综合电路设计

1. 课程目的

运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法，在单元电路设计的基础上，设计出具有各种不同用途和一定工程意义的电子装置。深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强分析与解决问题的能力。训练培养严肃认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。 2. 要求：

根据题目的技术指标，进行电路选取、工程估算、实验测试与调整，制作出实际电子产品和写出总结报告。 3. 步骤：

选择总体方案，设计单元电路，选择元器件，计算机仿真优化，硬件装配调试，测试性能指标，写出总结报告，进行文档整理。 4. 衡量标准：

工作稳定可靠，能达到所要求的性能指标，并留有适当的裕量；电路简单；成本低；功耗低；所采用元器件的品种少、体积小且货源充足；便于生产、测试和维修 。

单元一 电子技术课程设计的方法与步骤

电子技术课程设计主要包括以下四个步骤：系统设计、硬件组装与调试、性能指标测试、 实验报告与文档整理。 一、 系统设计

1.明确系统的设计任务要求

对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标、内容及要求，明确系统应完成的任务。 2．总体方案选择

把系统要完成的任务分配给若干个单元电路，画出一个能表示各单元功能和关系的整机原理框图。

方案选择的重要任务是针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。在选择过程中，常用框图表示各种方案的基本原理。框图一般不必画得太详细，只要说明基本原理就可以了。最后设计出一个完整框图。 3．单元电路的设计、参数计算和器件选择

根据系统指标和功能框图，明确任务，进行各单元电路的设计、参数计算和元器件选择。 （1）单元电路设计

每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详细拟定出单元电路的性能指标。 注意各单元电路之间的相互配合和前后级之间的关系，尽量简化电路结构。 注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系。

选择单元电路的组成形式，可以模仿成熟的先进的电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。 （2）参数计算

理解电路的工作原理，正确利用计算公式，满足设计要求。

1）元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求。 2）元器件的极限参数必须留有足够裕量，一般应大于额定值的1.5倍。 3）电阻器和电容器的参数应选计算值附近的标称值。 （3）元器件选择

A.阻容元件的选择

电阻器和电容器种类很多，正确选择电阻器和电容器是很重要的。

设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。 B.分立元件的选择

分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二极管、光电三极管、晶闸管等。根据其用途分别进行选择。

选择的器件种类不同，注意事项也不同。例如选择晶体三极管时，首先注意是NPN型还是PNP型管，是高频管还是低频管，是大功率管还是小功率管，并注意管子的参数PCM、ICM、BUCEO、BUEBO、ICBO、β、fT和fβ是否满足电路设计指标的要求，高频工作时要求fT=(5-10)f，f为工作频率。

C集成电路的选择

一般优先选集成电路。由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及安装，在设计电路时应首选。

选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面要求。

集成电路有模拟集成电路和数字集成电路。器件的型号、功能、特性、管脚可查阅有关手册。

集成电路的品种很多，选用方法一般是“先粗后细”，即先根据总体方案考虑应该选用什么功能的集成电路，然后考虑具体性能，最后根据价格等因素选用某种型号的集成电路 。

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应熟悉集成电路的品种和几种典型产晶的型号、性能、价格等，以便在设计时能提出较好的方案，较快地设计出单元电路和总电路。

集成电路的常用封装方式有三种：扁平式、直立式和双列直插式，为便于安装、更换、调试和维修，一般情况下，应尽可能选用双列直插式集成电路。 4. 电路图的绘制

目前比较流行的或应用广泛的绘制软件包有PROTEL和ORCAD/STD。亦可用电子工作平台EWB。

绘制电路图时应注意：

(1)布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图、有利于对图的理解和阅读。 有时一个总电路图由几部分组成，绘制时应尽量把总电路图画在一张纸上。如果电路比较复杂，需绘制几张图，则应把主电路图画在一张图纸上，而把一些比较或次要的部分画在另外的图纸上，并在图的断口两端做上标记，标出信号从一张图到另一张图的引出点和引入点，以此说明各图纸在电路连线之间的关系。

有时为了强调并便于看清各单元电路的功能关系，每一个功能单元电路的元件应集中布置在一起，并尽可能按工作顺序排列。

(2)注意信号的流向。一般从输入端或信号源画起，从左到右或从上到下按信号的流向依次画出各单元电路，而反馈通路的信号流向则与此相反。

(3)图形符号要标准，图中应加适当的标注。

电路图中的中、大规模集成电路器件，一般用方框表示，在方框中标出它的型号，在方框的边线两侧标出每根线的功能名称和管脚号。除中、大规模器件外，其余元器件符号应当标准化。

(4)连接线应为直线，并且交叉和折弯应最少。

通常连接线可以水平布置或垂直布置，一般不画斜线。互相连通的交叉线，应在交叉处用圆点表示。根据需要，可以在连接线上加注信号名或其它标记，表示其功能或其去向。有的连线可用符号表示，例如器件的电源一般标电源电压的数值，地线用符号“⊥”表示。 5. 计算机仿真优化

