模拟电路设计原理精选(九篇)

第1篇：模拟电路设计原理范文

关键词 模拟集成电路设计；理论与实践相结合；仿真实验

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2013）30-0095-02

集成电路设计相关课程体系是各高等院校电子科学与技术、电子信息科学与技术等工科专业核心专业课程设置的重要组成部分，为大学生深入学习掌握集成电路设计的基本原理、分析方法、仿真方式等打下基础。大多数理工科高校对电子类专业开设模拟集成电路设计和数字集成电路设计的课程，对学生进行综合培养。对于模拟和数字集成电路设计，如果要深入到晶体管级进行分析和设计，那都必须进行原理的深入学习。而在现实工作中，数字集成电路设计主要是通过运用高级硬件电路描述语言基于门级对电路进行设计，晶体管级的原理分析只是理论基础。模拟集成电路设计则必须完全深入晶体管级进行分析和设计，所以模拟集成电路设计更加繁琐和复杂，对理论分析的要求也更高。

本文通过笔者多年来在模拟集成电路设计理论和实践教学中积累的经验和教学心得，对如何在繁琐和复杂的教学中使学生更好地掌握知识体系进行探讨。

1 教材的选择

1.1 国外经典教材的参考

集成电路的设计国外特别是美国要领先中国几十年的技术水平，如绝大多数高精尖端的芯片都是被INTEL、AMD、TI、ADI这样的跨国巨头所垄断，在教学知识体系方面自然是美国的高校如斯坦福、加州大学等要比国内高校更加系统和完善。美国出版的多本教材更是被奉为集成电路设计的圣经，如拉扎维编著的《模拟CMOS集成电路设计》、艾伦编著的《CMOS模拟集成电路设计》等。但是即使是被奉为圣经的教材，虽然经典，也有其局限性。如拉扎维编著的《模拟CMOS集成电路设计》对电路的理论分析非常透彻且深入浅出，却缺乏相应的仿真实验来验证其理论分析；而艾伦编著的《CMOS模拟集成电路设计》虽有部分仿真实验来验证其理论分析，但其理论分析又不如拉扎维的教材那么透彻和深入浅出。

1.2 国内教材的选择

国内的高校虽然较国外高校而言在集成电路设计领域起步要晚，差距也很大，但是在近些年国家政策的大力扶持下，已经有了突飞猛进的发展。国内也有了几本模拟集成电路设计知识讲解得比较透彻的教材，比如：清华大学王自强编著的《CMOS集成放大器设计》就从简单知识入手，讲解浅显易懂；东南大学吴建辉编著的《CMOS模拟集成电路分析与设计》分析比较透彻，讲解自成体系。但是国内出版的教材也都缺乏相应的仿真实验来验证其理论分析。

针对国内学生在集成电路设计知识领域基础比较差的现状，可以选择国内讲解得比较简单浅显的教材为主线，并以国外经典教材为参考。

2 教学方法的改进

模拟集成电路设计作为电子科学与技术专业的一门专业核心课程，比某些专业基础课程如电路原理、数字电子技术、模拟电子技术等要难度更大，也更为繁琐和复杂。如果按照传统方式进行讲解，或者说仅仅是按照教材进行理论分析和推导，那么学生很难对这门知识深入理解和掌握。因此，在教学理论知识的过程中，穿教材中没有的、可以验证其相应理论的仿真实验，这样能够更好地使学生理解和掌握理论知识。

2.1 以HSPICE仿真实验为辅助

SPICE是一种可以用于电路仿真的工具，大家所熟知的有PSPICE，它是一种可以适用于分立原件的电路仿真工具，而HSPICE是在集成电路设计领域专业使用的高精度的仿真工具。专业的集成电路设计公司和研究所都是使用UNIX或LINUX环境下的大型专业工具软件进行集成电路设计仿真，而笔者所在高校因为在此领域起步较晚，专业开设也较晚，专业实验室也并不具备，所以并不具备很好的实验条件来进行实验辅助教学。因为HSPICE具有可以在Windows环境下方便使用的小型版本的软件，所以可以很方便地用在课堂教学中。

2.2 理论与实践相结合教学

在繁琐复杂理论分析和推导的过程中，不断地穿HSPICE仿真，来验证理论分析和推导的结果，可以让学生显著加深对理论的理解和掌握。HSPICE仿真部分的内容是清华、复旦、东南大学等高校教师出版的教材里面都没有详细讲解的内容，也是他们课堂理论讲解过程中不会涉及到的知识。而在笔者所在高校以HSPICE仿真实验为辅助，结合理论教学后，取得了积极显著的教学效果，学生对理论知识的理解和课程考试成绩都得到了大幅度的提升。以2008级到2010级电子类专业的学生为例，模拟集成电路设计课程考试得优率从22%提升到了43%以上，学生对此教学方法也是高度认同。

3 结束语

在我国大力实行人才战略，强调人才培养的大环境下，笔者所在高校也响应国家号召，加强本科生培养，实施卓越工程教育，取得积极可喜的成绩。国家在近些年大力支持集成电路设计的产业发展，国内在此领域也有了长足进步，但也更加需要更多的专业人才来满足市场需求。在此背景下，本文积极探索和提高模拟集成电路设计的教学方法，取得长足的进步和发展，也得到学生的高度认同。笔者希望自己的经验和方法可以为兄弟院校相关专业的教学提供参考和借鉴。

参考文献

[1]Lazavi.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[2]Allen P E.CMOS模拟集成电路设计[M].2版.北京：电子工业出版社，2011.

[3]王自强.CMOS集成放大器设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

第2篇：模拟电路设计原理范文

关键字:电路模拟;模拟IP;锁相环;并行SPICE;FineSim

1引言

基于环形振荡器(Ring Oscillator,RO)的锁相环(Phase Locked Loop,PLL)结构简单,与主流的CMOS工艺兼容,在模拟/数模混合集成电路领域具有广泛的应用。

嵌入式微处理器芯片对PLL电路提出了很高的要求。在某型嵌入式微处理器中,针对不同的应用需求,要求PLL输出的时钟信号覆盖数十直至吉赫兹的范围,具有较低的抖动和功耗开销,具体的性能要求如表1所示。

为了削弱数字电路开关噪声的影响,集成于大规模集成电路中的PLL通常采取独立供电的方式,并且往往采用双电源供电来分离PLL核心电路中数字部分与模拟部分的耦合噪声。但是,独立双电源供电对于PLL的集成应用来说却是一个不大不小的麻烦。在很多嵌入式应用领域,芯片的封装管脚是较为紧张的资源,独立双电源供电无疑会造成较大的成本劣势。本文涉及的这款嵌入式微处理器也不例外,封装管脚无法为PLL电路分配独立的供电通路,因此要求PLL电路能够共享数字部分的电源系统。

对设计指标和应用需求的分析来看,共享电源系统和宽频率范围是本文设计的PLL的基本需求,研究的重点主要针对这两个方面展开。文章的第二部分重点阐述了针对共享单电源和宽频工作范围的设计,并在第三部分介绍了模拟仿真过程中的问题以及解决方法,最后第四部分进行了总结。

2使用单电源对称负载PLL的结构

共享电源系统最直接的问题就是电源噪声的隔离与抑制。通常,数字电路的开关噪声会通过电源耦合、衬底耦合等方式对模拟IP产生极大的干扰,在常见的电路中为了削弱这种干扰,需要对模拟部分采取包括分离供电、EMI隔离、深槽隔离、多环保护在内的多种隔离措施,以衰减噪声信号的功率。

