《实验设备与电路设计》课件

实验设备与电路设计课程介绍本课程旨在使学生掌握基本的实验设备我们将深入学习实验室安全规则、常用课程考核方式包括平时作业、实验报告使用、电路设计原理以及相关软件工具仪器的使用方法、电路基础理论、模拟以及最终项目的评审我们将通过课堂，并能够独立完成简单的电路设计项目电路设计、数字电路设计以及电路设计讲解、实验操作和项目实践等多种教学工具的使用等内容方式，使学生掌握理论知识并具备实际操作能力第一部分实验基础知识实验基础知识是进行电路设计的基础，我们将学习实验室了解实验基础知识可以帮助学生安全、高效地进行实验操安全规则、常用仪器的使用方法以及实验数据记录和处理作，并保证实验数据的准确性和可靠性等内容实验室安全规则个人防护设备使用注意事项在实验室进行实验时，必须佩戴使用实验设备前，必须认真阅读防护眼镜、实验服和防静电手环设备说明书，并严格按照操作规等个人防护用品程进行操作禁止擅自拆卸或改装设备紧急情况处理发生意外事故时，应立即停止实验，并根据情况采取相应的应急措施，如断电、报警等常用实验仪器介绍万用表示波器信号发生器万用表是实验室中常用的测量仪器，可以示波器可以用来观察和分析电信号的波形信号发生器可以产生各种频率和波形的电用来测量电压、电流、电阻等参数，是研究电路性能的重要工具信号，用于测试电路的性能万用表的使用方法电压测量1选择电压档位，将万用表的红黑表笔分别连接到待测电路的两端，即可读出电压值电流测量2将待测电路断开，将万用表串联到电路中，选择电流档位，即可读出电流值电阻测量3将待测电阻与电路断开，选择电阻档位，将万用表的红黑表笔分别连接到电阻的两端，即可读出电阻值示波器的使用方法波形观察将待测信号连接到示波器的输入通道，调整示波器的扫描速度和垂直灵敏度，观察波形频率测量通过测量波形在一个周期内的时间间隔，即可计算出信号的频率幅值测量通过测量波形峰值与谷值之间的电压差，即可得到信号的幅值信号发生器的使用方法频率调节方波生成通过信号发生器上的旋钮或按键，可以调正弦波生成选择信号发生器的方波输出模式，调节频整输出信号的频率选择信号发生器的正弦波输出模式，调节率和占空比，即可产生所需的方波信号频率和幅值，即可产生所需的正弦波信号实验数据记录与处理误差分析分析实验结果的误差来源，并计算误差2范围常用的误差分析方法包括最大误数据记录方法差法和最小二乘法使用实验室笔记本或电子表格记录实验1数据，包括实验时间、实验条件、测量结果等数据可视化使用图表软件将实验数据进行可视化处3理，以便更好地分析和理解实验结果第二部分电路基础电路基础知识是电路设计的基础，我们将学习电路元件概述、欧姆定律与基尔霍夫定律、电路分析方法等内容掌握电路基础知识可以帮助学生理解电路的工作原理，并为后续的电路设计奠定基础电路元件概述电阻电容电感电阻是电路中常见的元件，它阻碍电流的电容是电路中储存电荷的元件，可以用来电感是电路中储存磁能的元件，可以用来流动滤波、耦合等滤波、储能等欧姆定律与基尔霍夫定律欧姆定律基尔霍夫电流定律基尔霍夫电压定律欧姆定律是电路分析的基本定律，它描基尔霍夫电流定律指出，流入一个节点基尔霍夫电压定律指出，一个闭合回路述了电压、电流和电阻之间的关系的电流之和等于流出该节点的电流之和中各段电压的代数和为零电路分析方法支路电流法支路电流法是将电路中的每个支路作为独立的回路，利用基尔霍夫定律求解支路电流1网孔电流法网孔电流法是将电路划分成多个网孔，利用基尔霍夫定律求解网孔电流2节点电压法节点电压法是将电路中各节点的电压作为未知量，利用基尔霍3夫定律求解节点电压戴维宁定理与诺顿定理戴维宁等效电路1戴维宁定理将任意一个线性电路简化为一个电压源和一个电阻的组合诺顿等效电路2诺顿定理将任意一个线性电路简化为一个电流源和一个电阻的组合最大功率传输定理最大功