于具备条件的实验,正是对理论联系实际的检验,对满足现代电子领域对高校培养具有高层次专业技术人才的需求提供了一定程度上的保障。

1 Multisim 10软件简介

利用Multisiml0可以实现计算机仿真设计与虚拟实验,与传统的电子电路设计与实验方法相比,具有如下特点:设计与实验可以同步进行,可以边设计边实验,修改调试方便;设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全,可以完成各种类型的电路设计与实验;可方便地对电路参数进行测试和分析;可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图;实验中不消耗实际的元器件,实验所需元器件的种类和数量不受限制,实验成本低,实验速度快,效率高;设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。

Multisim 10还可以应用到日常课堂的演示教学中,它可以制作在课件中,对于所讲述电路的各种参数进行即时分析,可以生动在投影上模拟各种实验的结果,具有极佳的演示效果,提高电子技术开发中心系列课程的趣味性和直观性[2-4]。

Multisim 10提供了16 000多个高品质的模拟、数字元器件和RF组件模型,另外用户还可以自行编辑和设计相应的元器件。Multisim 10不仅提供了电路的多种仿真分析方法,如直流扫描分析,参数扫描分析,交流频率特性分析,瞬态分析,傅里叶分析,后处理器功能等,而且提供了2个仪表和多台仪器,仪表有:电压表、电流表;常用的仪器有:数字万用表,函数信号发生器,示波器,逻辑分析仪和逻辑转换仪等。同时,应用Multisim 10可以进行模拟电路、数字电路、模数混合以及射频电路的仿真。其中,它的高频仿真和设计环境是众多通用电路仿真软件所不具备的[5]。

2 射频理论

目前,包括大学生电子技术设计大赛在内的很多知名赛事,都把无线收发作为一个重点的研究方向,而各个高校都有开设类似的课程和实习作为培训学生得┮幌瞠基本内容。这都是由于RF电路自身特点的主要用于无线电通信系统的发射装置和接收装置的研究中。所以随着信息技术的发展,对各种发射、接收装置的要求越来越高。RF电路的性能好坏,将直接关系到通信的质量。尤其是RF频段中的微波波段,其频率高、频带宽的特点,使其很适用于作为大容量通信的载波,来传输多路电报、电话和电视信号[6]。

射频技术RF(radio frequency)的基本原理是电磁理论,指的是从音频以上至可见光频率的整个频段,其范围约为16 Hz~20 kHz。可见光波段在微波波段以上,所以RF的范围大约为20 kHz~3 000 GHz,其中包括微波波段。总的来说,RF频段的频率很高。射频系统的优点是不局限于视线,识别距离比光学系统远,射频识别卡可具有读写能力,可携带大量数据,难以伪造,且有智能[7]。

近年来,便携式数据终端(PDT)的应用多了起来,PDT可把那些采集到的有用数据存储起来或传送至┮桓霆管理信息系统。便携式数据终端一般包括一个扫描器、一个体积小但功能很强并带有存储器的计算机、┮桓霆显示器和供人工输入的键盘。在只读存储器中装有常驻内存的操作系统,用于控制数据的采集和传送。

PDT存储器中的数据可随时通过射频通信技术传送到主计算机。操作时先扫描位置标签,货架号码、产品数量就都输入到PDT,再通过RF技术把这些数据传送到计算机管理系统,可以得到客户产品清单、发票、发运标签、该地所存产品代码和数量等,这些研究领域对于电子信息类专业的学生来讲,都是实践理论的研究课题。

根据射频理论,它与一般的低频电路相比较,有其自身的特点,主要包括以下几点:

(1) 大量使用调谐网络:这些网络不仅提供调谐到所要求的工作频率,同时还使晶体管特性与输入和输出阻抗匹配。因此,调谐网络设计的好坏,将直接关系到RF电路的性能。

(2) 需考虑阻抗匹配问题:在RF电路中,处理信号的不同部件被安置在相距有一定距离的地方。这个距离往往和被传输信号的波长可以相比拟。将它们连起来时,必须考虑到阻抗匹配。

(3) 不同频段使用的元件不同:RF频带宽,包括长波、中波及短波、超短波和微波。从使用的元件、器件及线路结构与工作原理等方面来说,中波、短波和米波波段基本相同,但它们和微波波段则有明显的区别。前者大都采用集中参数元件,如:通常的电阻器、电容器和电感线圈;后者则采用分布参数元件,如:同轴线和波导等。在器件方面,中、短波和米波主要采用晶体管、集成电路及电子管,而微波除上述器件外,还需特殊的微波器件,如:微波二极管、速调管、行波管及磁控管等。

3 Multisim 10软件及其在射频领域模块技术

随着电子通信技术的发展,RF电路的开发研究吸引了众多电子设计工程师。Multisim 10射频模块可以提供基本的射频电路所需的设计。分析和仿真射频电路的功能。Multisim 10的射频模块由RF-Specific(射频特殊元件,包括自定义的RF SPICE模型)。用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器。

在Multisim 10中,标准的RF元件包括电容、电感、环行线、耦合器、传输线、波导以及有源器件等。在RF设计中,该模块包含了大约100多个元件和元件模型,这些模型都可以在高频下准确工作而设计的,克服了SPICE模型中在高频时候工作不稳定的问题。