一般的,PLL电路直接共享数字电路的电源系统往往会带来灾难性的影响。为了隔离数字系统的电源噪声,同时满足该型嵌入式微处理器芯片对PLL的设计需求,本文研究提出了一种“LDO+PLL”的构架,如图1所示。

总体构架上PLL由两部分组成,低压降稳压电路(Low Drop-Out Regulator,LDO)通过全芯片的IO电源(3.3 V)向PLL核心电路提供1.2 V的工作电源,并进行电源滤波,隔离数字部分的电源噪声;PLL核心电路如图1中下半部分所示,电路采用对称负载式差分结构。

2.1 LDO供电电路

LDO作为供电方案中的一种,具有输入电压范围宽、输出纹波小、结构简单、面积开销小、高电源抑制比、低噪声等优点。典型的LDO的结构框图见图2,电路由参考基准电压源(Voltage Reference)、放大器(OPA)、输出调整管(MOS)、反馈网络(R1/R2/CL/Resr),以及过温/欠压保护电路(Guard)构成。反馈网络采样负载端的供电电压,并形成反馈电压信号,运算放大器OPA求取来自反馈网络的采样电压和基准电压源的电压信号的差值,并放大该差值并作为功率MOS管的控制信号,以此形成闭环控制系统。

0.13μm CMOS工艺要求数字电路部分采用1.2 V和3.3 V两种电源进行供电,内核电路使用1.2 V电源,IO电路使用3.3 V电源。就内核1.2 V电源来讲,与PLL环路所需要的1.2 V电源之间缺乏足够的电压裕度,不适合作为LDO的输入电源,因此LDO采用数字部分的3.3 V电源作为输入电源。

基准电压源是LDO中最关键的部件之一,带隙基准(Bandgap Voltage Reference,BGR)是一种与CMOS工艺具有较好兼容性的基准结构。PN结的结电势与温度成反比例关系,而工作在不同集电极电流密度下的三极管的发射结电压之差与温度成正比例关系,BGR正是利用这两种电压相互补偿,产生与温度和电源电压无关的参考基准[1]。图3给出了本设计中使用的带隙基准的电路结构,利用运算放大器输入“虚短(Imaginary Short)”的原理,求取三极管对[Q0,Q1]和[[Q2,Q3]发射结电压之差,同时保证所有的三极管工作在相同的电流下,该电流为与温度成正比的电流(Proportional To Absolute Temperature,PTAT)。根据前文的原理,三极管Q4的发射结电压与温度成反比,因此经过补偿后可以产生与温度无关的基准输出VREF[2]。

前馈噪声和负载噪声问题是LDO设计中需要慎重对待的。图4是模拟过程中采集到的PLL电源线上的噪声波形。前馈噪声来源于数字电路的开关噪声,而PLL本身振荡过程中的电流变化同样会对电源网络产生上行噪声。图4中可见,数字电路的周期性开关形成的瞬时电源-地通路造成了电源网络上的低频噪声,而PLL振荡过程中的工作电流的变化形成了电源网络上的高频噪声,这两种噪声的叠加使得电源网络上出现了如图4所示的噪声波形。

不论是对于前馈噪声还是对于负载反馈噪声,对噪声的响应能力实质上反应了LDO电路的瞬态响应(Transient Response,TR)能力,从这个意义上讲,单电源PLL对LDO的TR性能提出了很高的要求。

图2中包括滤波电容CL在内的反馈网络是确保LDO输出的重要部分,其中CL能够在一定程度上减小LDO输出的纹波。但反馈网络同时也是限制TR性能的一个因素。对于片内集成的LDO而言,滤波电容CL的容值不会很大,因此在确保不发生振荡的前提下,可以采用较小的滤波电容,并使用单位反馈。

除此之外,下列几个有关LDO的性能参数也是必须要加以考虑的,主要包括:

输出电压与负载电流,这是LDO电路的基础参数,结合PLL核心电路的要求,最大负载电流小于30 mA,输出电压1.2 V;

LDO自身的功耗,除了调整压降在功率MOS管上的功耗开销之外,LDO的其它电路都会产生功耗,相对于分立组件的LDO而言,片上集成的专供PLL环路使用的LDO自身的负载和功耗开销都处于较低的范围内,因此LDO电路其它部分的开销就需要被有效的控制。

2.2 对称负载结构的宽带PLL

图1中的PLL环路是一种典型的二阶环路。以环形振荡器RO为基础的压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)在偏置电压的作用下可以产生高频振荡;鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector,PFD)比较参考时钟CLK_IN和反馈时钟BACK_CLK的频率/相位差,并控制两个电荷泵(Charge Pump,CP)的控制信号;环路滤波器对电荷泵的输出积分形成控制电压Vctrf;偏置电路BIAS将控制电压Vctrf转换为差分VCO的控制电压Vbn和Vbp。

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图5是该PLL中采用的VCO延迟链和延迟单元的结构框图[3]。VCO采用四级延迟单元形式,每一级相位延迟为45°。

宽带PLL是一个经典的三阶二类电荷泵PLL,在满足稳定性限制的前提下,可以利用阶模型进行计算。PLL必须满足一定的限制条件才能成为一个可靠的反馈系统,其中包括稳定性限制和过载限制,即环路增益K必须小于输入参考频率ωi(rad/s)一定的因子,其中K=■・K■・R・■(rad/s)。而这个因子根据不同的输入参考频率ωi,不同的电容比b,不同的零点频率ω■=1/τ■=■又有所不同,因此必须考虑一定的设计余量。

经过降阶简化的三阶二类锁相环的传递函数及阻尼因子、环路带宽的公式如[1]、[2]和[3]所示。

H(s)=N■[1]

ω■=■ [2]

?灼=■・ω■=■■[3]

结合图1,优先保证最关键频点的性能是PLL环路参数设计的基本原则。根据设计需求,这个范围是300 MHz ~ 800 MHz左右。由于该结构的环路特性与环路分频比具有弱相关性,优先考虑最常用分频因子的数值,习惯上该值取为N=■=10。在对抖动性能的考察上,将主要考虑以下几个频点的情况,包括20 MHz,33.3 MHz,50 MHz,66.7 MHz,80 MHz,100 MHz。这个频率范围基本覆盖了从50 MHz到1 GHz的应用。

下面先根据输入参考频率66.7 MHz,环路分频比为10的单点条件计算电路参数值。其中,环路带宽K在考虑稳定性以及高阶极点的影响后选择K/ωi =1/20;考虑边界分频因子会恶化相位裕度,增加20～30%的设计冗余,相位裕度选择PM =60°,该条件下的电荷泵电流选择Icp=175uA,VCO采用四级差分环振结构,对VCO实测的增益为:

K■=2π・2e9 rad・s■・V■[4]

经验数据表明,版图后仿真的输出频率的结果通常要降低一半左右。根据上面这些参数和相位裕度最大法,可以计算所有其它电路参数,该条件下的所有参数见表2。

进一步地,可以根据阻尼因子的表达式[3]计算阻尼因子如式[5]。

?灼=■・ω■=■■≈1 [5]

