電子線路CAD實驗課程設計

周 宇， 潘佳輝， 盧倩倩， 倉學習， 錢洪晶， 林 勇， 鄭 政

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093)

電子線路CAD實驗課程設計

周 宇， 潘佳輝， 盧倩倩， 倉學習， 錢洪晶， 林 勇， 鄭 政

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093)

為了提高以醫用電子儀器為專業方向的生物醫學工程專業學生使用計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)軟件進行電路設計和仿真的能力，開設電子線路CAD課程，指導學生使用電路圖繪制工具CAPTURE進行電路圖繪制和元器件制作、使用電路仿真工具PSPICE實現基本的仿真功能和制作仿真元件，并以全國大學生電子設計競賽試題為題目，對學生進行訓練。通過該課程的培養，學生掌握了CAPTURE和PSPICE，電路設計和仿真能力得到了很大的提高；同時由于題目來自競賽試題，引起了學生較高的學習興趣；經過競賽題目訓練，學生對CAD軟件的理解程度得到大幅度提升。因此，該課程的設計是成功的，不僅提高了學生的電路設計能力和仿真能力，還為后續的專業課程打下良好基礎，今后將沿此方向，繼續進行改進。

生物醫學工程； 電子線路； 計算機輔助設計； 增益可控射頻放大器

0 引 言

生物醫學工程專業是一個綜合性較強的專業，涉及多種學科和技術[1-2]。從培養該專業本科生的角度而言，適宜在對學生進行綜合性培養的同時、加強某一個專業技能的訓練，為學生就業和繼續深造打下良好的專業基礎。醫用電子是上海理工大學生物醫學工程專業的一個重要方向，在課程設置上，專注于培養學生的電子工程技術[3-4]。這其中，電路設計和仿真能力是學生必備的基礎能力，電子線路CAD實驗則是培養該能力的一門重要課程。為了使學生在這門課程中能夠學有所得，專業技能得到切實提高，結合全國大學生電子設計競賽題目對該課程進行了認真設計，經初步實踐，取得了良好的效果。

1 課程設計思想

電子線路CAD課程的重點在于應用CAD軟件進行電路設計。傳統的電路設計通過手繪完成，在實際調試中才能發現問題，再返工修改，時間和經濟成本都較高，如果想降低成本，則需要豐富的經驗累積。而隨著CAD軟件的廣泛使用，電路設計可以通過更加規范和便捷的方式完成，更重要的是，可以通過CAD軟件對所設計的電路進行初步仿真，通過盡可能多的暴露問題并努力在早期進行解決，來降低整個設計的成本[5]。因此，通過CAD軟件進行電路設計和仿真是電子工程技術的重要和必要的一環，也是本課程的設計目的所在。

國內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環境下的經典電路設計軟件，其特點是方便易用，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的基礎上進行升級，融入更多高級功能。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。電路設計的經典軟件是SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，于1972年由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設計小組開發而成，主要用于大規模集成電路的計算機輔助設計；1988年，SPICE被定為美國國家工業標準；與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎上做了大量實用化工作，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版本在我國得到廣泛應用，并且從6.0版本開始引入圖形界面；1998，PSPICE產品正式并入ORCAD公司的商業CAD系統中，與電路繪制工具Capture等組成了強大的電路設計仿真工具(后ORCAD被Cadence收購)[7]；在電路系統仿真方面，PSPICE可以說獨具特色，是其他軟件無法比擬的，它是一個多功能的電路模擬試驗平臺，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統及電路級仿真，具有快速、準確的仿真能力。因此，本課程以ORCAD的Capture和PSPICE為講授重點。

電子線路CAD實驗開課時間是大三第一學期之前的短學期，選課學生在此之前上過的相關課程包括：電路原理、模擬電子技術和數字電子技術。因此，學生具備完成電路設計的知識儲備，但一般不具備足夠的電路設計經驗，也基本沒有電路設計仿真CAD軟件的使用經驗。針對此情況，本課程擬對學生進行基本的CAD軟件使用培訓，同時設定一個具有一定難度的設計題目，激勵學生攻克難關，提高電路設計能力，檢驗CAD軟件使用水平。

