模拟与数字电路基础实验

孔庆生，男，1961年生。任教于复旦大学信息科学与工程学院电子工程系。长期从事电子信息类课程的课堂教学及实验教学工作，以及电子系统设计、过程控制等科研工作，曾获得上海市科技进步三等奖。

俞承芳，男，1947年出生，上海市人。1970年毕业于复旦大学，留校任教。长期从事电路与系统的教学与科研工作。编著有《微机原理与应用实验》、《可编程逻辑器件设计》、《音响技术》、《有线电视》、《电子系统设计》、《微机系统与接口实验》等书。

第1篇 模拟电子学基础实验

§1.1 线性电路的仿真

线性电路是指完全由线性元件、独立源或线性受控源构成的电路。线性就是指输入和输出之间关系可以用线性函数表示。 齐次，非齐次是指方程中有没有常数项，即所有激励同时乘以常数k时，所有响应也将乘以k。

含有除独立电源之外的非线性元件的电路。电工中常利用某些元器件的非线性。这里的非线性元件不包括独立电源。例如，避雷器的非线性特性表现为高电压下电阻值变小，这可用于保护雷电下的电工设备。非线性元器件在电工中得到广泛应用。例如避雷器的非线性特性表现在高电压下电阻值变小，这性质被用来保护雷电下的电工设备;铁心线圈的非线性由磁场的磁饱和引起，这性质被用来制造直流电流互感器。非线性电路的研究和其他学科的非线性问题的研究相互促进。20世纪20年代，荷兰人B.范德坡尔描述电子管振荡电路的方程成为研究混沌的先声。非线性元件电路是指由非线性元件构成的电路,如线圈,电容等够成的LR,CR,LC,LCR电路等,这些可构成微分电路或积分电路,这就是非线性电路。