采用二极管连接方式的PMOS管实现的有源电阻的阻值能够对电荷泵电流变化做出响应,从而实现阻尼因子的稳定,因此可以选用有源电阻的方式实现环路电阻。但是需要注意的是通常所使用的MOS电流一阶分析公式是基于长沟道器件的简化数学模型,而短沟道晶体管受限于速度饱和效应,其特性与长沟器件具有很大的不同。简而言之,速度饱和效应就是指载流子的迁移率达到了饱和,因此通常短沟器件的计算电流值将小于实际值,图6对比了长沟道器件和短沟道器件的电流情况。

因此,在根据电阻求解可变MOS电阻时,考虑短沟道效应,电荷泵的电流值需要适当放大,取Icp=2・175μA=350μA,公式[6]给出了尺寸的计算值。

R≈■=■

■=■≈32[6]

PLL的手工分析是进行PLL设计的基础,通过上述的分析计算可以获得进行PLL设计的初始迭代参数,但精确的参数需要通过仿真模拟过程的反复迭代来获得。

3设计模拟的过程与FineSim工具

与数字IC的设计不同,模拟验证工作是模拟IP设计中最为关键的阶段,同时也是耗时最长的一个环节。

前文所知,该PLL是一款宽带的PLL,具有很大的参考时钟范围和输出时钟范围,并且具有1～32倍的可配置倍频因子,模拟验证时必须考虑不同工艺角、工艺条件、输入激励以及倍频配置的组合情况。图7描述了本款PLL模拟条件的组合,其中T表示仿真温度,P表示器件的工艺角,V表示电源电压,F表示参考时钟频率。状态归并之后,经过统计本文设计的PLL需要在15种输入参考、20种倍频因子、5种工艺条件、4种温度条件、以及3种电源电压条件下进行模拟验证,而一次配置下的瞬态分析往往需要数天的计算,这无疑是极端庞大的工作量,耗时也相当长。

同样地,与数字IC的设计不同,模拟IP设计过程别注重晶体管级电路模型对物理世界的还原程度,因此模拟精度是必须要慎重选择的。高精度的模拟无疑能更加准确的反应电路的物理特性,但同时也会导致计算量过大,模拟时间过长,而模拟精度过低则失去了模拟工作的意义。

对于本文设计的PLL而言,仅一种工作条件下的SPICE模拟就可能耗费数天的时间,较为全面地覆盖PVTF的模拟验证需要完成巨大模拟验证工作量,因此选择一款快速、高效、高精度的仿真工具对于模拟验证工作是十分有必要的。

在众多的高精度的SPICE模拟器中,Magma公司的Finesim工具较为适合本文PLL的设计需求。FineSim能够将传统的SPICE模拟计算过程并行加速,可以在多CPU或者网络计算环境下实现高并行度的高速大规模计算,并可以在确保全SPICE精度。正是因为这种加速能力,本文的PLL设计过程中选择了FineSim工具,实测多机条件下加速比超过3。

表3描述了少部分模拟方案,其中考虑了不同的参考频率,不同分频因子,不同工艺角以及模拟温度,同时进行了带寄生参数的网表的Magma FineSim和HSPICE模拟对比,模拟精度均为1 ps,FineSim精度设置为SPICE3,FineSim基于2(机)×2(CPU)×4(核)的双CPU多机并行环境运行。

这些模拟工作还仅仅是全部工作中的一小部分,实际使用Magma FineSim工具的效果证明,在多种模拟条件下,利用大规模并行计算环境,FineSim的加速比普遍超过了3,从而极大地缩短了模拟周期。图8和图9分别给出了Hspcie和Finesim在某一种模拟条件下计算得到的VC输出曲线和PLL高频时钟输出波形。图10描述两种模拟器获得输出时钟的眼图。

HSPICE和FineSim的输出结果同时证明了PLL电路的功能正确性。对比HSPICE和FineSim的输出波形,对于主要考察的输出时钟波形而言,FineSim与HSPICE的结果实现了较好的吻合,均方根抖动差别较小,而对于VCO的控制电压VC而言,FineSim的输出波形在上电过程中未能与HSPICE完全吻合,这反映了FineSim(SPICE3)模拟精度在一定程度上差别。

图11和图12分别给出了该PLL的版图效果和测试芯片的显微照片,PLL基于0.13μm CMOS Logic工艺实现,芯片面积为150×260μm2。

SPICE模拟验证在模拟IP的设计过程中尤为重要,从PLL的设计过程中可以看出,Magma FineSim工具在基本不损失模拟精度的情况下,实现了很好的模拟加速。

4总结

以PLL为代表的模拟类IP的设计过程中电路

(下转第66页)

模拟工作占据了庞大的工作量,尤其是在模拟激励或工艺角过多的情况下,模拟计算量将呈现爆炸式激增。为了缩短模拟验证的周期,基于大规模并行计算环境的SPICE模拟的并行加速显得尤为重要。本文设计的单电源宽带PLL是一种典型的模拟IP,其模拟验证过程中的计算量十分巨大,需要进行数百种条件下的瞬态分析模拟。在Magma公司FineSim工具的支持下,利用大规模并行计算机群,可以实现有效地模拟加速。

实际设计结果表明,利用Magma FineSim工具能够有效的验证该单电源宽带PLL的功能和性能,在并行计算环境的支持下,实测加速比超过3。

参考文献

[1] Razavi B. Design of analog cmos integrated circuits. Columbus, Ohio: McGraw-Hill Companies, 2002

[2] Xinpeng X,Zhihua W,Dongmei L. A low voltage high precision cmos bandgap reference. Proceedings of 25th Norchip Conference, NORCHIP, November 19, 2007 - November 20, 2007, Aalborg, Denmark, 2007. Inst. of Elec. and Elec. Eng. Computer Society

第3篇：模拟电路设计原理范文

【关键词】抽象原则模拟电路数字电路

一、模拟电路中的抽象原则分析

模拟电路包括用理想导线连接的模拟原件（或离散元件）。模拟元件的特性是可定义唯一的接线端电压V（t）和接线端电流I（t）。电压、电流和电阻都是某元件在特定的约束下定义的。我们把这些约束均称作模拟事物原则。只要我们遵循模拟事物原则，即可在电路分析中进行简化，与模拟电路抽象打交道。因此该原则是模拟电路抽象的基础。该原则在我们选择模拟电路元件时施加了三条约束。

当电路满足这三个约束时，电路本身可以抽象，就像可以在模拟元件外部接线端上定义电压和电流一样。满足模拟事物原则的电路在电路分析中产生了其他简化，特别是模拟电路中的电压和电流满足简单的代数关系。

在模拟事物抽象原则之内，可被抽象为由IE、IB、IC等参数表示的等效电路，进而对于复杂的物理结构进行电气化抽象，如下图所示：

二、.模拟电路抽象的局限性

我们断言，如果元件满足集总事物原则，则可以忽略连接元件的导线物理长度和拓扑结构，同时可以定义元件的电压电流。模拟事物原则的三个要求让我们限制信号速度，使其明显低于电磁波传播速度。随着技术的进步，传播效应越来越难以忽略。一个例子是1998年生产的奔腾Ⅱ芯片的时钟频率是400MHz，但其芯片的尺寸与MIPS芯片差不多，即约长1cm。1cm芯片的波传延迟约为1/15ns。显然奔腾Ⅱ芯片2.5ns的时钟周期与波在芯片上的传播延迟相比仍然很大。

