模拟电子系统设计(精)
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设计举例： 设计任务：
在规定条件下，传感器校准曲线与拟合 采用数字锁相环技术产生一个与可变行频同频同 直线间的最大偏差（ΔYmax）与满量程 步的锯齿波电压。已知：行同步信号是幅度为 输出（Y）的百分比，称为线性度（线 性度又称为“非线性误差”）， 3.5V的负脉冲，其频率变化为 15.625~64kHz。
ห้องสมุดไป่ตู้
鉴相器PD
环路滤波器LF
压控振荡器VCO
vo
线性电路,其作用是滤除鉴相器输 N分频器 出电压中的高频分量,起平滑滤波 的作用.通常由电阻、电容或电感 等组成，有时也包含运算放大器
Page 13
(2) 锁相环工作原理
相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从 VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围 内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号，这 个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位 差，通常是以交流分量调制的直流电平。 由低通滤波器 滤除误差信号中的交流分量，产生信号去控制VCO，强 制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输 入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐 渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。 环路锁定后，鉴相器的两个输入信号的频率相等，即：
方案论证要敢于探索，勇于创新，力争做到设计 方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。
Page 4
方案设计与选择必须优先考虑以下问题 ①原理的可行性：解决一个间题，可能有许多种方 法，但有的方法是不能达到设计要求的
②元器件的可行性：如采用什么元器件、什么微控 制器、什么可编程逻辑器件，能否采购得到？
Page 3
(2)总体方案的设计与选择 根据设计任务、要求和条件，分折电路的总体功 能，并将其分解成若干单元功能，形成总体设计 方案，画出总体设计原理框图。 框图必须正确反映系统应完成的任务和各组成部 分的功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。 一般一个系统有多个设计方案，设计者应仔细分 析、比较各方案的优缺点，择优选用。
Page 9
②半导体器件的选择 半导体器件包括二极管、晶体三极管、场效应管、 光电二（三）极管、晶闸管等。根据其用途分别 进行选择。例如，选择晶体三极管时，首先注意 选择NPN型还是PNP型管，高频管还是低频管， 大功率管还是小功率管，并且注意管子的参数 PCM、ICM、VCEO、IBCO、β、fT和fβ是否满足电路设 计指标的要求；高频工作时，要求fT = (5～10) f, f 为工作频率。
Page 26
74LS124引脚分布
VCC VCC~ VRng2
2Cext 74LS124
2G
2Y
GND
VC1
VC2 VRng1
1Cext
1G
1Y GND~
Page 27
(4) 分频器(计数器)74LS161 最高计数频率25MHz
Page 28
参数计算
(1) 频带划分 锁相环路的频率覆盖系数取决于VCO的频率变化范围
fo=Nfi
Page 14
(3)捕捉带与同步带 若环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用， 最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程， 环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉 范围 若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压 的变化，使VCO输出频率变化，或者输入信号频 率变化，通过环路自动相位控制作用，使VCO相 位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率）， 这个过程称跟踪过程，或同步过程，或保持过程。
电源电压3.9~40V
Page 33
LM331应用电路
Page 34
LM331定时电容充放电波形
1/fi
VCt
RtCt
0 Vout RlCl
Page 35
LM331外接元件参数计算
Ct 充电到2/3Vcc时，定时比较器翻转，则由
VCC (1 e
T / RtCt
) 2 / 3VCC
率的(Vc=1~5V)
不同的VRng，频率随Vc的变化灵敏度不同， VRng
越大，压控灵敏度越高
fvco的最大频率变化范围为0.5fo~1.12fo,覆盖系
数约为2.24
Page 30
令高频段VCO的最高频率
f1max=16.384MHz
fo1=f1max/1.2=14.62MHz， f1min=0.5fo1=14.62x0.5=7.31MHz 令低频端VCO的最低频率 f2min=4MHZ fo2=f2min/0.5=8MHz f2max=1.12fo2=8.9MHz
fo(base) 1.3 1.1 0.9 Cext 0.7 0.5 fn=fVCO/fobase
Vrng=2V 3V 3.5V 1 2
4.5V 3 4 5
Vc
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74LS124的工作频率与外接电容成反比，近似公 式为fo=5x10-4/Cext
f- VRng 是负斜率的（ VRng=2~4.5V）;f-Vc是正斜
模拟电子系统设计
1、模拟系统的设计方法和步骤
系统描述和分析 设计文档与总结 报告
总体方案 的设计与选择
安装和调试
系统模块的划分
元件选择和参数 计算
单元电路的设计