元件在电子学领域中可以分成两类:集中式和分布式元件。当Е=c/f时,集中式元件的尺寸小于波长,在这种情况下,电压波长和电流波长运行时比元件自身大很多,欧姆定律在此时有效。另一方面,大部分的分布式对象中电压相位和电流相位的改变远超过器件的物理扩展,因为器件的尺寸都是类似的,某些时候甚至大于波长。因此常规的电路理论已经不适用工作在MHz到GHz之间的频率电路中。射频元件存在寄生效应,与用于低频状态的模型有所不同。射频模型使用的电容和电感都在高频工作状态下,两节点之间连接发生的行为和低频工作状态下两节点连接发生的行为是不同的。在PCB上执行这些行为时,将表现传输线的形式。电路板本身将变成电阻的一部分,会干涉到电路的正常工作。这就是EDA工具中可行的低频电路仿真在高频电路中却变得不可行的原因[8]。

4 基于Multisim 10的射频电路设计

高频电路的设计通常有别于低频电路,射频设计的主要工作就是设计好输入输出阻抗、功率增益、噪声分析以及问点因数的参数性能。高频电路可以被理想化成为一个双端口网络,为了恰当的使用网络分析仪,电路的输入端、输出端必须断开,在仿真期间,网络分析仪可以通过插入子电路完成对电路的分析。

对于设计一个简单的直流偏置,重要的是晶体管的性能和放大器的静态工作点。应用Multisim 10设计┮桓霆最大功率传输放大器,首先应选择射频功率管,由于在相对较高的频率上有低功率和低噪声的优势,这里选择MRF927T1,从元件库中选择该元件并将其放在电路中[9-10]。

为了配合低频电子线路相关课程的内容,选择静态工作点,静态工作点表现为Vce和Ic。Vce通常要小于VCC,并且通常在集电极-发射极之间的最大摆幅为VCC/2,因此,选择Vce=3 V和Vcc=9 V。而Ie近似于Ic,晶体管的集电极耗散功率为Ic×Vce。为了达到较好的频带增益和电压增益,这里设置Ic=3 mA。

同时,设定Vbe=0.7 V,β=100Ъ扑闳缦:

Rc=Vcc-VceIc=9-33×10-3=2 kΩ

Ib=Icβ=3×10-3100=3 μA

Rb=Vcc-VbeIb=9-0.73×10-6=277 kΩ

设计完静态工作点之后,就可以在Multisim 10下进行仿真,设置Rb=277 kΩ和Rc=2 kΩ,绘制电路如图1所示。

图1 最初设计的偏置电路

在低频电子线路的教学中,学生已经掌握对静态工作点的直流分析,而Multisim 10软件自带有直流工作点分析语句,可以直接设置选择基极和集电极工作节点。通过仿真,可以得到Vce=3.33 V和Vbe=0.8 V,当修改以上这两个值以满足静态工作点的需要,经过实验得到,当Rb=258 kΩ和Rc=2 kΩ时,近似得到Vce=3.00 V和Vbe=0.80 V,这时有:

β=IcIb=(Vcc-Vce)/Rc(Vcc-Vbe)/Rb

=(9-3.00)/(2×103)(9-0.80)/(258×103)

=94.39

此时,β比较接近设定值,可以应用到此次实验中。对于信号源,假定使用信号源的中心频率为3.02 GHz,设置偏置网络,连接两个电容到网络分析仪,如图2所示。

对于一个连接好网络分析仪的电路,可以进行双端口测量,以及测量传输参数。Multisim 10软件自带有网络分析仪。网络分析仪主要测量信号所包含的频率和频率所对应的幅度。对于RF系统来说,可以应用到调制波的以及载波信息的失真。Multisim 10中的网络分析仪所模拟的是实际中Agilent公司生产的HP8751A和HP8753E两款网络分析仪,可以方便的测量S、H、Y、Z四种参数,并且是高频最常用的仪器之一。连接好电路打开网络分析仪界面,如图3所示。

图2 连接入网络分析仪的电路

图3 图2的网络分析仪界面

对于一个无源负载条件下不会产生振荡的电路稳定可以称为“无条件稳定”,这时可以使用阻抗匹配器自动改变RF放大器的结构以便获得最大增益阻抗。

为了获得放大器以及源阻抗之间的最大匹配,必须要求放大器的输入和输出端口之间的阻抗匹配最大。这种阻抗匹配电路提供的最大功率传输适用于非常窄的频带,对于选频网络特别适合。图2的网络自动匹配结果如图4所示。

图4 图2的网络自动匹配的结果

应用图4所得到的网络参数,加入到原始电路图中,所得电路图如图5所示。

图5 最终设计的RF电路

5 结 语

无论是高频还是低频电子线路课程是 电子信息类学生必修的课程,它不但要求学生掌握电路的基本原理和计算方法,更重要的是培养学生对电路的分析、设计和创新能力,因此实验教学在整个教学过程中成为不可缺少的一部分。

因此,利用Multisim 10进行射频电路设计型实验教学,改变了利用电子元器件、仪器等物质手段的传统设计型实验教学模式,从而更好地培养学生的实验技能、提高学生的电路设计能力和设计周期,培养学生的科学作风和创新精神,为以后从事电子技术方面的工作打下良好的基础。

参考文献

[1]文亚凤.刘向军.EDA仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用[J].实验技术与管理,2006(5):31-32,40.

[2]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]聂典.Multisim 9计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社,2007.

[4]王廷才.基于Multisim的电路仿真分析与设计[J].计算机工程与设计,2004,25(4):654-656.

[5]胡维.基于Multisim进行波形变换器的设计[J].实验技术与管理,2007,24(12):82-84.

[6]唐赣.Multisim&Ultiboard10原理图仿真与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2007.

[7]张肃文.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,1993.

[8]田胜军, 秦宣云.基于Multisim 2001的高频电路分析与仿真[J].现代电子技术,2006,29(8):100-102.

