模拟电子技术和数字电技术 课程设计.docx
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模拟电子技术和数字电技术课程设计
数字电子设计部分
一、课程设计的目的与作用
1.熟练掌握组合逻辑、时序电路的分析和设计方法；
2.综合运用数字电子技术课程中所学的理论知识完成课程设计；
3.通过查阅手册和文献资料，提高独立分析和解决问题的能力。
二、设计任务、及使用仪器
设计任务
设计一个组合逻辑电路和一个时序逻辑电路，在实验箱上实现其功能。
使用仪器
（1）数字原理实验系统一台
（2）常用集成芯片：
74LS0074LS1074LS0874LS04
74LS8674LS13874LS11274LS27974LS4774LS148
三、实验内容及原理分析
1、组合逻辑电路——代码转换电路
当控制信号K=1时，可将输入的3位二进制代码转换成循环码；K=0
时，能把3位循环码转换成二进制码。
分析：
开关K为控制信号，根据真值表，
【1】将G2，G1，G0作为输出，则二进制码转换为循环码的表达式为
G2=B2，G1=B2
B1，G0=B1
B2
即令电路在K=1时，可以正确实现三位二进制码到循环码的转换。
【2】将B2,B1,B0作为输出，则二进制码转换为循环码的表达式为
B2=G2，B1=B2
G1，B0=B1
G0
即令电路在K=0时，可以正确实现循环码到二进制码转换。
真值表
代码转换表
二进制码
循环码
B2
B1
B0
G2
G1
G0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
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0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
2、时序逻辑电路——八路抢答电路
抢答器可供八人抢答使用，一个选手按下后，其他选手按下无效，同时，显示是谁按下的，由主持人开关复位。
分析：
该电路完成两个功能：
一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。
工作过程：
开关J1置于"清除"端时，RS触发器的端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的＝0，使之处于工作状态。
当开关J1置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,2Q=1,74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为"5"。
此外，1Q＝１，使74LS148＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。
当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为１Q＝１，使＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将J1开关重新置;清除"然后再进行下一轮抢答。
74LS148为8线－3线优先编码器
8线-3线优先译码器的真值表（74LS148）
RS触发器的真值表（74LS279）
显示译码器的真值表（74LS47）
四、电路原理图
组合逻辑电路：
代码转换器
时序逻辑电路：
八路抢答电路
1、整体电路
3、局部放大电路
集成芯片引脚示意图：
五、个人总结和体会
在本次课程设计中，我分别设计了组合逻辑电路和时序逻辑电路的原理图，并在实验箱上实现了代码转换器和八路数字抢答器。
在操作过程中，我也遇到了一些问题，如对于不同芯片的引脚连线问题，包括在连接线路过程中，要注意芯片的接电源接地等细节，但经过仔细检查和分析都得到了解决，最终顺利完成。
同时，我还明白了预习对于任何学习工作的重要性，因为我在这次课程设计前作了充分的准备，因而在出现问题时能够及时并快速的处理。
整个实验过程不仅培养了我独立分析问题的能力和实际动手能力，更是极大地激发了我对数字电子技术的兴趣。
此外，通过原理图设计和实际连线过程，让我了解了书本理论对于生产实践必要性和指导作用，例如在实验过程中，一些不合理的结果可以通过理论分析得到解决。
当然，实践也有和理论不同的地方，比如有时结果不正确可能来自于芯片本身，要发现和解决这些更多的就要依靠实际经验。
所有理论终将用于实践，我们一定要从现在起就努力学好理论知识，同时在课余时间加强自己的动手能力，真正做到融会贯通，学以致用。
六、参考文献
【1】清华大学电子教学教研组编.余孟尝主编.数字电子技术基础简明教程.3版.北京：
高等教育出版社，2007.
【2】罗杰，谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.4版.北京：
电子工业出版社，2008.
【3】方建中主编，屈民军副主编.电子线路实验.2版.浙江：
浙江大学出版社，2003.
