模拟电路原理设计及应用篇1
关键词：proteus；电子技术；仿真
中图分类号：G434文献标志码：a文章编号：1674-9324（2012）04-0215-02
一、引言
将eDa（electronicDesignautomatic，电路设计自动化）软件应用于电子电路的辅助教学，可以使课堂讲解和实验演示更生动、形象，使学生更快、更好地掌握课堂教学的内容，加深对概念、原理的理解。目前常用于电路设计、分析的eDa软件有pSpice、protel、multisim（ewB）和proteus等，其中proteus除了可以仿真、分析各种模拟和数字电路以外，其最大的特点是可以支持许多型号的微处理器仿真，所以非常适合电子信息专业基础课，如电路、模拟电子技术、数字电子技术、高频电路、通信原理和单片机等课程的辅助教学。
二、proteus仿真软件
proteus仿真开发平台是由英国Labcenter公司开发的，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，是一个完整的硬件、软件设计仿真平台，包括原理图输入系统iSiS、带扩展的proSpice混合模型仿真器、动态器件库、高级图形分析模块和处理器虚拟系统仿真模型VSm，主要特点有以下几点。
1.可以仿真数千种模拟、数字器件和集成电路，并且提供了大量的动态仿真器件，使仿真运行效果更逼真；支持多种型号的微处理器、微控制器芯片的仿真，如51系列、piC系列、aVR系列单片机、摩托罗拉的68mH1l系列，以及philips的LpC系列aRm芯片等。
2.proteus的仿真是基于SpiCe3F5的，因此它也能像其他的eDa软件那样对各种分立与集成的模拟、数字进行电路分析，如模拟分析、数字分析、混合信号分析、频率分析等。
3.提供了虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电表、虚拟终端（Virtualterminal使用电脑的键盘和显示器通过串口与外部的单片机系统通讯）等虚拟仪器仪表供选用。
4.由iSiS及aReS两大功能模块构成，既能够进行SCH（原理图）的设计，也能够进行pCB（印制板）的设计，并且在iSiS环境中能够对设计的电路进行交互式实时仿真。
5.能和Keil、matlab等软件整合使用，使得用户可以在设计中直接编辑修改源代码，并即时观察运行效果。
鉴于proteus软件的特点，我们将proteus的应用融合进了教学的多个环节，进行了较为深入的实践应用。
三、proteus在电子技术课程教学中的应用
模拟电子技术、数字电子技术是电子技术课程的两个分支，模拟电子技术一般设置在数字电子技术之前，这两门课程是电类相关专业的专业基础课，是后续专业课程的基石，具有实践性、系统性较强的特点，并且课程内容较多，相对学时较少。为了加强课程的学习，对于电子信息专业的学生我们在培养计划中设置了理论教学、实验、课程设计等环节，结合各个教学环节的特点，我们辅助应用proteus仿真软件加强教学效果，有效地提高了学生电子线路系统性设计及创新性的能力。
1.在模拟电子技术课堂教学中，将proteus的交互式仿真运行融于基于多媒体的课堂理论教学之中，具有即时、直观、生动的特点，有利于学生快速理解电路工作原理，了解相关器件的作用、掌握参数的调整、电量的测量方法等。模拟电子技术的主要教学内容是采用工程近似法对非线性器件二极管和三极管构成的单级、多级放大电路及集成放大电路的工作原理和性能指标的分析计算。我们利用proteus的iSiS编辑环境功能结合教材上的电路，搭建了各个章节中的主要基本单元电路的仿真原理电路，在相关教学内容中尽量充分利用仿真电路增强课堂教学的效果。例如在讲解固定偏流共射组态放大电路时，结合图1，分析了电路的静态、动态工作原理，利用交互式仿真功能，在断开vi时，调整相关器件参数，在虚拟电压表、电流表上观察Q点相关电量的值的变化。在加入vi时，利用示波器或通过添加探针，利用模拟图表观察输入输出波形放大情况和相位关系，同时还可以通过改变输入信号幅度或元件参数大小分析输出动态范围，观察饱和、截止失真，使学生在理论学习的同时，能够感受实验操作的生动性，提高学生的学习兴趣，并加快知识的掌握，为实验课程做好铺垫，避免学生在用实验箱进行实验时，不明就里，只按照指导书盲目接线测量。
在数字电子技术的教学中，proteus的仿真作用更加有效和形象直观。在基本逻辑门电路、门电路或集成电路构成的组合电路、时序电路、波形产生及电源电路的教学过程中，都融入了仿真电路运行演示，增强课堂教学效果，并且设计了有关单元电路的综合应用电路。例如，在讲完编码器、显示译码器后，仿真演示了如图2所示的组合应用电路，该电路能将BCD优先编码器74LS147的最高编码通过显示译码器74LS48驱动显示在数码管上，同时也可以改变译码器的控制信号状态，展示74LS48的功能，使学生对单元电路的原理、应用、接口、系统性有了更深入的理解。
又如，对于利用加法器实现减法运算的应用，我们设计了图3所示的电路，说明了加法器的应用及有符号数的补码、原码之间的关系，该电路可以将两个4位二进制数的差以原码的方式输出。
作业是学生巩固课堂所学知识不可或缺的环节，在布置作业时，我们建议学生对于设计性的题目利用仿真软件完成，加强电路设计、原理、功能等方面的理解。
2.利用proteus辅助实验及课程设计。虽然模电、数电实验都有现成的实验箱，但是硬件是固定的，实验课时是有限的，并且必须在规定的时间地点进行。而proteus却可以不受时间场地的限制，器件选择上也更具灵活便利性，虽然不能代替硬件实验，却是很好的辅助工具。在实验课的基础上，我们鼓励学生结合实验教材，利用proteus软件设计调试没有安排进实验课的有关电路，不少学生都根据自己的兴趣爱好设计调试了相关电路，培养了学生的自主学习能力。课程设计安排在理论教学及实验课结束之后，是电子技术课程重要的实践教学环节，经过前两个教学环节的学习，学生已经初步具备了分析设计、调试基本单元电路的能力。综合考虑系统性、实用性、启发性等因素，我们给学生提供了多个难度适中的选题，学生也可以自行选择合适的选题。要求学生首先利用proteus软件仿真电路，充分理解系统电路的工作原理，再安装制作、调试实际硬件电路系统，实现系统功能，pCB板的设计也最好利用proteus的aReS模块实现。学生按要求历经基于仿真基础上的综合应用电路的设计、分析、安装调试硬件电路的过程，进一步巩固了基本单元电路的掌握和应用，增强了系统设计的能力与综合分析问题、解决问题的能力，收获很大。
四、结语
在电子技术课程教学中，利用仿真软件将理论教学、实验和课程设计有机结合，提高了电子技术课程的教学效果，开发了学生自主学习的潜在能力，激发了学生的学习兴趣和创新意识，开拓了学生的视野，增强了学生综合运用知识的能力和实际动手能力，为后续高频电路、单片机等专业课程的学习以及参加电子设计竞赛等奠定了夯实的基础。在今后的教学实践中，我们将更加深入地研究、探索更加行之有效的教学方法。
参考文献：
[1]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.proteus教程――电子线路设计、制版与仿真（第2版）[m].北京：清华大学出版社，2011.