第6篇：微电子电路分析与设计范文

【关键词】输电线路；在线监测；硬件；软件；设计

1.综述

近年来，随着我国工农业生产的发展和人们生活水平的提高，作为先行的电力工业取得了迅猛的发展，系统装机容量和输电线路电压等级都在不断提高。随着电力系统装机容量的提升、运行电压等级的提高、电网覆盖范围的扩大，一方面提高了运行的可靠性和经济性，但是另一方面使得系统运行故障所波及的范围和对工、农业生产和人们生活造成的影响也越来越大。

中国高压输电线路分布范围广、线路长，尤其是“西电东送”工程，不但地形地貌复杂，而且部分地区气候条件比较恶劣。传统的输电线路检查主要靠运行人员周期性巡视，极易在下一个巡视未到之前由于缺乏监测发生线路事故。应用在线监测技术对线路状态进行实时监控，可以及早发现事故隐患并及时予以排除，使线路始终保持良好的状态运行，提高电力系统自动化程度，减少各种事故的发生，提高国民经济效益。

2.主要内容和方法

2.1在线监测的主要内容

2.1.1绝缘子污秽在线监测：（1）泄漏电流的在线监测。绝缘子表面泄漏电流是电压、气候、污秽三要素的综合反映，因此可将绝缘子表面泄漏电流作为监测绝缘子污秽程度的特征量；（2）污秽度在线监测。绝缘子表面的污秽度反映了输电线路的基本绝缘状况，目前世界上一般采用停电的方式测量绝缘子表面污秽度，包括等值盐密和灰密。

2.1.2输电线路覆冰在线监测：输电线路覆冰在线监测系统实时监测导线覆冰情况，依托后台诊断分析系统对监测数据进行分析，实现对线路冰害事故的提前预测，并及时发送报警信息，减少线路冰闪、舞动、断线、倒塔等事故的发生。

2.1.3雷电在线监测：（1）雷电定位系统。雷电探测定位的原理是对雷电发生时伴有的电磁辐射信号等雷电波信息特征量进行测定，再通过算法分析来得到雷电发生的时间、地点、雷电流幅值、极性与回击次数等相关雷电信息，呈现出雷电活动的实时动态图；（2）雷电流在线测量。雷电流在线测量可测量雷电流大小、波形参数，有利于判断雷击方式，可积累雷电基础参数，有助于分析雷击输电线路的影响因素，对在各种典型地区有针对性地采取合理有效的防雷措施具有重要作用。

2.1.4输电线路环境监测：输电线路环境监测是通过建立专门的环境监测站跟踪监测输电线路所处地区气象要素的变化，助于决策部门及时了解气候状况的变化，为及时采取防灾减灾措施，保障输电线路的运行安全提供科学依据。

2.1.5输电线路杆塔倾斜监测：采空区地面裂缝、岩体错位、崩塌、滑坡、地面塌陷等地质灾害，导致杆塔倾斜、地基变形的情况发生，严重威胁输电线路的安全运行。

2.1.6输电线路导线微风振动的监测：微风振动是造成高压架空输电线路疲劳断股的主要原因。微风振动对架空线路造成的破坏是长期积累性的，具有较强的隐蔽性，因此对其进行测量既能为防振设计提供科学的依据，又能为消除微风振动产生的隐患。

2.1.7输电线路导线舞动监测：导线舞动会严重损害线路，开展导线舞动在线监测技术的研究，加强对导线舞动的观测和记录工作，绘制出易舞线路和易舞区分布图，对指导线路防舞设计具有重要意义。

2.1.8输电线路视频监控：在人口密集区、林区、开发区、交通繁忙区安装线路视频监视装置，实时监视、记录环境情况，及时发现危及线路安全运行的行为，同时可观察和记录线路覆冰、覆雪等过程。

2.2输电线路在线监测的主要方法：（1）红外和紫外检测。红外和紫外检测以接收被测物体所辐射的电磁波为手段，具有远距离、不接触、不解体、安全可靠、准确高效的特点，适合带电检测；（2）超声波检测。超声波检测检测的原理是接收放电时发出的超声，再根据其信号强弱判断放电的位置和强度。超声波测法可用来检测复合绝缘子芯棒裂纹，具有操作简单、全可靠、抗干扰能力强等优点；（3）电场法检测。电场法通过测量绝缘子的电场分布来检测零值绝缘子或复合绝缘子的内绝缘缺陷，根据相应位置电场畸变判断故障点。

3.输电线路在线监测系统硬件设计

3.1系统硬件总体结构设计。输电线路运行状态综合在线监测系统是为了适应现代电力系统由计划检修向状态检修的转变而设计的，主要包括安装于输电线路高压杆塔的绝缘子污秽泄漏电流监测子系统、输电线路微气象区气象信息监测子系统、危险点图像监测子系统及安装于供电局的后台专家分析系统组成。系统结构如图1所示。

3.2数据采集的设计。本文设计系统的数据采集包括泄漏电流和分布电压采集，图像采集，报警信号采集和环境变量采集模块。

3.3数据监测系统的设计与实现

（1）污秽泄漏电流监测子系统。绝缘子污秽泄漏电流监测子系统由绝缘子泄漏电流卡环、高频率高线性度泄漏电流传感器、信号预处理单元、数据采集器、各种保护单元、环境温湿度及专家分析系统组成。

（2）微气象区气象信息监测子系统。气象信息监测子系统通过在线监测输电线路环境温度、湿度、风速、风向、雨量、大气压力等参数，将这些参数采集后，进行压缩处理，通过GSM/GPRS/CDMA等通讯方式将数据传往监测中心，供分析系统进行线路污情的综合分析，同时所有数据通过各种报表、统计图、曲线等方式显示给用户。当出现异常情况时，采用声、光报警，同时将报警信息以短信方式发往有关人员的手机上。