模拟电子设计部分
一、课程设计的目的与作用
1.综合运用模拟电子技术课程中所学的理论知识完成课程设计
2.通过查阅手册和文献资料，提高独立分析和解决问题的能力
3.熟悉Multisim7使用，掌握模拟电子电路的设计技巧和仿真分析能力。
二、设计任务、及所用multisim软件环境介绍
设计任务
通过查阅资料，自己分析设计电路模型。
在Multisim环境下作图以及仿真，运行后修改相应参数观察不同结果并分析。
Multisim软件环境介绍
Multism电子电路全功能模拟测试仿真软件，是一套完整的系统设计工具，其强大功能包含：
元器件编辑、选取、放置；电路图编辑、绘制；电路工作状况测试；电路特性分析；电路图报表输出打印；档案转入/出；PCB文件转换功能；结合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真；高阶RF设计功能；虚拟仪器测试及分析功能；计划及团队设计功能；VHDL及Verilog设计与仿真；FPGA／CPLD组件合成。
Multisim7主界面
启动Multisim7后，屏幕上将显示如图（A）所示主界面。
主界面主要由菜单栏、系统工具栏、设计工具栏、远见工具栏、仪器工具栏、使用中元件列表、仿真开关、状态栏以及电路图编辑窗口等组成。
Multisim7提供丰富的元件库，供用户构建电路图时取用。
在Multisim7的主元件库中，将各种元件的模型按不同的种类分别存放在若干个分类库中。
这些元件包括现实元件和虚拟元件。
从根本上说，仿真软件的元器件都是虚拟的。
这里所谓的现实元件，给出了具体的型号，他们的模型参数应该根据该型号元件参数的典型值确定。
现实元件有相应的封装，可以将现实元件构成的电路图传送到印刷电路板设计软件UltiboardV7中去。
而这里所谓的虚拟元件没有型号，它的模型参数是根据这种元件各种型号参数的典型值，而不是某一特定型号的参数典型值确定。
虚拟元件的某些参数用户可以按自己的要求任意设定，这对于教学实验的仿真十分方便。
（Multisim主界面）
三、电路模型的建立
四、理论分析及计算
分析：
开关断开情况下，上图为一两级放大电路。
由图可见，电路的第一级和第二级之间通过电阻和电容相连接，故为阻容耦合放大电路。
阻容耦合方式的主要优点是，由于前级和后级的直流通路是断开的，因此，各级静态工作点各自独立，互不影响。
这样给分析、设计和调试工作带来很大的方便。
而且，如果耦合电容的容值足够大，就可以做到在一定的频率范围内，前一级的输出信号几乎不衰减地传送到后一级的输入端，是信号得到充分利用。
开关闭合后，对于电阻RF经分析可知，其引入了级间的电压串联负反馈，可以牵制电路中电量变化，使之基本保持稳定
同时，该电路还采用分压式工作点稳定电路，三极管基极电位由Vcc经电阻分压得到，可认为其基本上不受温度变化的影响，比较稳定。
通过发射极电流的反馈作用来牵制集电极电流的变化，使Q点保持稳定。
我们知道，如果在电路中接入发射极电阻Re，则电压放大倍数将降低很多，本电路中，Re两端并联一个电容Ce。
如果Ce得容值足够大，可以认为交流短路，此时Re和Ce对电压放大倍数基本没有影响。
另外，为了保证UBQ基本稳定，要求流过分压电阻的电流IR>>IBQ,为此要求电阻Rb1,Rb2小一些。
解：
电压串联负反馈电路图如上所示，其中两个三极管均为
β=100，rbb´=300Ω,Cb’e=4pF,Cb’e=41pF.