模拟电路原理设计及应用篇2
关键词：proteus仿真；模拟电子技术；职业教育
模拟电子技术课程是我校五年制高职电子信息工程技术专业核心教学与项目训练课程，电子信息工程专业人才培养方案赋予模拟电子技术课程的任务是：使学生掌握线性典型基本单元电路的工作原理，学会分析模拟电路的一般方法，培养一定的计算分析能力，培养较强的操作技能，为学生的终身学习及工作打下坚实基
础。在教学中，如何完成专业人才培养方案赋予课程的任务？如何让电路理论与实际应用之间很好地对接？如何化繁为简、形象生动地理解所学所教？这些问题一直困扰着师生，本文结合proteus仿真软件在模拟电子技术课程中的教学做一些尝试。
一、职业院校模拟电子技术课程教学模式变革
模拟电子技术课程是电类专业非常重要的专业基础课程，它不但集繁杂理论、实验实践于一体，与工程实际也密不可分；而且对专业能力的形成、后续课程的深入学习影响深远。传统的“粉笔+书本”教学模式已经完全无法适应教育现代化进程的不断推进和
素质教育的深入开展；突出以能力为本位、以学生为主体、以就业为导向的理实一体化模式在模拟电子技术教学实践中效果明显。模拟电子技术课程理实一体化模式中的“理”是指电路的原理或理论，“实”是指实验或工程实践。理实一体化模式教学既要求师生做好理论的教和学，同时要求在课堂内外对学生展开实践教学，深入实验室、工作现场为学生进行讲解，配合理论，加深学生对模拟电子技术相关知识的理解与认知。
但在实际教学中，“实”的教学经常受到经费和实验或实践条
件的限制，无法及时提供实验或实践场所或所需元器件来装接、调整电器参数，而且存在仪器和元器件的损耗问题。在“理”的教与学过程中，师生共同面对抽象枯燥的电路理论、空洞复杂的电路分
析——干涩无味又难以理解，师生的教与学都费力、费时，还无法达到预期的教学效果。
迅速发展的电子与信息技术提供了eDa教学新平台，如果恰当地运用eDa工具软件虚拟仿真来辅助教学，可以较好地克服我们在理实一体化教学中遇到的这些困难。eDa是电子设计自动化（electronicDesignautomation）的缩写。在电子领域中，eDa技术发挥着重大的作用，是现代电子设计的核心。在模拟电子技术教学中，从早期的ewB到现在的multisim，我们的确感受到了eDa的仿真技术能打破专业教学上的一些局限性，在激发学生学习兴趣的同时保证了良好的教学效果。
二、proteus与模拟电子技术课程教学
1.认识proteus软件
proteus是英国Labcenterelectronics公司开发的eDa工具软件，虽然只有20多年的历史，但在全球的使用范围很广。proteus软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多功能于一体，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款电子线路设计与仿真软件。proteus主要由aReS和iSiS两大模块构成，aReS主要用于印刷电（pCB）的设计及其电路仿真，iSiS主要用于原理图的设计并仿真：包含有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机仿真。proteus软件所提供了30多个元件库，8000多千种元件，且随着版本的不断升级，数量仍在不断增加，元器件涉及数字和模拟、交流和直流等25个大类。
2.结合proteus仿真平台的模拟电子技术课程教学
proteus仿真结果的显示形式非常适合于学生认知电路的功能，是模拟电子技术教学良好的辅助手段。恰当地应用，不仅可以帮助学生掌握模拟电子技术教学的基础知识、基本理论、基本分析和设计方法，为学习后续课程提供必要的理论基础知识和实践技
能，还可以培养学生对知识的广泛兴趣，激发他们的创造性。与传统实验方式相比，是一种更能突出以学生为中心的开放式教学。
选择proteus软件与模拟电子技术教学相对接，是因为它不但在电路仿真功能上可以和multisim相媲美，而且它的pCB制版功能也可以和protel相媲美，更重要的是它的单片机仿真功能是其
他任何eDa软件都不具备的。可以看出proteus软件的功能不但强大，而且每种功能都不逊色于同类软件，是电子信息类专业学生学习专业课程难得的一个工具软件。当然，电路的仿真属于理想状况，并不能完全代替实验室实验。如果我们能合理安排一些实践内容和实践时间，辅以proteus软件来学习，我们的教和学就会事半功倍。
参考文献：
[1]陈其纯.电子线路.2版.北京：高等教育出版社，2008.
[2]胡宴如.模拟电子技术.2版.北京：高等教育出版社，2004.
[3]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.proteus教程.1版.北京：清华大学出版社，2008.
