電子線路CAD實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

周 宇， 潘佳輝， 盧倩倩， 倉(cāng)學(xué)習(xí)， 錢洪晶， 林 勇， 鄭 政

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

電子線路CAD實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

周 宇， 潘佳輝， 盧倩倩， 倉(cāng)學(xué)習(xí)， 錢洪晶， 林 勇， 鄭 政

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

為了提高以醫(yī)用電子儀器為專業(yè)方向的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真的能力，開設(shè)電子線路CAD課程，指導(dǎo)學(xué)生使用電路圖繪制工具CAPTURE進(jìn)行電路圖繪制和元器件制作、使用電路仿真工具PSPICE實(shí)現(xiàn)基本的仿真功能和制作仿真元件，并以全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題為題目，對(duì)學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練。通過該課程的培養(yǎng)，學(xué)生掌握了CAPTURE和PSPICE，電路設(shè)計(jì)和仿真能力得到了很大的提高；同時(shí)由于題目來自競(jìng)賽試題，引起了學(xué)生較高的學(xué)習(xí)興趣；經(jīng)過競(jìng)賽題目訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)CAD軟件的理解程度得到大幅度提升。因此，該課程的設(shè)計(jì)是成功的，不僅提高了學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力和仿真能力，還為后續(xù)的專業(yè)課程打下良好基礎(chǔ)，今后將沿此方向，繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

生物醫(yī)學(xué)工程； 電子線路； 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)； 增益可控射頻放大器

0 引 言

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的專業(yè)，涉及多種學(xué)科和技術(shù)[1-2]。從培養(yǎng)該專業(yè)本科生的角度而言，適宜在對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性培養(yǎng)的同時(shí)、加強(qiáng)某一個(gè)專業(yè)技能的訓(xùn)練，為學(xué)生就業(yè)和繼續(xù)深造打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。醫(yī)用電子是上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一個(gè)重要方向，在課程設(shè)置上，專注于培養(yǎng)學(xué)生的電子工程技術(shù)[3-4]。這其中，電路設(shè)計(jì)和仿真能力是學(xué)生必備的基礎(chǔ)能力，電子線路CAD實(shí)驗(yàn)則是培養(yǎng)該能力的一門重要課程。為了使學(xué)生在這門課程中能夠?qū)W有所得，專業(yè)技能得到切實(shí)提高，結(jié)合全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目對(duì)該課程進(jìn)行了認(rèn)真設(shè)計(jì)，經(jīng)初步實(shí)踐，取得了良好的效果。

1 課程設(shè)計(jì)思想

電子線路CAD課程的重點(diǎn)在于應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)通過手繪完成，在實(shí)際調(diào)試中才能發(fā)現(xiàn)問題，再返工修改，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本都較高，如果想降低成本，則需要豐富的經(jīng)驗(yàn)累積。而隨著CAD軟件的廣泛使用，電路設(shè)計(jì)可以通過更加規(guī)范和便捷的方式完成，更重要的是，可以通過CAD軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行初步仿真，通過盡可能多的暴露問題并努力在早期進(jìn)行解決，來降低整個(gè)設(shè)計(jì)的成本[5]。因此，通過CAD軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真是電子工程技術(shù)的重要和必要的一環(huán)，也是本課程的設(shè)計(jì)目的所在。

國(guó)內(nèi)最流行的中低端電子線路CAD軟件是Altium Designer(Altium公司)，它的前身就是Protel 99SE和Protel DXP[6]。Protel 99SE 是Windows環(huán)境下的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)軟件，其特點(diǎn)是方便易用，比之前的電子線路CAD軟件具有很大的提升。而Altium Designer是在Protel 99SE和Protel DXP的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，融入更多高級(jí)功能。但Altium Designer的電路仿真功能比較一般，因此，不適合用于本課程教學(xué)。電路設(shè)計(jì)的經(jīng)典軟件是SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，于1972年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小組開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；1988年，SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；與此同時(shí)，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實(shí)用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件；其中，PSPICE采用自由格式語言的5.0版本在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開始引入圖形界面；1998，PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)CAD系統(tǒng)中，與電路繪制工具Capture等組成了強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)仿真工具(后ORCAD被Cadence收購(gòu))[7]；在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說獨(dú)具特色，是其他軟件無法比擬的，它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。因此，本課程以O(shè)RCAD的Capture和PSPICE為講授重點(diǎn)。

