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電路設(shè)計(jì)步驟范文1
關(guān)鍵詞： 組合邏輯電路；Multisim ；仿真
0 引言
組合邏輯電路是指在任何時(shí)刻，輸出狀態(tài)只決定于同一時(shí)刻各輸入狀態(tài)的組合，而與電路以前狀態(tài)無(wú)關(guān)，而與其他時(shí)間的狀態(tài)無(wú)關(guān)。組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)是數(shù)字電路中一個(gè)重要組成部分[1]，對(duì)于初學(xué)者和大多數(shù)電子設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，掌握了一定的基本分析和設(shè)計(jì)方法后，設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)果仍然不夠理想，特別是經(jīng)過(guò)實(shí)際焊接電路或在面包板上搭接電路，再用儀表和分析儀器來(lái)分析判斷結(jié)果后，設(shè)計(jì)達(dá)不到要求，就要重新設(shè)計(jì)，反反復(fù)復(fù)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，浪費(fèi)材料，而且在搭接電路過(guò)程中由于焊接而帶來(lái)的虛焊、漏焊等接觸不良現(xiàn)象，可能引發(fā)一系列電路問(wèn)題，這些都極大的消弱設(shè)計(jì)者的積極性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和電路設(shè)計(jì)仿真軟件不斷出現(xiàn)，運(yùn)用電路設(shè)計(jì)仿真軟件設(shè)計(jì)電路，是提高組合邏輯電路設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)能力的有效方法[2]。
Multisim軟件是加拿大Interactive Image Technologies
公司（圖像交互技術(shù)公司，簡(jiǎn)稱IIT公司）在1998年推出EWB5.0
（Electronic Workbench，稱為“虛擬電子實(shí)驗(yàn)室”）的基礎(chǔ)上推出的一款更高版本的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件[3-4]。將Multisim軟件應(yīng)用于數(shù)字電路教學(xué)和科研中，可以使組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)潔、方便，有利于更好更快的達(dá)到組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)的目的。
因此本文利用四輸入表決電路設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和Multisim軟件設(shè)計(jì)方法過(guò)程。
1 傳統(tǒng)組合邏輯電路設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)組合邏輯電路設(shè)計(jì)一般步驟為：分析任務(wù)要求列出真值表，通過(guò)真值表求出邏輯表達(dá)式并根據(jù)器件化簡(jiǎn)，畫出邏輯電路圖，最后根據(jù)邏輯電路圖構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證結(jié)果。邏輯化簡(jiǎn)是組合邏輯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一，為了使電路簡(jiǎn)單、使用器件少，要求邏輯表達(dá)式盡可能簡(jiǎn)化。但是考慮電路選取器件、穩(wěn)定可靠等要求，最簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)往往不是最終的邏輯表達(dá)式[5]。下面就以設(shè)計(jì)四輸入表決電路為例來(lái)分析組合邏輯電路設(shè)計(jì)的一般步驟過(guò)程。
2.1 四輸入表決電路分析
現(xiàn)在有四輸入表決電路如圖1所示，這一電路具有怎樣的功能呢？邏輯轉(zhuǎn)換儀提供了八個(gè)輸入和一個(gè)輸出端，我們將待分析電路連到邏輯轉(zhuǎn)換
儀的輸入和輸出端上，如圖3所示，按下按鈕①，可以將待分析電路轉(zhuǎn)換為真值表，此時(shí)可以接著按下按鈕②或③，將會(huì)把真值表轉(zhuǎn)換為邏輯表達(dá)式。利用此方法在分析組合邏輯電路時(shí)，可以省去復(fù)雜的邏輯計(jì)算，使得分析復(fù)雜組合邏輯電路變得更加簡(jiǎn)單。
2.2 四輸入表決電路設(shè)計(jì)
最后，需要驗(yàn)證邏輯電路設(shè)計(jì)，我們可以直接在Multisim
電路設(shè)計(jì)步驟范文2
關(guān)鍵詞 分析設(shè)計(jì)法；電氣控制；原理圖
中圖分類號(hào)：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0124-01
1 分析設(shè)計(jì)法
分析設(shè)計(jì)法是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電氣控制的要求，收集、分析、參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的同類生產(chǎn)機(jī)械的電氣控制電路，利用基本控制環(huán)節(jié)和典型控制單元電路，按各部分的作用和聯(lián)系組合起來(lái)，經(jīng)過(guò)補(bǔ)充、修改和綜合處理，以滿足控制要求的完整電路。
1）設(shè)計(jì)主電路：按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速和制動(dòng)的主電路。
2）設(shè)計(jì)控制電路：設(shè)計(jì)滿足主電路各電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求的控制電路。
3）特殊控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)：連接各單元環(huán)節(jié)構(gòu)成滿足整機(jī)生產(chǎn)工藝要求，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)運(yùn)行的控制電路。
4）輔助控制電路設(shè)計(jì)：對(duì)保護(hù)、聯(lián)鎖、檢測(cè)等控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。
2 分析設(shè)計(jì)法的步驟
1）主電路設(shè)計(jì)：按照產(chǎn)品工藝，對(duì)電動(dòng)機(jī)提出的起動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)和制動(dòng)的要求，設(shè)計(jì)主電路。
2）基本控制電路設(shè)計(jì)：根據(jù)主電路運(yùn)行的要求，設(shè)計(jì)出基本的控制電路。
3）特殊控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)：根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的特殊要求，設(shè)計(jì)特殊控制環(huán)節(jié)。
4）聯(lián)鎖保護(hù)控制的設(shè)計(jì)。
5）綜合檢查、完善和簡(jiǎn)化電路，必要時(shí)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
3 分析設(shè)計(jì)法之設(shè)計(jì)舉例