（3）危险点视频图像信息监测子系统。通过监测分析导线的重力变化和震动频率变化判断出当前覆冰量的大小和导线舞动的幅度实发送到监测中心，专家分析系统综合各种参数，得出覆冰程度及发展趋势，并及时进行预警和报警以指导检修和防治。

3.4系统硬件电路的设计。数据监测分机硬件电路由数据检测模块、泄漏电流传感器、温湿度传感器、数据通讯模块、电源变换及管理模块等组成。

3.5传感器调理电路设计。泄漏电流信号调理电路的作用是将外部微弱的泄漏电流信号进行一定变换，得到处理器的模/数转换模块能够进行正常处理的电压信号。设计泄漏电流信号调理电路时要求所设计的电路功耗低、性能稳定、抗干扰性能好。

3.6系统电源的设计。为了保证数据监测分机系统能长年24小时不间断地采集绝缘子的状态信息及环境参数，必须选择高效可靠的供电电源。利用太阳能为监测分机供电，采用硅能电池作为储能部件，在光照充足时太阳能电池板既为硅能电池充电，同时通过高效率的DC—DC变换器，将硅能电池的12V电压转换为3.3V工作电压；在光照不足或无阳光时，由硅能电池提供工作电压。

3.7无线数据通讯。由于输电线路杆塔分布广，系统将分机监测的数据用有线组网传输显然是不现实的。利用GSM网络，数据信息可以安全到达网络覆盖的任何地点，不受通讯距离限制，可靠性高。

4.基于B/S模式的监测系统软件设计

4.1B/S模式的体系结构。基于B/S模式应用系统将Web与数据库相结合，形成的基于数据库的Web计算模式，并将该模型应用到Internet/Intranet中，最终形成了三层客户机/服务器应用结构。三层结构将应用系统的三个功能层面进行了明确的分割，使其在逻辑上各自独立。

4.2软件系统的开发流程。输电线路在线监测系统的系统化分析与开发主要分为五大阶段：（1）系统分析；（2）系统基本结构设计；（3）组件设计；（4）建构应用程序；（5）系统整合与测试。

4.3软件系统功能模块设计。数据监测分机的软件部分主要完成如下功能：泄漏电流电气特征量及环境温湿度的实时检测和存储、系统主机各种控制命令的接收与处理及历史数据的定期发送及分机状态自动检测等。根据分机的功能，系统包括了以下程序模块：主程序控制模块；各通道泄漏电流采集及各种电气特征量的提取模块；与系统主机的数据通信模块；环境温度和湿度测量模块；时钟管理模块；采集数据信息管理模块；串行调试口处理模块、分机工作状态检测处理模块等八部分组成。

4.4监测系统软件程序开发。系统主机监测分析软件基于Windows2000 Server平台，采用Visual C++面向对象语言编制而成，数据库采用大型数据库软件SQL Server数据库。主要功能为：系统配置与参数设置；数据查询；事件记录；自动巡测；人工点测；数据分析；显示实时、历史及故障波形；显示事件列表，提供各种查询报告手段；人工或自动打印各种报表及波形；无线数据通讯；专家诊断；WEB信息共享。

4.5系统的抗干扰措施。系统的抗干扰措施主要从以下几个方面考虑：电路设计、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线/电源线滤波、电路的接地方式设计等。机箱采用铁板，可以屏蔽高频干扰；机箱内部的电路板有铜壳屏蔽，可以屏蔽低频干扰，采用铜壳加铝壳双层屏蔽的方式，可以同时屏蔽高频和低频干扰。信号线采用屏蔽线，并将屏蔽层两端接地，与机壳可靠连接，这些做法可以有效地将干扰屏蔽在设备外边。

5.结束语

输电线路运行状态在线监测系统包括多个状态量的监测，不是多种单一功能的简单拼凑，而是为了进一步完善监测手段，提高分析方法的多状态量在线监测的有机组合。随着信息技术的发展和对高压电网传输质量要求的不断提高，输电线路监测的重要性将更加突出，输电线路自动监测系统也会更快、更好的发展。

参考文献

[1]黄新波，张国威.输电线路在线监测技术现状分析[J].广东电力，2009，1（22）：13-20

[2]孙才新.输变电设备状态在线监测与诊断技术现状和前景[J].中国电力，2005，38（2）：1-7

第7篇：微电子电路分析与设计范文

【关键词】注水变频电机；电机保护；PIC单片机

1.引言

油田注水生产用变频电动机一般功率大且长期处于高消耗运行状态，每年由于电机的过载、短路、缺相和接地等故障所引起的电机损坏事件日益增多，而毁坏的电机经过修理，本身功率也会下降，增大耗电量，性能变差。油田注水用变频电机发生故障轻则造成严重的经济损失，重则威胁工作人员的人身安全。因此，做好油田注水高压电机在变频运行方式下检测与保护研究对油田注水生产节约能源、提高生产效率和经济效益及保证注水系统运行安全具有重要意义。目前的高压变频电机保护的配置方案通常是：根据高压变频电机的容量、用途和负荷特性，选择电流速断或者变频电机差动保护为主保护，以过负荷保护、低电压保护和单相接地保护作为后备保护，但是电流速断保护和差动保护方法，保护精度较低，动作时间误差较大，适合应用于精度要求不高的重大故障判别的变频电机保护。随着单片技术、通信技术、微处理器等相关技术的发展，以及智能化变频电动机保护技术的深入研究，新型的可通信的电子式、智能化变频电动机保护器不断出现，市场上具有此特点的智能型变频电机保护装置很多，但是由于其性能和价格的原因，限制了其应用和发展。因此，研制一种低价位而功能又相对强大的智能型变频电动机保护装置非常必要。本文以PIC16F877A单片机为核心，研制了一款高性价比的高压变频电动机保护装置。