電子線路CAD實(shí)驗(yàn)開課時(shí)間是大三第一學(xué)期之前的短學(xué)期，選課學(xué)生在此之前上過的相關(guān)課程包括：電路原理、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。因此，學(xué)生具備完成電路設(shè)計(jì)的知識(shí)儲(chǔ)備，但一般不具備足夠的電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也基本沒有電路設(shè)計(jì)仿真CAD軟件的使用經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)此情況，本課程擬對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本的CAD軟件使用培訓(xùn)，同時(shí)設(shè)定一個(gè)具有一定難度的設(shè)計(jì)題目，激勵(lì)學(xué)生攻克難關(guān)，提高電路設(shè)計(jì)能力，檢驗(yàn)CAD軟件使用水平。

2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

電子線路CAD實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容如圖1所示。分為4個(gè)主題進(jìn)行講解，包括電路圖繪制軟件Capture基礎(chǔ)、電路元器件制作、電路圖仿真軟件Pspice基礎(chǔ)和Pspice仿真元器件制作，這4個(gè)主題涵蓋了電路設(shè)計(jì)和仿真的最基本和最必要的內(nèi)容。針對(duì)每個(gè)主題有相應(yīng)的講授內(nèi)容、演示例題和隨堂考查題目。講授內(nèi)容和演示例題由老師講授、學(xué)生跟隨模仿。隨堂考查題目由學(xué)生自行完成，老師負(fù)責(zé)答疑和考查；考查是在相關(guān)內(nèi)容和演示完成后立刻進(jìn)行；老師的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮學(xué)生完成速度、完成質(zhì)量、回答問題的準(zhǔn)確性；這樣安排的好處是幫助學(xué)生集中注意力，提升學(xué)習(xí)效果，并且評(píng)分和能力直接掛鉤、因而更加合理。最后，安排一個(gè)大題目進(jìn)行考查，該題目的要求是：有一定難度，給予足夠的挑戰(zhàn)；盡可能多的使用前期學(xué)過的知識(shí)。本課程的大題目是根據(jù)2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的D題：增益可控射頻放大器改編而成[8]。使用該題目的好處是：來源于高級(jí)別競(jìng)賽，具有足夠的難度，能夠引起學(xué)生的極大興趣。大題目的具體要求和原競(jìng)賽題目一致，但僅需要仿真成功即可；要求使用實(shí)際元器件，如果沒有現(xiàn)成可用的仿真元器件，則需要自行從公司主頁(yè)下載Pspice模型進(jìn)行制作。

圖1 電子線路CAD實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3 課程設(shè)計(jì)效果

根據(jù)上述課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際教學(xué)。由于實(shí)踐性強(qiáng)，能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而考核體系促使學(xué)生在整個(gè)課程過程中基本上都能夠精神高度集中。很多學(xué)生都經(jīng)歷了從不會(huì)到會(huì)，從粗略了解到熟練精通的過程，學(xué)習(xí)信心得到提升。下面以一個(gè)學(xué)生的大題目完成情況為例，說明課程設(shè)計(jì)效果。

3.1 要求

任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)增益可控射頻放大器。

(1) 放大器的電壓增益Av≥52 dB，增益控制范圍12～52 dB，增益控制步長(zhǎng)4 dB，輸入電壓有效值Ui≤5 mV，其輸入阻抗、輸出阻抗均為50 Ω，負(fù)載電阻50 Ω，且輸出電壓有效值Uo≥2 V，波形無明顯失真；

(2) 在50～160 MHz頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)不大于2 dB；

(3) -3 dB的通頻帶不窄于40～200 MHz，即fL≤40 MHz和fH≥200 MHz；

(4) 當(dāng)輸入信號(hào)f≤20 MHz或輸入信號(hào)f≥270 MHz時(shí)，實(shí)測(cè)電壓增益均不大于20 dB；

3.2 設(shè)計(jì)及仿真

整個(gè)系統(tǒng)可以分為3級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)：第1級(jí)為基于OPA657[9]的固定增益放大級(jí)，第2級(jí)為基于VCA824[10]的可控增益放大級(jí)，第3級(jí)為基于THS3001[11]的功率放大級(jí)。

OPA657為電壓反饋型運(yùn)算放大器，輸入阻抗高，輸出阻抗低，增益帶寬乘積可達(dá)1.6 GHz，在同相放大的要求下為了達(dá)到穩(wěn)定的頻率響應(yīng)，需要滿足2個(gè)條件：首先，Rf//Rg≤150 Ω(同相放大，其中Rg為增益電阻，Rf為反饋電阻)；其次，若接成同相放大，增益(1+Rf/Rg)≥7 V。這里選擇增益為10 V/V，選作第1級(jí)放大20 dB，即Rf/Rg=9，又Rf//Rg≤150 Ω，計(jì)算可得Rg,MAX=167 Ω，選擇Rg=50 Ω，Rf=453 Ω。