模拟电路原理设计及应用篇3
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(Ringoscillator,Ro)的锁相环(phaseLockedLoop,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(LowDrop-outRegulator,LDo)通过全芯片的io电源(3.3V)向pLL核心电路提供1.2V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。
2.1LDo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(VoltageReference)、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。
0.13μmCmoS工艺要求数字电路部分采用1.2V和3.3V两种电源进行供电,内核电路使用1.2V电源,io电路使用3.3V电源。就内核1.2V电源来讲,与pLL环路所需要的1.2V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3.3V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(BandgapVoltageReference,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(imaginaryShort)”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(proportionaltoabsolutetemperature,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(transientResponse,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30ma,输出电压1.2V;
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(VoltageControlledoscillator,VCo)在偏置电压的作用下可以产生高频振荡;鉴频鉴相器(phaseFrequencyDetector,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(Chargepump,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300mHz~800mHz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20mHz,33.3mHz,50mHz,66.7mHz,80mHz,100mHz。这个频率范围基本覆盖了从50mHz到1GHz的应用。
下面先根据输入参考频率66.7mHz,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・2e9rad・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magmaFineSim和HSpiCe模拟对比,模拟精度均为1ps,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magmaFineSim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0.13μmCmoSLogic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,magmaFineSim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magmaFineSim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]RazaviB.Designofanalogcmosintegratedcircuits.Columbus,ohio:mcGraw-HillCompanies,2002
[2]XinpengX,Zhihuaw,DongmeiL.alowvoltagehighprecisioncmosbandgapreference.proceedingsof25thnorchipConference,noRCHip,november19,2007-november20,2007,aalborg,Denmark,2007.inst.ofelec.andelec.eng.ComputerSociety
模拟电路原理设计及应用篇4
关键词：电气虚拟教学Cult3D互动性
随着武器装备信息化程度的提高，电气系统越来越复杂，因此对装备电气教学训练提出了更高的要求。目前，装备电气教学一般是采用书本教材、挂图结合实装的方式[1]，但这种方式面临诸多问题：
（1）电气设备连接关系复杂，一张电路图往往涉及多个电气设备，而这些设备在武器装备内部又并非在同一空间位置；
（2）在训练场地进行实装教学，不易于学生理解电路原理；而在课堂上脱离实装学原理，又难以弄清电子元器件在装备上的具置；
（3）由于装备数量和训练场地有限，学生的操作实践难以保证，训练效率低下；
（4）装备电气功能结构复杂，造价昂贵，对装备的拆卸容易造成设备损坏。
因此，需要从装备电气教学的手段和方法上进行创新，开发符合学生实际需求的教学设备和手段。随着计算机软硬件技术的迅速发展，基于虚拟现实技术装备电气教学系统可以解决传统教学的诸多问题，能极大提高学习效率，对培养“技指结合”的学生、提高学生的装备维修能力有着重要意义。
1“武器装备电气系统”虚拟教学系统
我教研室开设的武器装备电气系统系列课程包括电气原理、故障诊断和模拟训练3个子课程。为了将原理教学和训练教学更加紧密地联系起来，开发了武器装备电气系统虚拟教学系统。该系统由电气原理、虚拟装备结构、虚拟电路板和虚拟仪器四大功能模块组成。
（1）电气原理模块主要展示传统的电气教学元素，包括装备电气原理讲解、电路图浏览、视频、课件的播放等。
（2）虚拟装备结构模块主要用于装备外观、内部结构的教学，学生可以在装备内部进行虚拟漫游，熟悉电气设备在装备内部的空间位置，也可以对电气设备进行分解、结合，掌握电气设备的正确拆装步骤。
（3）虚拟电路模块用于模拟实际电路板的电气属性、连接关系、测试热点等，学生通过与界面的交互，了解电路原理图与实际设备的对应关系。例如点击原理图上的某个元器件，便可查看该器件具于哪个电气箱体的哪块电路板上以及它其他元器件的实际连接关系如何。
（4）虚拟仪器模块用于模拟实际仪器的测试效果，可以对虚拟电路板上的测试点进行电气测试，并能模拟实际仪器的换挡、读数和波形等，避免了真实测试操作的危险性和破坏性。
系统采用BorlandDelphi7.0编程工具与Cult3D三维虚拟技术，实现装备电气教学的动态交互设计，完成三大虚拟模块的功能需求。
2虚拟教学系统设计流程
武器装备电气系统虚拟教学系统采用3DSmax+
Cult3D+Delphi来实现学生与模型的交互，具体方法如下：
2.1构建静态模型
教学系统的虚拟环境首先要构建被观测对象的静态模型，即某型号装备电气系统的三维模型，使其能够逼真地展现实装备电气设备的外观。本系统采用3DSmax2010软件制作模型的立体几何形态和外观材质，细节部分的材质采用实物照片贴图方式，从而生成电气设备的三维静态模型文件，即“*.max”文件。
2.2动态模型设计
为了使学生更加直观地理解装备电气系统的构成、连接关系和组装方式，需要对静态模型进行动态设计，转换成动态模型，提高学生的操作兴趣和虚拟现实的沉浸感。
Cult3D是Cycore公司开发的一种3D网络技术，它可以把图像质量高和速度快的交互、实时物体送到所有因特网用户手上。Cult3D技术可以做到档案小、真实互动、跨平台运用，并有优秀的三维质感表现[2]。
本系统采用Cycore公司提供的Cult3Dexporter插件将“*.max”文件转换为Cult3DDesigner软件可以操作的“*.c3p”文件。
在Cult3DDesigner里对静态模型进行旋转、缩放和拖动的动作设计，针对不同的模型，设计XYZ坐标旋转轴点、鼠标敏感度和响应速度；并且通过制订模型配件的约束路径，设计用户对设备的拆卸动作。图3是Cult3DDesigner软件中对某电气设备拆分动作的映射图。
动态模型生成的最终文件输出为（*.co）压缩文件，该格式文件占用空间小，可嵌入HtmL网页或word，ppt，acrobat等多媒体应用软件中。
2.3教学系统交互功能的实现
武器装备电气系统虚拟教学系统采用BorlandDelphi7.0软件开发，并选用activeX技术完成对“*.co文件”（动态模型）的调用。
activeX控件是一组采用Com（Componentobjectmodel，部件对象模型）使得软件部件在网络环境中进行交互的技术集，可嵌入到包容器宿主应用程序中，与开发平台无关[3]。本系统采用显示调用动态链接库的方法实现动态模型到Delphi软件平台的嵌入。
3应用情况和实践效果
学生在学习武器装备电气系统的电气系统总体结构时，可使用本系统的虚拟装备结构模块，浏览电气设备在装备上的空间位置，并直接进行拆装操作。图4所示为学生对某电气设备的拆装过程，可在提示模式下根据提示步骤进行操作，也可在考核模式下进行考核。
学生在学习电路原理时，可通过电路图直接切换到虚拟电气设备中进行电气连接关系查看，也可以直接对设备的正常状态或故障状态下进行虚拟测量。图5所示为学生使用虚拟万用表测量某虚拟电路板。
武器装备电气系统虚拟教学系统提供了逼真的学习交互环境，使电气知识更加形象化，克服了二维电路图、照片等局限，在教学中能让学生有身临其境的感觉。Cult3D技术的引用使该系统具有较好的开放性和良好的网络传输性，可为学生提供课余时间的练习机会，能较好地培养学生动手操作设备仪器的能力，可缩短学生实装操作训练的时间，提高训练效率；同时可防止装备在不当操作中的损坏和由于频繁使用造成的零件磨损，减少训练经费的开支。
在教学实践中，分成a，B两组学生进行教学，a组运用武器装备电气系统虚拟教学系统，B组不运用。对这两组学生进行的调查可以发现，有条件（接触网络，有计算机）且应用武器装备电气系统虚拟教学系统进行操作练习的学生，在实装训练过程中，其积极性、出错率、训练成绩等方面和其他学生明显不同，其动手能力和空间想象能力也明显高于其他学生。
参考文献
[1]何嘉武，赖煜坤.武器装备虚拟维修训练系统设计与实现[J].科技导报.2010，28（24）：71-74.
