电子科技大学微电子与固体电子学院
标准实验报告
(实验)课程名称 集成电路原理与设计
电子科技大学教务处制表
电子科技大学
实 验 报 告
学生姓名:XXX 学号:xxxxxxxx 指导教师:xxx
实验地点:微固楼335 实验时间:
一、实验室名称:微电子技术实验室
二、实验项目名称:CMOS模拟集成电路设计与仿真
三、实验学时:4
四、实验原理
参照实验指导书。
五、实验目的
本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置,为IC设计性实验。其目的在于:
· 根据实验任务要求,综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计,掌握基本的IC设计技巧。
· 学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法,并进行电路的模拟仿真。
六、实验内容
1、 UNIX操作系统常用命令的使用,Cadence EDA仿真环境的调用。
2、 设计一个运算放大器电路,要求其增益大于40dB, 相位裕度大于60º,功耗小于10mW。
3、根据设计指标要求,选取、确定适合的电路结构,并进行计算分析。
4、电路的仿真与分析,重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析,能熟练掌握各种分析的参数设置方法。
5、电路性能的优化与器件参数调试,要求达到预定的技术指标。
6、整理仿真数据与曲线图表,撰写并提交实验报告。
七、实验仪器设备
(1)工作站或微机终端 一台
(2)局域网
(3)EDA仿真软件 1套
八、实验步骤
1、根据实验指导书熟悉UNIX操作系统常用命令的使用,掌握Cadence EDA仿真环境的调用。
2、根据设计指标要求,设计出如下图所示的电路结构。并进行计算分析,确定其中各器件的参数。
调用Symbol生成命令,生成符号如下图。
3、电路的仿真与分析,重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析,能熟练掌握各种分析的参数设置方法。
电源电压设置:
输入信号设置:
建立时间测试信号设置:
4、电路性能的优化与器件参数调试,要求达到预定的技术指标。
首先是-3dB 带宽调试,得f-3dB=475KHz。
由相位裕度为88度,单位增益带宽48.6MHz。
由下图可知,建立时间为42.6ns。
由下图可知压摆率为20.9V/us。
九、实验数据及结果分析:
1、通过本次实验掌握了UNIX操作系统常用命令的使用,Cadence EDA仿真环境的调用。达到了实验目的。
2、根据设计指标要求,设计出一种运算放大器,并进行了参数优化,最终指标满足要求。
十、实验结论:
通过这次实验,学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法,完成了运算放大器集成电路的设计,并进行了优化仿真,其难点是电路结构设计和参数优化。
十一、总结及心得体会:
通过这次实验,学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法,并进行了运放电路的设计与仿真。综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计,掌握了基本的模拟IC设计技巧。为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议:
无
报告评分:
指导教师签字:
评分标准:该实验课程将以一定比例(10%)计入《集成电路原理与设计》课程总分,该实验评分标准为:总分20分,具体如下:
题 目:数字时钟
数字时钟设计实验报告
一、设计要求:
设计一个24小时制的数字时钟。
要求:计时、显示精度到秒;有校时功能。采用中小规模集成电路设计。
发挥:增加闹钟功能。
二、设计方案:
由秒时钟信号发生器、计时电路和校时电路构成电路。
秒时钟信号发生器可由振荡器和分频器构成。
计时电路中采用两个60进制计数器分别完成秒计时和分计时;24进制计数器完成时计时;采用译码器将计数器的输出译码后送七段数码管显示。
校时电路采用开关控制时、分、秒计数器的时钟信号为校时脉冲以完成校时。
三、电路框图:
图一 数字时钟电路框图
四、电路原理图:
(一)秒脉冲信号发生器
秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分,它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。
Ø 振荡器: 通常用555定时器与RC构成的多谐振荡器,经过调整输出1000Hz
脉冲。
Ø 分频器: 分频器功能主要有两个,一是产生标准秒脉冲信号,一是提供功能
扩展电路所需要的信号,选用三片74LS290进行级联,因为每片为1/10分频器,三片级联好获得1Hz标准秒脉冲。其电路图如下:
图二 秒脉冲信号发生器
(二)秒、分、时计时器电路设计
秒、分计数器为60进制计数器,小时计数器为24进制计数器。
Ø 60进制——秒计数器
秒的个位部分为逢十进一,十位部分为逢六进一,从而共同完成60进制计数器。当计数到59时清零并重新开始计数。秒的个位部分的设计:利用十进制计数器CD40110设计10进制计数器显示秒的个位 。个位计数器由0增加到9时产生进位,连在十位部计数器脉冲输入端CP,从而实现10进制计数和进位功能。利用74LS161和74LS11设计6进制计数器显示秒的十位 ,当十位计数器由0增加到5时利用74LS11与门产生一个高电平接到个位、十位的CD40110的清零端,同时产生一个脉冲给分的个位。其电路图如下:
图三 60进制--秒计数电路
Ø 60进制——分计数电路