Page 2
(1)系统描述和分析 明确设计任务，认真分析设计要求，深入了解系 统的功能、性能指标和使用条件，完整、清晰地 对系统的各项功能要求和技术性能指标进行更具 体、更详细的描述，以作为系统设计的原始依据。
R2 VCC Vim V7 VCC R1 R 2 若VCC 15V ,Vim 3.5V , 取V7 13.5V , 则 R1 6.2k, R2 56k
Page 37
RS的推荐值为1kΩ与5kΩ电位器的串联，其电流 i=1.9/RS决定了输出电压的大小。
可得Ct 充电时间为 TC 1.1Rt Ct 在输入信号一个周期内Ct必须充放电一次，则须满足
1.1Rt Ct 1 / f max
fimax=64kHz , 取Ct=2200pF,Rt=2kΩ
Page 36
根据输入负脉冲幅度，确定7脚电平。当行频负脉 冲到来时，为使输入比较器翻转，应满足
f2max>f1min满足要求，实现了频率覆盖要求
可得： Cext1=5x10-4/fo1=34pF
Cext2=5x10-4/fo2=62pF
Page 31
(2) 波段切换
F/V + COMP G
G
Page 32
F/V变换器采用LM331 满量程频率范围 1Hz~100kHz 线性度±0.01%
Page 7
计算电路参数时应注意下列问题: 元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应 能满足电路指标的要求； 元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应 大于额定值的1.5倍； 对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最 坏的情况考虑；
选用的元器件参数值都必须采用计算值附近的标 称值。
Page 23
工作波形
PD I为跳边沿触发
Page 24
PD II为上升沿触发
Page 25
(3) VCO 74LS124 双VCO 最高频率30MHz
工作频率由外接电容Cext决定
两个受控端，一个为频率调节电压Vreg 和另一个 为频率控制电压Vc ,均可调节输出信号频率 每个VCO有使能端，可以进行三态输出控制
Page 8
①阻容元器件的选择： 不同的电路对电阻和电容的性能要求也不同，有 些电路对电容的漏电要求很严；还有些电路对电 阻、电容的性能和容量要求很高。例如，滤波电 路中常用大容量（100～3000m F）铝电解电容， 为滤掉高频通常还需并联小容量（0.0l～0.lm F） 瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和 参数合适的阻容元器件，并要注意功耗、容量、 频率和耐压范围是否满足要求。
VCO、计数器、D/A的速度均应达到此值。
(3) 环路的捕捉带、同步带及VCO的频率变化范围
VCO输出信号频率范围为256fi(4-16.384MHz),覆 盖系数fmax/fmin>4, 需分频段实现
环路应工作在快捕带内，以保证快速跟踪，因此 快捕带△ ωL >16.384-4=12.384MHz 。 (4) 鉴相器的工作频率为15.625~16kHz
Page 12
锁相环应用系统实例 振荡频率受控制电压控制的振荡器，而
相位比较单元,用来比较输入信号 振荡频率与控制电压之间成线性关系。 和基准信号的之间的相位.它的输 知识补充： 在PLL中，压控振荡器实际上是把控制 出电压正比于两个输入信号之相 (1) 位差 锁相环的基本组成电压转换为相位。
vi
Page 19
器件型号选择 (1) D/A变换器CA3338 8位
20MHz
电压输出型
输出电压幅度可调
Page 20
Page 21
(2) 鉴相器CD4046 集成锁相环， 工作频率小于1MHz，
鉴相灵敏度Ad=Vdd/2π
Page 22
CD4046的内部结构
8位D/A的分辨率为1/(2n-1)=0.39,若其最大的线 性误差按1LSB计算，则其小于设计要求的1%， 因此8位D/A即可满足要求，则分频器（计数器） 的分频系数N=256。
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(2) 系统的最高工作频率 输入信号的最高行频为64kHz , 则压控振荡器的 工作频率是fo=256fi=16.384MHz,
Page 10
③集成电路的选择： 由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电 路的功能，所以选用集成电路来设计单元电路和 总体电路既方便又灵潘，它不仅使系统体积缩小， 而且性能可靠，便于调试及运用。集成电路有模 拟集成电路和数字集成电路之分。选择的集成电 路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且还 要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。
设计要求：
锯齿波电压的幅度范围为0~5V,
锯齿波的线性度由于1%，
锯齿波的逆程时间小于0.5us
行频切换时，要求系统的转换时间小于0.5s
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系统框图
vi
鉴相器PD
环路滤波器LF
压控振荡器VCO
vo
N分频器
D/A
LPF
Page 17
参数选择 (1) D/A的位数 D/A的位数决定锯齿波的线性度。
Page 6
(5)元器件选择和参数计算 参数计算包括放大电路中各电阻值、放大倍数的 计算，振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的 计算。只有很好地理解电路的工作原理，正确利 用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。参 数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选 择一组能完成电路设计所要求的功能、在实践中 真正可行的参数。
③测试的可行性：有无所需要的测量仪器仪表？ ④设计、制作的可行性：难度如何，如何积累？ ⑤时间的可行性：研制周期多长？