2 課程設計內容

電子線路CAD實驗課程內容如圖1所示。分為4個主題進行講解，包括電路圖繪制軟件Capture基礎、電路元器件制作、電路圖仿真軟件Pspice基礎和Pspice仿真元器件制作，這4個主題涵蓋了電路設計和仿真的最基本和最必要的內容。針對每個主題有相應的講授內容、演示例題和隨堂考查題目。講授內容和演示例題由老師講授、學生跟隨模仿。隨堂考查題目由學生自行完成，老師負責答疑和考查；考查是在相關內容和演示完成后立刻進行；老師的評分標準綜合考慮學生完成速度、完成質量、回答問題的準確性；這樣安排的好處是幫助學生集中注意力，提升學習效果，并且評分和能力直接掛鉤、因而更加合理。最后，安排一個大題目進行考查，該題目的要求是：有一定難度，給予足夠的挑戰；盡可能多的使用前期學過的知識。本課程的大題目是根據2015年全國大學生電子設計競賽的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：來源于高級別競賽，具有足夠的難度，能夠引起學生的極大興趣。大題目的具體要求和原競賽題目一致，但僅需要仿真成功即可；要求使用實際元器件，如果沒有現成可用的仿真元器件，則需要自行從公司主頁下載Pspice模型進行制作。

圖1 電子線路CAD實驗課程設計結構

3 課程設計效果

根據上述課程設計內容進行實際教學。由于實踐性強，能夠引起學生的學習興趣，而考核體系促使學生在整個課程過程中基本上都能夠精神高度集中。很多學生都經歷了從不會到會，從粗略了解到熟練精通的過程，學習信心得到提升。下面以一個學生的大題目完成情況為例，說明課程設計效果。

3.1 要求

任務：設計并制作一個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頻率范圍內增益波動不大于2 dB；

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

(4) 當輸入信號f≤20 MHz或輸入信號f≥270 MHz時，實測電壓增益均不大于20 dB；

3.2 設計及仿真

整個系統可以分為3級進行設計：第1級為基于OPA657[9]的固定增益放大級，第2級為基于VCA824[10]的可控增益放大級，第3級為基于THS3001[11]的功率放大級。

OPA657為電壓反饋型運算放大器，輸入阻抗高，輸出阻抗低，增益帶寬乘積可達1.6 GHz，在同相放大的要求下為了達到穩定的頻率響應，需要滿足2個條件：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級放大20 dB，即Rf/Rg=9，又Rf//Rg≤150 Ω，計算可得Rg,MAX=167 Ω，選擇Rg=50 Ω，Rf=453 Ω。

第2級選用增益可調型運放VCA824，理想情況下其增益最大可調范圍可達40 dB，實際很難達到，故采用兩片級聯的方式實現，每片各放大20 dB，在20 dB增益下，VCA帶寬可達420 MHz,可以滿足設計要求，通過調節控制電壓Vg，可實現4 dB步進下的增益調整。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，會限制流過Rg的電流IRg，進而限制了輸出電壓擺幅。由以上分析做如下設計：第1級放大的輸入電壓峰值Vin約為40 mV，由VCA824的手冊可知IRgMAX=2.6 mA。由Rg，MIN=Uin/IRg,max可以計算出，Rg，MIN=15.4 Ω，選擇Rg=80 Ω，則Rf=402 Ω；由第2級輸入峰值電壓約為200 mV，同理可取Rg=110 Ω，Rf=550 Ω。

第3級考慮電流反饋型運放THS3202及THS3001，兩款運放都具有很高的輸出電流以及壓擺率。前者的帶寬更寬，在放大倍數為1時達到1.8 GHz，但是其輸入阻抗在反相放大時為11 Ω，且其輸出電壓擺幅在負載為100 Ω時為±3.45 V，不滿足要求；而THS3001在±15 V供電，負載為150 Ω條件下最小輸出擺幅可以達到，且其在放大倍數為1時的帶寬為420 MHz，滿足要求，所以選擇THS3001作為最后1級的功率放大。其輸入阻抗在同相放大時為1.5 MΩ，反相放大時僅為15 Ω，因此，選擇同相放大對信號放大3倍，并且根據手冊給出推薦的反饋電阻值進行設計，在放大倍數為3倍時，選擇Rf=615 Ω，Rg=307 Ω。

仿真結果如圖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，負載電阻50 Ω)。

表1 增益控制范圍12 dB～53 dB(增益控制步長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時增益為53.3 dB)