1.1.1 OrCAD的使用

1.1.1.1 EDA简介

1.1.1.2 电路原理图输入Capture操作步骤

1.1.1.3 电路仿真PSpice操作步骤

1.1.2 无源RLC线性电路特性

1.1.2.1 一阶系统

1.1.2.2 二阶系统

1.1.3 实验内容

1.1.3.1 一阶低通和高通电路仿真分析

1.1.3.2 二阶低通和高通电路仿真分析

1.1.3.3 二阶带通和带阻电路仿真分析

1.1.4 实验步骤

1.1.4.1 无源RLC线性电路原理图输入

1.1.4.2 无源RLC线性电路的瞬态分析

1.1.4.3 无源RLC线性电路的交流分析

1.1.4.4 实验数据记录

§1.2 晶体管单级放大器的分析

1.2.1 实验原理

1.2.1.1 双极型管共射放大器

1.2.1.2 MOSFET共源放大器

1.2.2 实验内容

1.2.2.1 双极型管共射放大器分析

1.2.2.2 绝缘栅型场效应管共源放大器分析

1.2.2.3 实验数据记录

§1.3 晶体管多级放大器的分析

1.3.1 实验原理

1.3.1.1 共射放大器特性

1.3.1.2 共基放大器特性

1.3.1.3 共集放大器特性

1.3.2 实验内容

1.3.2.1 多级放大器的瞬态分析

1.3.2.2 多级放大器的交流分析

1.3.2.3 实验数据记录

§1.4 差动放大电路的分析

1.4.1 实验原理

1.4.1.1 基本型差动放大器

1.4.1.2 恒流源型差动放大器

1.4.1.3 有源负载型差动放大器

1.4.2 实验内容

1.4.2.1 差动放大器的瞬态分析

1.4.2.2 差动放大器的交流扫描分析

1.4.2.3 实验数据记录

§1.5 负反馈放大电路的分析

1.5.1 实验原理

1.5.1.1 负反馈系统组态

1.5.1.2 负反馈系统特性

1.5.2 实验内容

1.5.2.1 电压串联负反馈放大电路的分析

1.5.2.2 电流串联负反馈放大电路的分析

1.5.2.3 电压并联负反馈放大电路的分析

1.5.2.4 电流并联负反馈放大电路的分析

1.5.2.5 数据记录

§1.6 运算放大器及其信号处理电路的分析

1.6.1 实验原理

1.6.1.1 运算放大器特性

1.6.1.2 信号处理电路

1.6.1.3 有源滤波器

1.6.2 实验内容

1.6.2.1 运算放大器特性分析

1.6.2.2 加运算电路分析

1.6.2.3 积分与微分运算电路分析

1.6.2.4 有源滤波器电路分析

1.6.2.5 数据记录

§1.7 信号波形发生电路的分析

1.7.1 实验原理

1.7.1.1 Wien正弦波振荡器

1.7.1.2 非正弦波振荡器

1.7.2 实验内容

1.7.2.1 Wien正弦波振荡器分析

1.7.2.2 非正弦波振荡器分析

1.7.2.3 数据记录

§1.8 串联型调整管稳压电源的分析

1.8.1 实验原理

1.8.1.1 变压器

1.8.1.2 整流与滤波电路

1.8.1.3 稳压电路

1.8.1.4 稳压电源主要指标

1.8.2 实验内容

1.8.2.1 输出电压范围分析

1.8.2.2 稳压系数分析

1.8.2.3 输出阻抗分析

1.8.2.4 滤波电压纹波分析

1.8.2.5 数据记录

§1.9 OrCAD使用指南

1.9.1 电路原理图输入Capture

1.9.1.1 电路原理图的基本结构

1.9.1.2 设计项目管理

1.9.1.3 PSpice数据表示

1.9.1.4 元件(Part)与库(Library)

1.9.1.5 元器件的放置(Place/Part)

1.9.1.6 电源与接地符号的放置(Place/Power和Place/Ground)

1.9.1.7 端口连接符号的放置(Place/OffˉPage Connector)

1.9.1.8 互连线的绘制(Place/Wire)

1.9.1.9 电连接结点的放置(Place/Junction)

1.9.1.10 节点名的放置(Place/Net Alias)

1.9.1.11 总线

1.9.1.12 电路图的编辑修改

1.9.1.13 元器件属性参数的编辑修改

1.9.2 电路仿真PSpice

1.9.2.1 输出变量表示

1.9.2.2 直流工作点分析(Bias Point)

1.9.2.3 直流特性扫描分析(DC Sweep)

1.9.2.4 交流小信号频率特性分析(AC Sweep)

1.9.2.5 瞬态特性分析(Time Domain(Transient))

1.9.2.6 输入激励信号

1.9.2.7 波形显示和分析模块Probe

§1.10 放大器参数测试以及无源器件参数系列

1.10.1 放大器参数测试的实验方法

1.10.1.1 最大动态范围Vopp 的测试

1.10.1.2 放大器输入阻抗Ri 的测试

1.10.1.3 放大器输出电阻Ro的测试

1.10.1.4 放大器增益的测试

1.10.1.5 放大器幅频特性的测试

1.10.2 无源器件参数系列

1.10.2.1 电阻参数系列

1.10.2.2 电容参数系列

1.10.2.3 电感参数系列

第2篇 数字逻辑基础实验

§2.1 数字EDA软件入门

2.1.1 利用EDA工具设计数字电路的基本流程

2.1.2 以电原理图为顶层的设计

2.1.2.1 进入设计环境

2.1.2.2 进入电原理图编辑器

2.1.2.3 编辑电原理图

2.1.2.4 后续处理

2.1.3 实验内容

2.1.3.1 输入电原理图

2.1.3.2 设计后续处理

2.1.3.3 实验预习

2.1.3.4 实验报告要求

§2.2 组合电路的分析和验证

2.2.1 实验原理

2.2.2 实验内容

2.2.2.1 编码器电路分析

2.2.2.2 组合电路分析1

2.2.2.3 组合电路分析2

2.2.2.4 实验预习报告内容

2.2.2.5 实验报告要求

§2.3 组合电路(7段译码器与编码器)的设计

2.3.1 实验原理

2.3.2 实验内容

2.3.2.1 设计7段数码显示器译码电路

2.3.2.2 设计4ˉ2优先编码器

2.3.2.3 实验预习报告内容

2.3.2.4 实验报告要求

§2.4 层次化的设计方法(全加器设计)

2.4.1 实验原理

2.4.2 实验内容

2.4.2.1 用层次化的方法设计4位加法器电路

2.4.2.2 用已验证的4位加法器宏单元组成一个8位的加减器

2.4.2.3 实验预习报告内容

2.4.2.4 实验报告要求

§2.5 迭代设计法(4位全加器与数据比较器的设计)