1.静态分析
无级间反馈时（开关E-V打开）,由直流通路（图1）知：
因为
IR>>IBQ,
所以
UBQ1=Rb11/（Rb12+Rb11）*Vcc
=2/（2+8）*12
=2V;
可得静态发射极电流为
IEQ1=UEQ1/（Re11+Re12）
=（UBQ-UBE）/（Re11+Re12）
=（2-0.7）/（1+0.3）
=1mA;
三极管C,E间静态电压为
UCEQ=Vcc-ICQRc-IEQRe
=Vcc-ICQ（Rc+Re）
=12-1*（3+1+0.3）
=7.7V;
其中，
UCQ=12-Ic1Rc1=9V,
UEQ11=1.3V,UEQ12=1V；
所以
IBQ=ICQ/β
=1mA/100
=0.01mA;
同理可得，
UBQ2=3V，IEQ2=2.3mA，UCEQ2=5.1V，
UCQ2=7.4V，UEQ2=2.3V，
IBQ2=0.023mA；
（图1）
2．动态分析
a.无级间反馈时（开关E-V打开），该电路为两级放大，由于各级是串联起来的，前一级输出是后一级输入，所以多级放大电路总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。
由交流通路（图2）知：
Au1=Uo1/Ui
=-β（Rc1//Ri2）/[rbe+（1+β）Re11]
其中
rbe=rbb’+（1+β）*26mV/IEQ1
=（300+101*26/1）Ω
=2926Ω
=2.93KΩ
Ri2=Rb22//Rb21//rbe=0.84KΩ
又
Au2=Uo/Uo1=-β（Rc2//RL）/rbe
所以
Au=Au1*Au2
=128.98
输入电阻
Ri=Ri1//Rb11//Rb12;
其中,
Ri1=rbe+（1+β）Re11=33.23KΩ
所以输入电阻
Ri=33.23//2//10=1.587KΩ
输出电阻
Ro=Ro2=Rc2=2KΩ
（图2）
b.引入级间反馈后（开关E-V闭合），利用关系式Xf=Xi估算电压放大倍数。
因为电路引入了一个电压串联负反馈，在深度负反馈条件下，可认为Ui=Uf。
由电路图可知，
Fuu=Uf/Uo
=Re11/（Re11+RF）
所以，闭环电压放大倍数
Auf=1/Fuu
=1+RF/Re11
=11
反馈深度
F=1/A=1/11
由负反馈条件可知，此时
输入电阻
Rif=Rif’//Rb11//Rb12
其中，
Rif’=（1+AF）Ri’
=2*33.23=66.46KΩ
所以，
Rif=66.46//2//10
=1.626KΩ
输出电阻
Rof=Ro/（1+AoF）
=0.06778KΩ
=67.78KΩ
比较运算结果可知，引入级间反馈后放大倍数减少了，输入电阻提高了，输出电阻减小；但电路的稳定性得到了提高；同时，由BWf=（1+AmF）BW知，引入反馈后通频带展宽了（1+AmF）倍；还在保持基波不变的情况下，降低了谐波成分，从而减小了非线性失真；当放大电路受到干扰时，也可利用负反馈进行抑制。
五.仿真结果分析
在Multism中构建两级电压串联负反馈放大电路如电路模型所示，其中两个三极管均为β=100，rbb´=300Ω,Cb’e=4pF,Cb’e=41pF.
（1）将开关（E-V）断开，电路中暂不引入级间反馈。
利用Multisim的直流工作点分析功能，测量无级间反馈时两级放大电路的静态工作点，分析结果如下：
可见，
UBQ1=1.98083V,UEQ1=1.19885V,UCQ1=8.54862V;
UBQ2=2.95991V,UEQ2=2.15963V,UCQ2=7.72351V.