电子系统的方案选择、电路设计以及参数计算和元器件选择基本确定后，方案的选择是否合理，电路设计是否正确，元器件选择是否经济，这些问题还有待于研究。传统的设计方法只能通过实验来解决以上问题，这样不仅延长了设计时间，而且需要大量元器件，有时设计不当可能要烧坏元器件，因此设计成本高。而利用电子电路CAD技术，可对设计的电路进行分析、仿真、虚拟实验，不仅提高了设计效率，而且可以通过反复仿真得到一个最佳方案。目前应用较为广泛的电子电路仿真软件有PSPICE、和功能多、应用方便的ELECTRONICS WORK BENCH和multisim 。 6. 印刷电路板的设计

借助计算机对印刷电路板进行辅助设计已经取代了传统的手工设计，它不仅可以使底图更整洁、标准，而且能够解决手工布线印刷导线不能过细和较窄的间隙不易布线等问题，同时可彻底解决双面板焊盘严格的一一对应问题。

PROTEL软件包是绘制印刷电路板的最常用软件。通过软件设计好后，可以通过相应的设备如雕刻机进行电路板的制作。

二、硬件组装与调试

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1、电子电路的组装 （1）元器件的焊接技术

当印刷电路板设计好后，需要将元器件接在印刷板上。焊接质量取决于四个条件：焊接工具、焊料、焊剂、焊接技术。

A焊接工具

电烙铁是焊接的主要工具。要根据不同的焊接对象选择不同功率的电烙铁。焊接集成电路一般可选用 25 W的，元器件管脚较粗或印刷板焊盘面积较大时可选用45W 或功率更大的。焊接CMOS电路一般选用20W 内热式电烙铁，而且外壳要连接良好的接地线。若用外热式电烙铁，最好采用烙铁断电，用余热焊接，必要时还要采取人体接地的措施。

B焊料

常用的焊料是焊锡，焊锡是一种铅锡合金。市场上出售的焊锡有两种：一种是将焊锡做成管状，管内填有松香，称松香焊锡丝，使用这种焊锡丝时，可以不加助焊剂；另一种是无松香的焊锡丝，焊接时要加助焊剂。

C焊剂

焊接元器件通常使用的焊剂有松香和松香酒精溶液，后者比前者焊接效果好。 D焊接技术

首先要求焊接牢靠、无虚焊，其次是焊点的大小、形状及表面粗糙度等。焊接前，必须把焊点和焊件表面处理干净，轻的可用酒精擦洗，重的要用刀刮或砂纸磨，直到露出光亮金属后再醮上焊剂，镀上锡，将被焊的金属表面加热到焊锡熔化的温度。

焊接过程是这样的：把烙铁头放在焊件上，待焊件的温度达到焊锡熔化的温度时，使焊锡丝接触焊件，当适量的焊锡丝熔化后，立即移开焊锡丝，再移开烙铁，整个过程只需几秒钟。

（2）在面包板上的插接技术

在学生进行电子系统设计或课程设计过程中，为了提高元器件的重复利用率，往往在面包板上插接电路。

图1 面包板外观图

面包板的外观和内部结构如图1 所示，常见的最小单元面包板分上、中、下三部分，上面和下面部分一般是由一行或两行的插孔构成的窄条，中间部分是由中间一条隔离凹槽和上下各5 行的插孔构成的宽条。

对上面和下面部分的窄条，外观和结构如图2：

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图2面包板窄条外观及结构图（5-5 结构）

窄条上下两行之间电气不连通。每5 个插孔为一组，通常的面包板上有10 组或11组。

对于10 组的结构，左边5 组内部电气连通，右边5 组内部电气连通，但左右两边之间不连通，这种结构通常称为5-5 结构。还有一种3-4-3 结构即左边3 组内部电气连通，中间4 组内部电气连通，右边3 组内部电气连通，但左边3 组、中间4 组以及右边3 组之间是不连通的。对于11 组的结构，左边4 组内部电气连通，中间3 组内部电气连通，右边4 组内部电气连通，但左边4 组、中间3 组以及右边4 组之间是不连通的，这种结构称为4-3-4 结构。

中间部分宽条是由中间一条隔离凹槽和上下各5 行的插孔构成。在同一列中的5 个插孔是互相连通的，列和列之间以及凹槽上下部分则是不连通的。外观及结构如图3：

图 3 面包板宽条外观及结构图

一般，在宽条部分搭接电路的主体部分，上面的窄条取一行做电源，下面的窄条取一行做接地。使用时注意窄条的中间部分不通。

有时由于电路的规模较大，需要多个宽条和窄条组成的较大的面包板，但在使用时同样通常是两窄一宽同时使用，两个窄条的第一行一般和地线连接，第二行和电源相连。由于集成块电源一般在上面，接地在下面，如此布局有助于将集成块的电源脚和上面第二行窄条相连，接地脚和下面窄条的第一行相连，减少连线长度和跨接线的数量。中间宽条用于连接电路，由于凹槽上下是不连通的，所以集成块一般跨插在凹槽上。