三、数字电路抽象

数值离散化构成了数字抽象的基础。其主要思想是将一定范围内的信号值集总为一个值。举例来说，如果观察到的信号在0V和2.5V之间，则处理为“0”，2.5V到5V之间则处理为“1”。可以看出，这种表示不受峰值小于2.5V的对称噪声的干扰。在模拟情况下，假设值A为2.4V，发送者通过在线路上将信号表示为2.4V进行传输。传输过程中的噪声将该电压在接受者处改变为2.6V，结果导致接受者将其误理解为2.6V。

与模拟抽象相同，数字抽象也需要遵循相应的约束，那就是静态原则。由于我们需要不同制造商生产的数字器件能后彼此联系，因此这些器件必须坚持某种公共的抽象原则。这种必须具有足够大的设计余地，这样才能用各种不同技术来生产器件。静态原则共有以下几条内容：（1）为了发出逻辑0，发送者产生的输出电压必须小于VOL。相应地，接受者必须将低于VIL，的输入电压解释为逻辑0。（2）为了发出逻辑1，发送者产生的输出电压必须大于VOH。接受者必须将高于VOL的输入电压解释为1。（3）对于给定的逻辑值，指定的输出电压和相应的接受者禁止区域电压阈值之间的绝对值称为该逻辑值的噪声容限。数字电路抽象设计时，需要将噪声容限考虑在内，才可以运用抽象原则进行简化分析。

四、结语

抽象使我们忽略物体许多特性，如尺寸、形状、密度和温度等。这些性质对于计算物体的应用并不起实际作用。抽象还使我们忽略了无数得出该方程的实验和观察细节并直接接受它。试想没有这一抽象，我们要实现相同的结果需要经历多少痛苦的实验。

参考文献

第4篇：模拟电路设计原理范文

为了改进模拟电子技术实验的教学现状，本文从实验内容、实验器材、教学方式三方面提出探究，探索出学生实践能力的培养模式，提高学生的积极性、创造性，进而培养学生的综合素质。

关键词：

模拟；实验；设计性

模拟电子技术是电气工程、电子信息、自动控制等专业的专业基础课之一，具有基础厚、专业活、适应性广的特点。其理论性和实践性都很强，是一门比较难掌握的学科。模拟电子技术实验是模拟电子技术的实践环节，是模拟电子技术的重要组成部分，学生在进行模拟电子技术实验的过程中，既能加深对理论内容的理解认识，加重记忆，又能对所学的知识进行合理的应用，将知识升华，并且可以提高学生发现问题、解决问题的能力，是课堂教学无法替代的。

1模拟电子技术实验教学现状

在传统模拟电子技术实验教学模式中，实验内容以验证性实验为主，实验内容和实验器件单一，只是对理论教学内容的简单验证，学生只需要按照实验讲义上规定的实验步骤操作、测试。在实验过程中，学生没有机会遇到器件参数选择不对，电路设计等方面的问题，并不能加强对实验原理的认识，对电路各元件作用的了解，而只是在机械性地做实验，更不要提提升学生的动手能力、创新能力。学生处在被动的学习模式中，只想敷衍了事，遇到问题不动脑思考，学生缺少了自己探索设备的过程，缺少了自己动脑动手的过程，而且对老师介绍的内容不能印象深刻。这种实验教学模式缺乏针对性，不利于学生能力的提升，也会使后续课程的学习和毕业设计受到严重影响。

2模拟电子技术实验改进建议

2.1实验内容改进。

开设实验课程的目的是让学生通过做实验加强对理论内容的理解与掌握，熟知模拟电子技术中的电子元器件、各基本电路的原理、作用，掌握一定的实验方法、实验技能，并培养出学生运用所学理论知识独立设计、制作电路的能力，最终培养学生独立发现问题、分析问题并解决问题的能力。通过实验消除学生对模拟电路知识的恐惧感，培养出学习兴趣，为后续课程的开展奠定坚实的基础。2.1.1保留部分基础验证性实验。实验内容仍需要保存部分基础验证性实验。各种复杂电路都是由单元电路组成的，让学生在完成验证性实验的过程中掌握测量仪器的使用及基本电路的连接，掌握基本理论知识，学习实验方法。培养独立动手、发现问题、分析问题、解决问题的能力，为完成设计性、综合性的复杂实验打好坚实的基础。对于验证性实验，教师除了介绍实验设备及使用方法外，在保证安全的情况下，应该要求学生课前做好预习,课上出现问题引导学生自己去分析解决，让学生通过完成验证型实验树立用实践检验理论的好习惯,这对学生今后的学习生活也是十分有利的。2.1.2从简单到复杂，循序渐进地增加设计性、综合性实验。在模拟电路实验教学过程中，可根据理论教学进度将相关的设计性实验穿插到实验教学中，由简单到复杂，分阶段、循序渐进地进行，逐步拓宽学生的设计思在完成几个验证性、设计性实验后，可穿插一次综合性实验。[2]最后将各设计实验整合在一起，实现一项综合性较强的项目。例如,在完成单极放大电路、反馈电路、运算放大电路和功放电路后,可以让学生做一个音响放大器。不仅让学生明白相关知识点的联系、电路之间是如何连接的，学会将多门相关课程有效地衔接起来，提高学生的综合素质，还能培养学生的知识和技术的运用能力，增强他们的成就感，并培养学生的工程实践能力。

2.2实验器材改进

2.2.1更换新型设备。由于存在面包板接触不良，电路之间产生干扰等问题，即使实验电路连接正确，实验结果也未必能顺利得出，而且这些棘手的问题并不是掌握理论知识就可以解决的。所以，更换新型实验设备是有必要的，既可以为学生们节约那些不必要的被浪费的时间，将时间充分利用在认识电路，理解电路，设计电路上，也可以减轻学生们的心理负担，让他们产生对模拟电子技术的兴趣，对电学科目生发出热爱之感。2.2.2自主选择器件。传统的教学模式是实验教师在实验上课前测量、调试、准备好元器件，学生只要按照实验讲义上按部就班地连接电路即可。所以，在保证安全的前提下，可以将全部器件给学生，让学生根据电路要求，自己选择合适的实验器件进行连接、调试。这样的实验模式可以保证学生认真地准备、充分地思考，真正熟络地明白元件的各参数要求，及实验设计原理和设计要求，扎实理论知识，提升设计能力。

2.3教学方式改进

2.3.1改变授课方法。在传统模拟电子技术实验课教学模式下，学生课堂积极性不高、动手能力不强。教师可以改变事无巨细地讲解模式，而是课前布置授课任务，以小组为单位让学生自行查找资料，设计相关电路。课上各小组汇报设计理念、设计成果，由教师和全体学生对其提问讨论，提出改进建议。实验结束后，各小组进行答辩考核，对实验成果进行展示。建立起“以学生为主体,教师为主导”的实验模式，充分发挥学生的创造性，进一步加深对理论知识的理解，培养学生将理论应用到实践的能力。2.3.2实验室半开放。由于实验室开放时间的限制，许多学有余力的同学不能充分地使用实验室的资源，遏制了他们学习探索的热情，在一定程度上也是对他们能力发展的遏制。对于动手能力较差的同学，课上的时间有限，未能完成安排的任务，他们想要用自己的课余时间来提升操作能力、加快实验进度的想法无法实现。所以，建议实验室半开放管理，学生与教师预约时间即可进入实验室进行操作。实验室半开放管理，为学生提供更丰裕的时间，让他们较好地完成课程，为兴趣浓厚者提供发展的平台。2.3.3分组学习因材施教。由于多方面的原因，造成在同一所高校学习的学生素质差异性很大。其中很大一部分学生理论联系实际和动手操作能力都相对欠缺。[3]针对学生学习状况的差异，可以对不同层次的学生进行不同的教学方案，实验能力稍差的学生，仅需完成部分实验；实验能力较强的学生，可以充分利用实验平台，自主设计开发新型电路，做到分组学习，因材施教。

3结束语

电力行业是我国乃至全世界都不可或缺的行业，人才的竞争也日益激烈，高校的通信工程专业就是培养通信技术人才和相关领域人才的重要基地,其课程体系的研究和实践决定了培养对象将具有的知识、能力和素质结构,同时决定着教育思想能否成为现实。[4]对于电力课程及实验的教学与实践培养了学生所应该具备的知识、能力和素质。在模拟电子技术实验的教学过程中，应以学生为中心，扎实理论知识，充分培养实践能力，发挥他们的创造力，来适应社会对人才日益增长的需求。

参考文献

[1]张坤.模拟电路实验教学改革探索[J].LABORATORYSCIENCE2008，2.