Page 5
(3)系统模块划分: 根据总体设计方案将系统划分为 若干个功能模块，并确定各模块间的接口参数。
(4)单元电路设计: 确定单元电路的功能及性能指标、 与前后级之间的关系，并分析单元电路的工作原 理，然后选择设计单元电路的结构形式。可以通 过查找资料，寻找现成的电路，或者相近电路， 再调整电路参数。若没有，则需设计新的电路。 要注意，各单元电路间的相互配合，尽量减少元 器件的数量、类型、电平转换和接口电路，以使 电路简单可靠。
RLCL决定了输入信号频率变化时输出电压随之变 化所需要的时间及输出电压的文博。与其它器件 相比，带有RLCL的LM331是低速器件，可认为系 统的转换时间主要取决于它。要求行频切换时系 统转换时间小于0.5s,可近似取RLCL为该时间的 1/10，即0.05s, 则RL=51kΩ, CL为1uF
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比较器LM311
电源电压5-15V, 响应时间200ns。
若设高低频段的频率分界点是30kHz, 由F/V的变换曲线可 知，f=30kHz时的输出电平为5.8V,可取比较器的比较电压 为5.8V。
Page 11
(6)安装与调试 方案论证和单元电路硬件设计之后，紧接着就 是设计制作印制电路板。对于数字部分，因为频 率较低，可以利用现代软件技术直接排版。对于 模拟部分，特别是高频部分，需要考虑抗干扰问 题，既要考虑抗外部干扰，又要考虑抗内部干扰； 既要考虑模电自身的相互干扰，又要考虑数电 （脉冲信号）对模电部分的干扰。简单的系统或 模块电路可用手工制作电路板。
设计举例： 设计任务：
在规定条件下，传感器校准曲线与拟合 采用数字锁相环技术产生一个与可变行频同频同 直线间的最大偏差（ΔYmax）与满量程 步的锯齿波电压。已知：行同步信号是幅度为 输出（Y）的百分比，称为线性度（线 性度又称为“非线性误差”）， 3.5V的负脉冲，其频率变化为 15.625~64kHz。
ห้องสมุดไป่ตู้
鉴相器PD
环路滤波器LF
压控振荡器VCO
vo
线性电路,其作用是滤除鉴相器输 N分频器 出电压中的高频分量,起平滑滤波 的作用.通常由电阻、电容或电感 等组成，有时也包含运算放大器
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(2) 锁相环工作原理
相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从 VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围 内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号，这 个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位 差，通常是以交流分量调制的直流电平。 由低通滤波器 滤除误差信号中的交流分量，产生信号去控制VCO，强 制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输 入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐 渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。 环路锁定后，鉴相器的两个输入信号的频率相等，即：
方案论证要敢于探索，勇于创新，力争做到设计 方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。
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方案设计与选择必须优先考虑以下问题 ①原理的可行性：解决一个间题，可能有许多种方 法，但有的方法是不能达到设计要求的
②元器件的可行性：如采用什么元器件、什么微控 制器、什么可编程逻辑器件，能否采购得到？
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(2)总体方案的设计与选择 根据设计任务、要求和条件，分折电路的总体功 能，并将其分解成若干单元功能，形成总体设计 方案，画出总体设计原理框图。 框图必须正确反映系统应完成的任务和各组成部 分的功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。 一般一个系统有多个设计方案，设计者应仔细分 析、比较各方案的优缺点，择优选用。
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②半导体器件的选择 半导体器件包括二极管、晶体三极管、场效应管、 光电二（三）极管、晶闸管等。根据其用途分别 进行选择。例如，选择晶体三极管时，首先注意 选择NPN型还是PNP型管，高频管还是低频管， 大功率管还是小功率管，并且注意管子的参数 PCM、ICM、VCEO、IBCO、β、fT和fβ是否满足电路设 计指标的要求；高频工作时，要求fT = (5～10) f, f 为工作频率。
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74LS124引脚分布
VCC VCC~ VRng2
2Cext 74LS124
2G
2Y
GND
VC1
VC2 VRng1
1Cext
1G
1Y GND~
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(4) 分频器(计数器)74LS161 最高计数频率25MHz
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参数计算
(1) 频带划分 锁相环路的频率覆盖系数取决于VCO的频率变化范围
fo=Nfi