各种元器件的插接方法：  集成电路的装插。

插接集成电路时首先应认清方向，不要倒插，所有集成电路的插入方向要保持一致。  元器件的位置。

根据电路图的各部分功能确定元器件在面包板上的位置，并按信号的流向将元器件顺序地连接，以易于调试。

 导线的选用和连接。

连接用的导线要求紧贴在面包板上，避免接触不良。连线不允许跨接在集成电路上，一般从集成电路周围通过，尽量做到横平竖直，这样便于查线和更换器件。

 组装电路时要注意，电路之间要共地。

正确的组装方法和合理的布局，不仅使电路整齐美观，而且能够提高电路工作的可靠性，

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便于检查和排除故障。

其他注意事项：

铜线必须插入金属孔中，特别在金属孔位置靠边时，容易插到边上空白处，引起接触不良，用万用表也难以测量。铜线太长容易引起短路。

由于集成块引脚间与距离与插孔位置有偏差，必须预先调整好位置，小心插入金属孔中，不然会引起接触不良，而且会使铜片位置偏移，插导线时容易插偏。此原因引起的故障占总故障的60%以上。

一根导线可以直通的地方尽量只用一根线，用多根导线转接费事又容易出错。 导线量好长度后，剥好线头、根据走线位置折好后插入面包板。走线方向为“横平、竖直”。

左边整列连通，右边整列接通。常用来外接电源和地。 多个孔接同一个地方时，可以串接，以减少走线距离。

整块板上的元器件的布局要合理，使走线距离短、接线方便、整洁美观。 2、电子电路的调试

边安装边调试。把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路，分别进行安装和调试，在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。对于新设计的电路，此方法既便于调试，又可及时发现和解决问题。该方法适于课程设计中采用。

整个电路安装完毕，实行一次性调试。这种方法适于定型产品。

调试时应注意做好调试记录，准确记录电路各部分的测试数据和波形，以便于分析和运行时参考。

调试步骤： （1）通电前检查

电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。

（2）通电检查

接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。

（3）单元电路调试

在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断、排除故障，完成调试要求。

（4）整机联调

各单元电路调试完成后就为整机调试打下了基础。整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。

电路故障的排除 （1）信号寻迹法：

寻找电路故障时，一般可以按信号的流程逐级进行。从电路的输入端加入适当的信号，用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内各部分传输的情况，根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常，如果有问题，应及时处理。调试电路时也可以从输出级向输入级倒

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推进行，信号从最后一级电路的输入端加入，观察输出端是否正常，然后逐级将适当信号加入前面一级电路输入端，继续进行检查。

（2）对分法。

把有故障的电路分为两部分，先检查这两部分中究竟是哪部分有故障，然后再对有故障的部分对分检测，一直到找出故障为止。采用“对分法”可减少调试工作量。

（3）分割测试法。

对于一些有反馈的环行电路，如振荡器、稳压器等电路，它们各级的工作情况互相有牵连，这时可采取分割环路的方法，将反馈环去掉，然后逐级检查，可更快地查出故障部分。对自激振荡现象也可以用此法检查。

（4）电容器旁路法。

如遇电路发生自激振荡或寄生调幅等故障，检测时可用一只容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端，观察对故障现象的影响，据此分析故障的部位。在放大电路中，旁路电容失效或开路，使负反馈加强，输出量下降，此时用适当的电容并联在旁路电容两端，就可以看到输出幅值恢复正常，也就可以断定旁路电容的问题。这种检查可能要多处实验才有结果，这时要细心分析可能引起故障的原因。这种方法也可用来检查电源滤波和去偶电路的故障。

（5）对比法。

将有问题的电路的状态、参数与相同的正常电路进行逐项对比。此方法可以比较快地从异常的参数中分析出故障。

（6）替代法。

把已调试好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路（注意共地），这样可以很快判断故障部位。有时元器件的故障不很明显，如电容器漏电、电阻器变质、晶体管和集成电路性能下降等，这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验，就可以具体地判断故障点，加快查找故障点的速度，提高调试效率。

（7）静态测试法。

故障部位找到后，要确定是哪一个或哪几个元器件有问题，最常用的就是静态测试法和动态测试法。静态测试是用万用表测试电阻值、电容器是否漏电、电路是否断或短路，晶体管和集成电路的各引脚电压是否正常等。这种测试是在电路不加信号时进行的，所以叫静态测试。通过这种测试可发现元器件的故障。

（8）动态测试法。

当静态测试还不能发现故障时，可采用动态测试法。测试时在电路输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况，观察电路的工作状况，分析、判别故障原因。

三、性能指标测试

以系统的设计任务与要求为依据，应用电子仪器进行各项指标测试，观察是否达到要求。记录测试条件，测试方法，详细测试数据及波形。

四、文档整理和撰写实验报告

电子系统设计的总结报告是对学生写科学论文和科研总结报告的能力训练。通过写报告，不仅把设计、组装、调试的内容进行全面总结，而且把实践内容上升到理论高度。总结报告应包括以下几点：

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（1）课题名称。 （2）内容摘要。 （3）设计内容及要求。

（4）比较和选定设计的系统方案，画出系统框图。 （5）单元电路设计、参数计算和元器件选择说明。 （6）画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。 （7）组装调试的内容。包括： ①使用的主要仪器和仪表； ②调试电路的方法和技巧；