[2]王春静.模拟电路实验教学改革与探索[J].大学教育，2015，6

[3]程春雨.模拟电子技术实验教学改革与实践[J].实验科学与技术，2014，12

第5篇：模拟电路设计原理范文

虚拟实验技术设计与应用

对于模拟电子技术而言，其在虚拟实验技术方面应用的主要软件通常为Multisysim和LabVIEW。前者主要用于进行软件仿真，后者主要用于对一起进行模拟。Multisim是一种基于Windows的仿真工具，利用该工具可以方便的完成模拟电路的设计工作，如原理图的输入、硬件描述、仿真分析等。通过该软件可以对实验电路的工作原理图进行绘制并测量输入信号通过各工作部件后的数据、波形和特性曲线等，可以充分满足不同教学内容的实验要求。它具有丰富的元器件库，还具有多种多样的测试仪表，更为强大的是，对于如数字信号发生器、逻辑分析仪、频谱分析仪、网络分析仪等普通实验室无法配置的高端设备其也可以进行模拟。利用该软件可以轻松完成模拟电路实验的设计，并应用其对电路性能进行仿真分析。

LabVIEW主要用于对仪器进行虚拟，也就是以通用计算机硬件及计算机操作系统为依托，将实验仪器装入计算机，实现各仪器的功能。利用该软件对模拟电子技术实验进行虚拟设计最大的优势在于其更为便捷和可视化的开发环境可以增强仪器的可读性和可用性。其内置的函数库和简易的用户界面可以帮助实现利用文本、图形或者动画等形式组成模拟电路，用虚拟的仪器技术将教学内容和实验内容形象的展示出来。

例如，在进行RC积分电路实验时，若在输入端输入方波信号，理论输出信号波形应该为三角波。真实实验的示波器显示结果为稳态的积分波形，但是实际信号形成过程中还应该存在一段初始积分波形，该部分波形在实际环境中难以通过观察得到，而利用模拟软件完成电路搭建后可以获得整个电路的输出结果图，并进行显示，通过该图可以清晰的看到初始时刻的积分波形，更有助于学生分析和理解。又如，在共射极放大电路的实验仿真中，利用模拟软件可以方便的更改各电位器的阻值，进而对输入和输出信号波形进行观察和分析，通过对比不同结果帮助学生更为深刻的理解共射极放大电路的理论知识，加深学生对该电路中的不同电位器的作用的印象。

在模拟电子技术中应用虚拟实验的优点分析

相较于真实实验而言，虚拟实验具有以下几方面优势。首先，基于软件的实验体系结构节省了在仪器采购方面的费用，可以实现多型号、多功能设备的使用。其次，虚拟实验可以获得与真实实验一样的实验结果，但是在实验地点和实验时间方面更为灵活。再次模拟实验可以允许学生对实验参数灵活修改，并允许学生主动设置实验故障和实验断点，甚至允许学生设计多种有趣的电路，如彩灯控制电路和报警电路等，充分调动学生的积极性。最后，应用模拟实验可以培养学生独立设计电路的能力、对元器件进行分析和选择的能力、对电路的安装于调试的能力、对实验过程进行控制和对实验结果进行分析的能力。

总结

第6篇：模拟电路设计原理范文

【关键词】Proteus软件 模拟电子 数字电子 单片机 辅助作用

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2015）25-0063-02

在现行的教学模式中，提高学生的动手能力、自主分析和创造能力越来越成为教学的主流。但是，面对一个全新的电路课题，学生充满了好奇，而枯燥的理论分析又使他们倍感乏味。Proteus软件的出现使教学更加直观，更有利于学生的理解，能充分调动学生的积极性，并且在模拟电子、数字电子和单片机教学中都起到了很好的辅助作用。

一 Proteus软件功能的介绍

Proteus软件是世界上著名的EDA工具，它从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。它是将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。Proteus独一无二的仿真功能使其广泛应用于科研、教学、设计和研发中。

Proteus系统主要由ISISI电路设计与仿真平台、ProSPICE模数混合模拟式仿真器、VSM单片机/嵌入式系统协同仿真和ARES PCB设计系统等构成，基本结构体系如图1。其中在ISIS中主要进行原理图设计和原理图的调试，而在ARES中则进行PCB设计、3D模型预览和生成制板文件。Proteus软件仿真功能特性如下：

第一，Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千余种元器件，有30多个元件库。

第二，Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意地调用。

第三，除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。

第四，Proteus可提供的调试手段多提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

二 Proteus软件在模拟电子教学中的应用

模拟电子技术是一门综合性强、实践性强、有一定难度的专业基础课。传统教学中存在的问题有：（1）理论教学内容抽象。一个简单三极管的工作特性就让学生不知所措，使其难以接受和理解，学习效率低；（2）面对一个复杂的放大电路，电流的流向、电压的变化以及元器件参数的选择等诸多问题，使教学越发显得枯燥，而学生就更无从下手，致使教学时间投入很多而得不到理想的效果；（3）穿插在教学过程中的实验，需要投入大量的实验装置，另外实验过程中的元件损耗、仪器仪表的不稳定性等诸多问题，很大程度上影响了学生做实验的积极性。

Proteus软件具有强大的电路仿真功能，能够通过探针对节点电压及支路电流进行实时的跟踪，另外，通过各种模拟功能的仪器仪表，对电路进行波形仿真。这增加了电路元器件参数改变的灵活性，很大程度上弥补了传统教学中理论分析的抽象性，以及元件参数的改变对电路功能影响的直观性。下面以单管放大电路为例进行讲述。

如图2为单管放大电路原理图。通过仿真图示仪绘制转移特性曲线，测量并能够计算静态工作点。将输入端对地短路，调节电位器RP2，使Vc=Ec/2（取6～7伏），得出测静态工作点VC、VE、VB及Vb1的数值。

按下式计算IB、IC，并记入表1中。

三 Proteus软件在数字电路教学中的应用

数字电路课程中很多电路的原理比较烦琐，并且也很抽象。所以在教学中可以根据具体的教学内容，采用Proteus软件进行辅助设计与仿真，使理论知识形象而生动，加强学生对知识的理解与掌握。

在数字电路中，最难理解的教学莫过于触发器电路。触发器电路相对于一般的电路增加了反馈电路，使得电路的分析、理解都变得较为困难。Proteus仿真软件的应用使触发器电路的分析变得简单，因为在Proteus仿真下，可以把触发器输入端每一时刻的信号变化对输出的影响都能直观地显示出来。