橫梁升降機(jī)構(gòu)的電氣控制設(shè)計(jì)：
1）主電路設(shè)計(jì)。橫梁升降機(jī)構(gòu)控制：按照設(shè)計(jì)要求，分別由電動(dòng)機(jī)M1，來(lái)拖動(dòng)橫梁的升降。用電動(dòng)機(jī)M2，來(lái)拖動(dòng)橫梁的夾緊。并且按要求兩臺(tái)電機(jī)要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，采用四只接觸器kM1、kM2、kM3、kM4分別控制兩臺(tái)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，如圖1所示，為主電路。
圖1 主電路
2）控制電路基本環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。橫梁的升降調(diào)整運(yùn)動(dòng)：采用四只接觸器kM1、kM2、kM3、kM4分別控制兩臺(tái)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。用上升點(diǎn)動(dòng)按鈕SB1和下降點(diǎn)動(dòng)按鈕SB2，通過(guò)中間繼電器KA1和KA2實(shí)現(xiàn)對(duì)四只接觸器kM1、kM2、kM3和kM4的控制。如圖2所示。
圖2 基本控制電路
3）控制電路特殊環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。橫梁上升運(yùn)動(dòng)：使夾緊電機(jī)M2先工作至橫梁放松后，M2停止工作，同時(shí)M1升降電機(jī)工作，帶動(dòng)橫梁上升。橫梁下降運(yùn)動(dòng)：先放松再下降控制，下降結(jié)束后有短時(shí)回升運(yùn)動(dòng)，用斷電延時(shí)型時(shí)間繼電器kT進(jìn)行控制。如圖3所示。
4）聯(lián)鎖保護(hù)控制的設(shè)計(jì)。限位保護(hù)，由行程開(kāi)關(guān)SQ2上升限位，SQ3擰下降限位控制。互鎖保護(hù)：KA1控鍆上升與下降的互鎖，kA2控夾緊與放松互鐺。短路保護(hù)：由熔斷器FU1、FU2和FU3執(zhí)行。經(jīng)過(guò)上述多次修正，使橫梁升降電氣控制電路達(dá)到完善，如圖3所示。
圖3 修正后的橫梁升降電氣控制電路
4 結(jié)束語(yǔ)
分析設(shè)計(jì)法，步驟清晰，循序漸進(jìn)，簡(jiǎn)單易掌握。一張比較完善的電氣控制原理圖完成后，應(yīng)反復(fù)審核電路工作情況，并安裝控制電路運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修正電路，以滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。
參考文獻(xiàn)
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[2]麥崇裔編著.電氣控制與技能練[M].電子工業(yè)出版社，2010.
電路設(shè)計(jì)步驟范文3
【關(guān)鍵詞】Pspice 模擬電子電路 電子電路設(shè)計(jì)
在電氣、電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等類型的專業(yè)中，模擬電子電路設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)的技術(shù)課程，其理論知識(shí)較為抽象且電路的原理較為復(fù)雜，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)比較困難，教師也難以教好。本文提出將Pspice應(yīng)用在模擬電子電路設(shè)計(jì)中，有了該軟件，就等于有了電路以及實(shí)驗(yàn)室，完美地將理論與實(shí)踐結(jié)合，為教師和學(xué)生提供便利。
1 Pspice軟件概述
Pspice軟件由Schematics（電路模擬器）、Pspice（仿真軟件的數(shù)據(jù)處理器）、Probe（軟件的圖形后期處理器）、Stmed（產(chǎn)生信號(hào)的工具）、Parts（為器件建立模型的工具）和Pspice Optimizer（軟件的優(yōu)化設(shè)置工具）等組成，能夠提供強(qiáng)大的電路圖繪制、電路模擬仿真、圖形后期處理等功能。
Pspice包括以下主要功能：直流特性分析，其中包囊直流靜態(tài)工作點(diǎn)分析、直流靈敏度分析、直流掃描分析以及直流小信號(hào)傳遞函數(shù)值分析；交流掃描分析，包括頻率特性分析和噪聲分析；瞬態(tài)特性分析；蒙特卡羅分析；溫度特性和參數(shù)掃描分析；最壞情況分析等。
在設(shè)計(jì)電子電路期間，以既定的功能及技術(shù)參數(shù)來(lái)制定設(shè)計(jì)方案，可以應(yīng)用Pspice模擬和連接電路并檢測(cè)電路設(shè)計(jì)有無(wú)達(dá)到預(yù)期效果，也可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)電路的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，不斷測(cè)試、觀察輸出的波形，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以便取得電路的最優(yōu)技術(shù)指標(biāo)，為電路設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性評(píng)價(jià)提供便利。此外，還能夠分析容差、敏捷性、最壞狀況、溫度特性等，這些都是傳統(tǒng)的方法難以完成的，還能夠比較各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，方便選擇最優(yōu)的方案，使電路設(shè)計(jì)最優(yōu)化。
2 Pspice軟件的仿真實(shí)例
Pspice軟件在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以提高教學(xué)效率，仿真電路的步驟大致分為五步：第一，繪制電路圖；第二，分析電路的特性和仿真參數(shù)；第三，仿真測(cè)驗(yàn)；第四，顯示仿真的結(jié)果；第五，分析并輸出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。下面對(duì)Pspice軟件的仿真實(shí)例進(jìn)行分析。
2.1 限幅電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
限幅電路的示意圖如圖1所示，二極管的型號(hào)為DIN4148，電阻為1kΩ，電源電壓為3伏特，當(dāng)輸入電壓達(dá)到6sin wt的時(shí)候，電路要達(dá)到限制輸入電壓幅值的目的。
設(shè)置直流掃描分析以及瞬態(tài)分析，得出輸入電壓Ui以及輸出電壓U0的波形，如圖2所示，可見(jiàn)電路對(duì)輸入電壓幅值的限制效果。
在限幅電路的瞬態(tài)分析結(jié)果示意圖中可見(jiàn)（圖3），當(dāng)輸入的電壓超出固定范圍時(shí)，超出的部分就會(huì)被截止，這樣就能使信號(hào)的電壓在一定的幅值內(nèi)，防止電路受信號(hào)電壓的影響出現(xiàn)故障。
2.2 RC正弦振蕩電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