③测试的数据和波形并与计算结果比较分析； ④调试中出现的故障、原因及排除方法。

（8）总结设计电路和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

（9）列出系统需要的元器件。 （10）收获、体会。 （11）参考文献。

单元二 设计举例——函数发生器的设计

一、系统设计

1.明确系统的设计任务要求

设计一个电子工艺实验箱信号源电路，要求： （1）输出波形：正弦波、方波、三角波等； （2）频率范围：1KHz～10KHz、10KHz～100KHz；

（3）输出电压：方波Up-p =24V,三角波Up-p=8V,正弦波Up-p>1V；

（4） 波形特征： 方波tr<10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD<2%，正弦波失真系数THD<5%。

2．总体方案选择

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。如图4所示。

正弦波 方波 三角波 RC桥式 振荡电路 滞回 比较器 积分 电路 图4 函数信号发生器方案一

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方波 三角波 正弦波 滞回 比较器 积分 电路 滤波 电路 图5 函数信号发生器设计方案二

此外还可以通过专用函数信号发生器芯片产生，根据任务要求，本次拟采用方案二。

3．单元电路的设计、参数计算和器件选择 1）方波—三角波产生电路

图6方波—三角波产生电路结构及原理

分析电路工作原理知，

Uo2m三角波输出的最大幅度，方波—三角波的频率为：

R2Vcc(R3Rp1)

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fR3Rp1（4R4Rp2）R2C

实际设计中，两个运算放大器可选择运算放大集成电路uA741（也可选其它适合的运放），运放的直流电源采用双电源供电，+Vcc=12V，-VEE=-12V。 根据设计指标要求：

取R2=10KΩ，则R3+Rp1=30KΩ，选择R3=20KΩ和Rp1为50KΩ的电位器。 取平衡电阻Rp110KHz～100KHz：

当需要1KHz～10KHz时，开关选择C2=10nF，则R4 + Rp2 =75 ~ 7.5 KΩ，取R4 =4.7KΩ，RP2为100KΩ电位器；

当需要10KHz～100KHz时，取C1=1nF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。平衡电阻R5 =10KΩ。 2）三角波—正弦波变换电路

根据差分放大器传输特性曲线的非线性，可将低频率的三角波变换成正弦波。

UR241o2m

R3Rp2Vcc123R2(R3Rp1)RRR10K，

23p1在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足电路设计要求的两个频率范围：1KHz～10KHz、

图7三角波—正弦波变换电路

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图8 三角波—正弦波变换电路产生原理

电阻R*1和电位器Rp3用于调节输入三角波的幅度，Rp4用于调节电路的对称性，其并联电阻RE1用来减小差分放大器的线性区。电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

差分放大电路采用单端输入—单端输出的电路形式，4只晶体管选用集成电路差分对管BG319或双三极管S3DG6等。电路中晶体管β1=β2=β3=β4=60。电源电压同上，取 +Vcc=12V，-VEE=-12V。

三角波经电容C3和分压电阻R*1、Rp3给差分电路输入差模电压Uid。一般情况下，差模电压Uid<26mV，因三角波幅值为8V，故取R*1= 4.7KΩ、Rp3=500Ω。因三角波频率不太高，所以，隔直电容C4和C5要取的大一些，这里取C3=C4=C5 =470μF。滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，C6可取得较小一点，一般为几十皮法至几百皮法。RE1=100 Ω与Rp4=100 Ω并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源I0决定，故一般先设定I0。I0取值不能太大，I0越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但I0也不能太小，一般设为几毫安左右。这里取差分放大器的恒流源I0=1mA，则Ic1=Ic2=0.5mA，从而可求得晶体管的输入电阻

rbe300(1)为保证差分放大电路由足够大的输入电阻ri，取ri>20KΩ，根据ri=2(rbe+RB1)得RB1>6.6KΩ，故取RB1=RB2=6.8KΩ。因为要求输出的正弦波峰峰值大于1V，所以，应使差分放大电路电压放大倍数AU≥40。根据AU的表达式：

׳-bRLAU=2(RB1+rbe)26mV3.4K I02

可求得电阻R'L，现选取Rc1=Rc2=15KΩ。

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对于恒流电路，其静态工作点及元器件参数计算如下：

IR*I02VEE0.7V*RRE12K 2*R2RE发射极电阻一般取几千欧姆，这里选择RE3=RE4=2KΩ，取R*2=12KΩ。 4） 电路图的绘制

利用相应的电路设计软件绘制总体电路图。

图9 函数信号发生器整体结构图

5） 计算机仿真优化

利用Multisim软件画出仿真电路图并进行仿真。

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图10 仿真电路图

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图11 方波与三角波波形的仿真显示

图12正弦波波形的仿真显示

在电路的仿真中可以看到，当积分器中的电容选择开关选择C2时，则通过调节电位器RP2的阻值，使得输出的波形的频率在1KHz～10KHz之间的连续可调；当开关选择电容C1时，此时再调节电位器RP2，则输出波形的频率可以在10KHz～100KHz之间连续可调。 在方波—三角波电路的仿真时，输出的方波的幅值测得为12V，正好满足电路设计要求