2.注水变频电机保护装置设计原则

在油田采油注水生产环节，要求变频电动机能够在恶劣的环境中大功率长期运转，而使用传统方法的故障检测与保护装置不能满足需要，存在非常严重的安全隐患。除去其运行费用和维护成本比较昂贵不计，最重要的便是传统的保护方式保护精度较低，动作时间误差也比较大。当遇到突发事故时，要求电动机保护装置能够及时报警显示并输出控制动作保证现场工作人员人身安全与设备安全；同时把故障信息反馈给用户，为用户提供可靠的数据说明与故障判断依据。注水变频电机运行故障主要有：一是过载，引起电机过热；二是变频器故障，引起输出电压不平衡；三是压频曲线与电机匹配有差异。本文主要针对注水变频电机以上三个故障原因，以电机端电压（类似正弦的阶梯PWM波形高电压）、电机线电流、电机外壳温度及注水管网压力、变频器输出电源的压频曲线（v/f）为原则，以单片机为主的智能型变频电动机保护装置，通过对变频电机以上几个参数的监测，实时对变频电动机运行中出现的堵转、过载、短路、断相等异常情况做出正确判断，对变频电动机实现有效的保护。

3.系统硬件设计

注水变频电动机保护系统的系统硬件原理框图如图1所示。主要由单片微机模块、信号采集电路模块、人机接口电路模块、单片微机与变频器通信电路模块及电源等部分组成。该保护系统采用高性价比的PIC16F877A单片机组成CPU主系统。PIC16F877A集成有8路10位A/D转换器、通用同步/异步收发器（USART）、捕捉/比较/脉宽调制器、看门狗等模块，可在线调试、在线编程。PIC16F877A内有8K字节的FLASH程序存储器，368字节的数据存储器，256字节的EEPROM存储器。其EEPROM存储器具有掉电不丢失的特点，可用来存储各种参数设定值及故障发生时的电压、电流、温度及水压值，以实现故障的记忆功能。

3.1 单片微机系统模块

单片微机系统模块是电机检测与保护器的核心，主要负责电机工作电信号的采样、A/D转换、数据处理、报警显示及与变频器通信等。

3.2 信号采集电路模块

信号采集电路模块将所需测量的变频电机电压、线电流、频率信号、电机温度及注水管网的水压等参数转换为单片微机所能接受的信号。

3.3 人机接口电路模块

人机接口电路模块包括键盘输入电路和液晶显示及报警电路。人机接口电路用来设定电压、电流、电机温度及注水管网水压等参数，查看数据和状态，允许工作人员从面板上启、停电动机；液晶显示用于根据按键选择显示各参数的设定值、修改的值、各参数测量的实时值及故障状态等信息，方便现场工作人员与保护装置的交互。

3.4 单片微机与变频器通信电路模块

单片微机与变频器通信模块通过RS-485总线串行通信，对变频器进行完全控制，包括启停、频率设定和参数设置。

4.系统软件设计

注水变频电机保护装置的软件设计部分主要包括系统初始化程序、参数调整子程序和各个功能模块子程序。各功能模块子程序包括：频率测量子程序；电压、电流、温度和水压采样A/D转换子程序；电压、电流、温度和水压保护判断子程序；压频曲线与电机匹配分析子程序；故障处理子程序；通信子程序和键盘处理、液晶显示子程序。注水变频电机保护装置程序流程图如图2所示。

系统软件程序主要功能是对系统各个外设模块进行初始化，调用各个子程序完成各项功能。系统软件程序先进行初始化，为各个子程序的调用和系统各个模块的使用做好准备；然后查询按键，判断是否需要进行各种控制参数的调整，如果需要调整参数则进入参数调整子程序，进行各种参数的设置；最后进入主循环。主循环是一个无限循环，单片微机不断重复调用电压、电流、温度、注水管网水压判断子程序及压频曲线与电机匹配分析子程序，一旦出现故障便进行故障处理，同时扫描键盘和刷新显示。

5.结束语

该注水变频电机保护装置针对变频电机过载、过热、短路、变频器故障输出电压不平衡及压频曲线与电机匹配有差异等故障，通过对电机工作电压、频率、电流及温度的采样，分析电机工作时的类正弦PWM高电压波形，分析压频曲线与电机的匹配情况等，实现各种复杂算法和多种保护功能。该装置集检测、诊断、保护、人机交互和通信功能于一体，具有处理速度快、智能化程度高等优点，不但能有效弥补传统的以差动保护或电流速断保护为主保护的变频电机保护方法的保护精度不高、动作时间误差大的缺陷，而且具有较高的实时性，能实现变频电机故障的在线诊断、监测、定位和控制。

参考文献

[1]姜飞荣，章玮.基于DSP的变频调速电机电参数综合测试仪[J].微电机，2006，39（1）.

[2]万琰.基于单片机的电机保护系统的设计[J].漯河职业技术学院学报，2009，8（2）.

