基于Multisim+Proteus+Altium Designer的電路設計、仿真與制板 習題及答案

基于Multisim+...電路設計、仿真與制板配套習題答案第1章思考題參考答案1．簡述電路的定義，并說明電路的分類。參考答案：根據(jù)電路中流過的電流性質，一般把電路分為\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"直流電路和\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"交流電路兩種，\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"直流電通過的電路稱為“\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"直流電路，\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"交流電通過的電路稱為“\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"交流電路。根據(jù)電路所處理信號的不同，電路可以分為\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"模擬電路和數(shù)字電路。模擬電路是指用來對模擬信號進行傳輸、變換、處理、放大、測量和顯示等工作的電路。模擬電路是電子電路的基礎，它主要包括放大電路、信號運算和處理電路、振蕩電路、調制和解調電路及電源等。數(shù)字電路又稱\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"數(shù)字邏輯電路或\t"/item/%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"邏輯電路，是指用來對數(shù)字信號進行算術運算、邏輯運算及時序處理的電路。數(shù)字電路具有邏輯運算和邏輯處理功能，邏輯門是數(shù)字電路的\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"基本單元。從整體來看，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"時序邏輯電路兩大類。2．簡述電路原理圖的含義。電路原理圖是由代表不同電子元器件的元器件符號、各元器件符號之間的連線及連線之間的節(jié)點所構成的一種圖紙，是電子產品中最常見的一種電路圖（日常所說的“電路圖”主要是指電路原理圖。在電路原理圖中用相應的符號代表不同的電子元器件，可以直接體現(xiàn)電路的結構和工作原理。因此電路原理圖常用于描述電子電路的工作原理，用于電子產品的設計、分析、檢測和維修等領域。3．簡述印制電路板（PCB）圖的基本結構。印制電路板又稱印制線路板，簡稱印制板或PCB，由絕緣底板、連接導線和裝配焊接電子元器件的焊盤組成。目前的印制\t"/item/%E5%8D%B0%E5%88%B6%E7%94%B5%E8%B7%AF%E6%9D%BF/_blank"電路板主要由印制線、介電層、孔、元器件面、焊接面和阻焊層幾部分組成。4．印制電路板的種類有幾種？說明四層電路板的結構組成。根據(jù)印制電路板的層數(shù)來分，印制電路板可分為單面板、雙面板和多層板。常見的多層板一般為4層板或6層板，復雜的多層板可達幾十層。常見的4層板的層與層之間的關系是最上和最下的兩層是信號層，中間兩層是接地層和電源層，將接地層和電源層放在中間，常見的4層板結構如圖1所示。圖14層電路板的結構分布圖5．簡述印制電路板圖的設計步驟。第2章思考題參考答案1．簡述元器件的封裝的含義，THT封裝與SMT封裝有什么區(qū)別？參考答案：電子元器件封裝（Footprint）又稱元器件外形名稱，是由電子元器件焊接到印制電路板（PCB）上的外觀圖形和焊盤圖形所構成的，其功能是提供給電路板設計者使用，換言之，電子元器件封裝就是電路板上的元器件。根據(jù)電子元器件的封裝來分，可以分為通孔式封裝元器件和表面貼片式封裝元器件。在印制電路板上將元器件安置在板子的一面，并將引腳焊接在另一面，這種技術稱為通孔式（ThroughHoleTechnology，THT）封裝。元器件與其引腳被焊接在印制電路板同一面，不用為每只引腳的焊接在印制電路板上鉆孔，這種技術稱為表面貼片式（SurfaceMountedTechnology，SMT）封裝。