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中方波Up-p =24V，方波的上升时间tr由于受到运算放大器转换速率的，使得上升时间有点偏大。方波通过积分器后输出的三角波的峰峰值为5.6V左右，此时再适当减小RP1的阻值即可使得三角波的Up-p=6V，而且由电路的仿真图可以看出，三角波的失真系数THD<2%。

从正弦波仿真输出波形可以看到三角波经过差分放大电路输出得到的正弦波的幅值大于5V，明显满足电路设计要求中正弦波Up-p大于1V的要求，此外，从仿真输出的波形图中也可以看到输出的正弦波的失真较小，也满足失真系数THD<5%的波形特征的要求。 二、硬件组装与调试

1、电子电路的组装——在面包板上的插接技术 2、电子电路的调试

（1）通电前检查：直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。 （2）通电检查：

接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。 （3）单元电路调试

用示波器观察方波——三角波电路相应的输出，观察波形是否满足要求，调节电位器、电容，测出输出波形的幅度和频率，检查能否满足指标要求。

给三角波——正弦波电路通过信号发生器输入一个峰峰值为8v三角波信号，用示波器观察输出，能够得到标准的正弦波，调节电位器、电容，测出输出正弦波的幅度，有任务书要求进行比较，如果不能满足要求调节各元件参数，检查电路的完好性。 （4）整机联调

把两部分单元电路连接到一块，构成一个完整的电路，用示波器测各处波形及性能指标。 三、文档整理和撰写设计报告（具体要求见附录）

单元三 基于单片机的LED显示器设计与实现

一、功能简介

使用STCC52单片机控制显示屏显示不同内容。 二、原理 1. 控制原理

LED点阵显示屏有行线和列线组成，本实训用到的显示屏由32个行线和32个列线，行线和列线分别由4片74HC595组成的串行输入转并行输出移位寄存器电路，下面是74HC595的芯片功能介绍。

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图13 74HC595芯片引脚结构

74595的数据端：

QA—QH：八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。 QH：级联输出端，接下一个595的SI端。 SI：串行数据输入端。 74595的控制端说明

/SCLR(10脚)：低点平时将移位寄存器的数据清零，通常接Vcc。

SCK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。

RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常将RCK置为低电平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲，更新显示数据。

/OE(13脚)：高电平时禁止输出（高阻态）。

注：741和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。741的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装，体积也小一些。74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。与1只有数据清零端相比，595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。

2. 原理图

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图14 LED点阵显示电路原理图

图15 按键、指示灯电路原理图

图16 音频驱动电路原理图

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图17 控制接口图

3．实训操作步骤

1) 用10P数据排线将“51单片机系统模块”的 “P0”口与“激光显示模拟模块”的“CON1”连接；

2)给“51单片机系统模块”接上+5V电源，用STC下载软件将“„\\程序\\激光显示器\\”文件夹下的“Display.hex”下载到单片机STCC52中（下载方法见附录）；

3)观察LED点阵显示屏的显示效果；

4）修改主程序main.c中void main()函数的显示内容语句，只取一种有效，然后重新编译和下载，观察其它显示效果，如：显示字符、竖条、横条、圆形、方形。

void main() {

while(1) {

show_HZ(); // show_ZF(); }

4． 附录：单片机ISP下载说明 1） STC单片机ISP下载编程软件

本应用软件是宏晶科技出品的STC单片机专用ISP载编程软件，本软件为免安装绿色软件，双击相关文件夹下STC ISP下载工具STC_ISP_V483.exe即可运行，软件界面如下图所示。

// //

show_ST();

// 显示汉字 // 显示字符 // 显示竖条

// 显示横条 // 显示方 // 显示圆

show_HT(); while(1);

// show_YUAN(); // show_FANG();

}

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图18 STC单片机ISP下载编程软件界面

2）ISP下载操作说明 步骤1：选择MCU型号

选择MCU型号，本实训系统采用STCC52RC，如下图所示。

图19 选择MCU型号

步骤2：打开文件

打开下载文件（*.hex，*.bin）。 步骤3：设置串口

将下载器插入PC串口，如串口与下载板相距较远可用一头针一头孔的平行串口线延长；

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选择串口端号，设置串口波特率（波特率可随意，但设低一点会稳定些，不易出错）。 步骤4：参数设置

单片机参数设置，为加快显示刷新速度需选择双倍速，如下图所示。

图20 参数设置

步骤5：下载

将下载器接口插入显示屏左侧的4P插座（此时显示屏不用接电源），点击“Download/下载”按钮，等待几秒钟握手成功后如下图所示。

图21 下载界面

此时将DC5V电源插入单片机核心板的内孔插座，等待几秒钟下载成功后如下图所示。程序下载完成后先拔出电源，再拔出下载器，再次插入电源显示屏即可运行程序，此步骤是为确保下载器在断电下插拔，否则极易损坏通信接口芯片。