第8篇：微电子电路分析与设计范文

关 键 词：电子信息系统；雷电感应；防护措施；设计方案

中图分类号：G47文献标识码：A文章编号：

前言

我国是雷暴十分频繁的国家，而雷电产生的灾害，特别是雷电电磁脉冲对微电子设备的破坏，现已影响越来越大。它成灾率高，损失大，往往悄然发生，这是近年来雷电灾害最显著的特征，也是防雷科学技术需要解决的重要课题之一。

近几年我国在雷电防护研究、防雷产品研制、防雷人才培养等方面取得巨大进步，尽管如此，学校机房遭到雷击依然频繁发生，这是由于随着计算机快速的发展，计算机教育在学校中基本普及，而现在学校对雷击防护措施不力或存在认识上的偏差和电子设备抗电磁脉冲干扰的能力还十分脆弱，很容易因雷击而损坏。建筑物由避雷针保护，在避雷针保护范围内的计算机室理应不能遭受雷击，但计算机信息系统设备却常受到雷电高压以及雷电电磁脉冲侵入对系统和设备造成干扰和永久性损坏，影响学校的正常教学。本文以2009年8月莱阳市某中学微机室遭到雷电感应入侵，造成网络系统瘫痪、计算机损坏，致使学校不能正常教学的一次雷击事故为例，指出了学校微机室的防雷是一个系统的工程，应依据电子设备的特点，按照现代防雷技术的要求，即：直击雷的防护、等电位连接、规范的综合布线、安装浪涌保护器、完善合理的接地系统等组成的综合防护体系，做好各项技术措施，才能最大限度地降低雷电给学校微机室造成的危害，保证机房的安全，保证正常的教学秩序。

1.现场勘察与分析

1.1现场勘察：学校教学楼防直击雷装置年久失修，避雷带和引下线多处断裂、锈蚀，实地测量接地电阻偏大（实测值40Ω），造成微机室内5台计算机主机网卡毁坏，交换机COM1端口损坏，虽然学校配电室电源系统避雷装置安装齐全，能有效拦截配电线路上的部分雷电流，保护后端设备用电安全。但教学楼配电及微机室内网络系统及设备均无防感应雷和直击雷装置，无法有效拦截雷电流，致使雷电流沿相应线路传到室内，造成设备损坏。

1.2分析：莱阳地处山东半岛东部，境内以山地、丘陵、平原三大类型为地貌特征，位于东经120°31’-120°59’ 之间，北纬36°34’-37°09’ 之间，夏季雷雨天气较多，年平均雷暴日数达23.1天，年最多雷暴日高达38天，属于雷电灾害高发区。学校微机室内用电设备较多，据统计微机室内80％以上的雷击事故是由感应雷击造成的，当有雷击时，雷电波会经线路侵入各系统，对微电子设备造成损害。它的主要侵入通道是通过电源线路、各类信号传输线路、天馈路线和进入系统的管、缆、桥架等导体侵入设备系统，造成电子设备失灵或永久性损坏。所以学校由于微机室内电子设备较多而成为雷击概率较大的地方。通过对现场的勘察，该微机室处于教学楼二楼中间位置，教学楼防直击雷装置不完善，没有安装浪涌保护装置，没有做等电位连接等。总之，防雷设施的严重不完善是造成此次雷击事故的主要原因。

2.雷电浪涌的主要特性

2.1当有直击雷发生时，雷云向大地放电多为负闪击，其电流峰值以20～50kA居多。正闪击比负闪击猛烈，其电流峰值往往在100kA以上。如图1所示：

图1雷电浪涌波形图

由于直击雷的发生，会引起附近金属导线产生感应雷电浪涌，形成局部感应高电压，在高压架空线路可达400kV，一般低压架空线路可达100kV，电信线路可达40kV。通常一次雷击的发生可能出现三种雷击：短时首次雷击、后续雷击、长时间雷击。

2.2雷电浪涌过电压（电流）对微机室设备造成损坏可分为以下几种情况：

2.2.1感应雷的高电压、大电流通过通讯和数据线路传入设备；

2.2.2雷电通过供电系统侵入设备，间电压和间电流发生骤变；

2.2.3雷电对建筑物附近放电，导致建筑物内部网络线路由于电磁感应产生瞬间过电压；

2.2.4由于静电感应，瞬间产生大量电荷。当大量电荷来不及释放，高电位传入网络和设备；

2.2.5接地措施处理不当，引起高电位反击。

通过以上分析可知，对学校微机室的防雷应根据环境因素，雷电活动规律，设备所在雷电防护区和系统对雷电电磁脉冲的抗扰度，雷击事故的受损程度以及设备的重要性，采取相应的防护措施。

3微机室防雷要求

由于雷击的时间、地点及强度的随机性，要避免雷击事故的发生是不可能的，只能坚持以预防为主。对雷电可能侵入的通道和途径，提前采取相应的措施，将被保护的设备遭受雷击的风险降到最低限度。学校微机室外部和内部防雷措施都要符合要求，外部是教学楼要有良好的接地和屏蔽（屏蔽指建筑物钢筋混凝土结构金属框架组成的屏蔽、屋顶金属表面、金属门窗框架等），这些措施是雷击产生的电磁场向内递减的第一道防线。内部是设备各种线路端口分别安装与之适配的浪涌保护器（Surge Protective Device简称SPD），设备做好等电位连接，各种线路布局合理，这样才能构成综合的防雷系统。

4防雷设计

4.1《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第3.0.1条规定“应根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类”，其附录A给出的建筑物年预计雷击次数的计算公式如下：

N=kNgAe

N：建筑物年预计雷击次数（次/a）

k：校正系数，依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010附录A的规定“位于河边、湖边、山坡下、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5”，本建筑位于山坡下，故校正系数取1.5。