2.5.1 实验原理

2.5.2 实验内容

2.5.2.1 设计采用超前进位技术的4位加法器

2.5.2.2 采用迭代的方法设计一个4位的数据比较器

2.5.2.3 实验预习报告内容

2.5.2.4 实验报告要求

§2.6 算术逻辑单元的设计

2.6.1 实验原理

2.6.2 实验内容

§2.7 触发器及基本应用电路

2.7.1 实验原理

2.7.1.1 触发器的转换

2.7.1.2 二进制异步计数器

2.7.1.3 移位寄存器

2.7.2 实验内容

2.7.2.1 触发器与锁存器的性能比较

2.7.2.2 触发器形式的变化

2.7.2.3 异步计数器的基本性能分析

2.7.2.4 异步计数器的工作过程分析

2.7.2.5 移位寄存器分析

2.7.2.6 实验预习报告内容

2.7.2.7 实验报告要求

§2.8 同步计数器与应用

2.8.1 实验原理

2.8.2 实验内容

2.8.2.1 同步计数器的基本性能分析

2.8.2.2 构成秒信号发生器

2.8.2.3 10进制计数器和6进制计数器的设计

2.8.2.4 电子秒表电路设计

2.8.2.5 带冗余状态的同步时序电路的设计

2.8.2.6 实验预习报告内容

2.8.2.7 实验报告要求

§2.9 顺序脉冲信号发生器

2.9.1 实验原理

2.9.2 实验内容

2.9.2.1 计数器与译码器构成的顺序脉冲信号发生器

2.9.2.2 环型计数器构成的顺序脉冲信号发生器

2.9.2.3 伪随机序列发生器

2.9.2.4 实验预习报告内容

2.9.2.5 实验报告要求

§2.10 状态机设计(自动售货机)

2.10.1 实验原理

2.10.2 实验内容

2.10.2.1 自动售货机控制电路设计

2.10.2.2 自动售货机控制电路的改进

2.10.2.3 实验预习报告内容

2.10.2.4 实验报告要求

§2.11 交通灯控制器

2.11.1 实验原理

2.11.2 实验内容

§2.12 逻辑功能验证和时序仿真技巧

2.12.1 时钟及二进制信号的产生与选择

2.12.2 总线的设置

§2.13 逻辑单元图形符号

第3篇 印刷电路板设计基础实验

§3.1 单面印刷电路板设计

3.1.1 印刷电路板设计原理

3.1.1.1 印刷电路板层次结构

3.1.1.2 印刷电路板元件布局

3.1.1.3 印刷电路板布线

3.1.2 Protel的使用

3.1.2.1 Protel的操作流程

3.1.2.2 Protel的启动

3.1.2.3 电路原理图编辑步骤

3.1.2.4 印刷电路板设计步骤

3.1.3 实验内容

3.1.4 实验步骤

3.1.4.1 启动Protel

3.1.4.2 电路原理图的编辑

3.1.4.3 印刷电路板的编辑

§3.2 双面印刷电路板设计

3.2.1 实验原理

3.2.1.1 双面印刷电路板的手工布线方法

3.2.1.2 双面印刷电路板的自动布线方法

3.2.2 实验内容

3.2.2.1 三位数字频率计电路原理图编辑

3.2.2.2 三位数字频率计印刷电路板设计

§3.3 原理图元件符号创建

3.3.1 实验原理

3.3.1.1 原理图元件符号的编辑

3.3.1.2 原理图元件符号的创建

3.3.2 实验内容

3.3.2.1 RS485总线驱动接收器元件符号的创建

3.3.2.2 RS232/RS485总线转换电路的PCB设计

§3.4 印刷板图元件创建

3.4.1 实验原理

3.4.1.1 印刷板元件封装图形的编辑

3.4.1.2 印刷板元件封装图形的创建

3.4.2 实验内容

3.4.2.1 7段数码显示器元件符号的创建

3.4.2.2 三位数字动态扫描显示电路的PCB设计

§3.5 Protel使用指南

3.5.1 电路原理图编辑

3.5.1.1 设置SCH的工作环境

3.5.1.2 元件原理图符号库

3.5.1.3 放置元件

3.5.1.4 修改元件选项属性

3.5.1.5 元件自动编号

3.5.1.6 放置电源和地线

3.5.1.7 连线操作

3.5.1.8 原理图的电气规则检查

3.5.1.9 报表生成

3.5.1.10 层次电路编辑方法

3.5.2 印刷电路板设计

3.5.2.1 由原理图生成印刷板

3.5.2.2 工作环境设置

3.5.2.3 元件手工布局

3.5.2.4 元件自动布局

3.5.2.5 设计规则设置

3.5.2.6 手工与自动布线

3.5.2.7 敷铜区与填充区的放置

3.5.2.8 设置泪滴焊盘及泪滴过孔

3.5.2.9 设计规则检查

3.5.2.10 印刷板元件重新编号及原理图元件序号更新

3.5.2.11 信号完整性分析

参考文献

《模拟与数字电路实验》系配合《模拟电子学基础》与《数字逻辑基础》两门技术类平台课程教学而编写的基础实验教材。全书主要分为模拟电子学基础实验、数字逻辑基础实验、印刷电路板设计基础实验三个部分。教材编写的立足点是使用当代EDA工具进行基础实验仿真教学，以有限课时对理论课程涉及的理论与概念进行全面分析与验证，使绝大多数学生能够充分理解与掌握理论基础概念、培养对电子信息类课程学习的兴趣、提高分析与解决问题能力，达到电子信息类课程的教学目的。《模拟与数字电路实验》所有实验也适于电路的实际制作与仪器测量。《模拟与数字电路实验》可作为大专院校电子信息科学与技术、微电子与固体电子学、生物医学工程、自动控制等专业的教材和教学参考书。也可供上述及相关专业的工程技术人员参考。