RC振蕩電路在電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，振蕩電路在自動(dòng)進(jìn)行振蕩的過(guò)程中，其達(dá)到平衡的條件所花費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)極短，在課堂上，教師直接講授相關(guān)的理論會(huì)令學(xué)生難以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)理解并掌握，因?yàn)閷W(xué)生難以根據(jù)抽象的理論想象出波形。就此，將Pspice運(yùn)用到其中，可以觀察出振蕩電路建立振蕩的過(guò)程以及振蕩器在穩(wěn)定之后的波形，同時(shí)，可以改變電阻或電容，觀察其對(duì)振蕩電路會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響，更加便捷、直觀地掌握振蕩電路的設(shè)計(jì)原理及運(yùn)行原理。
3 總結(jié)
從上述的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中可知，在模擬電子電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用Pspice能夠使設(shè)計(jì)仿真的效果精準(zhǔn)且直觀形象，為電子電路的設(shè)計(jì)提供極大便捷。Pspice是應(yīng)用極廣的電路設(shè)計(jì)及分析軟件，具有繪制電路圖、模擬仿真電路、圖形后期處理等強(qiáng)大功能，在建立真實(shí)的電路之前，在該軟件上設(shè)計(jì)、繪制仿真電路，依據(jù)具體的需求來(lái)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，斷定電路設(shè)計(jì)是否科學(xué)、性能是否可靠、能否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求、有無(wú)必要修改電路等，還可以對(duì)元件的變化會(huì)對(duì)電路造成怎樣的影響進(jìn)行綜合評(píng)估，同時(shí)也能對(duì)一些電路的特性進(jìn)行測(cè)量分析。總之，Pspice的應(yīng)用能夠?yàn)殡娮与娐返哪M仿真設(shè)計(jì)帶來(lái)很好的內(nèi)外部條件，幫助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出最優(yōu)電路，提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的掌握速率，從根本上減少成本支出，使電路設(shè)計(jì)最優(yōu)化，提高電路性能的可靠性，是模擬電子電路設(shè)計(jì)中必不可少的仿真設(shè)計(jì)軟件。
參考文獻(xiàn)
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電路設(shè)計(jì)步驟范文4
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所要求解決的問(wèn)題日趨復(fù)雜，與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，要想使如此復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零出錯(cuò)率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯(cuò)性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下的適應(yīng)能力。對(duì)于如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍(lán)本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過(guò)千萬(wàn)年基因進(jìn)化，使得人體可以在某些細(xì)胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進(jìn)行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機(jī)理，科學(xué)家們研究出可進(jìn)化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可進(jìn)化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過(guò)自我重構(gòu)消除錯(cuò)誤，而且可以在設(shè)計(jì)要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過(guò)自我重構(gòu)來(lái)使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴(yán)格地說(shuō)，EHW具有兩個(gè)方面的目的，一方面是把進(jìn)化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)中；另一方面是硬件具有通過(guò)動(dòng)態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實(shí)現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)化算法在電子設(shè)計(jì)中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計(jì)方法；后者強(qiáng)調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機(jī)理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個(gè)方面的問(wèn)題。
對(duì)EHW的研究主要采用了進(jìn)化理論中的進(jìn)化計(jì)算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設(shè)計(jì)算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設(shè)計(jì)中以現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來(lái)進(jìn)行的。此外還有建立在晶體管級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個(gè)可靠的平臺(tái)。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的相關(guān)知識(shí)，并以數(shù)字電路為例介紹可進(jìn)化硬件設(shè)計(jì)方法。
1．1遺傳算法
遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進(jìn)化的思想，將欲求解問(wèn)題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個(gè)體。先通過(guò)初始化隨機(jī)產(chǎn)生一群個(gè)體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問(wèn)題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制選擇個(gè)體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個(gè)體，即重疊種群），如此進(jìn)化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問(wèn)題的最優(yōu)解為止。
1．2現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)
