电子线路CAD实验课程设计

周 宇， 潘佳辉， 卢倩倩， 仓学习， 钱洪晶， 林 勇， 郑 政

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

电子线路CAD实验课程设计

周 宇， 潘佳辉， 卢倩倩， 仓学习， 钱洪晶， 林 勇， 郑 政

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

为了提高以医用电子仪器为专业方向的生物医学工程专业学生使用计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)软件进行电路设计和仿真的能力，开设电子线路CAD课程，指导学生使用电路图绘制工具CAPTURE进行电路图绘制和元器件制作、使用电路仿真工具PSPICE实现基本的仿真功能和制作仿真元件，并以全国大学生电子设计竞赛试题为题目，对学生进行训练。通过该课程的培养，学生掌握了CAPTURE和PSPICE，电路设计和仿真能力得到了很大的提高；同时由于题目来自竞赛试题，引起了学生较高的学习兴趣；经过竞赛题目训练，学生对CAD软件的理解程度得到大幅度提升。因此，该课程的设计是成功的，不仅提高了学生的电路设计能力和仿真能力，还为后续的专业课程打下良好基础，今后将沿此方向，继续进行改进。

生物医学工程； 电子线路； 计算机辅助设计； 增益可控射频放大器

0 引 言

生物医学工程专业是一个综合性较强的专业，涉及多种学科和技术[1-2]。从培养该专业本科生的角度而言，适宜在对学生进行综合性培养的同时、加强某一个专业技能的训练，为学生就业和继续深造打下良好的专业基础。医用电子是上海理工大学生物医学工程专业的一个重要方向，在课程设置上，专注于培养学生的电子工程技术[3-4]。这其中，电路设计和仿真能力是学生必备的基础能力，电子线路CAD实验则是培养该能力的一门重要课程。为了使学生在这门课程中能够学有所得，专业技能得到切实提高，结合全国大学生电子设计竞赛题目对该课程进行了认真设计，经初步实践，取得了良好的效果。

1 课程设计思想

电子线路CAD课程的重点在于应用CAD软件进行电路设计。传统的电路设计通过手绘完成，在实际调试中才能发现问题，再返工修改，时间和经济成本都较高，如果想降低成本，则需要丰富的经验累积。而随着CAD软件的广泛使用，电路设计可以通过更加规范和便捷的方式完成，更重要的是，可以通过CAD软件对所设计的电路进行初步仿真，通过尽可能多的暴露问题并努力在早期进行解决，来降低整个设计的成本[5]。因此，通过CAD软件进行电路设计和仿真是电子工程技术的重要和必要的一环，也是本课程的设计目的所在。

国内最流行的中低端电子线路CAD软件是Altium Designer(Altium公司)，它的前身就是Protel 99SE和Protel DXP[6]。Protel 99SE 是Windows环境下的经典电路设计软件，其特点是方便易用，比之前的电子线路CAD软件具有很大的提升。而Altium Designer是在Protel 99SE和Protel DXP的基础上进行升级，融入更多高级功能。但Altium Designer的电路仿真功能比较一般，因此，不适合用于本课程教学。电路设计的经典软件是SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计；1988年，SPICE被定为美国国家工业标准；与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件；其中，PSPICE采用自由格式语言的5.0版本在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面；1998，PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业CAD系统中，与电路绘制工具Capture等组成了强大的电路设计仿真工具(后ORCAD被Cadence收购)[7]；在电路系统仿真方面，PSPICE可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。因此，本课程以ORCAD的Capture和PSPICE为讲授重点。

电子线路CAD实验开课时间是大三第一学期之前的短学期，选课学生在此之前上过的相关课程包括：电路原理、模拟电子技术和数字电子技术。因此，学生具备完成电路设计的知识储备，但一般不具备足够的电路设计经验，也基本没有电路设计仿真CAD软件的使用经验。针对此情况，本课程拟对学生进行基本的CAD软件使用培训，同时设定一个具有一定难度的设计题目，激励学生攻克难关，提高电路设计能力，检验CAD软件使用水平。

2 课程设计内容

电子线路CAD实验课程内容如图1所示。分为4个主题进行讲解，包括电路图绘制软件Capture基础、电路元器件制作、电路图仿真软件Pspice基础和Pspice仿真元器件制作，这4个主题涵盖了电路设计和仿真的最基本和最必要的内容。针对每个主题有相应的讲授内容、演示例题和随堂考查题目。讲授内容和演示例题由老师讲授、学生跟随模仿。随堂考查题目由学生自行完成，老师负责答疑和考查；考查是在相关内容和演示完成后立刻进行；老师的评分标准综合考虑学生完成速度、完成质量、回答问题的准确性；这样安排的好处是帮助学生集中注意力，提升学习效果，并且评分和能力直接挂钩、因而更加合理。最后，安排一个大题目进行考查，该题目的要求是：有一定难度，给予足够的挑战；尽可能多的使用前期学过的知识。本课程的大题目是根据2015年全国大学生电子设计竞赛的D题：增益可控射频放大器改编而成[8]。使用该题目的好处是：来源于高级别竞赛，具有足够的难度，能够引起学生的极大兴趣。大题目的具体要求和原竞赛题目一致，但仅需要仿真成功即可；要求使用实际元器件，如果没有现成可用的仿真元器件，则需要自行从公司主页下载Pspice模型进行制作。