加上正弦输入电压，利用虚拟示波器可观察到第一级输出电压波形与输入电压反相，而第二级输出电压波形与输入电压同相。
两个放大级的输出波形均无明显的非线性失真。
（第一级输出）
（第二级输出）
当Ui=4.999mV时，由虚拟万用表可测得Uo=637.49mV,同时还测得输入电流Ii=3.149μA
可见，无级间反馈时，两级放大电路总的电压放大倍数为
Au=Uo/Ui=637.49/4.999=127.52
输入电阻
Ri=Ui/Ii=（4.999/3.149）KΩ=1.587KΩ
将负载RL开路，测得Uo’=1.275V，则放大电路无级间反馈时的输出电阻为
Ro=（Uo’/Uo-1）RL=（1275/637.49-1）*2KΩ=2.000KΩ
（引入反馈前）
（2）将开关（E-V）合上，引入电压串联负反馈，由虚拟示波器看到，同样的输入电压之下，
输出电压的幅度明显下降，但波形更好。
（第一级输出）
由虚拟仪表测得，当Ui=4.999mV时,Uo=50.028mV,同时Ii=3.014μA，则引入电压串联负反馈后，电压放大倍数为
Auf=Uo/Ui=50.028/4.999
=10.008
说明引入负反馈后电压放大倍数减小了。
输入电阻
Rif=Ui/Ii=（4.999/3.014）KΩ
=1.658KΩ
可见引入电压串联负反馈后输入电阻提高了。
但与无级间反馈时的Ri相比，提高很少，这是由于所示电路中总的输入电阻为
Rif=R’if//Bb11//Rb12
引入电压串联负反馈只是提高了反馈环内的输入电阻R’if，而Rb11和Rb12不在反馈环内，不受影响，因此总的输入电阻Rif提高不多。
将负载电阻RL开路，测得U’o=51.759mV,
则
Rof=（U’o/Uo-1）RL
=（51.759/50.028-1）2KΩ
=0.06920KΩ=69.20Ω
可见，引入电压串联负反馈后，输出电阻降低了。
（3）电压串联负反馈电路频率响应的测试
在图所示的仿真电路中，首先把开关（E-V）打开，利用Multisim的交流分析功能，测量无级间反馈时放大电路的波特图，分析结果如下：
（1）未引入级间反馈
由图
（1）可见，中频电压放大倍数|Aum|约为130，当|Aum|下降至0.707|Aum|时，下限频率fL约为55HZ，上限频率fH约为700KHZ。
将图中的开关（E-V）合上，测量引入电压串联负反馈后放大电路得波特图。
进行交流分析的结果如图
（2）所示：
（2）引入级间反馈
由图
（2）可见，中频电压放大倍数|Aumf|约为10，下限频率fLf约为10，上限频率fHf约为10MHZ.
可见，引入电压串联负反馈后，中频电压放大倍数减小了，但下限频率降低了，而上限频率升高了，因此总的通频带展宽了。
六、设计总结和体会
设计总结：
由以上理论分析计算和仿真分析结果可知，负反馈的引入可以改善电路性能。
通过将输出量以一定的方式引回到输入端，从而控制该输出量的变化，起到自动调节的作用。
负反馈使放大倍数减小，但可以使其他各项性能改善。
直流负反馈的作用是稳定静态工作点，不影响放大电路的动态性能，所以一般不区分它们的组态；交流负反馈能够改善放大电路的各项动态技术指标。
对于本实验中的电压串联负反馈，可使输出电压保持稳定，提高电路的输入电阻。
同时，负反馈的引入，还能提高放大倍数的稳定性，减小非线性失真和抑制干扰，展宽频带以及根据实际工作的要求改变电路的输入输出电阻等。
通过对比理论计算值和仿真分析结果，两者的数据和结论基本保持一致，说明该电路设计正确，仿真结果很好的验证了实际理论。
体会：
通过本次课程设计，我学会了如何使用Multisim软件，并能熟练使用该软件构建电路模型以及仿真，熟练掌握了对电路进行分析的各种方法，可以利用该环境中虚拟仪器和各项分析工具进行测试和分析。
在实际操作过程中，我也遇到了一些问题，如对于虚拟三极管的参数设置问题等，但经过相关资料的查询都得到了解决，最终顺利完成。
本次课程设计极大地培养了我独立分析问题的能力，提高了我自主学习的积极性。
此外，本次课程设计的实践不仅加强了我的动手能力，还让我了解了书本理论与生产实践相结合的重要性，我充分体会到了理论的必要性和指导作用，例如在仿真分析过程中，一些结果的不合理性可以通过事先计算好的理论值来发现并校正。
当然，所有理论终将用于实践，我们一定要从现在起就努力学好理论知识，将来更好地应用于现实中的生产活动。
七、参考文献
【1】清华大学电子教学教研组编.杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程3版.北京：
高等教育出版社，2008.
【2】郑步升，吴渭编著.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.北京：
电子工业出版社，2002.
【3】李良容主编，罗伟雄副主编.现代电子技术——
基于Multisim7&Ultiboard2001.北京：
机械工业出版社，2004.
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