現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT,LookupTable)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。當(dāng)用戶通過(guò)原理圖或硬件描述語(yǔ)言（HDL）描述了一個(gè)邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)軟件會(huì)把設(shè)計(jì)方案通過(guò)編譯形成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流下載至RAM中。這些RAM中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用，灌入不同的數(shù)據(jù)流就會(huì)獲得不同的硬件系統(tǒng)，這就是可編程特性。這一特性是實(shí)現(xiàn)EHW的重要特性。目前在可進(jìn)化電子電路的設(shè)計(jì)中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。
2進(jìn)化電子電路設(shè)計(jì)架構(gòu)
本節(jié)以設(shè)計(jì)高容錯(cuò)性的數(shù)字電路設(shè)計(jì)為例來(lái)闡述EHW的設(shè)計(jì)架構(gòu)及主要設(shè)計(jì)步驟。對(duì)于通過(guò)進(jìn)化理論的遺傳算法來(lái)產(chǎn)生容錯(cuò)性，所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)可以看作一個(gè)具有持續(xù)性地、實(shí)時(shí)地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對(duì)于電子電路來(lái)說(shuō)，所謂的變化的來(lái)源很多，如硬件故障導(dǎo)致的錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)要求和規(guī)則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現(xiàn)）等。
從進(jìn)化論的角度來(lái)看，當(dāng)這些變化發(fā)生時(shí)，個(gè)體的適應(yīng)度會(huì)作相應(yīng)的改變。當(dāng)進(jìn)化進(jìn)行時(shí)，個(gè)體會(huì)適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度。基于進(jìn)化論的電子電路設(shè)計(jì)就是利用這種原理,通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行多次地進(jìn)化來(lái)提高其適應(yīng)變化的能力。
電子電路進(jìn)化設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計(jì)的兩種進(jìn)化，分別是內(nèi)部進(jìn)化和外部進(jìn)化。其中內(nèi)部進(jìn)化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)化，而外部進(jìn)化是指軟件模擬的電路的進(jìn)化。這兩種進(jìn)化是相互獨(dú)立的，當(dāng)然通過(guò)外部進(jìn)化得到的最終設(shè)計(jì)結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來(lái)實(shí)際體現(xiàn)。從圖中可以看出，進(jìn)化過(guò)程是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，其中是根據(jù)進(jìn)化算法（遺傳算法）的計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行的。整個(gè)進(jìn)化設(shè)計(jì)包括以下步驟：
（1）根據(jù)設(shè)計(jì)的目的，產(chǎn)生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數(shù)據(jù)串）來(lái)表示，其中每個(gè)個(gè)體表示的是設(shè)計(jì)的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA上，用來(lái)定義FPGA的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié)，形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來(lái)設(shè)計(jì)進(jìn)化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載，而不會(huì)導(dǎo)致器件的損害。
（2）將設(shè)計(jì)結(jié)果與目標(biāo)要求進(jìn)行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準(zhǔn)則。這需要一定的檢測(cè)手段和評(píng)估軟件的支持。對(duì)不同的個(gè)體，根據(jù)適應(yīng)度進(jìn)行排序，下一代的個(gè)體將由最優(yōu)的個(gè)體來(lái)產(chǎn)生。
（3）根據(jù)適應(yīng)度再對(duì)新的個(gè)體組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果挑選一些個(gè)體。一
部分被選個(gè)體保持原樣，另一部分個(gè)體根據(jù)遺傳算法進(jìn)行修改，如進(jìn)行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應(yīng)性的下一代。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA中對(duì)硬件進(jìn)行進(jìn)化。
（4）重復(fù)上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個(gè)體，直到新的個(gè)體表示的設(shè)計(jì)方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。
一般來(lái)說(shuō)通過(guò)遺傳算法最后會(huì)得到一個(gè)或數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，最后設(shè)計(jì)方案具有對(duì)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性。這一過(guò)程又叫內(nèi)部進(jìn)化或硬件進(jìn)化。
圖中的右邊展示了另一種設(shè)計(jì)可進(jìn)化電路的方法，即用模擬軟件來(lái)代替可重構(gòu)器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構(gòu)器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進(jìn)化或軟件進(jìn)化。這種方法中進(jìn)化過(guò)程完全模擬進(jìn)行，只有最后的結(jié)果才在器件上實(shí)施。
進(jìn)化電子電路設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過(guò)程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個(gè)體變異的程度，也關(guān)系到個(gè)體對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，而這兩個(gè)因素相互抵觸。變異因子越大，個(gè)體更容易適應(yīng)環(huán)境變化，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的錯(cuò)誤做出快速反應(yīng)，但個(gè)體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時(shí)，系統(tǒng)的反應(yīng)力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計(jì)方案時(shí)可以保持穩(wěn)定。
