eda 电子设计自动化

一、如图1所示，电路为二级电压串联负反馈的放大电路，其中Vs为V AC/SOURCE，其属性设置为默认值。三极管Q2N3904的模型参数为默认值。试用EWB软件作如下的分析：（1）求直流工作点；（2）求无负反馈（即无电阻Rf）时的输入电阻、输出电阻、电压增益和上限截止频率；（3）当电阻Rf分别为6.2kΩ、15kΩ和30kΩ时的反馈深度，并总结反馈深度对放大电路性能的影响。（25分）

Re1

300Rb4

20k

Rs

200

Rf

6.2k

Vcc

12Vdc

Ce2

10u

Ce1

10u

R5

5k

Q2

Q2N3904

Cb2

2.2u

Rb3

300k

Vout

Q1

Q2N3904

Vs

1Vac

0Vdc

Cb1

2.2u

Vin

Re2

680

Rb1

300k Cb3

2.2u

Re3

820

Rc1

5.1k

R2b

20k

Rc2

5.1k

解：（1）直流工作点

由图知：I CQ1=124.345uA I CQ2=140.332uA

计算知：U CEQ1=V CC-I CQ1(R C1+R E1+R E2)=11.244V

U CEQ2=V CC-I CQ2(R C2+R E3)=11.189V

（2）无负反馈时的输入电阻、输出电阻、电压增益和上限截止频率

a、输入电阻

由图知：Ui=9.865mA Ii=673.469nA

计算得：Ri=Ui/Ii=14.6kΩ

b、输出电阻

由下页图知：Uo=11.665pV Io=2.334fA

计算得：Ro=Uo/Io=5kΩ

C、电压增益

d、上限截止频率

查书得：f=1/（2×3.14×Rs×C)=3.6MhzMhz

Rs=200Ω C=2.2uF

（3）当电阻Rf分别为6.2kΩ、15kΩ和30kΩ时的反馈深度

Af=2.462V/987.371mV=2.5

Af=2.803V/987.371mV=2.8

Af=2.947V/986.945mV=3

反馈深度1+AF=A/Af；

由上可得：Af减小二级电压串联负反馈：Ri=Ri/(1+Af);Ro=Ro*(1+Af);使的Ri 减小Ro增大;

二、设计题。设计一个水温控制系统。（40分）

基本要求：一升水由1kW的电炉加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。

达到的性能指标：

①温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃；

②控制精度：温度控制的静态误差≤1℃；

③用十进制数码显示实际水温；

④能打印实测水温值；

⑤具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他

数据设备。

完成作业的要求：

（1）根据课堂讲授的设计方法完成本题；给出设计步骤和说明

（2）查阅相关资料，画出原理框图

（3）按照题目的功能要求，设计并画出完整的原理图（利用画图软件），并给出元器件选用说明。

（4）完成PCB图的设计。

设计： 1 总体方案论证

（1）、方案一：此方案是采用传统的模拟控制方法（方案框图如图2-1-1），选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。器特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。

（2）、方案二：采用单片机89c52为核心。采用了温度传感器AD590采集温度变化信号，A/D采样芯片ADC0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。

比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点。因此本设计电路采用方案二。

2.总体设计

本设计以89c52单片机为核心，采用了温度传感器AD590，A/D采样芯片

ADC0804，可控硅MOC3041及PID 算法对温度进行控制。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。本系统的特点在于采用PC 机及普通键盘实现了多机通信。系统框图如图所示。

3.硬件电路设计与计算

本电路总体设计包括五部分：主机控制部分（89C52）、前向通道（温度采样电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘和数字显示部分、微机控制及图形显示。

⑴ 主机控制部分

此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。单片机89C52内部有8KB 单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。

⑵ 温度采样电路

系统的信号采集电路主要由温度传感器（AD590）、基准电压（7812）及A/D 转换电路（ADC0804）三部分组成。电路图如图所示

R2

5K

DB0

18

DB117DB216DB315DB414DB513DB612DB711/CS 1

/RD 2/W R 3/INTR 5V+20CLK R 19CLK IN 4VIN+

6

VIN-7AGND

8

Vref/29DGND 10J6

ADC0804

-2+

3

6

74

18

5

J3

OP07

1

2

J4

4148

1

2J5

4148

R8

10k

C2

150p

VCC

R7

20k

+15-15

R4

30k

R3

81k

2

1

3

Vin GND

OUT J1

7812+151

2

J2

AD590

-15

AGND

R1

30K

R6

5k

R 5

5k

89C52

VCC

+

c1

10u

AD590性能描述 测量范围在-50℃--+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V 之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃ 。AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA 在35℃和95℃时输出电流分别为

308.2uA 和368.2uA 。

ADC0804性能描述 ADC0804为8bit 的一路A/D 转换器，其输入电压范围在0—5v ，转换速度小于100us ，转换精度0.39﹪。满足系统的要求。

电路原理及参数计算 温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过A/D 转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理。