率传输定理指出，当负载电阻等于电源内部电阻时，负3载可以获得最大功率交流电路分析三相电路311相位连接功率三相电路包含三个相位，相位之间相差三相电路可以采用星形连接或三角形连接三相电路的功率计算比单相电路更复杂，120度需要考虑功率因数第三部分模拟电路设计模拟电路设计是电路设计的重要组成部分，我们将学习半导体器件基础、放大电路基础、多级放大电路、差动放大电路、运算放大器、反馈放大电路、功率放大电路、振荡电路、滤波电路设计等内容掌握模拟电路设计可以帮助学生设计各种模拟信号处理电路，如音频放大电路、电源电路、滤波电路等半导体器件基础二极管三极管二极管是单向导电的半导体器件三极管是放大和开关信号的半导，可以用来整流、限幅、开关等体器件，是模拟电路设计中常用的元件场效应管场效应管是控制电流流动的半导体器件，在模拟电路和数字电路中都有广泛的应用放大电路基础共射放大电路1共射放大电路是最常用的放大电路，具有较高的电压放大倍数和电流放大倍数共集放大电路2共集放大电路又称为发射极跟随器，具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗共基放大电路3共基放大电路具有较高的带宽和较低的输入阻抗，但电压放大倍数较低多级放大电路耦合方式多级放大电路可以使用电容耦合、变压器耦合、直接耦合等方式连接频率响应多级放大电路的频率响应会受到各个级放大电路频率响应的影响，通常会使用负反馈来改善频率响应带宽多级放大电路的带宽是指能够有效放大的频率范围，可以通过选择合适的元件和设计来提高带宽差动放大电路共模抑制比共模抑制比是指差动放大电路抑制共模2信号的能力工作原理1差动放大电路接收两个输入信号，放大它们的差值应用场景差动放大电路广泛应用于仪器仪表、信3号处理、通信等领域运算放大器理想运放特性基本运算电路应用实例理想运算放大器具有无限大的输入阻抗运算放大器可以实现各种运算功能，如运算放大器广泛应用于模拟电路设计，、零输出阻抗、无限大的增益和零带宽加法、减法、积分、微分、比较等如音频放大器、滤波器、控制电路等等特性反馈放大电路负反馈原理正反馈原理负反馈是指将放大电路的输出信号的一部分反相后反馈到输入端正反馈是指将放大电路的输出信号的一部分同相后反馈到输入端，从而降低增益，提高稳定性，从而提高增益，可以实现振荡功能功率放大电路功率放大电路的主要功能是将根据工作方式的不同，功率放12信号放大到足以驱动负载的功大器可以分为A类、B类、AB率类等3A类功率放大器工作效率较低，但失真较小B类功率放大器工作效率较高，但失真较大AB类功率放大器是A类和B类功率放大器的折中，既有较高的效率，又有较小的失真振荡电路振荡电路1RCRC振荡电路使用电阻和电容组成振荡回路，可以产生正弦波或方波信号振荡电路2LCLC振荡电路使用电感和电容组成振荡回路，可以产生较高频率的信号晶体振荡电路3晶体振荡电路使用晶体作为振荡回路的谐振元件，可以产生非常稳定的信号滤波电路设计11低通滤波器高通滤波器低通滤波器允许低频信号通过，阻挡高通滤波器允许高频信号通过，阻挡高频信号低频信号1带通滤波器带通滤波器允许特定频率范围内的信号通过，阻挡其他频率的信号第四部分数字电路设计数字电路设计是电路设计的重要组成部分，我们将学习数制与码制、逻辑代数基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、状态机设计、可编程逻辑器件、数模转换与模数转换等内容掌握数字电路设计可以帮助学生设计各种数字信号处理电路，如加法器、计数器、存储器、控制电路等数制与码制二进制码BCD二进制是计算机中最常用的数制BCD码是将十进制数用4位二进，只有0和1两个数字制数表示，方便计算机进行运算和存储格雷码格雷码是一种循环码，相邻的两个码字只