模拟电路原理设计及应用篇5
关键词：物联网；虚拟硬件实验环境；单片机；proteus仿真
中图分类号：tp391.9文献标识码：a文献编号：2095-1302（2014）10-00-03
0引言
物联网（internetofthings）是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网工程是一门覆盖范围很广的综合叉学科，涉及计算机科学与技术、电子科学与技术、自动化、通信工程、信息安全等诸多学科领域，有着广阔的应用前景。它改变了人类之前物理基础设施和it基础设施截然分开的传统思维，将具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术有效连接在一起，使得管理、生产制造、个人生活实现互联互通，被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮[1]。
随着物联网在社会各个行业的快速发展，它已经进入到了各种应用领域。因此物联网专业技术人才的培养在高校的人才培养中日益提上了日程，随着“十二五”规划中将物联网列为国家战略性新兴产业，物联网专业的建设面临着长足发展的良好机遇。物联网专业作为一个实践性很强的专业，它的建设一贯遵循理论与实践相结合的方针，注重对学生的理论知识和动手能力的双重培养。
物联网工程作为一门新的专业，关于它的课程体系、培养模式和教学方法的研究得到了各个高校的普遍重视[2]。本文基于物联网专业人才培养发展的新需求，以硬件类课程为依托，引入proteus虚拟仿真平台，提出面向工程应用的培养方案，形成了理论内容与实验仿真相结合，课内实验与开放性实验室相结合，系列课程全程贯穿实际工程应用的联合教学模式。
1物联网专业硬件系列课程的培养模式
物联网专业的课程整体上可分为硬件类课程和软件类课程，其中硬件类课程是基础，软件类课程是灵魂。硬件类课程是物联网专业课程设置中的重要的基础部分，也是后续其他其它课程学习的基础。目前在各高校和硬件类相关课程主要有《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理与接口技术》、《单片机原理及应用》以及《嵌入式系统的设计与用》等课程。这些硬件类课程具有抽象性高、理解难度大等特点。传统的授课过程中教师多采用黑板板书同时多媒体课件辅助的形式，这种教学手段讲授的内容比较抽象，但是若在授课过程中将实验室器材搬到教室中又很不方便，学生普遍反映学习效果不好。这种教学方式存在理论讲授与实践演示相脱节的弊端，难于通过实验操作向学生展示理论知识的直观应用效果，因此往往造成知识讲授枯燥无味、学生学习兴趣不高、教学效果不佳等问题。
随着计算机仿真技术的快速发展，对教学的现代化提出了新的要求，并提供了很大的方便。在物联网专业硬件类课程的教学中，完全有条件把教学和实验内容利用计算机仿真软件先进行仿真、模拟调试后再用硬件实现，同时在课堂上将元器件的工作特性通过仿真软件实时展现出来。所以通过在教学中把eDa电路设计软件引进教学和实验中，教学过程中教师使用仿真软件展示元器件的工作特性，课下学生再通过仿真软件上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测量直至印制电路板的自动设计[3]，这种方法集教学、学习、设计、创新于一体，拓展了教学和实验的深度和广度，同时提高了学生学习新知识的兴趣，将会取得很好的效果。
2基于proteus的虚拟仿真平台
2.1平台软件proteus介绍
proteusiSiS是英国Labcenterelectronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，可以仿真分析各种模拟器件和集成电路[4]。它的主要功能包括：
（1）实现了单片机仿真和SpiCe电路仿真的结合。它具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其电路仿真，RS232接口的动态仿真、i2C调试器仿真、Spi调试器仿真、键盘和LCD仿真等功能；有多种虚拟仪器可供仿真调试使用，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有8051系列、68000系列、aVR系列、piC系列、Z80系列、HC11系列、aRm系列以及各种芯片。
（3）提供软件调试功能。在系统仿真时该软件具有全速、单步、设置断点等调试功能，可以观察各个变量、寄存器、内部Ram的当前状态，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51软件。
（4）具有强大的原理图绘制功能。利用软件提供的元器件库可绘制模拟电路、数字电路、模拟与数字混合电路、单片机应用电路。它涵盖了电工电子实验室、电子技术实验室、数字逻辑实验室、计算机组成原理实验室、接口技术实验室、单片机应用实验室等的大部分功能。
使用proteus软件来构建虚拟的教学和实验平台，可以有效解决教学中存在的理论讲授与实践演示相脱节的弊端。教师在课堂通过使用proteus仿真课本上的理论内容，以生动形象的仿真效果形式来提高学生的学习兴趣，引导学生在课下使用仿真软件自我学习其他相关内容，自行设计实验项目，尝试自我解决学习过程的各种疑难问题，更加扎实地掌握硬件类专业课内容。
结合proteus虚拟实验平台的高效率和较好互动性，本文分别以proteus在数字电子技术、模拟电子技术、单片机原理中的具体应用为例，展示proteus在这些硬件类课程中的具体使用方法。
2.2proteus在数字电子技术中的应用
数字电子技术是物联网专业一门非常重要的专业基础课，其主要内容是组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析与设计。在教学中，通过引入proteus的虚拟系统仿真模型，可以集电路的设计与仿真于一体，让学生直观地看到电路的运行效果，增强教学生动性和直观性，加深对常用中规模集成电路的理解和掌握[5]。
例如，在学习译码器这部分内容时候，通过使用proteus仿真二进制3-8译码器74LS138，能使学生更好地掌握其用法。
如图1所示，当选通段e1为高电平，另两个选通段（e2和e3）为低电平时，可将地址端a2a1a0的二进制编码在Y0～Y7对应的输出端以低电平译出。图中当a2a1a0=010时，则Y2输出端输出低电平信号0。
图174LS138芯片功能测试结果图
2.3proteus在模拟电子技术中的应用
三极管是电路电子学课程非常重要的内容，只有掌握三极管的相关知识，才能为后续的放大电路的学习打好基础[6]。在以往的学习中，老师上课中只讲理论，然后将输出特性图片展示在投影上，这样效果不明显，学生只能记忆结果。
采用proteus仿真系统，根据三极管工作在放大区、截止区、饱和区的特性，画出三极管输出特性电路图，如图2所示。仿真后在模拟图表中绘出输出特性曲线，通过输出特性曲线，使学生能够更好地理解三极管工作在截止区、放大区和饱和区的条件。采用这种方法能够使学生在实际操作中掌握元器件的特性和原理，提高学习的兴趣。
图2三极管2n222的输出特性曲线
2.4proteus在单片机原理中的应用
相对于multisim、ewB、protel这些常见的eDa设计软件，proteus最大的优势就是能对mCU进行仿真和测试[7]。在前期教学的理论讲解后，同时在课堂上利用proteus软件进行仿真效果演示，按照设计好的单片机应用实例，向学生演示单片机系统软硬件设计开发、调试修改的全过程，从而使学生对单片机各个模块的工作原理、设计方法有深刻的了解。例如在学习Da转换器DaC0832时候，单纯的理论学习DaC0832是非常枯燥无味的，通过在课堂上和实验中先使用proteus仿真，在Keil软件里面编写程序，然后将proteus和Keil联合调试，使学生能够动态掌握相关知识，这将极大提高学生学习的积极性。
如图3所示，通过连接引脚，使得图中的DaC0832中的8位输入寄存器处于受控制状态，8位DaC寄存器处于直通状态，这样DaC0832转换器工作于单缓冲工作方式，仿真运行后，通过虚拟示波器，观察到到从DaC0832输出端产生三角波信号。
图3DaC0832输出三角波波形图
2.5proteus在其它课程中应用
proteus元件库中所包含的各种类型、品种丰富的物理元件、各种激励源可达到对应信号发生器的效果，强大精确的虚拟检测仪器仪表可以实现对任何观测点检测，因此在电子测量技术这门课中引入proteus，同样能够使学生从直观效果到微观分析全面掌握这门课。
proteus的虚拟仿真系统除了支持8051系列mCU，还支持aRm7、piC、mSp430等多种系列。因此，在微机原理与接口技术、嵌入式系统等课程的教学中，proteus同样也能够起到很好的教学效果[8]。
3结语
物联网专业硬件类课程公式多、推导繁，概念抽象且不易理解与掌握。在教学中如何选取合适的讲授方法很重要。本文在介绍proteus虚拟仿真软件的基础上，结合实例展示了proteus仿真软件在物联网工程专业中的模拟电子技术、数字电子技术和单片机技术原理等硬件课程教学与实验中的应用。将课本上的理论知识通过计算机仿真“真实”地展现出来，将抽象的概念变为形象、生动、直观的图形和实例，提高学生的学习热情和积极性，变被动学习为主动学习。
相对比传统的物联网专业硬件实验室，proteus具有投入低、教学效果好的优点。以proteusfor8051为例，基于proteus软件，可以构建虚拟硬件实验环境，扩展单片机课程实践教学的综合设计类实验内容，提高实践教学内容的理论层次及技术含量。经大一大二学生的教学实践证明采用这种方法提高了学生的学习兴趣与自主开发设计能力，提高了实践教学效果，节省了实验设备购置费用，降低了实验设备的损耗，具有很好的推广价值。
随着Labcenterelectronic公司对proteus软件的不断升级，其VSm的品种也将越来越丰富，设计与仿真的功能也将越来越强。因此，在未来的物联网专业硬件类课程的教学过程中，借助该软件的设计与仿真平台，物联网专业学生的学习效果和应用能力都将不同程度得到巩固和提高。
参考文献
[1]刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学，2010，37（6）：1-3.