图22 下载成功界面

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单元四 常用电子元器件的检测与识别

1 电阻

电阻是电子电路常用元件，对交流、直流都有阻碍作用，常用于控制电路电流和电压的大小，以下列出的是常规的电阻内容的介绍。

精密可调 立式可调 卧式可调 卧式十字型 固定电阻 可调电阻

图23 电阻类型

图24 常用电阻实物图

（1）常规知识小结

表1 常规知识小结

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（2）电阻器的色标法

表2 电阻器的色标法

例如，若电阻的四个色环颜色依次为： 黄、紫、棕、银——表示 470Ω、±10％的电阻 棕、绿、绿、银——表示 1.5MΩ、±10％的电阻 精密电阻用五条色带表示阻值及误差 例如，若电阻上的五个色环颜色依次为：

棕、蓝、绿、黑、棕——表示 165Ω±1％的电阻器 红、蓝、紫、棕、棕——表示 2.67KΩ±1％的电阻器 (3)检测——用万用表判别电阻阻值和电位器的好坏。 2 电容器

它是电子电路常用元件，在电路中起耦合、滤波、旁路、调谐、振荡等作用。

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图25 常用电容实物图

（1） 种类：分为固定电容器、半可变电容器和可变电容器。 （2） 符号：C （3） 单位：

微法（μF）、纳法（nF)、皮法（pF）.它们之间的换算关系：1F（法拉）=106μF（微法）=109nF（纳法）=1012pF（皮法） （4） 电容器的数值表示法

前两位为有效数字，第三位为 10 的n次幂，单位 PF

例如：102=10.0 * 102PF=1000PF=1nF=0.001uF；682=68* 102PF=6800PF=0.0068uF （5） 检测法

电容的测量，一般应借助于专门的测试仪器，通常用电桥。而用万用表仅能粗略地检查一下电解电容是否失效或漏电情况。

1、测量前应先将电解电容的两个引出线短接一下，使其上所充的电荷释放。 2、将万用表置于×1K档，并将电解电容的正、负极分别与万用表表笔对应的正负极接触。在正常情况下，可以看到表头指针先是产生较大偏转（向零欧姆处），以后逐渐向起始位置（高阻值处）返回。这反映了电容器的充电过程，指针的偏转反映电容器充电电流的变化情况。一般说来，表头指针偏转愈大，返回速度愈慢，则说明电容器的容量愈大，若指针返回不到无穷大点，而是一个接近无穷大的位置，说明电容漏电（始终有电流值），不能用。(只能检测是不是好的,但不能测出其值的大小.)

3、电解电容在失效时（电解液干涸，容量大幅度下降）表头指针就偏转很小，甚至不偏转。

4、对于小容量无极性电容，由于其г=RC很小，所以充电速度很快，几乎看不见指针偏。

5、电解电容不能接反，如接反，则有漏电流，将发热，由于其是密封的，到一定程度时，有可能爆炸。 3 二极管

二极管在电路中常起整流、检波和稳压作用。 （1） 符号：D

普通二极管 发光二极管 光电二极管 变容二极管 稳压二极管

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（2） 特点：具有单向导电性 （3） 检测法

把万用表拨至ΩX100 或ΩX1K 档，用两个表笔分别接触二极管的两个引出脚。若表针的示数较小（锗管 100Ω--200Ω，硅管 700—1．2KΩ）时，与黑表笔相接的引出脚为正极。接着调换两个表笔再测量，若表针的示数较大（锗管几百千Ω，硅管几兆Ω）时，说明该二极管是好的，并且原先判明的极性是正确的。如果正反向电阻均为 0 或无穷大，表明该管已经击穿或断路，不能使用。

图26 二极管检测

（4） 应当注意

 测量小功率的二极管，不宜使用 RX1Ω 或 RX10KΩ 档，前者通过二极管的电流

较大，可能烧坏二极管;

 后者加在二极管两端的反向电压太高，易将二极管击穿。

 使用指针万用表测量的时候，黑色的表笔（“-”级）接的二级管的“+”级，红色的

表笔（“+”级）接的是二级管的“-”级，才可以获得好坏的判断。

 使用数字万用表的时候，黑色的表笔（“-”级）接的二级管的“-”级，红色的表

笔（“+”级）接的是二级管的“+”级，才可以获得好坏的判断。

4 扬声器的检测

扬声器和耳机的检测主要是检查它们的震动部分是否阻塞和音圈是否断路、短路和接触是否良好。对于扬声器可先用手均衡推动扬声器纸盆，应有柔和感和较强的弹性感。如果纸盆破损，手感阻塞，毫无弹性的扬声器不宜使用。然后用万用表测量它的音圈电阻，万用表拨置 RX1Ω，当两个表笔分别接触扬声器或耳机应有“喀喀声”，且万用表的电阻标称阻抗值稍低一些，说明扬声器或耳机可以使用。 5 三极管

（1）作用 ：在电子电路中组成震荡电路、放大电路。

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图27 三极管实物图

（2）三极管极性的判别（NPN,PNP）  用万用表的 hFE挡检测 β值  用数字式万用表检测

 红表笔是(表内电源)正极,黑表笔是(表内电源)负极.