以基于Proteus软件的彩灯循环电路教学设计为例。在数字电路这门课程的教学实践中，彩灯循环电路是一个非常经典的电路可以帮助学生理解555时基电路、二进制集成计数器CD4040、74LS138译码电路等集成元件的功能。在实际过程中由于学生在连接实际元件电路时可能出现操作错误、损坏元件、增加教学成本。如果在教学中借助仿真软件Proteus软件来仿真该实验，发光二极管旁边的灯变绿表明该等点亮，执行仿真后，绿灯循环闪烁，效果非常明显。

在数字电路中任意进制计数器是教学的重点和难点，传统的教学只能利用板书进行分析，而Proteus的引入直观地把反馈复位、脉冲信号的上升沿和下降沿对计数的影响反映到电路图上，调动了学生学习的积极性，使课堂教学变得灵活而不再呆板。另外，学生在原有基础上可以灵活地进行拓展实验，改变进制并实时进行验证，针对同一项目有了更多的实现方法，提高了学习效率，并打破了传统实验室只能进行单一实验的局限性。

四 Proteus软件在单片机教学中的应用

单片机理论教学特点决定了该课程是一门实践性很强的课程，在教学过程中必须注重软件、硬件的统一。而传统的实验型教学都是在实验室中进行的，致使它往往受到诸如时间、空间和硬件资源等条件的制约，而导致老师教学无特色、学生学习无兴趣，教学效果始终不佳。基于这种情况，结合实际的教学经验，Proteus软件的出现很大程度上弥补了单片机教学中的不足。这种虚拟的实验环境克服了很多条件的限制，丰富了实践性教学的手段，有利于现代教学理念的更新。

以单片机控制交通灯电路为例。在以往的教学中，都是讲授完原理后，直接让学生进行电路元件的焊接和调试，但是硬件资源易损坏、成本高，还要投入大量的人力进行实物调试。在电路焊接完之后，还有可能出现单片机芯片AT89S51，还有二极管因为供电的原因而烧坏，这样就不得不重新领取元件进行焊接，这样既造成了材料的浪费，也造成了时间的浪费，影响了整个学习项目的进度。即使硬件电路没有问题，在软件的烧录过程中，调试需要一遍一遍地在单片机芯片中下载程序，这样大量的重复性过程，也会对学生学习的积极性和兴趣造成不利影响。而在Proteus软件仿真中，将硬件和软件有机结合，通过画原理图在虚拟的环境中进行调试，发现问题可以直接更换，大量地减少了材料和时间的损耗。还可以进行实际效果的演示，既可以直观的看见实际成果，也可以提高学生学习的兴趣。

第7篇：模拟电路设计原理范文

关键词 单片机；虚拟实验；Proteus；Keil

中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）56-0187-01

单片机具有功能强，集成度高，结构简单，应用灵活，易于掌握，可靠性高，价格低廉等优点，在机电一体化、工业控制、家用电器及职能仪表等很多领域得到了广泛的应用，已成为机电产品设备升级改造智能化实现的重要手段。相关的单片机课程也是高校电气信息类及其相关专业的必修课，具有较强的综合性和实践性。该课程以微型计算机原理、数字电子技术、模拟电子技术、电路原理及电机和电器等领域的相关理论，同时要求学生能够通过设计软件进行相关硬件电路的设计、编写调试相关程序、采用软硬件结合的方式来构建具有相应功能的单片机系统。早期的单片机试验系统功能单一，设备比较陈旧，无法满足目前教学实验的要求。

1 单片机虚拟实验系统组成

虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在近似真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。随着计算机技术和仿真软件的发展，虚拟仿真技术得到了广泛的应用。EDA软件PROTEUS除了其具有和其它EDA软件工具一样的原理图输入系统（ISIS）、布图/编辑（ARES）、混合模型仿真功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动性，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源代码级的实时调试，如有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。采用PROTEUS软件的原理图输入功能可以搭建单片机硬件控制系统，结合单片机开发软件Keil uVision4能够实行基于源代码级的调试。Keil调试器具备全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器的当前状态，并且通过设置可与Proteus联机调试单片机系统。另外，利用互联网相关技术可以实现实验室虚拟系统的资源共享，学生可以在教室，图书馆甚至宿舍随时访问单片机虚拟实验系统，进行一些创新性实验。

2 单片机虚拟实验模块电路与软件设计

单片机课程是一门实践性较强的课程，围绕课堂教学内容，需要配套相关实验来巩固和强化，从而培养学生观察力和实际动手能力。单片机虚拟实验首先包括仿真软件PROTEUS和编程软件Keil uVision4综合仿真的技巧和方法，其次是仿真功能模块原理图设计，然后是相关功能软件编程，最后是仿真调试。虚拟仿真软件在单片机课程教学中会结合教学内容进行集体授课，学生可以在自己的电脑上进行学习和演练。根据一些电路原理在PROTEUS设计相关功能的电路，在Keil uVision4中编写单片机C语言控制程序。在掌握这些软件的基础上，进行相关模块的实验设计。配合教学内容，首先是单片机输入输出控制实验。实验内容包括键盘输入、跑马灯控制、数码管驱动技术及继电器控制等。先让学生从简单的功能着手，先搭建单片机最小系统，保证仿真系统能够有效正常运行，通过键盘输入控制跑马灯显示，观测实验效果，通过编程改变跑马灯的运行状态。在数码管驱动实验中，让学生掌握静态和动态显示技术。由于虚拟仿真系统实验结果能立刻直观在电脑屏幕上显示，一些相关和创意等马上得到体验，学生们的积极性很高，也极大增加了他们的学习兴趣。除了一些基本实验模块外，我们还设计了一些数据采集模块，例如基于SPI总线和IIC总线的A/D转换和DAC模拟量输出模块。让学生数字在51系统中如何模拟这两种总线机制，为以后其它芯片的总线驱动打下基础。显示模块中除了常规的数码管显示外，还增加了LCD显示驱动。通讯模块中包括串行通讯模块和多机通讯模块。实验仿真系统模块中除了包含课堂教学重点知识点外，还增加各种其它应用模块，同学们可以根据自己感兴趣的方向选择相关模块。所有这些模块都提供相关硬件原理图、软件模块函数，具有很好的移植性。当需要时，可以直接拷贝调用。

3 单片机虚拟实验系统的优势

采用PROTEUS和Keil uVision4联合仿真实验系统，具有比较明显的优势。1）控制程序可以用Keil uVision4进行汇编或者C51来调试，灵活方便。对于硬件电路设计可以方便进行移植，克服传统实验教学试验中不能更改、实验内容固定等局限性，可以发挥学生的创造性和学习的积极性；2）硬件投入少，更新方便。传统实验设备功能非常单一，实验条件有限。只能实现固定内容的实验。采用PROTEUS所提供的元件库，能够方便搭建各种功能实验，也可以进行创新实验，不用担心硬件额外开销和设备损坏。大大减少实验耗材的消耗。采用虚拟系统的升级也较为方便，只需要定期进行相关软件升级，减少升级周期和节约成本；3）开放性创性实验，锻炼解决实际工程问题的能力。学生可以通过网络访问虚拟实验室的相关资源，进行各种创新性试验，实际工程问题也可以通过虚拟仿真进行验证，再进行硬件的投入，这样既省时又省力而且减少投入，极大地提高了学生的积极性。

4 结论

虚拟试验系统主要采用的软件技术并不能完全代替实物，在单片机课程设计中，学生虚拟完成的控制系统，需要做成实物并得到正确的验证。同时在此期间还有各种电子设计大赛，科研立项以及全国大学生电子设计大赛等，通过这些实际环节的锻炼能有效解决仿真与实际的不足，极大地提高了学生的单片机实际应用能力。

参考文献

[1]周润景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

第8篇：模拟电路设计原理范文

Abstract： By analyzing the PWM baseband digital signal modulation and demodulation principle， proposed use of the 555 timer to realize PWM modulation and use of Butterworth filter achieve demodulation functions . The first use Multisim10 circuit simulation design to determine the actual feasibility. And then use Protel99SE circuit PCB design， reuse rigid machine PCB engraving， welding on components and debugging， the final circuit test results show that the circuit is better to achieve a PWM signal modulation and demodulation.