如上图中三端稳压7812作为基准电压，由运放虚短虚断可知运放的反向输入端ui 的电压为零伏，当输出电压为零伏时，列出A 点的节点方程如下： (12)U b R R I c += …………………………………………………….(1) 由于系统控制的水温范围为35℃--95℃,所以当输出电压为零伏时AD590的输出电流为308.2uA,因此为了使Ui 的电位为零就必须使电流

I b

等于电流

I c

等于308.2uA, 三端稳压7812的输出电压为12v 所以由方程(1)得

121238.94308.2U b v R R k I c u A

+===Ω

………………………………(2) 由方程(2)的取电阻R2=30k , R1=10k 的电位器。又由于ADC0804的输入电压范围为0—5v ，为了提高精度所以令水温为95℃时ADC0804的输入电压为5v （即

Uo=5v ）。此时列出A 点的结点方程如下: (54)(12)U o R R U b R R I c +++= ……………………………(3) 5(54)308.2368.2v R R u A u A ++= 5483.33RR k +=

当水温为95℃时AD590的输出电流为368.2uA 。由方程式（3）得 R4+R5=83.33k 因此取R5=81k , R5=5k 的电位器。 ⑶温度控制电路

此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v ，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100Ω电阻与0.01uF 电容组成双向可控硅保护电路

220v

100Ω

0.01u F

B T A 12MOC3041

74LS07

250Ω

电炉

vcc

in

27Ω

⑷键盘与数字显示部分

在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051做为电路控制的核心，单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。

图中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。

单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138，译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O，减少硬件的花费。

键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机2051的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式（如图4-4-2），键盘的扫描除了和显示共用的8个端外，另外的两个端直接和2051的P3.2和P3.7相连。

⑸微机控制及图形显示部分

为了使系统具有更好的人机交换界面，在系统设计中我们通过Visual Basic 语言设计了微机控制界面。通过系统与微机的通信大大的提高了系统的各方面性能。

由于单片机89C52串行口为TTL电平，而PC机为RS232电平，因此系统采用了MAX232电平转换芯片。

由于系统设计了多机通信的功能，即主系统（89C52）和键盘及数字显示部分的通信、主系统（89C52）和PC机的通信，所以在设计电路时要特别注意多机通信的时序及竞争问题，针对此类问题在设计中我们特地的在两根串行通信线上增加了如图4-5-2的电路：

如图4-5-2由于主机部分发送两个从机都可以接受，因此主机的发送部分（及主机 TXD）不存在竞争问题。而两个从机可能同时向主机发送各类控制信息，因此会存在竞争问题。其实图4-5-2为一个与门电路，图中R1为提升电阻，D1、D2为开关二极管，当pc TXD（或2051 TXD）中有一个为低电平时主机RXD为低电平，同时另一个分机无效，当pc TXD（或2051 TXD）中有一个为高电平时主机RXD为高低电平。

4.系统原理图

5.PCB图

三、利用VHDL原理设计13进制和24进制计数器，并在开发系统软件进行仿真，给出仿真结果。（20分）

(a)十三进制的计数器

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY THIRETEENCOUT IS

PORT(CLK,RESET,ENABLE : IN STD_LOGIC; COUNT : OUT

STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));

END THIRETEENCOUT;

ARCHITECTURE COUNTER OF THIRETEENCOUT IS

SIGNAL COUNT_INT:STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 3);

BEGIN

PROCESS(CLK,RESET)

BEGIN

WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLK);

IF RESET = '1' THEN

COUNT_INT <= (OTHERS => '0');

ELSIF ENABLE = '1' THEN

IF(COUNT_INT="1100") THEN

COUNT_INT<="0000";

ELSE

COUNT_INT <= COUNT_INT 1;

ELSE

NULL ;

IF (COUNT_INT="1001") THEN

COUNT_INT<="0000";

END IF;

END IF;

END PROCESS;

COUNT <= COUNT_INT;

IF (RESET='0') THEN

Q<="0000";

ELSIF(CLK'EVENT AND CLK='1') THEN

Q<=Q 1;

IF (Q<="1001") THEN

Q<="0000";

END IF;

IF (RESET<='1')THEN

Q<="00";

ELSIF

WAIT UNTIL (CLK'EVENT AND CLK='1');

WAIT UNTIL (CLK'EVENT AND CLK = '1'); WAIT UNTIL (CLOCK'EVENT AND CLOCK = '1'); Q<=Q '1';

END IF;

COUNT<=Q;

WAIT UNTIL CLOCK = '1';

IF (CLOCK'EVENT AND CLOCK='1')THEN WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLOCK);

CLOCK'EVENT AND CLOCK='1';

COUNT <= 0;

WAIT UNTIL (CLOCK'EVENT AND CLOCK = '1'); WAIT RISEEDGE CLOCK = '1';

IF (CLOCK'EVENT AND CLOCK='1') THEN

WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLOCK);

COUNT <= 1;

WAIT UNTIL (CLOCK'EVENT AND CLOCK = '1');

WAIT UNTIL CLOCK = '1';