有一个位不同，可以减少误码率逻辑代数基础与、或、非运算德摩根定律布尔代数化简与、或、非运算是最基本的逻辑运算，德摩根定律是逻辑代数中的重要定律，布尔代数化简是指将逻辑表达式化简成是构成复杂逻辑电路的基础可以用来简化逻辑表达式更简单的形式，以提高电路效率组合逻辑电路加法器加法器是数字电路中常用的电路，可以用来进行加法运算1编码器2编码器是将多个输入信号转换成一个唯一的输出信号的电路译码器译码器是将一个唯一的输入信号转换成多个输出信号的电路3时序逻辑电路触发器1触发器是具有记忆功能的时序逻辑电路，可以用来存储一位二进制信息计数器2计数器是用来计数的时序逻辑电路，可以计数脉冲的个数寄存器3寄存器是用来存储多位二进制信息的时序逻辑电路状态机设计Moore型状态机Mealy型状态机可编程逻辑器件11PAL CPLDPAL是可编程阵列逻辑，是一种可编CPLD是复杂可编程逻辑器件，比PAL程逻辑器件，可以实现组合逻辑和简更复杂，可以实现更复杂的逻辑功能单的时序逻辑1FPGAFPGA是现场可编程门阵列，是可编程逻辑器件中最复杂的一种，可以实现高度灵活的逻辑功能数模转换与模数转换工作原理工作原理采样定理DAC ADCDAC是数模转换器，将数字信号转换成ADC是模数转换器，将模拟信号转换成采样定理指出，要准确地重建模拟信号模拟信号数字信号，采样频率必须大于信号最高频率的两倍第五部分电路设计工具电路设计工具是进行电路设计的重要工具，我们将学习电路仿真软件介绍、PCB设计软件介绍以及相关软件的使用方法熟练掌握电路设计工具可以帮助学生高效地进行电路仿真、PCB设计等工作电路仿真软件介绍SPICE MultisimProteusSPICE是一种通用电路仿真软件，可以用Multisim是一款图形化的电路仿真软件，Proteus是一款功能强大的电路仿真软件，来模拟各种电路，并进行分析和优化易于使用，适合初学者学习支持模拟电路和数字电路仿真，还可以进行PCB设计使用基础Multisim界面介绍1Multisim的界面包含元件库、电路编辑区、仿真窗口等元件库使用2Multisim的元件库包含各种电子元件，可以方便地将元件添加到电路编辑区基本操作3Multisim支持拖放、旋转、连接等基本操作，方便用户进行电路设计电路仿真Multisim分析DCDC分析可以用来计算电路中的直流工作点分析ACAC分析可以用来计算电路的频率响应瞬态分析瞬态分析可以用来观察电路在时域上的响应设计软件介绍PCBAltium DesignerKiCadAltium Designer是一款功能强大KiCad是一款开源的PCB设计软的PCB设计软件，支持从原理图件，功能强大，使用免费，适合设计到PCB布局布线的所有流程个人和小型团队使用EagleEagle是一款简单易用的PCB设计软件，适合初学者学习和使用使用基础Altium Designer原理图绘制Altium Designer支持使用图形化界面绘制原理图，并进行元件放置和连接布局PCBAltium Designer支持将原理图转换为PCB布局，并进行元件放置、布线等操作布线技巧Altium Designer提供各种布线技巧，可以帮助用户设计出高性能、可靠的PCB第六部分实验项目设计我们将通过一系列实验项目，将理论知识应用于实际操作，并培养学生的电路设计能力这些实验项目涵盖了各种电路类型，从简单的基础电路测量到复杂的数字时钟设计，可以帮助学生全面掌握电路设计的基本技能实验一基础电路测量电流测量实验2通过测量电路中的电流值，验证基尔霍夫电流定律电压分配实验1通过测量不同位置的电压值，验证电压分配定律电阻测量实验通过测量电阻值，验证欧姆定律3实验二二极管特性曲线测量正向特性1测量二极管在正向偏置下的电流-电压特性反向特性2测量二极管在反向偏置下的电流-电压特性温度特性3测量二极管在不同温度下的电流-电压特性实验三晶体管放大电路设计静态工作点设置设置晶体管的静态工作点，保证放大电路能够正常工作动态参数测量测量放大电路的电压放大倍数、输入阻抗和输出阻抗频率响应分析分析放大电路的频率响应，确定放大电路的带宽实验四运算放大器应用电路比较器设计积分器设计设计一个简单的运算放大器比较器电路加法器设计设计一个简单的运算放大器积分器电路设计一个简单的运算放大器加法器电路实验五振荡器设计与测试桥振荡器振荡器Wien