圖5 在50～160 MHz頻率范圍內增益波動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時增益為53.3 dB)

3.3 設計總結

仿真結果基本滿足題目要求。其中，高通濾波器放在第2級的第1個VCA824的輸出端，原因是該VCA824的輸出電壓可以達到430 mV左右，若直接加入第2個VCA824放大10倍，其輸出可以達到4.6 V，超過了手冊中規定的3.9 V，勢必導致輸出波形失真，而高通濾波器由于電阻分壓可以產生一個固定的約為6 dB的通帶衰減，加入后既可以使第2級VCA824的波形免于失真，又可以達到濾波的作用，設計采用LC濾波器[12]，可以對高頻信號進行較好的濾波。另外，運算放大器的反饋電阻以及增益電阻的選擇很大程度上會影響其穩定性以及頻率響應特性[13]。

4 結 語

為避免生物醫學工程專業學生博而不精的情況發生，需要對該專業學生的某一專業技能進行培養，結合實際需求，適宜引導學生在電子工程技術方向進行發展[14-15]。電子線路CAD實驗是培養學生具備電路設計和仿真能力的一門重要課程。為了使學生學有所得，對該課程進行精心設計，在對CAD軟件進行基本介紹和例題演示的基礎上，通過隨堂考查幫助學生提高注意力、及時檢驗學習效果，通過大題目考查幫助學生提升電路設計和仿真的綜合能力。

課程建設工作取得了良好的教學效果：相比于往屆未經過培訓的學生，經過電子線路CAD實驗培訓的學生在電路設計和仿真方面具有了更突出的能力；掌握了電路設計和仿真軟件以后，學生不僅能夠鞏固過去基礎課程中所學習到的理論知識，更為后續的專業學習奠定了堅實的基礎，這一點在后續的專業課教學中都得到了體現；由于選擇了最新的全國大學生電子設計競賽題目作為考查題，學生的興趣和動力明顯得到增強，更多的體會到了學以致用的含義，提高了專業認同感。因此，該實驗課程的建設是有一定成效的。

生物醫學工程是一個綜合性強、同時又很有前景的專業，但專業建設工作又有其獨特性和復雜性；不同學校的生物醫學工程專業具有不同的定位，但都應該突出其專業特點，不能夠忽視對學生的專業技能培養；電子線路CAD實驗的課程設計工作正是在此背景下提出和開展。雖然已取得一定成效，但是還有進步的空間，尤其是在不同專業課程的配合方面，如何使課程更加具有體系性，使電子線路CAD更好地為后續課程服務，將成為今后工作的重點。

本文受上海理工大學“精品本科”系列研究項目資助。

[1] 鄒慧玲, 董秀珍, 王松俊, 等. 美國優秀生物醫學工程教育模式探討[J]. 生物醫學工程學, 2004(3): 456-459.

[2] 尤富生,徐燦華,楊 濱，等.麻省理工學院教育理念及對生物醫學工程專業的啟示[J]. 學科與人才,2016,37(1): 144-146.

[3] 上海理工大學生物醫學工程[EB/OL]. Http://yiliao.usst.edu.cn/.

[4] 周 宇，鄭 政，王秀芳，等.醫學儀器設計原理課程構建的心電檢測系統[J]. 實驗室研究與探索,2012, 31(2): 122-124.

[5] 沈耀輝. 從電子CAD到現代EDA[J]. 電子技術應用,1997(3): 4-6.

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

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

[8] 增益可控射頻放大器(D題)2015電子設計大賽[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濾波器設計與制作[M]. 北京：科學出版社，2006.

[13] 塞爾吉歐.弗朗哥. 基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M]. 西安：西安交通大學出版社，2009.

[14] 袁越陽, 楊崇倡, 張敬浩. 現代醫療器械電子技術與醫療服務[J]. 醫療衛生裝備, 2013(12): 103-105.

[15] 崔 棟, 張光玉, 郭永新, 等. 生物醫學工程專業電子學實驗教學改革的研究與實踐[J]. 中國醫學物理學, 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，主要從事醫學電子學方面的研究。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：生物醫學工程。Tel.: 18501791418; E-mail: zheng.bts@gmail.com

R 318; TN 7

A

1006-7167(2017)02-0239-05