由于THT封裝的元器件需要占用大量的空間，還需要為每只引腳鉆一個孔，THT元器件引腳實際上占用了兩個面的空間，THT引腳焊點也比較大；而SMT元器件比THT元器件小，只使用一個面，印制電路板的利用率高，同樣大小的印制電路板上安裝的SMT元器件要比THT元器件多，因此現(xiàn)今的印制電路板大部分都是SMT元器件。2．簡述集成電路中封裝與其組件之間的關系。參考答案：集成電路內部常常由多個組件組成，特別是常見的邏輯門電路是由多個功能相同的組件組成，在繪制電路原理圖時，在原理圖中習慣放置集成電路的單個組件，在原理圖中常用U1A、U1B、U1C、U2A、U2B、U2C等符號表示不同組件，其中U1A、U1B、U1C三個組件歸屬于U1集成電路芯片封裝，U2A、U2B、U2C歸屬于U2集成電路芯片。3．如何識別集成電路的封裝引腳與原理圖元器件引腳之間的關系？參考答案：集成電路的原理圖封裝引腳的編號與原理圖元器件引腳編號一定要一致，原理圖轉換到PCB圖是靠一致的引腳標號實現(xiàn)電氣連接，否則，在電路圖轉換的時候就會出錯。4．常見的開關有哪些？它們的封裝是什么樣的？參考答案：見書2.2.12開關及其封裝圖5．常見的插接件有哪些？它們的封裝是什么樣的？參考答案：見書2.2.14插接件及其封裝圖6．電路中跳線的作用是什么？在什么情況下可使用跳線？參考答案：印制電路板（PCB）上的跳線就是連接\t"/item/%E8%B7%B3%E7%BA%BF/_blank"PCB上兩個點的金屬連接線，跳線也被稱為飛線或短路線。跳線在電路原理圖中的標注通常為“JUMP”，在印制電路板上，跳線通常用字母“J”“JW”加數(shù)字表示，在實際連接時可以用金屬導線或插針加跳帽連接，在分析電路時，把跳線相連的兩個電路直接視為通路。一般在PCB上進行布線時，該線路布線繞很遠或者布不通的時候，在PCB上呈現(xiàn)飛線的時候，使用跳線。第3章思考題與練習題參考答案一、思考題1．Multisim軟件中常用的虛擬儀器有哪些？參考答案：Multisim軟件中常用的虛擬儀器有電流表、電壓表、示波器、萬用表、邏輯分析儀、字符發(fā)生器等，這些表在仿真電路圖中可以重復使用。2．圖3-21所示的串聯(lián)諧振電路產生諧振的條件是什么？參考答案：容抗與感抗相等，電路呈現(xiàn)純電阻特性。3．圖3-45所示的二十四進制計數(shù)器是采用清零法還是采用置數(shù)法實現(xiàn)的？參考答案：采用置數(shù)法4．圖?3-42?所示的由譯碼器構成的跑馬燈與圖3-51所示的51單片機控制的跑馬燈之間的區(qū)別是什么？參考答案：基于譯碼器構成的跑馬燈電路一旦硬件確定，跑馬燈的功能就確定了，如果再想改變跑馬燈的運行的規(guī)律，需要修改硬件電路，極為不方便?；?1單片機控制的跑馬燈電路，如果想改變跑馬燈的運行的規(guī)律，不需更改硬件電路，只需修改程序，即可完成。二、練習題1．分析圖3-66所示的全加器電路的功能，寫出全加器的邏輯表達式。參考答案：電路圖中輸入的A、B、C分別接虛擬邏輯轉換儀三個輸入口，輸出Y1接虛擬邏輯轉換儀的輸入口，用于分析電路中輸入與輸出的邏輯關系。通過虛擬邏輯轉換儀可以得到2．繪制圖3-67所示的555構成的報警電路，試仿真分析電路的功能及報警信號的頻率。參考答案：報警電路中U1、U2兩片555定時器分別構成兩個振蕩頻率不同的多謝振振蕩器。U1構成的振蕩器的充放電時間常數(shù)遠大于U2構成的振蕩器的充放電時間常數(shù)，利用U1振蕩器的高低電平控制U2振蕩器產生兩個不同頻率的振蕩，從而驅動蜂鳴器產生報警聲響效果。虛擬示波器A通道用于測量U1的電壓波形，虛擬示波器B通道用于測量U2的電壓波形。3．繪制圖3-68所示的電容三點式振蕩電路，并分析其振蕩頻率。參考答案：振蕩頻率為5.872MHz。4．繪制圖3-69所示的基極調幅電路，并分析其工作原理。參考答案：負載LC回路的諧振頻率在1MHz左右，調幅后使輸出的波形的幅度隨輸入信號的幅度變化而變化。第4章思考與練習參考答案一、思考題1．功率放大電路與前級放大電路的區(qū)別是什么？參考答案：前置放大器是指置于信源與放大器級之間的電路或電子設備，是專為接受來自信源的微弱電壓信號而設計的。前置放大器是指把音頻（AUX、MIC）信號放大至功率放大器所能接受的輸入范圍。前置放大器在放大有用信號的同時也將噪聲放大，低噪聲前置放大器就是使電路的噪聲系數(shù)達到最小值的前置放大器。對于微弱信號檢測儀器或設備，前置放大器是引入噪聲的主要部件之一。