LC设计一个Wien桥振荡器，并测量设计一个LC振荡器，并测量其频其频率和波形率和波形晶体振荡器设计一个晶体振荡器，并测量其频率和稳定性实验六数字逻辑电路设计111组合逻辑电路设计时序逻辑电路设计状态机实现设计一个简单的组合逻辑电路，如加法器设计一个简单的时序逻辑电路，如计数器使用触发器和逻辑门实现一个简单的状态、编码器、译码器等、寄存器等机实验七数模转换电路设计电路设计电路设计信号采样与重建DAC ADC使用运算放大器和开关设计一个简单的使用比较器和计数器设计一个简单的使用ADC和DAC对模拟信号进行采样和DAC电路ADC电路重建，观察采样频率对重建信号的影响实验八电源电路设计整流电路1设计一个简单的整流电路，将交流电转换成直流电滤波电路2设计一个简单的滤波电路，滤除直流电中的交流成分稳压电路3设计一个简单的稳压电路，稳定输出电压实验九音频放大器设计前置放大器设计一个简单的音频前置放大器，放大音频信号的幅值功率放大器设计一个简单的音频功率放大器，将音频信号放大到足以驱动扬声器的功率音调控制电路设计一个简单的音调控制电路，调节音频信号的频率响应实验十数字时钟设计分频电路设计一个分频电路，将高频信号转换成低频信号计数器设计设计一个计数器电路，用来计数时间显示驱动电路设计一个显示驱动电路，将数字信号转换成可视的数字第七部分项目实践我们将进行一系列的项目实践，让学生将所学知识应用到实际项目中，并锻炼学生的独立思考和解决问题的能力这些项目实践涵盖了不同的应用领域，如温度控制系统、数字万用表设计、简易示波器设计、无线遥控小车等，可以帮助学生拓展应用知识和技能项目实践一温度控制系统传感器电路设计一个温度传感器电路，将温度信号2转换成电信号系统框图设计一个温度控制系统的系统框图，包1括传感器电路、控制电路、执行机构等控制电路设计一个控制电路，根据温度传感器信3号，控制执行机构的运行项目实践二数字万用表设计测量电路1设计一个测量电路，用来测量电压、电流、电阻等参数显示电路2设计一个显示电路，将测量结果显示出来量程切换3设计一个量程切换电路，可以根据测量对象的不同，选择不同的量程项目实践三简易示波器设计信号调理电路设计一个信号调理电路，将待测信号放大并进行滤波采样电路设计一个采样电路，将模拟信号转换成数字信号显示驱动设计一个显示驱动电路，将数字信号转换成可视的波形项目实践四无线遥控小车发射电路设计一个发射电路，将控制信号发送出去接收电路设计一个接收电路，接收控制信号电机驱动设计一个电机驱动电路，根据接收到的控制信号，控制小车的运动总结与展望课程内容回顾回顾本课程的主要内容，包括实验基础知识、电路基础、模拟电路设计、数字电路设1计和电路设计工具等电路设计发展趋势2探讨电路设计的发展趋势，包括集成电路、微电子技术、人工智能等继续学习建议提供继续学习的建议，包括学习方向、参考书籍、相关网站等3参考文献《模拟电子技术基础》童诗白华成英《数字电子技术基础》阎石《电路》邱关源课程作业与考核要求30%30%平时作业实验报告平时作业占总成绩的30%，包括课堂实验报告占总成绩的30%，包括实验练习、实验报告等原理、实验步骤、实验结果、误差分析等40%最终项目最终项目占总成绩的40%，包括项目设计、项目实现、项目报告等谢谢聆听。