图1 电子线路CAD实验课程设计结构

3 课程设计效果

根据上述课程设计内容进行实际教学。由于实践性强，能够引起学生的学习兴趣，而考核体系促使学生在整个课程过程中基本上都能够精神高度集中。很多学生都经历了从不会到会，从粗略了解到熟练精通的过程，学习信心得到提升。下面以一个学生的大题目完成情况为例，说明课程设计效果。

3.1 要求

任务：设计并制作一个增益可控射频放大器。

(1) 放大器的电压增益Av≥52 dB，增益控制范围12～52 dB，增益控制步长4 dB，输入电压有效值Ui≤5 mV，其输入阻抗、输出阻抗均为50 Ω，负载电阻50 Ω，且输出电压有效值Uo≥2 V，波形无明显失真；

(2) 在50～160 MHz频率范围内增益波动不大于2 dB；

(3) -3 dB的通频带不窄于40～200 MHz，即fL≤40 MHz和fH≥200 MHz；

(4) 当输入信号f≤20 MHz或输入信号f≥270 MHz时，实测电压增益均不大于20 dB；

3.2 设计及仿真

整个系统可以分为3级进行设计：第1级为基于OPA657[9]的固定增益放大级，第2级为基于VCA824[10]的可控增益放大级，第3级为基于THS3001[11]的功率放大级。

OPA657为电压反馈型运算放大器，输入阻抗高，输出阻抗低，增益带宽乘积可达1.6 GHz，在同相放大的要求下为了达到稳定的频率响应，需要满足2个条件：首先，Rf//Rg≤150 Ω(同相放大，其中Rg为增益电阻，Rf为反馈电阻)；其次，若接成同相放大，增益(1+Rf/Rg)≥7 V。这里选择增益为10 V/V，选作第1级放大20 dB，即Rf/Rg=9，又Rf//Rg≤150 Ω，计算可得Rg,MAX=167 Ω，选择Rg=50 Ω，Rf=453 Ω。

第2级选用增益可调型运放VCA824，理想情况下其增益最大可调范围可达40 dB，实际很难达到，故采用两片级联的方式实现，每片各放大20 dB，在20 dB增益下，VCA带宽可达420 MHz,可以满足设计要求，通过调节控制电压Vg，可实现4 dB步进下的增益调整。其最大增益由Av,MAX=2Rf/Rg求得，其中：Rg为增益，Rf为反馈电阻。由TRg=Uo/Av,MAXRg可知，Rg如果选得太大，会限制流过Rg的电流IRg，进而限制了输出电压摆幅。由以上分析做如下设计：第1级放大的输入电压峰值Vin约为40 mV，由VCA824的手册可知IRgMAX=2.6 mA。由Rg，MIN=Uin/IRg,max可以计算出，Rg，MIN=15.4 Ω，选择Rg=80 Ω，则Rf=402 Ω；由第2级输入峰值电压约为200 mV，同理可取Rg=110 Ω，Rf=550 Ω。

第3级考虑电流反馈型运放THS3202及THS3001，两款运放都具有很高的输出电流以及压摆率。前者的带宽更宽，在放大倍数为1时达到1.8 GHz，但是其输入阻抗在反相放大时为11 Ω，且其输出电压摆幅在负载为100 Ω时为±3.45 V，不满足要求；而THS3001在±15 V供电，负载为150 Ω条件下最小输出摆幅可以达到，且其在放大倍数为1时的带宽为420 MHz，满足要求，所以选择THS3001作为最后1级的功率放大。其输入阻抗在同相放大时为1.5 MΩ，反相放大时仅为15 Ω，因此，选择同相放大对信号放大3倍，并且根据手册给出推荐的反馈电阻值进行设计，在放大倍数为3倍时，选择Rf=615 Ω，Rg=307 Ω。

仿真结果如图2～6及表1所示。

图2 增益可控射频放大器(输入电压有效值VI=5 mV，输入阻抗、输出阻抗均为50 Ω，负载电阻50 Ω)。

表1 增益控制范围12 dB～53 dB(增益控制步长4 dB)