Ae：与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（Km2），对于本建筑，经计算，

Ae=[LW＋2(L＋W)·＋πH(200-H)]·10-6

式中：L= 75米、W= 15米、H= 14米分别为教学楼的长、宽、高。

计算得：Ae=0.0185 km2

第9篇：微电子电路分析与设计范文

关键词： 压控振荡器; 负阻原理; 双极晶体管; 变容二极管

中图分类号： TN752?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）24?0080?04

Design of low?cost 2.45 GHz microstrip VCO

LI Chan?juan， SHAO Yu?meng， CHAI Zhi?hai， FU Shi?qiang

（College of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China）

Abstract：In order to satisfy the need of teaching and scientific research， a low?cost 2.45 GHz microstrip voltage controlled oscillator （VCO） working in ISM band was designed based on the principle of negative resistance. The dual power supply and common base connection modes are adopted in the oscillating circuit composed of discrete components such as bipolar transistor and varactor. The circuit parameters and specifications are simulated and optimized with the help of ADS software. The prototype circuit was fabricated and tested. Experimental results demonstrate that， when the input voltage is 0～6 V， its output frequency coverage is 2.4～2.5 GHz， output power is more than 9.2 dBm， and phase noise is ?90 dBc/Hz at 100 kHz of departing from the central frequency. The designed oscillator has fine tuning band linearity and high output power flatness.

Keywords： voltage?controlled oscillator; principle of negative resistance; bipolar transistor; varactor

0 引 言

压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）即输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，广泛应用于无线电测量仪器和通信系统电路中。尤其在锁相环电路、时钟恢复电路中，压控振荡器是关键部件，其性能优劣，直接影响到频率源的各项性能，从而决定整个系统输出信号的稳定性、噪声特性、谐波抑制特性等指标[1]。因此在电子通信技术领域，VCO具有重要地位。

由于压控振荡器具有电子调谐、体积小、功耗低、可靠性高等优点，一直以来得到了广泛的研究。文献[2]遵循一般压控振荡器设计原则，基于ADS软件设计出了一种S波段微带压控振荡器，其中心频率为3 GHz，但是其调频带宽较窄，仅为30 MHz。文献[3]则使用负阻原理和改进型克拉泼电路设计了一款高稳定度的LC压控振荡器，其频率范围为180～210 MHz。文献[4]设计了一种中心频率为4.3 GHz的简易微波压控振荡器，其调谐范围大于200 MHz，输出功率大于5.2 dBm，但是为了使电路结构简单，需要对匹配电路做一定调整，匹配电路的调整量难以确定，可能造成电路的不稳定。

近年来随着集成电路的飞速发展，VCO的设计与实现也逐渐集成化。集成化的VCO使用简单、性能稳定。目前基于CMOS工艺的VCO电路的研究是集成电路研究的一个重点。文献[5?7]均使用CMOS技术设计压控振荡器，该压控振荡器具有相位噪声较低的特点，但是其实现方式对电路设计和制作工艺的要求非常高，因此成本也相应提高。

为了满足教学和科研的需要，本文以ADS2009仿真软件为工具，基于负阻原理设计了一款覆盖2.4～2.5 GHz的低成本微带压控振荡器。振荡电路采用双电源供电和共基极连接方式，利用双极型晶体管和变容二极管等分立元件实现，取得了良好效果的同时降低了制作成本。本文分析了电路元件的选取规则，给出压控振荡器的设计步骤，并对振荡电路的各项指标进行了仿真分析研究，得出电路设计的指导性规律，避免了大量的测试调试性工作。最终加工了压控振荡器实物并进行测试验证，实验结果满足设计要求。

1 基本原理及元件选型

1.1 负阻原理

负阻即相对于线性系统中的正阻而言，正阻消耗功率，负阻通过直流电源能量转化其他形式的能量提供功率。若把负阻器件接到射频传输系统中，由传输线理论可知，反射系数可表示为：

[Γ=Z-Z0Z+Z0=-R-Z0-R+Z0] （1）

式中Z0为传输线的特性阻抗，它始终是一个正值，可以看出反射系数的模是大于1的数。

射频双端口振荡器，由晶体管、谐振网络和负载网络三部分构成，如图1所示。谐振网络和负载网络的反射系数为ГS和ГL，晶体管输入端和输出端的反射系数为Гin和Гout，由文献[8]可知：

[Γin=S11+S12S21ΓL1-S22ΓL] （2）

[Γout=S22+S12S21ΓS1-S11ΓS] （3）

由于振荡器的谐振网络和负载网络为无源网络，有ГS<1和ГL<1，因此为了产生振荡，需要存在不稳定的有源器件，即要求晶体管Гin>1和Гout>1。

图1所示的双端口振荡器产生振荡，需要满足以下3个条件：

（1） 存在不稳定有源器件，二端口有源电路的稳定因子K必须小于1，即K<1;

（2） 谐振电路的输入反射系数与晶体管有源电路的输入反射系数的乘积等于1，即ΓSΓin=1;

（3） 输出负载网络的输出反射系数与晶体管有源电路的输出反射系数的乘积等于1，即ΓLΓout=1。

而要让振荡器电路起振的条件为ΓSΓin>1。

1.2 元件选型

由于设计的压控振荡器中心频率是2.45 GHz，覆盖ISM频段，调频范围为100 MHz。双极型晶体管具有低噪声特性，所以晶体管选择BJT管。查看Avago公司的AT?41486的技术手册可知，AT?41486的最高工作频率为10 GHz，符合设计时的2～3倍冗余，而且在2.0 GHz时噪声系数典型值为1.7 dB、增益典型值为13 dB、输出功率典型值为18 dBm，在工作频率上具有足够大的增益和输出功率能力，满足设计要求。

变容管的选取应能在所需的频率下工作，有合适的结电容、较大的Q值，同时击穿电压高，为了获得良好的电调线性，最好采用n=2超突变结变容管。经过多次尝试后，选取Skyworks公司SMV2022作为变容二极管。参考SMV2022技术手册中变容二极管电容值随反向偏压的变化，在低偏压时电容随电压变化的斜率较高，而高偏压时电容随电压变化的斜率较低，为了得到线性的压频响应曲线，将变容管与一小电容串联进行电抗补偿，使得压控灵敏度趋于一致。另外由于工作在2.45 GHz较高频段，选择变容二极管和串联小电容时，串联后总电容越小振荡频率越高，总电容变化范围越大，获得调谐带宽越宽。