前置放大器就是把毫伏(mV)、微伏(V)、納伏(nV)級的小信號放大到毫伏，伏級別。功率放大器簡稱功放，俗稱“擴音機”，是音響系統(tǒng)中最基本的設備，它的任務是把來自信號源（專業(yè)音響系統(tǒng)中則是來自調音臺）的微弱電信號進行放大以驅動揚聲器發(fā)出聲音。音頻功率放大器是指在給定失真率條件下，能產生最大功率輸出以驅動某一負載(例如揚聲器)的放大器，即常說的“功放”。功率放大器就是把信號源的毫伏(mV)、微伏(V)、納伏(nV)級的小信號放大到百伏甚至千伏級別，用來驅動壓電陶瓷、換能器、線圈等容性、感性負載的放大器。強調輸出功率。前置放大器是作為輸入音頻功率放大器之前的音頻處理器件；音頻功率放大器控制的是聲音的功率(即響度)，前置放大器控制的是音頻的范圍。2．工頻陷波器電路可對什么頻率的信號進行陷波？工頻陷波器電路的輸出還有工頻信號嗎？參考答案：工頻陷波器電路是對50Hz頻率的信號進行陷波，工頻陷波器電路的輸出沒有工頻信號。3．簡述音頻功率放大器電路的構成及工作原理。參考答案：音頻功率放大器簡稱功放，是對較小的音頻信號進行放大，使其功率增大，推動揚聲器發(fā)聲，從而重現(xiàn)聲音的裝置，主要由直流穩(wěn)壓源、音調控制電路、前級放大電路、工頻陷波器電路和功率放大電路等組成。音頻功率放大器的作用是放大調音臺或周邊設備（DVD機、CD機、TAPE機、話筒等）送來的低電平音頻信號，使它的輸出功率足以驅動揚聲器發(fā)聲，凡是發(fā)聲的電子產品中都要用到它。第5章思考題參考答案一、思考題1．什么是PCB圖？PCB圖由哪幾部分組成？參考答案：PCB圖是一種布線圖，是用于制作印制電路板的圖紙，又稱印制線路板圖，簡稱印制圖或PCB（PrintedCircuitBoard）圖。PCB圖一般包含印制線路（銅箔線條）、接點和孔等組成。2．（1）AltiumDesigner的PCB布線規(guī)則的設置，請參看教材169~174頁的內容。（2）布線規(guī)則中的安全間距規(guī)則是指在電路板設計中，為了避免電路板上的走線之間發(fā)生短路或者干擾，而設置的走線之間的最小距離。（3）布線規(guī)則中的規(guī)則：一般PCB布線線寬主要考慮兩個問題，一是電流的大小，如果流過的電流大的話，走線就不能太細；二是要考慮板廠的實際生產能力，如果走線太細有些PCB板廠可能制作不出來，或者制作得出但不良率上升。對于具體的不同電路對線的大小、長短都有一些特殊的要求，下面進行簡單說明。①布線區(qū)域設置：數(shù)字、模擬元器件及相應走線盡量分開并放置於各自的布線區(qū)域內。高速數(shù)字信號走線盡量短。敏感模擬信號走線盡量短。合理分配電源和地，DGND、AGND、實地分開，電源及臨界信號走線使用寬線。數(shù)字電路放置於并行總線/串行DTE接口附近，DAA電路放置於電話線接口附近。②布線寬度設置：模擬區(qū)隔離地走線環(huán)繞模擬信號布線區(qū)域布在PCB板兩面，線寬50-100mil；數(shù)字區(qū)隔離地走線環(huán)繞數(shù)字信號布線區(qū)域布在PCB板兩面，線寬50-100mil，其中一面PCB板邊應布200mil寬度。并行總線接口信號走線線寬>10mil(一般為12-15mil)，如/HCS、/HRD、/HWT、/RESET。模擬信號走線線寬>10mil(一般為12-15mil)，如MICM、MICV、SPKV、VC、VREF、TXA1、TXA2、RXA、TELIN、TELOUT。所有其它信號走線盡量寬，線寬>5mil(一般為10mil)，元器件間走線盡量短(放置器件時應預先考慮)。旁路電容到相應IC的走線線寬>25mil，并盡量避免使用過孔。3．什么是電氣規(guī)則檢查？如何對設計好的PCB進行電氣規(guī)則檢查？（1）電氣規(guī)則檢查用來檢查電路板圖是否存在違反電氣規(guī)則的情況。例如，電路中有無短路、開路，絲印是否重疊，走線之間的間距、走線與焊盤之間的間隔等是否符合設置的要求。AltiumDesigner的電路板設計中，在完成布局，布線，鋪銅都之后，也就完成了初步的設計工作，接下來就是進行電氣規(guī)則的檢查了。（2）PCB進行電氣規(guī)則檢查①在AltiumDesigner的電路板設計的編輯器中，如圖1-1所示，執(zhí)行菜單命令“Tools-DesignRuleCheck（快捷鍵TD）”，打開DRC檢查設置對話框，如圖1-2所示。圖1-1