图3 输出电压有效值大于2 V且波形无明显失真

图4 -3 dB的通频带在38.2～201.5 MHz(在频率为100 MHz时增益为53.3 dB)

图5 在50～160 MHz频率范围内增益波动1.687 dB

图6 在频率小于20 MHz或大于270 MHz增益均不大于20 dB(在频率为100 MHz时增益为53.3 dB)

3.3 设计总结

仿真结果基本满足题目要求。其中，高通滤波器放在第2级的第1个VCA824的输出端，原因是该VCA824的输出电压可以达到430 mV左右，若直接加入第2个VCA824放大10倍，其输出可以达到4.6 V，超过了手册中规定的3.9 V，势必导致输出波形失真，而高通滤波器由于电阻分压可以产生一个固定的约为6 dB的通带衰减，加入后既可以使第2级VCA824的波形免于失真，又可以达到滤波的作用，设计采用LC滤波器[12]，可以对高频信号进行较好的滤波。另外，运算放大器的反馈电阻以及增益电阻的选择很大程度上会影响其稳定性以及频率响应特性[13]。

4 结 语

为避免生物医学工程专业学生博而不精的情况发生，需要对该专业学生的某一专业技能进行培养，结合实际需求，适宜引导学生在电子工程技术方向进行发展[14-15]。电子线路CAD实验是培养学生具备电路设计和仿真能力的一门重要课程。为了使学生学有所得，对该课程进行精心设计，在对CAD软件进行基本介绍和例题演示的基础上，通过随堂考查帮助学生提高注意力、及时检验学习效果，通过大题目考查帮助学生提升电路设计和仿真的综合能力。

课程建设工作取得了良好的教学效果：相比于往届未经过培训的学生，经过电子线路CAD实验培训的学生在电路设计和仿真方面具有了更突出的能力；掌握了电路设计和仿真软件以后，学生不仅能够巩固过去基础课程中所学习到的理论知识，更为后续的专业学习奠定了坚实的基础，这一点在后续的专业课教学中都得到了体现；由于选择了最新的全国大学生电子设计竞赛题目作为考查题，学生的兴趣和动力明显得到增强，更多的体会到了学以致用的含义，提高了专业认同感。因此，该实验课程的建设是有一定成效的。

生物医学工程是一个综合性强、同时又很有前景的专业，但专业建设工作又有其独特性和复杂性；不同学校的生物医学工程专业具有不同的定位，但都应该突出其专业特点，不能够忽视对学生的专业技能培养；电子线路CAD实验的课程设计工作正是在此背景下提出和开展。虽然已取得一定成效，但是还有进步的空间，尤其是在不同专业课程的配合方面，如何使课程更加具有体系性，使电子线路CAD更好地为后续课程服务，将成为今后工作的重点。

本文受上海理工大学“精品本科”系列研究项目资助。

[1] 邹慧玲, 董秀珍, 王松俊, 等. 美国优秀生物医学工程教育模式探讨[J]. 生物医学工程学, 2004(3): 456-459.

[2] 尤富生,徐灿华,杨 滨，等.麻省理工学院教育理念及对生物医学工程专业的启示[J]. 学科与人才,2016,37(1): 144-146.

[3] 上海理工大学生物医学工程[EB/OL]. Http://yiliao.usst.edu.cn/.

[4] 周 宇，郑 政，王秀芳，等.医学仪器设计原理课程构建的心电检测系统[J]. 实验室研究与探索,2012, 31(2): 122-124.

[5] 沈耀辉. 从电子CAD到现代EDA[J]. 电子技术应用,1997(3): 4-6.

[6] 宋 瑾. Altium Designer的电子电路仿真[J].电子测试,2014(11): 20-22.

[7] 李飞虎.基于ORCAD/PSpice9的电路优化设计[J]. 装备制造技术, 2010(5): 59-61.

[8] 增益可控射频放大器(D题)2015电子设计大赛[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] 森荣二. LC滤波器设计与制作[M]. 北京：科学出版社，2006.

[13] 塞尔吉欧.弗朗哥. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M]. 西安：西安交通大学出版社，2009.

[14] 袁越阳, 杨崇倡, 张敬浩. 现代医疗器械电子技术与医疗服务[J]. 医疗卫生装备, 2013(12): 103-105.

[15] 崔 栋, 张光玉, 郭永新, 等. 生物医学工程专业电子学实验教学改革的研究与实践[J]. 中国医学物理学, 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，江苏南通人，博士，讲师，主要从事医学电子学方面的研究。Tel.: 18021042556; E-mail: zhouyu_working@163.com

郑 政(1961-)，男，浙江杭州人，博士，研究员，研究方向：生物医学工程。Tel.: 18501791418; E-mail: zheng.bts@gmail.com

R 318; TN 7

A

1006-7167(2017)02-0239-05