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(3)捕捉带与同步带 若环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用， 最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程， 环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉 范围 若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压 的变化，使VCO输出频率变化，或者输入信号频 率变化，通过环路自动相位控制作用，使VCO相 位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率）， 这个过程称跟踪过程，或同步过程，或保持过程。
电源电压3.9~40V
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LM331应用电路
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LM331定时电容充放电波形
1/fi
VCt
RtCt
0 Vout RlCl
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LM331外接元件参数计算
Ct 充电到2/3Vcc时，定时比较器翻转，则由
VCC (1 e
T / RtCt
) 2 / 3VCC
率的(Vc=1~5V)
不同的VRng，频率随Vc的变化灵敏度不同， VRng
越大，压控灵敏度越高
fvco的最大频率变化范围为0.5fo~1.12fo,覆盖系
数约为2.24
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令高频段VCO的最高频率
f1max=16.384MHz
fo1=f1max/1.2=14.62MHz， f1min=0.5fo1=14.62x0.5=7.31MHz 令低频端VCO的最低频率 f2min=4MHZ fo2=f2min/0.5=8MHz f2max=1.12fo2=8.9MHz
fo(base) 1.3 1.1 0.9 Cext 0.7 0.5 fn=fVCO/fobase
Vrng=2V 3V 3.5V 1 2
4.5V 3 4 5
Vc
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74LS124的工作频率与外接电容成反比，近似公 式为fo=5x10-4/Cext
f- VRng 是负斜率的（ VRng=2~4.5V）;f-Vc是正斜
模拟电子系统设计
1、模拟系统的设计方法和步骤
系统描述和分析 设计文档与总结 报告
总体方案 的设计与选择
安装和调试
系统模块的划分
元件选择和参数 计算
单元电路的设计
Page 2
(1)系统描述和分析 明确设计任务，认真分析设计要求，深入了解系 统的功能、性能指标和使用条件，完整、清晰地 对系统的各项功能要求和技术性能指标进行更具 体、更详细的描述，以作为系统设计的原始依据。
R2 VCC Vim V7 VCC R1 R 2 若VCC 15V ,Vim 3.5V , 取V7 13.5V , 则 R1 6.2k, R2 56k
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RS的推荐值为1kΩ与5kΩ电位器的串联，其电流 i=1.9/RS决定了输出电压的大小。
可得Ct 充电时间为 TC 1.1Rt Ct 在输入信号一个周期内Ct必须充放电一次，则须满足
1.1Rt Ct 1 / f max
fimax=64kHz , 取Ct=2200pF,Rt=2kΩ
Page 36
根据输入负脉冲幅度，确定7脚电平。当行频负脉 冲到来时，为使输入比较器翻转，应满足
f2max>f1min满足要求，实现了频率覆盖要求
可得： Cext1=5x10-4/fo1=34pF
Cext2=5x10-4/fo2=62pF
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(2) 波段切换
F/V + COMP G
G
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F/V变换器采用LM331 满量程频率范围 1Hz~100kHz 线性度±0.01%
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计算电路参数时应注意下列问题: 元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应 能满足电路指标的要求； 元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应 大于额定值的1.5倍； 对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最 坏的情况考虑；
选用的元器件参数值都必须采用计算值附近的标 称值。
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工作波形
PD I为跳边沿触发
Page 24
PD II为上升沿触发
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(3) VCO 74LS124 双VCO 最高频率30MHz
工作频率由外接电容Cext决定
两个受控端，一个为频率调节电压Vreg 和另一个 为频率控制电压Vc ,均可调节输出信号频率 每个VCO有使能端，可以进行三态输出控制
Page 8
①阻容元器件的选择： 不同的电路对电阻和电容的性能要求也不同，有 些电路对电容的漏电要求很严；还有些电路对电 阻、电容的性能和容量要求很高。例如，滤波电 路中常用大容量（100～3000m F）铝电解电容， 为滤掉高频通常还需并联小容量（0.0l～0.lm F） 瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和 参数合适的阻容元器件，并要注意功耗、容量、 频率和耐压范围是否满足要求。