[2]杜祥岭，刘加宁.构建高校物联网专业与实训中心探析[J].辽宁工业大学学报，2011，13（4）：119-122.
[3]任建强.仿真软件在课程教学中的应用[J].廊坊师范学院学报，2011，11（1）：99-101.
[4]周润景，刘晓霞.基于proteus的电路设计仿真与制作[m].北京：电子工业出版社，2013.
[5]杜树春.基于proteus的数字集成电路快速上手[m].北京：电子工业出版社，2012.
[6]杜树春.基于proteus的模拟电路分析与仿真[m].北京：电子工业出版社，2013.
模拟电路原理设计及应用篇6
关键词：自动控制原理；对象性实验设计；模拟电路；二阶系统；频率特性
中图分类号：tp391文献标识码：a文章编号：1009-2374（2013）05-0017-03
1概述
自动控制原理是高等院校控制类专业的一门极为重要的专业基础课。其特点是教学内容抽象，数学含量大，计算繁杂，学生不易理解。而该课程实用性强、设计面广，因此实验教学成为帮助学生掌握自动控制理论的重要环节。搞好实验教学，选取合适的实验对象，不仅可以使学生对所学理论有更深刻的理解，同时也可以提高学生的学习兴趣。
2自动控制原理实验内容设置
为了满足应用型本科的培养目标，我校课程设置实践环节比重较大，该课程实验设置24个学时。同时为了让学生体会到理论与实际的紧密关系，实验课程除了matlab仿真应用外，增设实际对象操作实验。具体安排如下：
实验一：控制系统的数学模型（2学时）
实验二：典型环节模拟电路及其数学模型（4学时）
实验三：线性系统的动态性能分析（2学时）
实验四：线性系统稳定性和稳态误差分析（2学时）
实验五：典型二阶系统模拟电路及其动态性能分析（4学时）
实验六：线性系统的根轨迹（2学时）
实验七：典型系统频域特性分析（4学时）
实验八：线性系统的频率法串联校正（2学时）
实验九：线性系统的piD控制（2学时）
3对象性实验的设计
学生对看得见、摸得着的东西兴趣较大，因此实验对象的选取在符合理论仿真的同时，需要具备可观察性和可操作性。上述实验内容中，实验二、实验四、实验七均采用实际对象进行实验，实验对象选择发光二极管或者电机（由于电机对于低电压有死区，因此制作了特殊的驱动电路）。
3.1典型环节模拟电路及其数学模型
自动控制原理中典型环节为比例、积分、微分、惯性、比例积分和比例微分，研究这些环节的特性主要是观察分析它们的阶跃响应以及其参数的变化对环节的影响。该实验目的是让学生学会使用模拟电路构造典型环节，掌握其特性，并能根据响应曲线建立传递函数。使用实验对象观察这些环节的阶跃响应，比使用示波器直接观察波形更具演示性，而且学生也更容易联想到其他更多的实际对象。
实验过程先进行matlab仿真，如图1所示，之后再进行实际对象电路搭建实验，如图2所示。
以比例积分环节为例，其模型相当于比例环节和积分环节的并联，其仿真原理图及结果如图3所示。由于仿真为理想情况，所以其输出特性只跟设置的仿真极限参数有关，阶跃设置滞后1秒钟（为了观察到无阶跃的情况）。
将电路连接好如图4所示，设置比例系数和积分时间常数后，闭合开关相当于给系统阶跃输入，电机将会以某一速度（由比例系数决定）缓慢提速（提速快慢由积分时间常数决定），当到达最大速度时（由电路饱和电压决定），速度不再增加。对于发光二极管则是以某一亮度缓慢变亮，达到某一亮度后停止增加。为了让学生对实验结果有量的概念，将转速及光照强度在实验模块上设计电路测量并显示出来，进行记录，以便与仿真结果进行比对。
3.2典型二阶系统模拟电路及其动态性能分析
该实验的主要目的是为了让学生掌握典型二阶系统模拟电路的构成，学会运用模拟电子元件构造控制系统；掌握二阶系统动态性能指标实测的方法；能够定量分析阻尼系数、自然频率与最大超调量mp和调节时间之间的关系；学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
典型二阶控制系统实验电路由一个非周期性环节和一个积分环节串联等效而成。在实验中为了实现参数的线性调节，非周期性环节使用一个积分环节的反馈回路构造。根据典型积分环节的模拟电路构成，得到如图5所示的二阶控制系统模拟电路。
该电路对应的方框图如图6所示：
由系统方框图推导出该二阶系统闭环传递函数为：
将该二阶系统模拟电路的闭环传递函数与典型二阶控制系统传递函数的标准式比较，可以得出二阶系统的阻尼比为，无阻尼自然振荡频率为。
同样将电路按照图2方式接入实验对象，可观察到改变阻尼系数（R2的值）后得到二阶系统的阶跃响应：无阻尼时，电机转速忽高忽低，呈振荡状态；欠阻尼时电机转速忽高忽低，但逐渐稳定到某值；临界阻尼和过阻尼时电机转速逐渐升高到某值稳定下来。其仿真原理图及结果如图7所示：
3.3典型系统频域特性分析
该实验的主要目的是为了让学生加深了解模拟典型环节及二阶系统频率特性的物理概念；掌握模拟典型环节及二阶系统频率特性的实测方法；学会根据频率特性建立系统传递函数；了解实际频率特性与理想特性的不同，并确定近似条件。
频域特性分析的方法是对典型环节输入幅值固定、频率可变的正弦信号，观察输出的特性。由于实验对象本身不是纯比例环节，具有固有频率，因此要达到演示效果必须设置输入频率在对象固有频率范围内（小范围频率特性）。
以惯性环节为例（呈低通特性），输入频率较低的正弦信号，电机的转速也将按正弦规律高低变化，而且会产生相位差（由正弦的频率和惯性环节的参数决定）；当频率高到某值的时候，惯性环节输出电压驱动的电机两个方向的最大转速减小，相位差变大；当频率再高，惯性环节输出接近零，电机将不会转动。
4结语
在自动控制原理实验中引入实验对象具有较强的演示效果，而且比较贴近于生活实际和工程实际。如此一来，不仅提高了学生对实验的兴趣，给学生留下比较深刻的印象，而且锻炼了学生的工程实践能力，在今后的学习和工作中可以很容易地联系到工程实际对象。该实验在我校已对两届学生实施，效果良好，目前正在进一步设计其他实验内容的对象化，使自动控制原理实验更具趣味性，以获得更好的教学效果。
参考文献
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[2]刘艳.基于虚拟仪器的“自动控制原理”实验教学改革探索[J].林区教学，2009，（11）：9-10.