對(duì)于可進(jìn)化數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，可以在兩個(gè)層面上進(jìn)行。一個(gè)是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)化設(shè)計(jì)，一個(gè)是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進(jìn)行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進(jìn)化細(xì)胞機(jī)（CellularAutomaton）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只需要定義整個(gè)模塊的適應(yīng)度，而對(duì)于每一模塊如何實(shí)現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬，對(duì)于超大規(guī)模線路的設(shè)計(jì)可以采用這一方法來(lái)將電路進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3可進(jìn)化電路設(shè)計(jì)環(huán)境
上面描述的軟硬件進(jìn)化電子電路設(shè)計(jì)可在圖2所示的設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行。這一設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境對(duì)于測(cè)試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在FPGA可重構(gòu)硬件上的進(jìn)化設(shè)計(jì)很有用處。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包、FPGA開(kāi)發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件、適應(yīng)度評(píng)估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。
遺傳算法由計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的一個(gè)程序包實(shí)現(xiàn)。由它來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)化計(jì)算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過(guò)通信電纜由計(jì)算機(jī)下載到有FPGA器件的實(shí)驗(yàn)板上。然后通過(guò)接口將布線結(jié)果傳回計(jì)算機(jī)。適應(yīng)度評(píng)估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上，一個(gè)接口碼將GA與硬件連接起來(lái)，可能的設(shè)計(jì)方案在此得到評(píng)估。同時(shí)還有一個(gè)圖形用戶接口以便于設(shè)計(jì)結(jié)果的可視化和將問(wèn)題形式化。通過(guò)執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會(huì)產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實(shí)驗(yàn)板上。至于通過(guò)軟件進(jìn)化的電子電路設(shè)計(jì)，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過(guò)仿真軟件來(lái)仿真電路的運(yùn)行情況，通過(guò)相應(yīng)軟件來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果。
4結(jié)論與展望
進(jìn)化過(guò)程廣義上可以看作是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在這個(gè)意義上，可以將“可進(jìn)化”這一特性運(yùn)用到無(wú)數(shù)的人工系統(tǒng)中，只要這些系統(tǒng)的性能會(huì)受到環(huán)境的影響。不僅是遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能工程以及胚胎學(xué)都可以應(yīng)用到可進(jìn)化系統(tǒng)中。雖然目前設(shè)計(jì)出的可進(jìn)化硬件還存在著許多需要解決的問(wèn)題，如系統(tǒng)的魯棒性等。但在未來(lái)的發(fā)展中，電子電路可進(jìn)化的設(shè)計(jì)方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)的復(fù)雜性將不再成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的障礙。另一方面，硬件本身的自我重構(gòu)能力對(duì)于那些在復(fù)雜多變的環(huán)境，特別是人不能直接參與的環(huán)境工作的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)將帶來(lái)極大的影響。因此可進(jìn)化硬件的研究將會(huì)進(jìn)一步深入并會(huì)得到廣泛的應(yīng)用而造福人類。
電路設(shè)計(jì)步驟范文5
關(guān)鍵詞：學(xué)分制；“數(shù)字電子技術(shù)”；項(xiàng)目式；教學(xué)研究
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）45-0194-04
一、引言
內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)積極推動(dòng)本科教學(xué)，提出本科生的完全學(xué)分制教育，將“數(shù)字電子技術(shù)”課程的學(xué)時(shí)壓縮至54學(xué)時(shí)，留出更多的時(shí)間讓學(xué)生來(lái)主動(dòng)學(xué)習(xí)和增強(qiáng)動(dòng)手能力。筆者試圖在“數(shù)字電子技術(shù)”課程的基礎(chǔ)教學(xué)中增加一個(gè)項(xiàng)目式教學(xué)環(huán)節(jié)，它使學(xué)生自己通過(guò)設(shè)計(jì)和搭建一個(gè)實(shí)用電子產(chǎn)品雛形，鞏固和加深在“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)中的基本技能，訓(xùn)練電子產(chǎn)品制作時(shí)的動(dòng)手能力。這需要研究出適合學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)出符合要求的電路，從而掌握數(shù)字電路的一般設(shè)計(jì)方法和步驟，訓(xùn)練并提高學(xué)生在文獻(xiàn)檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力，同時(shí)為畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)以后從事電子技術(shù)方面的科研和開(kāi)發(fā)打下一定的基礎(chǔ)[1]。
二、項(xiàng)目式教學(xué)的目的