关键词： PWM；555定时器；调制；解调

Key words： PWM；555 Timer；modulation；demodulation

中图分类号：TN911.72 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）14-0222-04

0 引言

随着现代通信中，数字电路的大量应用，PWM基带信号作为信息处理的中间信号或辅助信号，在实际数字通信终端中是很常见的。由于PWM信号的抗噪声性强，经济，节约空间等优点，目前被很多领域广泛使用。PWM的一个优点就是从处理器到被控系统，信号都是数字形式的，不需要进行数模转换，信号以数字的形式进行传递可以将噪声的影响降到最低，因此实际的模拟信号在传输时大多是先转化为数字信号。

传统的模拟信号调制成PWM信号的过程比较复杂，其大致设计方法将输入的模拟信号经过瞬时抽样，再通过比较器输出[1]。

此电路相对比较繁琐，因此我们尝试通过555定时器的运用寻找一种简便的方法用来实现PWM信号的调制。

1 555定时器调制PWM信号的原理

1.1 电路结构与原理 PWM基带信号调制的电路，由一个555定时器、三个电阻和一个电容构成的，主要功能是将输入的模拟信号转变成数字信号输出。只要将施密特触发器的反相输出端经RC积分电路再接回到它的输入端，便构成了单稳态振荡器。图1为PWM信号调制的原理图，在555定时器的控制端加上一个变化电压Vk进行一系列的调节后，两个比较器的参考电压就发生了变化。当两个参考电压变大或减小后，555电路的阈值电压和触发电压就跟着发生了增大或减小，振荡电路的振荡频率就随之发生了相应的变化，矩形波的宽度就随着控制端输入模拟信号Vk的电压变大而变大，随着输入模拟电压变小而变小，就可以实现PWM—脉冲宽度调制。图1中555定时器的5号脚输入模拟信号，经过PWM信号产生电路，在定时器的3号脚上便可产生PWM信号。

1.2 PWM电路性能分析

1.2.1 PWM的脉宽与调制信号Vk的关系

由RC电路的分析可知：在电容上的电压UC从充、放电开始到变化至某一数值UTH所经过的时间可以用公式（1）计算：

t=RC1n■（1）

其中，UC（0）是电容电压的起始值，UC（∞）是电容电压充、放电的终了值。

PWM电路的输出脉宽随Vk瞬时值变化。由于555定时器控制端加入不同的电压值，将会有不同的阈值电压和触发电压，每次电容充放电所对应的Uc（0）和UTH将会有所不同，所以才会产生不同的电压幅值对应不同的脉冲宽度。

1.2.2 周期T0与调制信号频率的关系

对产生的PWM信号要实现理想的解调，PWM的输出脉冲应反映调制信号的特征。设调制信号的最高频率为fcmax，根据抽样定理，触发信号的频率f0=1/T0>2fcmax，即触发信号周期T0

2 PWM电路特性参数分析

PWM电路对输入信号参数值有一定的范围要求，当激励源的电压值在Y轴负半轴时，电路不能正常进行调制与解调，无法正确输出波形。当其振幅超过了直流电压源的幅值UCC，将会出现了类似情况，因此要选择合适的信号频率和幅值对电路的特性进行研究。在本次研究中Vk采用正弦波和三角波两种信号，当输入模拟信号选择周期为20ms，幅值选为2V，能够实现较理想的结果。

3 PWM信号的解调原理

调制的信号方便在信道上传输，在通信终端还需要将已调信号进行还原。PWM信号的解调电路是由巴特沃斯低通滤波器组成的，将已调信号通过用由一个三极管加上一个非门和两个电阻、一个电容组成的反应中间态信号的电路。中间态信号波形将电容C1的充放电过程反应出来，再将信号通过一个巴特沃斯低通滤波器电路即可将信号解调出来，输出原来的模拟输入信号。解调电路的原理如图2所示。

4 PCB设计

4.1 PCB板图设计 PCB合理布局很关键，如果布局不合理，有时会出现电磁干扰，虚焊等问题。图3为设计的PCB布线图，电路的线宽均为50mil，地线和电源线的线宽略加粗，板图大小为3820mil×2420mil。

4.2 PCB实现 根据PCB线路文件，利用线路板刻制机制作PCB，并进行元器件组装，得到的硬件设计实物图如图4所示。

5 电路仿真设计与硬件测试结果对比

5.1 PWM信号产生电路性能测试 下面从仿真设计的结果和硬件实现结果两方面比较PWM调制电路的性能。

图5 和图6为PWM调制电路的仿真设计结果，以上两图中通道A为模拟信号波形，分别为输入的正弦波和三角波信号，其周期均为20ms，幅值均为2V，通道B为数字信号脉冲，即为PWM基带信号的波形，从图中可以看出在输入模拟信号幅值越大的位置，相应的PWM调制信号的脉宽就越大，幅值越小的位置，响应的PWM调制信号的脉宽就越小。这样PWM产生电路就实现从正弦模拟波形和三角模拟波形转变到数字信号波形的功能，PWM基带信号呈现周期性变化，实现了脉宽调制的目的。

图7和图8为PWM调制电路硬件测试结果，通过将幅度为2V，周期为20ms的原模拟信号和产生的PWM基带信号波形的比较，可以看出在原模拟信号幅度增大的地方，基带信号的脉宽也随之增大；在原模拟信号幅度减小的地方，基带信号的脉宽也随之变小。实现了输出波形的脉宽均随输入幅度的增大而增大，减小而减小，实现了PWM基带信号的调制。

5.2 PWM信号解调电路的性能测试 将PWM信号进行解调是本次研究中关键的一步，因此需要比较输入信号与解调信号来检测解调电路的性能。下面先比较利用Multisim10软件仿真输入为三角波信号时解调结果。

图中波形1为输入模拟信号，波形2为解调输出信号。通过比较软件仿真结果，可以看出解调电路能够较好的将原正弦波信号解调出来。它们的幅度均为2V，周期均为20ms，只是发生了一些相移。相移的主要原因是抖动等。

图10和图11为实物PCB的示波器测试结果。其中波形1为输入的原模拟信号，波形2为解调出的模拟信号。从中可以看出通过滤波器后出来的波形基本体现原模拟信号波形特征，比较理想的完成了滤波功能，由于电磁干扰等原因造成了解调信号的较小失真。

6 结论

使用555定时器实现PWM的方法比较简单，在实际应用中具有可实现性，只要设定合适的触发信号的周期，可以获得对不同类型、不同频率信号的理想调制效果。在实验过程中，由信号发生器产生的信号必须加以电平将其全部转化成正值，才能进行调制，最终得到解调的效果。通过比较仿真设计结果和硬件实现结果，可以看出硬件实现较好地达到了仿真设计的效果。实现了利用PWM多谐振荡器完成从模拟信号向数字信号的转换的功能。

实际解调效果与仿真效果在幅值和频率上相同，但是从波形中可以看出解调信号下部还是有些毛刺，主要原因可能是电磁干扰等外部不可避免的影响，但是总体效果还是不错的。

参考文献：

[1]李莉，胡之惠.PWM基带信号的产生与检测[J].上海师范大学学报，2002，9：31-36.