IF (CLOCK'EVENT AND CLOCK='1')THEN

WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLOCK);

COUNT <= 2;

END IF;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

END COUNTER;

24进制计数器

思路：基本与13进制一致，只是24进制多了一片74LS161，也就是两片来完成。

二十四进制计数器逻辑计算并物理显示出时钟个数，当计数超过23时自动清零，循环计数，并显示出进位输出。具体流程如下：

1.定义相关的端口

2.（1）.首先判断清零信号是否有效。若为’1’清零，否则进入下一步。

（2）.当脉冲上升沿到来时，预置初始值，然后在下一个上升沿来临时开始计数，当计到23时，清零信号有效，开始重新计数。

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY THIRETEENCOUT IS

PORT(CLK,RESET,ENABLE : IN STD_LOGIC; COUNT : OUT

STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));

END THIRETEENCOUT;

ARCHITECTURE COUNTER OF THIRETEENCOUT IS

SIGNAL COUNT_INT:STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 7);

BEGIN

PROCESS(CLK,RESET)

BEGIN

WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLK);

IF RESET = '1' THEN

COUNT_INT <= (OTHERS => '0');

ELSIF ENABLE = '1' THEN

IF(COUNT_INT="00010111") THEN

COUNT_INT<="00000000";

ELSE

COUNT_INT <= COUNT_INT+ 1;

ELSE

-NULL ;

IF (COUNT_INT="00010111") THEN

COUNT_INT<="00000000";

END IF;

END IF;

END PROCESS;

COUNT <= COUNT_INT;

IF (RESET='0') THEN

Q<="00000000";

ELSIF(CLK'EVENT AND CLK='1') THEN

Q<=Q 1;

IF (Q<="00010111") THEN

Q<="00000000";

END IF;

IF (RESET<='1')THEN

Q<="00";

ELSIF

WAIT UNTIL (CLK'EVENT AND CLK='1');

WAIT UNTIL (CLK'EVENT AND CLK = '1');

WAIT UNTIL (CLOCK'EVENT AND CLOCK = '1');

Q<=Q '1';

END IF;

COUNT<=Q;

WAIT UNTIL CLOCK = '1';

IF (CLOCK'EVENT AND CLOCK='1')THEN

WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLOCK);

CLOCK'EVENT AND CLOCK='1';

COUNT <= 0;

WAIT UNTIL (CLOCK'EVENT AND CLOCK = '1'); WAIT RISEEDGE CLOCK = '1';

IF (CLOCK'EVENT AND CLOCK='1') THEN

WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLOCK);

COUNT <= 1;

WAIT UNTIL (CLOCK'EVENT AND CLOCK = '1');

WAIT UNTIL CLOCK = '1';

IF (CLOCK'EVENT AND CLOCK='1')THEN

WAIT UNTIL RISING_EDGE(CLOCK);

COUNT <= 2;

END IF;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

END COUNTER;

四、谈谈你对《电子设计自动化》的理解（不少于200字）。（15分）

电子设计自动化从字面上理解是将计算机技术应用于电子设计过程的的一个新兴技术，是一种快速、有效、高级的自动化化工具。随着集成电路和计算机的发展，电子系统的设计简化成两个部分：通用嵌入式微处理器和可编程逻辑芯片。由此可见，电子系统的电路设计变得更简单、设计周期大大缩短。应用这样的技术，缩短新产品的设计周期，降低生产成本，又快又好的满足市场要求，是我们专业应该掌握的技术和方法。

电子设计自动化是我们以前学习的各种专业科的一个综合型学科，对基础知识的要求还是挺高的，必须对以前学的数字电子技术和模拟电子技术有个比较清楚的掌握和理解，学会融会贯通，才可以对电子产品进行设计，在这次做作业的过程中，深刻意识到自己存在的大量问题，对以前的知识进行复习和更加深入的学习。另一方面，电子设计自动化是利用ＶＨＤＬ语言将实际的硬件电路抽象到计算机中，进行仿真和进一步的电路分析设计。在学习ＭＵＸPLUS软件的过程中，觉得这个开发平台的强大，自己亲自设计的电路，能够经过编译，仿真后得出的仿真图，看到了实实在在地东西，激发了我学习的热情。由于电子设计自动

化是与VHDL同时进行学习的，在学习理论的过程中，运用VHDL的知识在MUXPLUS软件上进行仿真操作，不仅对知识有更深的认识和了解，还锻炼了自己的动手能力，我感觉这样的安排也有助于学习。

作为电子设计自动化的初学者，我知道自己存在很多的知识漏洞，我会继续加强基础知识的学习和巩固，多进行实践操作，只有在动手的过程中才能更好的理解，应用，提高。通过这次学习，我学会要集百家之所长，不管是书面的资料还是网上的资料，我们都要合理利用这些资料，发挥所长，去实现我们所设计的电子产品的功能。还有勤动动手，理论永远和实际是有差别的，就算是仿真，也会出现出入。电子设计自动化是前端的科研技术，我们只有一步一步好好学习，去掌握更多的知识。