通過(guò)數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目式教學(xué)，使學(xué)生能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，能合理、靈活地應(yīng)用各種標(biāo)準(zhǔn)集成電路（SSI、MSI、LSI等）器件實(shí)現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng)[2]。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立準(zhǔn)備資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力，培養(yǎng)學(xué)生書寫綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力[3]。
三、項(xiàng)目式教學(xué)的步驟
學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)教師步驟的項(xiàng)目任務(wù)，從選擇設(shè)計(jì)方案開(kāi)始，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)[4]；選擇合適的器件，畫出設(shè)計(jì)電路圖；通過(guò)安裝、調(diào)試，直至實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的全部功能，對(duì)電路要求布局合理，走線清晰，工作可靠，經(jīng)驗(yàn)收合格后，寫出完整的課程設(shè)計(jì)報(bào)告[5]。
1.總體方案選擇。設(shè)計(jì)電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設(shè)計(jì)任務(wù)要求及性能指標(biāo)，用具有一定功能的若干單元電路組成一個(gè)整體，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)提出的各項(xiàng)要求和技術(shù)指標(biāo)[6]。設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往有多種方案可以選擇，應(yīng)針對(duì)任務(wù)要求，查閱資料，權(quán)衡各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選優(yōu)。
2.單元電路的設(shè)計(jì)。（1）設(shè)計(jì)單元電路的一般方法和步驟：①根據(jù)設(shè)計(jì)要求和選定的總體方案原理圖，確定對(duì)各單元電路的設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)應(yīng)詳細(xì)擬定主要單元電路的性能指標(biāo)。②擬定出各單元電路的要求后，對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。③單元電路設(shè)計(jì)應(yīng)采用符合的電平標(biāo)準(zhǔn)。（2）元器件的選擇。針對(duì)數(shù)字電路的課程設(shè)計(jì)，在搭建單元電路時(shí)，對(duì)于特定功能單元選擇主要集成塊的余地較小。比如時(shí)鐘電路選555，轉(zhuǎn)換電路選0809，譯碼及顯示驅(qū)動(dòng)電路也都相對(duì)固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過(guò)選擇參數(shù)來(lái)確定集成塊型號(hào)。一個(gè)電路設(shè)計(jì)，單用數(shù)字電路課程內(nèi)容是不夠的，往往同時(shí)摻有線性電路元件和集成塊，因此還需熟悉相應(yīng)內(nèi)容，比如運(yùn)算放大器的種類和基本用法、集成比較器和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法。總之，構(gòu)建單元電路時(shí)，選擇器件的電平標(biāo)準(zhǔn)和電流特性很重要。普通的門電路、時(shí)序邏輯電路、組合邏輯電路、脈沖產(chǎn)生電路、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、采樣和存儲(chǔ)電路等，參數(shù)選擇恰當(dāng)可以發(fā)揮其性能并節(jié)約設(shè)計(jì)成本。
單元電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，阻容元件的選擇也很關(guān)鍵。它們的種類繁多，性能各異。優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)可以使其功能多樣化、完整化。
3.單元電路調(diào)整與連調(diào)。數(shù)字電路設(shè)計(jì)以邏輯關(guān)系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關(guān)系與它們之間的正確傳遞決定了設(shè)計(jì)內(nèi)容的成敗。具體步驟要求每一個(gè)單元電路都須經(jīng)過(guò)調(diào)整，有條件的情況下可應(yīng)用邏輯分析儀進(jìn)行測(cè)試，確保單元正確。各單元之間的匹配連接是設(shè)計(jì)的最后步驟，主要包含兩方面，分別是電平匹配和驅(qū)動(dòng)電流匹配。它也是整個(gè)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵一步。
4.衡量設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。工作穩(wěn)定可靠；能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚浑娐泛?jiǎn)單，成本低，功耗低；器件數(shù)目少，集成體積小，便于生產(chǎn)和維護(hù)。
5.課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求。課程設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容：對(duì)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述；設(shè)計(jì)任務(wù)及其具體要求；總體設(shè)計(jì)方案方框圖及各部分電路設(shè)計(jì)（含各部分電路功能、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、電路設(shè)計(jì)原理圖及其功能闡述、所選用的集成電路器件等）；整機(jī)電路圖（電路圖應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯符號(hào)繪制，電路圖中應(yīng)標(biāo)明接線引出端名稱、元件編號(hào)等）；器件清單；調(diào)試結(jié)果記錄；課程設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊、數(shù)據(jù)翔實(shí)。
四、項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)例
1.實(shí)例簡(jiǎn)述。為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過(guò)，往往都采用自動(dòng)控制的交通信號(hào)燈來(lái)進(jìn)行指揮。其中紅燈（R）亮表示該條道路禁止通行；黃燈（Y）亮表示停車；綠燈（G）亮表示允許通行。交通燈控制器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2.設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。設(shè)計(jì)一個(gè)十字路通信號(hào)燈控制器，其要求如下。