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[3]路而红.虚拟电子实验室-Multisim7&Ultiboard7[M].北京.人民邮电出版社，2005，5：1-21.

[4]陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京.机械工业出版社，2001：143-147.

[5]昌盛，巫秋明.Protel99电路设计[M].北京.人民交通出版社，2000：46-94.

[6]莫力.Protel电路设计[M].北京.国防工业出版社，2005，1：1-33.

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[8]蒋黎红，黄培根，朱维婷等.模电数电基础实验及Multisim7仿真.杭州.浙江大学出版社，2007，3：1-16.

[9]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用.北京.电子工业出版社，2008，1：33-38.

[10]张义和.Protel PCB 99设计与应用技巧.北京.科学出版社，2000，6：286-322

[11]周凯.EWB虚拟电子实验室-Multisim7&Ultiboard7电子

第9篇：模拟电路设计原理范文

关键词：电子类课程设计；Multisim；Keil+Proteus l；Protel99

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）32-0165-02

一、引言

高校电子类课程是电子信息、通信、电气自动化等工科专业最重要的课程，由于电子类的课程如电路、模拟电路、数字电路、高频电子线路、微机原理以及单片机等学科是多理论多实践性的学科，往往在传统的教学中教师注重理论讲解，由于实验条件的限制，学生也不能及时地验证和应用这些理论知识，即使有课内实验，但实验课时少且一般都使用现成的电子实验箱完成一些验证性实验，使学生达不到很好的实践动手能力，因此，在每门电子类课程结束后，用一到两周的时间由学生根据所学内容完成相关电子类课程的设计对提高学生对电子类课程知识的理解和实践有很大的作用。而在电子类课程设计中，根据课程内容的不同使用相关仿真软件的辅助设计，可以提前预知设计的结果，方便修改参数和改正错误的设计能有效地提高设计效率，降低设计成本等优点。下面将介绍各们电子类课程设计以及适合该们课程相关的仿真软件。

二、电子类课程以及辅助仿真软件

根据电子类课程的特点，分为无需编程的和有需要编程的课程，有需要印制电路板和简单面包板可设计的内容。不同的需要则在进行电子类课程设计的时候使用的辅助软件则不同，下面将分别介绍。

1.无需编程的电子类课程设计和相关的辅助软件。在电子类课程中，电路、模拟电路、数字电路、高频电子线路等课程中不涉及微机控制的电子硬件设计不需要编程，则可以使用Multisim电路仿真软件。Multisim仿真软件是由加拿大Interactive Image Technologies公司基于Windows的电子线路设计工具，后由美国国家仪器公司NI收购，并推出性能更强大的电子线路仿真软件Multisim9～12版本且与Labview完美结合，具有丰富模拟、数字器件、FPGA器件和仪器仪表等仿真元器件，该软件包含电路仿真（Multisim）、PCB设计（Ultiboard）、布线（Ultiroute）以及通信分析与设计（Commsim）四个部分[1]。该软件可以仿真电路里的基本电路分析原理，三相交流电，模拟电子技术中的运算放大电路、滤波、整流、稳压等电路，也可仿真数电里的基本逻辑电路、组合逻辑电路和时序逻辑电路，以及高频电子线路课程中的高频信号的调制解调等电路，其虚拟仪器仪表种类齐全如示波器、函数发生器等，也有强大的电路分析功能，可进行直流工作点分析、瞬态分析、傅里叶分析等。适用于模拟、数字电路的设计与仿真。

2.需编程的电子类课程设计和相关的辅助软件。在电子类课程中，微机原理以及单片机原理与应用的课程设计相对较为基础的模拟电子技术和数字电子技术，要求由软件编程，需要掌握汇编或者C语言等相关的编程语言，针对这样的课程设计，可以使用编程软件Keil+电路仿真软件Proteus。Proteus软件比Multisim在单片机以及微机仿真中具有更完善的性能[2]。Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的是世界上著名的EDA工具。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。它是目前最好的仿真单片机及器件的工具。从原理图绘制、代码调试到单片机与电路协同仿真，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12 /16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器[3]。

Keil是一款单片机开发系统平台，支持汇编、C语言、PLM、以及混合编程。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。无需连接单片机硬件而进行纯软件仿真，具有跟踪、调试、复杂断点等功能，能生成在线仿真和烧录到芯片所需的HEX文件等[3]。用Proteus设计电路时，无需画出单片机的最小系统，晶振频率在单片机里手动改变即可。在仿真的时候只需将Keil编译器里调试好的程序生成的HEX文件加载到Proteus的微机芯片上即可，点击仿真按钮，可立即观看到电路的仿真效果图。若进行硬件调试时，只需将Keil编译器生成的HEX文件通过串口调试助手下载到单片机等微机芯片上，即可进行实物的硬件联合软件的调试。有编程软件和微机硬件电路软件的结合，能更好的辅助学生在微机和单片机课程方面的设计，有效提高设计效率和增强学生的兴趣和动手能力。

3.需印制电路板的电子类课程设计。一般电子类课程设计中如果需要印制电路板，如将模拟电路、数字电路或者单片机等相关电路需要印制电路板时，则使用市场上已经十分成熟的Protel软件，其常用的版本有Protel99或Protel200。该软件是Altium公司开发的EDA软件，具有电路原理图设计功能、自动布线功能、原理图混合信号仿真功能、印制电路板设计功能以及PLD设计功能。而Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能，如拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。Protel在设计电路板方面具有庞大的常用的各种元器件以及相关封装的元件库，随着版本的升级以及各位设计者的填补，元器件库也相应的随电子器件的增加而完善，也可以自己绘制元器件以及相关封装，建立自己常用的元器件库。Protel在PCB制图上面具有其他相关软件无法比拟的功能，设计者将绘制好的电路原理图转换成PCB图，排列好元器件，设计者可以手动或者自动布线，通过了电气规则测试后，即可将PCB图印制成电路板，焊接好元器件，进行电气测试后便可以进行硬件的调试[4]。

三、结论

在电子类课程设计中，根据课程内容的不同使用相关仿真软件的辅助设计，可以预知设计的结果，方便设计中各种元器件参数以及错误设计的修改，能形象生动的跟踪过程，仿真测试通过后再进行实物的硬件和软件设计，将获得事半功倍的效果。克服了传统设计周期长、成本高等缺点，能有效地提高设计的效率和降低设计成本等优点。

参考文献：

[1]黄智伟，李传琦，邹其洪.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，2008.

[2]李现国，张艳.Proteus仿真在微机原理及接口技术教学中的应用[J].实验技术与管理，2010，279（12）：125-127.

[3]马华玲，Proteus+keil在单片机教学中的应用[J].高等函授学报，2012，25（4）：26-27.