基极B的判断：当黑（红）表笔接触某一极，红（黑）表笔分别接触另两个极时，万用表指示为低阻，则该极为基极，该管为PNP（NPN）。

C、E极的判断：基极确定后，比较B与另外两个极间的正向电阻，较大者为发射极E，较小者为集电极C。

 最简单方法：对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，

则从左到右依次为e b c。

图28 三极管的结构

6 集成电路

1）常用的检测方法

集成电路常用的检测方法有在线测量法、非在线测量法和代换法。

（1）非在线测量—非在线测量潮在集成电路未焊入电路时，通过测量其各引脚之间的直流电阻值与已知正常同型号集成电路各引脚之间的直流电阻值进行对比，以确定其是否正常。

（2）在线测量—在线测量法是利用电压测量法、电阻测量法及电流测量法等，通过在电路上测量集成电路的各引脚电压值、电阻值和电流值是否正常，来判断该集成电路是否损坏。

（3）代换法—代换法是用已知完好的同型号、同规格集成电路来代换被测集成电路，可以判断出该集成电路是否损坏。

2）常用集成电路的检测

（1）微处理器集成电路的检测 微处理器集成电路的关键测试引脚是VDD电源端、RESET复位端、XIN晶振信号输入端、XOUT晶振信号输出端及其他各线输入、输出端。在路测量这

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些关键脚对地的电阻值和电压值，看是否与正常值（可从产品电路图或有关维修资料中查出）相同。不同型号微处理器的RESET复位电压也不相同，有的是低电平复位，即在开机瞬间为低电平，复位后维持高电平；有的是高电平复位，即在开关瞬间为高电平，复位后维持低电平。

（2）开关电源集成电路的检测 开关电源集成电路的关键脚电压是电源端（VCC）、激励脉冲输出端、电压检测输入端、电流检测输入端。测量各引脚对地的电压值和电阻值，若与正常值相差较大，在其外围元器件正常的情况下，可以确定是该集成电路已损坏。 内置大功率开关管的厚膜集成电路，还可通过测量开关管C、B、E极之间的正、反向电阻值，来判断开关管是否正常。

3） 维修基础知识

（1）放集成电路的检测 检查音频功放集成电路时，应先检测其电源端（正电源端和负电源端）、音频输入端、音频输出端及反馈端对地的电压值和电阻值。若测得各引脚的数据值与正常值相差较大，其外围元件与正常，则是该集成电路内部损坏。对引起无声故障的音频功放集成电路，测量其电源电压正常时，可用信号干扰法来检查。测量时，万用表应置于R×1档，将红表笔接地，用黑表笔点触音频输入端，正常时扬声器中应有较强的“喀喀”声。

（2）大器集成电路的检测 用万用表直流电压档，测量运算放大器输出端与负电源端之间的电压值（在静态时电压值较高）。用手持金属镊子依次点触运算放大器的两个输入端（加入干扰信号），若万用表表针有较大幅度的摆动，则说明该运算放大器完好；若万用表表针不动，则说明运算放大器已损坏。

（3）成电路的检测 时基集成电路内含数字电路和模拟电路，用万用表很难直接测出其好坏。可以用如图9-13所示的测试电路来检测时基集成电路的好坏。测试电路由阻容元件、发光二极管LED、6V直流电源、电源开关S和8脚IC插座组成。将时基集成电路（例如NE555）插信IC插座后，按下电源开关S，若被测时基集成电路正常，则发光二极管LED将闪烁发光；若LED不亮或一直亮，则说明被测时基集成电路性能不良。

4）集成电路代换技巧 （1）直接代换

直接代换是指用其他IC不经任何改动而直接取代原来的IC，代换后不影响机器的主要性能与指标。

其代换原则是：代换IC的功能、性能指标、封装形式、引脚用途、引脚序号和间隔等几方面均相同。其中IC的功能相同不仅指功能相同；还应注意逻辑极性相同，即输出输入电平极性、电压、电流幅度必须相同。例如：图像中放IC，TA7607与TA7611，前者为反向高放AGC，后者为正向高放AGC，故不能直接代换。除此之外还有输出不同极性AFT电压，输出不同极性的同步脉冲等IC都不能直接代换，即使是同一公司或厂家的产品，都应注意区分。性能指标是指IC的主要电参数（或主要特性曲线）、最大耗散功率、最高工作电压、频率范围及各信号输入、输出阻抗等参数要与原IC相近。功率小的代用件要加大散热片。

（2）同一型号IC的代换

同一型号IC的代换一般是可靠的，安装集成电路时，要注意方向不要搞错，否则，通电时集成电路很可能被烧毁。有的单列直插式功放IC，虽型号、功能、特性相同，但引脚排列顺序的方向是有所不同的。 例如，双声道功放IC LA4507，其引脚有“正”、“反”

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之分，其起始脚标注（色点或凹坑）方向不同；没有后缀与后缀为\"R\"的IC等,例如 M5115P与M5115R 。