（1）滿足如圖2的順序工作流程。圖中設(shè)南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR、NSY、NSG，東西方向的紅、黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG。它們的工作方式，有些必須是并行進(jìn)行的，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮。
（2）應(yīng)滿足兩個(gè)方向的工作時(shí)序，即東西方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于南北方向亮黃、綠燈時(shí)間之和，南北方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于東西方向亮黃、綠燈時(shí)間之和。時(shí)序工作流程圖見(jiàn)圖3所示，假設(shè)每個(gè)單位時(shí)間為3秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮的時(shí)間分別為15秒、3秒、18秒，一次循環(huán)為36秒。其中紅燈亮的時(shí)間為綠、黃燈亮的時(shí)間之和，黃燈是間歇閃耀。
（3）十字路口要有數(shù)字顯示，作為時(shí)間提示，以便人們更直觀地把握時(shí)間。具體為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1計(jì)數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。
（4）可以手動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)控制，夜間為黃燈閃耀。
（5）在完成上述任務(wù)后，可以對(duì)電路進(jìn)行以下幾方面的電路改進(jìn)或擴(kuò)展。①在某一方向（如南北）為十字路口主干道，另一方向（如東西）為次干道，主干道由于車輛、行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時(shí)間可以選定為次干道綠燈亮的時(shí)間的2倍或3倍。②用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。當(dāng)某一方向綠燈亮?xí)r，這一方向的發(fā)光二極管接通，并一個(gè)一個(gè)向前移動(dòng)，表示汽車在行駛；當(dāng)遇到黃燈亮?xí)r，移位發(fā)光二極管就停止，而過(guò)了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動(dòng)；紅燈亮?xí)r，則另一方向轉(zhuǎn)為綠燈亮，那么，這一方向的LED發(fā)光二極管就開(kāi)始移位（表示這一方向的車輛行駛）。
3.可選用器材。①通用實(shí)驗(yàn)底板；②直流穩(wěn)壓電源；③交通信號(hào)燈及汽車模擬裝置；④集成電路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及門電路；⑤顯示：LC5011-11，發(fā)光二極管；⑥電阻；⑦開(kāi)關(guān)。
4.設(shè)計(jì)方案提示。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路，設(shè)計(jì)方案可以從以下幾部分進(jìn)行考慮。
（1）秒脈沖和分頻器。因十字路口每個(gè)方向綠、黃、紅燈所亮?xí)r間比例分別為5∶1∶6，所以，若選4秒（也可以3秒）為一個(gè)單位時(shí)間，則計(jì)數(shù)器每計(jì)4秒輸出一個(gè)脈沖，這一電路就很容易實(shí)現(xiàn)。邏輯電路參考前面有關(guān)課題。
（2）交通燈控制器。計(jì)數(shù)器每次工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器。這里我們選用中規(guī)模74LS164八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表如表1所示。
由于黃燈要求閃耀幾次，所以用時(shí)標(biāo)1s和EWY或NSY黃燈信號(hào)相“與”即可。
（3）顯示控制部分。顯示控制部分實(shí)際上是一個(gè)定時(shí)控制電路。當(dāng)綠燈亮?xí)r，使減法計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作（用對(duì)方的紅燈信號(hào)控制），每來(lái)一個(gè)秒脈沖，使計(jì)數(shù)器減1，直到計(jì)數(shù)器為“0”而停止。譯碼顯示可用74LS248 BCD碼七段譯碼器，顯示器用LC5011-11共陰極LED顯示器，計(jì)數(shù)器材用可預(yù)置加、減法計(jì)數(shù)器，如74LS168、74LS193等。
（4）手動(dòng)/自動(dòng)控制、夜間控制。這可以用一個(gè)選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行。置開(kāi)關(guān)在手動(dòng)位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某一位置上，開(kāi)關(guān)在自動(dòng)位置時(shí)，則交通信號(hào)燈按自動(dòng)循環(huán)工作方式運(yùn)行。夜間時(shí)，將夜間開(kāi)關(guān)接通，黃燈閃亮。
（5）汽車模擬運(yùn)行控制。用移位寄存器組成汽車模擬控制系統(tǒng)，即當(dāng)某一方向綠燈亮?xí)r，則綠燈亮“G”信號(hào)使該路方向的移位通路打開(kāi)，而當(dāng)黃、紅燈亮?xí)r，則使該方向的移位停止。如圖4所示，為南北方向汽車模擬控制電路。
五、結(jié)語(yǔ)
項(xiàng)目教學(xué)法主張先練后講、先學(xué)后教，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，主動(dòng)參與，從嘗試入手，從練習(xí)開(kāi)始，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性、積極性等，學(xué)生唱“主角”，而教師轉(zhuǎn)為“配角”，實(shí)現(xiàn)了教師角色的換位，有利于加強(qiáng)對(duì)學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者就多個(gè)方面對(duì)項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行了嘗試性的研究與實(shí)踐，也取得了非常好的效果。
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電路設(shè)計(jì)步驟范文6
【關(guān)鍵詞】電工技術(shù)教學(xué) EDA技術(shù) 電路
一、EDA技術(shù)在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用舉例
模擬電路通常是電工技術(shù)教學(xué)中的難點(diǎn)，一是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生難以理解；其次，學(xué)生不了解該部分內(nèi)容在實(shí)際工作中的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。為此，可以適當(dāng)將EDA技術(shù)穿插在這部分的教學(xué)中，從實(shí)際電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中引出與課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容，以達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。