[3]张栋.自动控制原理实验教学改革探索与实践[J].实验室科学，2011，（10）：37-40.
[4]王秀霞.自动控制原理综合实验系统的设计[J].实验室研究与探索，2009，28（10）：62-63.
[5]胡寿松.自动控制原理[m].北京：科学出版社，2001：13-14.
模拟电路原理设计及应用篇7
1.设置实验项目
在本课程的实验项目中设置了12学时必开实验，包括验证型实验和设计型实验。主要目标概括为以下四点：
（1）掌握电路性能仿真方法，提高对电路的设计、分析、调试、故障排除的能力。
（2）掌握虚拟仪器仪表的使用方法。
（3）掌握电子线路原理图设计的过程、方法及技巧。
（4）掌握印刷电路板图设计的过程、方法和技巧，训练电路设计方面的综合工程素质。具体项目设置为：multisim10界面设置及原理图绘制（2学时验证型）、multisim10虚拟仪器仪表使用（2学时验证型）、multisim10分析功能及电路特性仿真（2学时设计型）、altiumDesigner原理图设计（2学时设计型）、altiumDesignerpCB步线练习（4学时设计型）。
2.考核方式
考核内容为学生实验完成情况和实验报告两项。关于实验完成情况，考核学生是否参加实验、实验过程中是否认真、是否完成（独立完成）并得到正确结果；关于实验报告，考核学生的实验报告是否正确、完整、无误，实验报告的内容应包括实验目的、实验内容、实验中遇到的问题及解决办法，并附实验结果及分析，最后在实验报告上给出考核分数。对实验完成情况记实验成绩分，对实验报告记实验报告分。两项成绩之和为实验课成绩，占课程总成绩的50%。
二、上机考试设计
1.考试方法
配合本课程的教学目标，期末考试采用上机操作考试，开卷，一人一机，上交电子答卷word文件。老师对电子答卷进行评阅，记录成绩。考试题目类型为综合型大题，考查软件操作、模拟/数字电路分析与仿真、常用仪器仪表使用、元器件辨识、原理图和pCB图绘制的基本技能，考核范围全面，难度中等偏上，符合教学大纲的要求。
2.考试内容
试卷一般包括三道大题，覆盖了本课程两个电子线路CaD教学软件的主要内容，包括基础部分和应用部分，考查了学生的基本操作技能和虚拟设计及测量的工程素质。第一大题为multisim模拟电路操作题，主要考察软件multisim的基本概念学习情况及模拟电路的仿真与分析能力，包括一些基本物理单位的使用、基本虚拟测量仪器仪表的使用等，例如：绘制单管放大电路、对电路输出变量进行测量以及电路频率特性测量等内容；第二大题是multisim数字电路操作题，考察软件multisim的使用情况，包括数字电路的元器件、常用虚拟仪器仪表及常用分析和仿真方法等，例如：按要求绘制异步预置计数器电路图、电路元件设置、添加逻辑分析仪进行波形测量等内容；第三大题是altiumDesigner上机操作题，主要考察软件altiumDesigner的学习应用情况，包括原理图输入、元器件库使用、pCB板绘制的基本规则和方法等，例如：计数显示电路原理图绘制、pCB图绘制、pCB板参数设置等内容。
三、结论
模拟电路原理设计及应用篇8
【关键词】proteus；仿真；eDa
theapplicationofproteusintheactualcircuitdesign
abstract：inthedesignoftheactualapplicationprocess，askustodesignthecircuittheory，butalsorequiresthecircuitsolderinganddebuggingsuccess.theory-baseddesignflawsorsolderingcircuitcausesthecircuitdebuggingtime-consumingandthedrawbacksofexcessiveconsumptionofsupplies，wehaveintroducedaproteussimulationsoftware.thus，ourtheoreticaldesignofthecircuitbeforetheformationofprintedcircuitboarddesigninproteussoftware，circuitsimulation，simulationsoftwaretoachievetherequiredfunctionsbeforetheactualcircuitweldingcircuit.practicehasprovedthatinthiswaybyafundamentalsolutiontothecircuitboarddebugandsuppliesconsumedtoomuchtime-consumingproblem.