（3）不同型号IC的代换

（a）型号前缀字母相同、数字不同IC的代换。这种代换只要相互间的引脚功能完全相同，其内部电路和电参数稍有差异，也可相互直接代换。如：伴音中放IC LA1363和LA1365，后者比前者在IC第⑤脚内部增加了一个稳压二极管，其它完全一样。

(b)号前缀字母不同、数字相同IC的代换。一般情况下，前缀字母是表示生产厂家及电路的类别，前缀字母后面的数字相同，大多数可以直接代换。但也有少数，虽数字相同，但功能却完全不同。例如，HA13是伴音IC，而uPC13是色解码IC；4558，8脚的是运算放大器NJM4558,14脚的是CD4558数字电路； 故二者完全不能代换。

(c)型号前缀字母和数字都不同IC的代换。有的厂家引进未封装的IC芯片，然后加工成按本厂命名的产品。还有如为了提高某些参数指标而改进产品。这些产品常用不同型号进行命名或用型号后缀加以区别。例如，AN380与uPC1380可以直接代换；AN5620、TEA5620、DG5620等可以直接代换。 (4)非直接代换

非直接代换是指不能进行直接代换的IC稍加修改外围电路，改变原引脚的排列或增减个别元件等，使之成为可代换的IC的方法。

代换原则：代换所用的IC可与原来的IC引脚功能不同、外形不同，但功能要相同，特性要相近；代换后不应影响原机性能。

(a)电源电压要与代换后的IC相符，如果原电路中电源电压高，应设法降压；电压低，要看代换IC能否工作。

(b)代换以后要测量IC的静态工作电流，如电流远大于正常值，则说明电路可能产生自激，这时须进行去耦、调整。若增益与原来有所差别，可调整反馈电阻阻值；

(c)代换后IC的输入、输出阻抗要与原电路相匹配；检查其驱动能力。

(d)在改动时要充分利用原电路板上的脚孔和引线,外接引线要求整齐，避免前后交叉，以便检查和防止电路自激，特别是防止高频自激；

(e)在通电前电源Vcc回路里最好再串接一直流电流表，降压电阻阻值由大到小观察集成电路总电流的变化是否正常 。

单元五 音频处理系统的设计

一、实验目的

1.了解语音信号的频率成分； 2.采集一段语音进行频谱分析；

3.了解语谱图，并使用MATLAB画出一段语音的语谱图。

二、实验仪器

1. 信号处理模块，位号：E和F 2．双踪示波器1台

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三、实验原理 1.语音信号频域介绍

语音的产生是一个复杂的过程，语音信号的最终形成是包含众多因素的，包括心理和生理等方面的一系列动作，因此语音信号是较为复杂的音频信号，包含众多的频率成分，有些频率成分对于语音的产生有比较大的影响，缺少了语音的语义就会完全失真，有些频率成分则是噪声信号，缺少了对语音的语音基本没有影响。

下图是一个女声发音的“我到北京去”的时域波形图，该语音段的频谱宽度为300-3400Hz，采样频率为8kHz，持续时间为4S。现在对下面的信号进行频谱分析。

图29 语音信号时域及频域图形

在上图中给出了一段语音信号和这段语音信号的频域图形，可以看出语音信号从几十

Hz到1500Hz频段都有频率分布，在该频段上，各个频率对应幅度也有不同。每个频率成分都是怎么产生的，又有什么样的作用，这就是音频信号频域分析需要注意的问题。

2．语谱图

语音信号随时间而变化的频谱特性可以用语谱图直观的来表示。语谱图的纵轴对应与频率，横轴对应于时间，二图像的黑白度（也可用彩色）对应于信号的能量。所以，声道的谐振在图上就表示成黑带，浊音部分则以出现条纹图形为特征，这是因为此时的时域波形具有周期性，而在清音的时间间隔内图形显得很致密。

下面给出了上面“我到北京去”语音信号的语谱图，试对比上面介绍内容，分析该语谱图，分析语音信号的特征。

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图30 语谱图

3.语音信号的频谱分析

实验中通过配套的分析软件，还可以完成对语音信号的频谱分析，并且通过设定的滤波器完成对信号的滤波。

实验界面如下图所示：

图31 语音信号的频谱分析和滤波处理

四、实验内容及步骤

1．插入有关实验模块：

在关闭系统电源的条件下，将“信号处理模块”插到底板“E、F”号的位置插座上。注意模块插头与底板插座的防呆口一致。 2．加电：

打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。 3．实验内容：

① 连接麦克风和耳机到实验箱右下侧接口；

② 按下SW101按钮，使程序指示灯D3D2D1D0=1011，指示灯对应语音采集；

③ 打开系统配套的上层软件，观察实时语音数据，并将语音数据保存为.wav格式文件。

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④ 打开语音信号尺度变换分析软件,并将采集的到语音信号添加到尺度变换读取文件路径中；

⑤ 选择尺度变换的的参数：f(t)->f(t/2)或f(t)->f(2t)； ⑥ 通过观察“原始频谱”和“变换后频谱”了解尺度变化的性质；

⑦ 将尺度变换后的语音文件chidu.wav通过实验箱回放，听取尺度变换后的声音效果。

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