以下用一個(gè)實(shí)際的例子來(lái)表明如何將EDA設(shè)計(jì)過(guò)程與電工課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。例：使用ADS（Advanced design system）軟件實(shí)現(xiàn)共射極放大電路的靜態(tài)分析與直流偏置設(shè)計(jì)。共射極基本放大電路是電工技術(shù)中模擬電路部分接觸的第一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，課程要求學(xué)生熟練使用計(jì)算法與圖解法來(lái)確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。學(xué)生對(duì)這一部分的掌握情況直接影響到其對(duì)后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的掌握，因此，本例從電路設(shè)計(jì)的實(shí)際過(guò)程出發(fā)，引出相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。
在講解例子之前，需要給學(xué)生明確的是在實(shí)際的有源電路設(shè)計(jì)中，通常情況下，晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇與設(shè)計(jì)是第一步，也是至關(guān)重要的一步。實(shí)現(xiàn)不同功能的電路，可能在電路圖上區(qū)別不大，重要的是其靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇。例如，低噪聲功率放大器需要無(wú)失真地放大微弱信號(hào)，因此它的靜態(tài)工作點(diǎn)需要選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，而高功率放大電路為了盡可能提高輸出效率，通常靜態(tài)工作點(diǎn)選擇到靠近截止區(qū)，而混頻器、倍頻器等電路，主要為了使用其非線性性能，因此，它們的靜態(tài)工作點(diǎn)通常要靠近飽和區(qū)。其次，需要強(qiáng)調(diào)的是電路設(shè)計(jì)是電路分析的逆過(guò)程，遵循的步驟是根據(jù)輸入輸出關(guān)系，確定靜態(tài)工作點(diǎn)，再得到直流偏置電路，與課程中計(jì)算直流工作點(diǎn)的順序正好相反，但是，它們所反映出的基本原理都是相同的。
確定靜態(tài)工作點(diǎn)，就是根據(jù)電路所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定基極電流IBB和集電極電流IC，集射電壓UCE。因此，首先需要得到晶體管的輸入輸出曲線。在ADS中，輸入輸出關(guān)系是通過(guò)對(duì)晶體管做直流掃描得到的。實(shí)驗(yàn)步驟是先建立一個(gè)新的工程項(xiàng)目和一個(gè)新的設(shè)計(jì)，然后選擇晶體管直流工作點(diǎn)掃描模板，并在其提供的元器件庫(kù)中選擇合適的元件，加入到模板中。
其次，需要設(shè)定晶體管的工作范圍，就是IBB和VCE的范圍，可以通過(guò)掃描參數(shù)設(shè)置得到。
圖1所示的輸入輸出關(guān)系曲線與課本上的曲線幾乎是一致的，它表明在不同的基極電流IBB作用下，集電極電流IC與集射電壓VCE的關(guān)系。通過(guò)輸入輸出曲線，可以選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電路的功能。在本例中，為與教材保持一致，將靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，大致對(duì)應(yīng)于圖3中光標(biāo)m1的位置，軟件會(huì)自動(dòng)顯示出此處的參數(shù)，即IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，可以據(jù)此設(shè)計(jì)直流偏置電路。由于本例是設(shè)計(jì)共射極基本放大電路，因此需要計(jì)算基極和集電極電阻的大小。在ADS中，偏置電阻的大小可以自動(dòng)計(jì)算，但是需要手動(dòng)輸入相關(guān)的公式。
圖1晶體管輸入輸出關(guān)系
EqnRb=（5-VBE）/IBB[5]
EqnRc=（5-VCE）/IC.i
根據(jù)計(jì)算公式，可以得到計(jì)算結(jié)果。當(dāng)選擇Ibb=60uA時(shí)，對(duì)應(yīng)的基射電壓和基極電阻在一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)，因此只能選擇一個(gè)近似的值VBE=0.8V，Rb=60K。用同樣的方法，可以得到的集電極電阻Rc=340。當(dāng)所有的參數(shù)都計(jì)算得到后，需要對(duì)該電路進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。驗(yàn)證電路及其參數(shù)如圖2所示。
根據(jù)共射極放大電路的基本計(jì)算結(jié)果，可以設(shè)計(jì)出圖4所示電路。驗(yàn)證該電路的方法是對(duì)其做直流仿真，并將仿真計(jì)算的結(jié)果直接顯示在電路圖中對(duì)應(yīng)的元件和支路上。從圖中可以看出，基極的電位為809mV，電流為69.9uA，而集電極電位VCE=2.74V，Ic=6.64mA。對(duì)比前面得到的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)（IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA），可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在一個(gè)小的偏差，這是因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)中，無(wú)論是在靜態(tài)工作點(diǎn)還是元件參數(shù)的選擇上，都存在近似的過(guò)程，因此，任何電路的設(shè)計(jì)，都是一個(gè)近似的設(shè)計(jì)，由此得到的實(shí)際電路都需要經(jīng)過(guò)調(diào)試合格后才能夠?qū)嶋H使用。
圖2共射極基本放大電路
以上的例子為學(xué)生展示了一個(gè)電路設(shè)計(jì)的基本過(guò)程以及設(shè)計(jì)方法。當(dāng)課程進(jìn)一步深入后，可以對(duì)本例進(jìn)行擴(kuò)展，例如在分析放大電路動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以加入不同幅度的輸入信號(hào)，觀察在不同靜態(tài)工作點(diǎn)，放大電路的輸入輸出波形和非線性失真，有助于學(xué)生理解設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)的意義。
三、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)在電工技術(shù)課堂上增加EDA設(shè)計(jì)的過(guò)程，可以使課程從純理論教學(xué)轉(zhuǎn)向理論與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠培養(yǎng)他們的實(shí)際動(dòng)手能力，并極大增加了教師和學(xué)生間的互動(dòng)。同時(shí)，課本上的理論與公式不再需要死記硬背，它們已經(jīng)融合到設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)一兩個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就可以熟練掌握，使學(xué)生能夠輕松完成課程的學(xué)習(xí)和考試。
參考文獻(xiàn)