第2級(jí)選用增益可調(diào)型運(yùn)放VCA824，理想情況下其增益最大可調(diào)范圍可達(dá)40 dB，實(shí)際很難達(dá)到，故采用兩片級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，每片各放大20 dB，在20 dB增益下，VCA帶寬可達(dá)420 MHz,可以滿足設(shè)計(jì)要求，通過調(diào)節(jié)控制電壓Vg，可實(shí)現(xiàn)4 dB步進(jìn)下的增益調(diào)整。其最大增益由Av,MAX=2Rf/Rg求得，其中：Rg為增益，Rf為反饋電阻。由TRg=Uo/Av,MAXRg可知，Rg如果選得太大，會(huì)限制流過Rg的電流IRg，進(jìn)而限制了輸出電壓擺幅。由以上分析做如下設(shè)計(jì)：第1級(jí)放大的輸入電壓峰值Vin約為40 mV，由VCA824的手冊(cè)可知IRgMAX=2.6 mA。由Rg，MIN=Uin/IRg,max可以計(jì)算出，Rg，MIN=15.4 Ω，選擇Rg=80 Ω，則Rf=402 Ω；由第2級(jí)輸入峰值電壓約為200 mV，同理可取Rg=110 Ω，Rf=550 Ω。

第3級(jí)考慮電流反饋型運(yùn)放THS3202及THS3001，兩款運(yùn)放都具有很高的輸出電流以及壓擺率。前者的帶寬更寬，在放大倍數(shù)為1時(shí)達(dá)到1.8 GHz，但是其輸入阻抗在反相放大時(shí)為11 Ω，且其輸出電壓擺幅在負(fù)載為100 Ω時(shí)為±3.45 V，不滿足要求；而THS3001在±15 V供電，負(fù)載為150 Ω條件下最小輸出擺幅可以達(dá)到，且其在放大倍數(shù)為1時(shí)的帶寬為420 MHz，滿足要求，所以選擇THS3001作為最后1級(jí)的功率放大。其輸入阻抗在同相放大時(shí)為1.5 MΩ，反相放大時(shí)僅為15 Ω，因此，選擇同相放大對(duì)信號(hào)放大3倍，并且根據(jù)手冊(cè)給出推薦的反饋電阻值進(jìn)行設(shè)計(jì)，在放大倍數(shù)為3倍時(shí)，選擇Rf=615 Ω，Rg=307 Ω。

仿真結(jié)果如圖2～6及表1所示。

圖2 增益可控射頻放大器(輸入電壓有效值VI=5 mV，輸入阻抗、輸出阻抗均為50 Ω，負(fù)載電阻50 Ω)。

表1 增益控制范圍12 dB～53 dB(增益控制步長(zhǎng)4 dB)

圖3 輸出電壓有效值大于2 V且波形無明顯失真

圖4 -3 dB的通頻帶在38.2～201.5 MHz(在頻率為100 MHz時(shí)增益為53.3 dB)

圖5 在50～160 MHz頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)1.687 dB

圖6 在頻率小于20 MHz或大于270 MHz增益均不大于20 dB(在頻率為100 MHz時(shí)增益為53.3 dB)

3.3 設(shè)計(jì)總結(jié)

仿真結(jié)果基本滿足題目要求。其中，高通濾波器放在第2級(jí)的第1個(gè)VCA824的輸出端，原因是該VCA824的輸出電壓可以達(dá)到430 mV左右，若直接加入第2個(gè)VCA824放大10倍，其輸出可以達(dá)到4.6 V，超過了手冊(cè)中規(guī)定的3.9 V，勢(shì)必導(dǎo)致輸出波形失真，而高通濾波器由于電阻分壓可以產(chǎn)生一個(gè)固定的約為6 dB的通帶衰減，加入后既可以使第2級(jí)VCA824的波形免于失真，又可以達(dá)到濾波的作用，設(shè)計(jì)采用LC濾波器[12]，可以對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行較好的濾波。另外，運(yùn)算放大器的反饋電阻以及增益電阻的選擇很大程度上會(huì)影響其穩(wěn)定性以及頻率響應(yīng)特性[13]。

4 結(jié) 語

為避免生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生博而不精的情況發(fā)生，需要對(duì)該專業(yè)學(xué)生的某一專業(yè)技能進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)合實(shí)際需求，適宜引導(dǎo)學(xué)生在電子工程技術(shù)方向進(jìn)行發(fā)展[14-15]。電子線路CAD實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生具備電路設(shè)計(jì)和仿真能力的一門重要課程。為了使學(xué)生學(xué)有所得，對(duì)該課程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在對(duì)CAD軟件進(jìn)行基本介紹和例題演示的基礎(chǔ)上，通過隨堂考查幫助學(xué)生提高注意力、及時(shí)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，通過大題目考查幫助學(xué)生提升電路設(shè)計(jì)和仿真的綜合能力。