VCO、计数器、D/A的速度均应达到此值。
(3) 环路的捕捉带、同步带及VCO的频率变化范围
VCO输出信号频率范围为256fi(4-16.384MHz),覆 盖系数fmax/fmin>4, 需分频段实现
环路应工作在快捕带内，以保证快速跟踪，因此 快捕带△ ωL >16.384-4=12.384MHz 。 (4) 鉴相器的工作频率为15.625~16kHz
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锁相环应用系统实例 振荡频率受控制电压控制的振荡器，而
相位比较单元,用来比较输入信号 振荡频率与控制电压之间成线性关系。 和基准信号的之间的相位.它的输 知识补充： 在PLL中，压控振荡器实际上是把控制 出电压正比于两个输入信号之相 (1) 位差 锁相环的基本组成电压转换为相位。
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器件型号选择 (1) D/A变换器CA3338 8位
20MHz
电压输出型
输出电压幅度可调
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(2) 鉴相器CD4046 集成锁相环， 工作频率小于1MHz，
鉴相灵敏度Ad=Vdd/2π
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CD4046的内部结构
8位D/A的分辨率为1/(2n-1)=0.39,若其最大的线 性误差按1LSB计算，则其小于设计要求的1%， 因此8位D/A即可满足要求，则分频器（计数器） 的分频系数N=256。
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(2) 系统的最高工作频率 输入信号的最高行频为64kHz , 则压控振荡器的 工作频率是fo=256fi=16.384MHz,
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③集成电路的选择： 由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电 路的功能，所以选用集成电路来设计单元电路和 总体电路既方便又灵潘，它不仅使系统体积缩小， 而且性能可靠，便于调试及运用。集成电路有模 拟集成电路和数字集成电路之分。选择的集成电 路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且还 要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。
设计要求：
锯齿波电压的幅度范围为0~5V,
锯齿波的线性度由于1%，
锯齿波的逆程时间小于0.5us
行频切换时，要求系统的转换时间小于0.5s
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系统框图
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鉴相器PD
环路滤波器LF
压控振荡器VCO
vo
N分频器
D/A
LPF
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参数选择 (1) D/A的位数 D/A的位数决定锯齿波的线性度。
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(5)元器件选择和参数计算 参数计算包括放大电路中各电阻值、放大倍数的 计算，振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的 计算。只有很好地理解电路的工作原理，正确利 用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。参 数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选 择一组能完成电路设计所要求的功能、在实践中 真正可行的参数。
③测试的可行性：有无所需要的测量仪器仪表？ ④设计、制作的可行性：难度如何，如何积累？ ⑤时间的可行性：研制周期多长？
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(3)系统模块划分: 根据总体设计方案将系统划分为 若干个功能模块，并确定各模块间的接口参数。
(4)单元电路设计: 确定单元电路的功能及性能指标、 与前后级之间的关系，并分析单元电路的工作原 理，然后选择设计单元电路的结构形式。可以通 过查找资料，寻找现成的电路，或者相近电路， 再调整电路参数。若没有，则需设计新的电路。 要注意，各单元电路间的相互配合，尽量减少元 器件的数量、类型、电平转换和接口电路，以使 电路简单可靠。
RLCL决定了输入信号频率变化时输出电压随之变 化所需要的时间及输出电压的文博。与其它器件 相比，带有RLCL的LM331是低速器件，可认为系 统的转换时间主要取决于它。要求行频切换时系 统转换时间小于0.5s,可近似取RLCL为该时间的 1/10，即0.05s, 则RL=51kΩ, CL为1uF
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比较器LM311
电源电压5-15V, 响应时间200ns。
若设高低频段的频率分界点是30kHz, 由F/V的变换曲线可 知，f=30kHz时的输出电平为5.8V,可取比较器的比较电压 为5.8V。
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(6)安装与调试 方案论证和单元电路硬件设计之后，紧接着就 是设计制作印制电路板。对于数字部分，因为频 率较低，可以利用现代软件技术直接排版。对于 模拟部分，特别是高频部分，需要考虑抗干扰问 题，既要考虑抗外部干扰，又要考虑抗内部干扰； 既要考虑模电自身的相互干扰，又要考虑数电 （脉冲信号）对模电部分的干扰。简单的系统或 模块电路可用手工制作电路板。