打開DRC設置命令圖1-2DRC檢查常規(guī)設置在圖1-2中，對StopWhen500ViolationsFound項設置為“500”，表示當系統(tǒng)檢測到500個DRC報錯的時候直接停止再檢查，系統(tǒng)默認設置一般是500，但是我們設置到500時有些DRC會進行顯示，有些DRC不會進行顯示，只有我們修正已存在的錯誤，再次DRC的時候才會顯示，這樣對于大板設計的時候非常不方便。完成規(guī)則設置后，執(zhí)行圖1-2頁面中按鈕，Altium會創(chuàng)建一個關于規(guī)則檢查的報告，如圖1-3所示，對報錯信息會給出詳細的描述并會給出報錯的位置信息，方便我們設計者對報錯信息進行解讀。圖1-3

DRC的詳細報告內容②設置DRC檢查項目，如圖1-4所示，選擇你需要檢查的規(guī)則項。在“Online”和“Batch”欄中勾選使能檢查。其中：●Online如果PCB設計當中存在DRC報錯時可以實時的顯示出來?！馚atch只有手工執(zhí)行DRC檢查時，存在問題的報錯才會顯示出來。一般來說我們需要檢查DRC的時候兩者都進行勾選，方便實時檢查和手動檢查同時進行。圖1-4使能DRC檢查項DRC檢查不是說所有的規(guī)則都需要檢查，設計者只需要檢查自己想需要檢查的規(guī)則即可。不想檢查的規(guī)則對應的“Online”和“Batch”勾取消掉就好了。下面對常見的幾種DRC檢查進行詳細的描述。③電氣性能檢查電氣性能檢查包括間距檢查，短路檢查以及開路檢查，如圖1-5所示，一般這幾項都需要勾選，對應常見問題報錯如圖1-6。圖1-5

電氣性能檢查設置（a）間距報錯

（b）開路報錯（c）短路報錯圖1-6常見電氣性能DRC報錯④Routing檢查如圖1-7所示，Routing檢查包含阻抗線檢查，過孔檢查，差分走線的檢查，當我們設置的線寬，過孔大小及差分線寬不滿足規(guī)則約束要求時就會提示DRC報錯，讓設計者注意。圖1-7

阻抗線檢查，過孔檢查，差分線檢查設置一般在設計當中我們過孔的類型不要超過兩種，這樣可以再生產的時候可以少用鉆頭類型，提高生產效率。⑤Stub線頭檢查如圖1-8，雖然我們會對走線進行一些優(yōu)化，但是考慮到還是人工進行布線處理，難免會對走線的一些線頭有遺漏，這種線頭我們簡稱“Stub”線頭，在信號傳輸過程當中相當于一根“天線”，不斷的接收或發(fā)射電磁信號，特別是高速的時候，容易給我們走線導入串擾，所以我們有必要對Stub線頭進行檢查，并在設計當中進行刪除處理，●NetAntennaeTolerance設置“天線”長度報錯范圍，一般設置到1mil圖1-8

Stub線頭檢查⑥絲印上阻焊阻焊是防止綠油覆蓋的區(qū)域，會出現(xiàn)露銅或者露基材的情況，當我們的絲印標示放置到這個區(qū)域時，會出現(xiàn)缺失的情況，我們需要對其例行檢查。如圖1-9，我們需要對齊規(guī)則進行設置，并且勾選DRC檢查選項?！馛heckClearanceToExposedCooper絲印到銅皮的間距?！馛heckClearanceToSolderMaskOpenings絲印到阻焊的距離，一般選擇設置這項?！馭ilkscreentoObjectMinimumClearance絲印到阻焊的距離，一般設置到2mil。圖1-9絲印上阻焊的設置與檢查⑦器件高度因為考慮到PCB板布局存在限高要求，這種情況須對高度等進行例行檢查，器件高度檢查需要器件封裝設置好高度信息、設置好高度檢查規(guī)則及適配范圍（全局還是局部），并勾選高度檢查。圖1-10

器件高度檢查⑧器件距離的檢查大部分板子設計都是我們手工布局，難免存在器件重合的情況，我們需要對齊進行檢查，防止后期器件裝配時出現(xiàn)干涉。如圖1-11?！馦inimumHorizontalClearance器件與器件的橫向間距，一般設置為2mil?！馦inimumVerticalClearance器件與器件的縱向間距，一般設置為2mil。圖1-11常見的器件重疊情況及器件距離規(guī)則設置圖1-12器件間距的檢查對上述常見DRC檢查項設置勾選之后，執(zhí)行DRC菜單左下角的“RunDesignRule