分的个位部分为逢十进一,十位部分为逢六进一,从而共同完成60进制计数器。当计数到59时清零并重新开始计数。秒的个位部分的设计:来自秒计数电路的进位脉冲使分的个位加1,利用十进制计数器CD40110设计10进制计数器显示秒的个位 。个位计数器由0增加到9时产生进位,连在十位部计数器脉冲输入端CP,从而实现10进制计数和进位功能。利用74LS161和74LS11设计6进制计数器显示秒的十位 ,当十位计数器由0增加到5时利用74LS11与门产生一个高电平接到个位、十位的CD40110的清零端,同时产生一个脉冲给时的个位。其电路图如下:
图四 60进制--分计数电路
Ø 24进制——时计数电路
来自分计数电路的进位脉冲使时的个位加,个位计数器由0增加到9是产生进位,连在十位计数器脉冲输入端CP,当十位计到2且个位计到3是经过74LS11与门产生一个清零信号,将所有CD40110清零。其电路图如下:
图五 24进制--时计数电路
Ø 译码显示电路
译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译,变成相应的数字。用以驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS148。74LS148是BCD-7段译码器/驱动器,输出高电平有效,专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段数码管的输入端,便可以进行不同数字的显示。在译码管输出与数码管之间串联电阻R作为限流电阻。其电路图如下:
图六 译码显示电路
Ø 校时电路
校时电路是数字钟不可缺少的部分,每当数字钟与实际时间不符时,需要根据标准时间进行校时。一般电子表都具有时、分、秒等校时功能。为了使电路简单,在此设计中只进行分和小时的校时。“快校时”是通过开关控制,使计数器对1Hz校时脉冲计数。图中S1为校正用的控制开关,校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲,当S1为“0”时可以进行“快校时”。 其电路图如下:
图七 校队电路
五、实验方法:
1、秒脉冲产生部分
采用555多谐振荡器产生1HZ频率信号,作为秒脉冲及整体电路的信号输入部分。其仿真电路图如下图所示:
图八 秒脉冲发生器仿真电路
2、计数电路
电子钟计时分为小时、分钟和秒,其中小时为二十四进制,分钟和秒均为六十进制,输出可以用数码管显示,所以要求二十四进制为00000000~00100100计数,六十进制为00000000~01100000计数,并且均为8421码编码形式。
(1) 小时计数——二十四进制电路仿真
用两片74LS160N(分A片、B片)设计一个一百进制的计数器,在24(00100100)处直接取出所有为1的端口,经过输入与非门74LS00D,再给两个清零端CLR。使用74LS160N异步清零功能完成二十四进制循环,计数范围为0~23。然后用七段显示译码器74LS47D将A、B两片74LS160N的输出译码给LED数码管。仿真电路如图九所示。 :
图九 24进制——时计数器仿真电路
(2)分钟、秒计数——六十进制电路仿真
此电路类似于二十四进制计数器,采用74LS160N设计出一百进制的计数器,在60(01100000)处直接取出所有为1的端口,经过输入与非门74LS00D,再给两个清零端CLR。使用74LS160N异步清零功能完成六十进制循环,计数范围为0~59。然后用七段显示译码器74LS47D将A、B两片74LS160N的输出译码给LED数码管。仿真电路如图所示:
图十 60进制——秒计数器仿真电路
图十一 60进制——分计数器仿真电路
(四)校时校分(秒)电路。
数字钟应具有分校正和时校正功能,因此,应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。这里利用两个与非门加一个单刀双掷开关来实现校时功能。第一个74LS00D与非门的输入端一端接清零信号,另一端接第二个与非门的输入端,第二个74LS00D的输入端一端接计数脉冲,另一端接一个单刀双掷开关。开关接通的一段接地,另一端接高电平。当开关打到另一端时,时或分的个位就单独开始计数,这样就能实现校时功能。其电路图如图所示:
图十二 校分仿真电路
六、实验结果和结论:
数字时钟仿真电路图如下图所示,在Multisim11.0中进行仿真,可以实现数字时钟的显示功能、校时功能。显示功能中,小时实现的是24进制,分和秒实现的是60进制,通过校时电路能够分别校对时和分。
图十三 数字时钟仿真电路
七、设计体会:
在本次Multisim仿真过程,从安装软件、选定课题、设计电路、进行仿真、运行结果都自己实际操作完成。在数字时钟设计中,根据老师上课所讲的内容,可以用两片集成十进制同步计数器74LS160D级联为100进制,再利用其异步清零功能,可以分别实现小时的24进制和分秒的60进制。当然,在仿真过程中也遇到了很多困难和问题。比如说,无法直接从秒进位到分和分进位到时,并且在仿真中总是出错。于是自己请教了一些也做数字时钟的同学,同时在网上查找了相关资料,最后终于用两个与非门和单刀双掷开关实现了从秒到分的进位、分到时的进位功能及校准功能。
通过本次实验对数电知识有了更深入的了解,将其运用到了实际中来,明白了学习电子技术基础的意义,也达到了其培养的目的。也明白了一个道理:成功就是在不断摸索中前进实现的,遇到问题我们不能灰心、烦躁,甚至放弃,而要静下心来仔细思考,分部检查,找出最终的原因进行改正,这样才会有进步,才会一步步向自己的目标靠近,才会取得自己所要追求的成功。
当然,自己的仿真技术和应用能力还是很欠缺的,虽然完成了基本的设计要求,但是很多自己想要的扩展功能还未能实现。而且很多时候会走过很多弯路,浪费了很多不必要的时间。不过,这次设计经历必将使我受益终身,让我明白如何更好的获取知识,如何更好的理论联系实际。今后的学习更需要不断努力,在获得知识的同时获得快乐,真正的主动探索,主动学习,形成自己的思维方式,不断应用,不断进取。
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