課程建設(shè)工作取得了良好的教學(xué)效果：相比于往屆未經(jīng)過培訓(xùn)的學(xué)生，經(jīng)過電子線路CAD實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)的學(xué)生在電路設(shè)計(jì)和仿真方面具有了更突出的能力；掌握了電路設(shè)計(jì)和仿真軟件以后，學(xué)生不僅能夠鞏固過去基礎(chǔ)課程中所學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)，更為后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這一點(diǎn)在后續(xù)的專業(yè)課教學(xué)中都得到了體現(xiàn)；由于選擇了最新的全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目作為考查題，學(xué)生的興趣和動(dòng)力明顯得到增強(qiáng)，更多的體會(huì)到了學(xué)以致用的含義，提高了專業(yè)認(rèn)同感。因此，該實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)是有一定成效的。

生物醫(yī)學(xué)工程是一個(gè)綜合性強(qiáng)、同時(shí)又很有前景的專業(yè)，但專業(yè)建設(shè)工作又有其獨(dú)特性和復(fù)雜性；不同學(xué)校的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)具有不同的定位，但都應(yīng)該突出其專業(yè)特點(diǎn)，不能夠忽視對(duì)學(xué)生的專業(yè)技能培養(yǎng)；電子線路CAD實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)工作正是在此背景下提出和開展。雖然已取得一定成效，但是還有進(jìn)步的空間，尤其是在不同專業(yè)課程的配合方面，如何使課程更加具有體系性，使電子線路CAD更好地為后續(xù)課程服務(wù)，將成為今后工作的重點(diǎn)。

本文受上海理工大學(xué)“精品本科”系列研究項(xiàng)目資助。

[1] 鄒慧玲, 董秀珍, 王松俊, 等. 美國(guó)優(yōu)秀生物醫(yī)學(xué)工程教育模式探討[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué), 2004(3): 456-459.

[2] 尤富生,徐燦華,楊 濱，等.麻省理工學(xué)院教育理念及對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的啟示[J]. 學(xué)科與人才,2016,37(1): 144-146.

[3] 上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程[EB/OL]. Http://yiliao.usst.edu.cn/.

[4] 周 宇，鄭 政，王秀芳，等.醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理課程構(gòu)建的心電檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012, 31(2): 122-124.

[5] 沈耀輝. 從電子CAD到現(xiàn)代EDA[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,1997(3): 4-6.

[6] 宋 瑾. Altium Designer的電子電路仿真[J].電子測(cè)試,2014(11): 20-22.

[7] 李飛虎.基于ORCAD/PSpice9的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù), 2010(5): 59-61.

[8] 增益可控射頻放大器(D題)2015電子設(shè)計(jì)大賽[EB/OL]. Http://www.nuedc.com.cn/.

[9] opa657[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa657.pdf.

[10] vca824[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/vca824.pdf.

[11] ths3001[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ths3001.pdf.

[12] 森榮二. LC濾波器設(shè)計(jì)與制作[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[13] 塞爾吉?dú)W.弗朗哥. 基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[14] 袁越陽, 楊崇倡, 張敬浩. 現(xiàn)代醫(yī)療器械電子技術(shù)與醫(yī)療服務(wù)[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2013(12): 103-105.

[15] 崔 棟, 張光玉, 郭永新, 等. 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué), 2012(3): 3452-3454.

Course Design of Electronic Circuit CAD

ZHOUYu,PANJiahui,LUQianqian,CANGXuexi,QIANHongjing,LINYon,ZHENGZheng

(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In order to help students in the major of biomedical engineering improve the ability of circuit design and simulation based on CAD (Computer Aided Design) software, the course of electronic circuit CAD was conducted. In this course, students were trained to master the schematic tool CAPTURE and circuit simulation tool PSPICE, and a project from the nation college student electronic competitions was set to be the object of the course. Through the course, the students mastered CAPTURE and PSPICE, and their ability of circuit design and simulation was improved much. The project from competitions could enhance the students’ interests. So the design of the course is successful and it is deserved to continue and improve.

biomedical engineering; electronic circuit; computer aided design(CAD); gain controlled RF amplifier

2016-02-24

周 宇(1980-)，男，江蘇南通人，博士，講師，主要從事醫(yī)學(xué)電子學(xué)方面的研究。Tel.: 18021042556; E-mail: zhouyu_working@163.com

鄭 政(1961-)，男，浙江杭州人，博士，研究員，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。Tel.: 18501791418; E-mail: zheng.bts@gmail.com

R 318; TN 7

A

1006-7167(2017)02-0239-05