Keywords：proteus；simulation；eDa
传统的电子设计流程是先设计电路图、购买元器件，然后制板、调试，最后进行测试.这个过程一般需要反复多次进行，以达到设计要求.若采用eDa技术，则在原理图设计阶段就可以进行评估，验证所设计的电路是否达到要求的技术指标，还可以通过改变元器件参数使整个电路的性能最优化，则在很大程度上缩短调试时间，并节省耗材。
proteus就是一种基于标准仿真引擎的混合电路仿真工具，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，能够满足我们平时设计的需求。
1.proteus在实践中的应用
1.1proteus软件简介
proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其电路组成的仿真、RS232动态仿真、pC调试器、Spi调试器、键盘和LCD系统仿真的功能，有各种虚拟仪器，如示波器，逻辑分析仪、信号发生器等。因而可以在虚拟的环境中搭建各种电子电路，并可模拟常规的调试方法测量电路中各点的电压与波形及回路的电流与波形。
1.2proteus在实际电路中的应用
模拟电子线路中，理论知识抽象、概念多、工程实践性强，设计中不仅要考虑电路的理论知识还要考虑电路的具体结构及电路信号的特点等因素。我们设计一个用单片机信号控制电机正反转的电路，电路图如图1所示。印制板焊接完成，进行调试。由于没有这方面的经验，只是根据理论计算和元器件特性设计了电阻R2、R3的具体阻值。在调试中始终没能使电机旋转。因此浪费了好多时间。
将原理图移植到proteus软件中，在电路中分别加入了信号源（模拟单片机输出信号）、电压表和电流表（监测电路特性）。io1有高电平信号即10V，io2没有信号即0V，电机正转。相反，电机反转。在电路原理图中，R2、R3处分别并联模拟电压表，仿真时可以看到两处的电压值大小。在io1处添加了模拟电压源V2，用来模拟单片机输出信号。当V2有10V电压信号输出，光耦6n137工作。此时，如果R2、R3的电阻取值不够合理，电机不能旋转。我们可以通过反复仿真调试，不断改变两个电阻的阻值。实践证明，要实现电机的正向旋转必须保证R2、R3两端的电压足够大。电机反向旋转与正向旋转的原理相同，就不再赘述。
图2为电路仿真时的效果图。
通过仿真得出了准确的电阻阻值，后面进行了印制板绘制，焊接电路板，顺利完成电路所需功能的实现。
2.结束语
在实际电路过程中引入了proteus软件后，一方面能很好的验证所设计电路理论上的正确与否，解决了电路设计后焊接时调试成功率低及耗材消耗过多的问题。另一方面通过proteus的接近实际电路的仿真分析，为今后从事研究设计工作打下坚实基础。
参考文献
[1]wanGJing.proteussimulatesinapplicationofthecoursesimulatingtheelectrontechnology[J].ComputerKonwledgeandtechnology,2009,5(19):5333-5334.
模拟电路原理设计及应用篇9
关键词:虚拟仪器;微机保护;实验系统
中图分类号:tp391文献标识码:a文章编号:1009-3044(2010)19-5381-02
继电保护装置是一种利用电磁感应原理而发展起来的电力系统保护装置,随着电子技术和网络通信技术的飞速发展,目前已经发展到微机型阶段,并且利用软件技术可以实现由软件技术驱动硬件而实现微机继电保护,这就是目前研究很热的技术――基于虚拟仪器技术的继电保护系统。利用虚拟仪器技术实现的微机继电保护装置,具有传统微机继电保护装置所不具备的优势,例如控制更加安全可靠等。
本论文主要将虚拟技术应用于微机保护实验系统,拟对基于虚拟仪器技术的微机保护系统进行开发,并从中找到可靠有效的微机保护实验方法与建议,并和广大同行分享。
1微机继电保护概述
1.1微机继电保护的基本构成
微机继电保护装置,其基本结构构成与普通的电力保护装置一样,也是有硬件和软件两大部分构成。硬件部分主要由数据采集系统、数据处理系统及逻辑判断控制模块等几个部分构成,主要由数据采集模块负责对电力系统的相关电参数实现检测与采集,并将数据传送至数据处理系统,数据经过运算之后,由逻辑判断控制模块调用软件控制程序,并发出相应的控制信号,驱动保护装置执行保护动作,从而实现电力继电保护的功能。
随着集成电子电路技术的发展,目前发展的微机型继电保护装置,其硬件系统主要由CpU(微处理器)主机系统、模拟量数据采集系统和开关量输入/输出系统三大部分组成,尽管结构构成已经发生一定变化,但其实实现继电保护的基本原理仍是一样的,由模拟量数据采集系统负责相关保护参数的采集,微机继电保护装置是以微处理器为核心,根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据,按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等,并由此做出是否需要跳闸或报警等判断。
1.2微机继电保护装置的特点
微机保护与常规保护相比具有以下优点:
1)微机继电保护装置主要由微处理器为核心而构成的硬件系统,因此借助于现代功能强大的微处理器,微机型继电保护装置可以实现一定程度的智能化。
2)相比于传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,微机型继电保护装置能够依靠数据采集模块实现对相关参数的检测与采集,整个过程实现数字化流程,这就为继电保护装置的控制功能的稳定性、可靠性提供了技术条件;另一方面,依靠微处理器内部的软件程序,微机继电保护装置能够进行周期性自检,一旦发现自身硬件或者软件发生故障,能够立即实施报警,从而保障了继电保护装置功能的可靠性。
3)传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,其保护功能较为单一,仅仅是实现基本的保护功能,动作依靠一次性机械元件完成,一旦该部件发生故障,则整个继电保护装置无法工作;而微机型继电保护装置除了能够利用弱电驱动控制实现继电保护的功能外,还能够依靠数据采集系统对整个电力系统的相关电力参数都实施监测与采集,通过程序的分析,实现对电力系统整体性能的检测,保护功能大大丰富。
4)传统的机械式硬件实现的硬件保护装置,其功能调试复杂,工作量大,而且极容易造成内部晶体管集成电路的失效,而现代微机继电保护装置,依靠内部的核心微处理器,能够开发专用的人机交互系统,利用人机交互系统实现继电保护装置的调试,简单易行,还可以自动对保护的功能进行快速检查。
5)利用微机的智能特点,可以采用一些新原理,解决一些常规保护难以解决的问题。例如,采用模糊识别原理或波形对称原理识别判断励磁涌流,利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障,采用自适应原理改善保护的性能等。
2基于虚拟仪器的微机保护实验系统开发设计
2.1总体结构设计