2 电路设计及仿真分析

压控振荡器电路结构有许多种，当工作频段较高时，共基极电路能提供较高的增益、效率及稳定性，适合在较高振荡频率、较宽工作频段的情况下应用。因此，微波频段晶体管振荡器大部分都采用共基极电路[9]。

基于负阻原理，将晶体管及直流偏置电路与谐振网络结合起来，加入输出负载网络，组成压控振荡器的基本仿真电路图，如图2所示。

双极型晶体管AT?41486发射极有两个管脚，在实际工作中应该将电路分别接在两个管脚上，采用±6 V双电源供电，直流工作点选取为4 V，20 mA，经计算集电极偏置电阻100 Ω，由实际可得到的R1=51 Ω和R2=51 Ω串联构成，发射极偏置电阻为233 Ω，由实际可得到的R3=470 Ω和R4=470 Ω并联构成，L1～L3均为扼流电感，提供晶体管偏置电路通路;为了使振荡频率随外加调频电压变化更线性，可分别将发射极连接的变容二极管串联小电容C2和C3实现，为了增加晶体管电路的不稳定性，在晶体管基极接了一段接地渐进微带线Taper1当作正反馈电感，此电感与变容管等效出来的电容构成了电路的谐振网络部分，L4和L5为扼流电感，提供变容二极管偏置电路通路;负载网络则通过电容C1耦合输出，之所以将集电极偏置电阻分出一部分R2拿到输出主路，是为了控制输出功率电平，并保持最佳输出功率平坦度。

利用瞬态仿真和谐波平衡仿真控件，对电路性能进行仿真研究。图3为压控振荡器的仿真结果图，可以看出，振荡器输出时域波形包络比较稳定，起振时间比较短，大概6 ns便稳定下来，振幅也比较理想;振荡器输出频谱也比较好，二次谐波比基波低15 dB。

在振荡器设计过程中，通过大量的仿真实验可以总结出以下几点设计规律：

（1） 改变变容二极管两端微带线的长度，使带宽变窄了，分析是所加微带线相当于增加了寄生电感，抵消了部分变容二极管电容，使二极管总电容变化范围减小，故而调频范围降低。

（2） 基极用终端短路微带线代替电感，此微带线长度不但控制起振条件，对调频带宽也有影响，增加微带线长度振荡频率下降。

（3） 与变容二极管串联的小电容对调节振荡频率也起关键作用，电容值越小，在满足振荡器起振条件的前提下，振荡频率越高。在实际测试压控振荡器振荡频率时，由于电路板已经确定，可以通过变容二极管串联的小电容调节振荡中心频率。

3 电路制作及实验结果

由于用微带线连接各个元器件，必定导致电路振荡中心频率的改变，通过调整不同位置微带线的长宽及与变容二极管串联的小电容的容值，并结合ADS2009软件仿真优化，最终电路布局完成后，根据ADS得到的数据加工成微带电路板，实物电路的照片如图4所示。实物电路在FR4板上实现，四周打满均匀的接地通孔，起到一定的电磁屏蔽作用。

利用Agilen公司的E4440A频谱分析仪测试压控振荡器输出频谱，测试结果如图5所示。使用电压源产生不同的调频电压，分别记录下每个调频电压下压控振荡器输出频率及输出功率。最终根据测试数据绘制出压控振荡器输出频率和输出功率随调频电压变化曲线如图6所示。

测试结果表明，当调频电压在0～6 V变化时，振荡器输出频率变化范围覆盖2.4～2.5 GHz，满足ISM频段要求，振荡频率随调频电压变化线性度比较理想，输出功率大于9.2 dBm，具有很好的功率平坦度，相位噪声测试结果在偏移中心频率100 kHz处为-90 dBc/Hz。

4 结 论

本文基于负阻原理设计制作了一款中心频率为2.45 GHz的微带压控振荡器，为使带宽高、噪声低，振荡电路采用双电源供电和共基极连接方式，通过对变容二极管和晶体三极管的精心选型，实现了低电压0～6 V情况下的宽范围2.4～2.5 GHz的频率调谐，且调频线性度较好。实际测试结果表明，该振荡器输出功率大于9.2 dBm且平坦度较高，相位噪声较低。整个压控振荡器电路结构简单、易于制作、成本较低，满足教学和科研的需要。

参考文献

[1] 熊俊俏，夏敏.900 MHz压控振荡器设计[J].电讯技术，2010，50（6）：66?70.

[2] 刘凤格.一种S频段微带压控振荡器的设计与实现[J].电视技术，2008，48（10）：99?102.

[3] 彭观善，冯正和，陈雅琴.用负阻原理设计高稳定度VCO[J].电子技术应用，2004（4）：25?27.

[4] 鲁建彬，朱成，祝潇，等.一种简易微波VCO的设计[J].微波学报，2013（3）：51?55.

[5] 许亚兰，江金光，刘俐.一种用于GPS波段的低相噪VCO设计[J].电子技术应用，2012，38（2）：47?49.

[6] 王天心，刘瑞金，杨莲兴.一个2.4 GHz CMOS LC压控振荡器的设计[J].微电子学，2006，36（4）：502?505.

[7] 冯海洋，杜慧敏，张博，等.Ku波段0.18 μm CMOS 压控振荡器电路设计[J].电子技术应用，2014，40（4）：32?34.