本论文探讨的是基于虚拟仪器技术的微机继电保护系统,因此首先面临选择合适的虚拟仪器开发平台的问题,这里选择基于G语言的LabView开发平台是目前国际最先进的虚拟仪器控制软件,集中了对数据的采集、分析、处理、表达,各种总线接口、VXi仪器、GpiB及串口仪器驱动程序的编制。基于虚拟仪器的微机继电保护装置系统,是利用虚拟仪器开发平台,构建虚拟的微机继电保护装置,实现完整的微机继电保护装置的全部功能,并对设计的虚拟继电保护装置进行评估和改进,从而完成微机继电保护系统设计的一种设计手段。
利用虚拟仪器技术进行微机继电保护系统的开发设计,从具体设计流程来说,主要从以下几个环节入手进行总体结构的设计:
根据微机继电保护系统的设计目标、设计功能,列出所需要的相关硬件,构建整体微机继电保护系统结构框架;另一方面,尽量采用模块化的开发设计模式,将微机继电保护系统按照不同的功能环节,设计各功能模块之间的结构关系。
如下图所示,是本论文所探讨的利用虚拟仪器平台所开发的微机继电保护系统结构原理图。这种方式既便于模块的单独调试,节省系统开发周期,又便于系统功能的改变,使系统具有更强的移植与升级功能。
如图1所示,基于虚拟仪器技术的微机保护系统结构主要由一次系统、转换模块、数据采集模块、保护测量模块及保护决策软件系统等几部分构成,一次系统主要负责面向电网系统模拟设置合适的传感器,将相关拟生成电网的二次侧电压、电流信号,信号经过转换、调理电路变换成符合要求的-5V～+5V模拟信号送数据采集模块,数据采集模块主要由DaQ数据采集卡构成,能够自动将模拟产生的模拟电压信号进行a/D转换,并进行初步的数据处理转换再传送给以虚拟微处理器为核心的保护决策模块,最终将生成的继电保护控制决策信号输出到保护策略模块,最终实现微机继电保护系统的功能。
2.2数据采集模块的设计与实现
本文中微机实现的继电保护实验系统输入信号来源于继电保护测试仪,根据保护系统测试输入信号的特点,本论文采用数据采集卡来负责数据的采集与高速传输。
2.2.1数据采集卡的选择
要实现基于虚拟仪器技术平台的微机继电保护系统,一次系统在完成相应电力系统电参数的传感检测之后,数据采集模块要能够按照微机继电保护系统的功能于设计要求实现相应数据的转换与采集,因此,数据采集卡的选择成为整个微机继电保护系统保护功能实现的关键。目前的数据采集卡,主要有12位或16位的DaQ数据采集卡,在具体决定选用12位还是16位的DaQ设备时,主要从采集精度和分辨率这两个指标考虑,可以由给定的系统精度指标衡量出DaQ卡需要的整体精度。
在本论文中,这里选取pCi-1716数据采集卡。pCi-1716是研华公司的一款功能强大的高分辨率多功能pCi数据采集卡,它带有一个250KS/s16位a/D转换器,1K用于a/D的采样FiFo缓冲器。pCi-1716可以提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入,也可以组合输入。它带有2个16位D/a输出通道,16路数字量输入/输出通道和1个10mHz16位计数器通道。pCi-1716系列能够为不同用户提供专门的功能。
2.2.2虚拟数据采集程序的实现
在选择了数据采集卡硬件设备之后,需要借助于虚拟仪器平台为整个系统设计虚拟护具采集程序。在具体进行设计时,由系统内部虚拟程序产生数据采集卡锁需要的相应信号,具体来说就是Ct、pt信号,因此,在具体编程时,首先将Ct、pt信号传输至相应的滤波器,LabView提供了各种典型的滤波器模块,根据需要可以设置成低通、高通、带通、带阻等类型的滤波器;其次,将经过数据滤波处理之后的数据进行输出。数据采集模块的程序如图2所示。
2.3微机保护模块的设计与实现
既然在数据采集模块之后需要进行数据的滤波,尽管LabView提供了各种典型的滤波器模块,但是仍然需要借助于虚拟滤波模块设计专用的滤波算法,而且在微机继电保护系统中,对电力系统的继电保护功能的实现,主要是由相应的滤波保护算法实现的,因此有必要为虚拟微机电力保护系统设计滤波保护算法程序。
本论文采用如下的设计方法对滤波保护算法进行设计:
1)利用LabView自带的滤波器进行数据的排序滤波。
2)按照系统保护功能所需要的数据频带,设置相应的低通、高通、带通、带阻等灯滤波保护功能。按照上述方法,基于虚拟仪器平台的微机继电保护系统,其滤波器输入得到的数据序列,多数是传感器采集到的电参数,如电压和电流,而电压和电流数据是离散的数字量序列,其中包含了大量的谐波干扰信号,因此有必要进行滤波。在本论文中,采用了二级滤波保护算法,即分别进行前置滤波和后置滤波,实现对数据的二级滤波保护,从而提高整个微机继电保护系统的稳定性和可靠性。前置滤波模块如图3所示,后置滤波模块如图4所示。其中前置滤波模块提供了差分滤波器、积分滤波器、级联滤波器、半波和1/4周波傅立叶滤波器、半波和1/4周波沃尔氏滤波器,可以根据需要自行选择;后置滤波模块提供了平均值滤波器、中间值滤波器,也可以自由选择。
3结束语
利用虚拟仪器技术进行微机继电保护装置系统的设计开发,能够很好的避免了实物硬件开发设计所带来的周期较长、调试较复杂以及成本较高等劣势,所有的开发设计任务全部在虚拟仪器平台上完成。本论文将虚拟仪器技术应用到了微机保护装置的设计,对于进一步提高微机继电保护装置的可靠性与稳定性具有优势,同时借助于虚拟仪器技术的开发,能够更好的实现电气继电保护功能的完善与提升。
参考文献:
[1]李佑光,林东.电力系统继电保护原理及新技术[m].北京:科学出版社,2003.
[2]王亮,赵文东.微机继电保护的现状及其发展趋势[J].科技情报开发与经济,2006,16(18):150-151.
[3]张振华,许振宇,张月品.第三代微机保护的设计思想[J].电力自动化设备,1997,17(3):24-25.
模拟电路原理设计及应用篇10
编码器与涡轮传感器的探头电路需要相同的电源和地，且输出均为方波[3]。基于对产品部件原理的认知和对电路实现方法的了解，便可用旋转编码器对涡轮传感器进行模拟。也可用其他方法实现对涡轮传感器的模拟，只要把握好原理，方便取材，容易实现即可。
电子流量计的模拟方案热丝式流量计的工作原理：当气流流经热丝时，会带走一部分热量，流量越大，带走的热量越多。在一定范围内，其热量变化与流量成一定的函数关系，热丝通常为铂，被连接在测量电桥中，使用时热丝探头插入气流中，当没有气流通过时，电桥平衡，无信号输出；当有气流通过时，在气流的作用下，热丝的温度降低，电阻减小，引起电桥失衡，产生相应的电压输出信号[4]。发热控制电路，霍尼韦尔公司的一款型号为awm4300V的气体质量传感器及其输出曲线。
工作原理是热丝式的，输出电压为0~5V的模拟量信号。电子流量计的流量采样及放大电路。流量传感器的产生的电压信号经运算放大器放大或跟随后，发给单片机处理。用可调电位器和一个限流电阻可模拟流量传感器的输出信号[5]。电位器和电阻取材方便，容易安装在测试设备上，与相应的测试程序配合使用，在调节电位器手柄时便可实现电子流量计的模拟，完成对流量放大电路的功能测试。
输出负载的模拟实现方法电磁阀等输出信号的模拟方案如下：电磁阀由线圈和阀体组成[6]，通过控制线圈电流的通断或大小，来达到控制阀体内部阀杆的动作，进而达到气体流动或流量大小的控制。因此，只要实现了对线圈的控制和指示，便实现了对电磁阀的模拟，电磁阀模拟指示电路。利用发光二极管与电阻配合[7]，可实现对电磁阀的测试。