電子設(shè)計基礎(chǔ)與方法講座

單擊此處編輯母版標題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第一講 電子電路設(shè)計基礎(chǔ),電子系統(tǒng)是指由電子元件和電子單元電路相互連接、相互作用而形成的電路整體，能按特定的控制信號，去執(zhí)行所設(shè)想的功能1.1 概述,1.1.1,模擬電子系統(tǒng),模擬電子系統(tǒng)的主要功能是對模擬信號進行檢測、處理、變換和產(chǎn)生模擬信號的特點是，在時間上和幅值上均是連續(xù)的，在一定的動態(tài)范圍內(nèi)可能任意取值這些信號可以是電量,（,如電壓、電流等），也可以是來自傳感器的非電量（如應(yīng)變、溫度、壓力、流量等）組成模擬電子系統(tǒng)的主要單元電路有放大電路、濾波電路、信號變換電路、驅(qū)動電路等圖1.1.1為低頻功率擴音系統(tǒng)方框圖，它由話筒、音頻放大器、揚聲器和電源組成1.1.2,數(shù)字電子系統(tǒng),由若干數(shù)字電路和邏輯部件組成，處理及傳送數(shù)字信號的設(shè)備稱為數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字信號的特點是不隨時間作連續(xù)變化一個復(fù)雜的數(shù)字電子系統(tǒng)可分解為控制器加若干個子系統(tǒng)這些子系統(tǒng)完成的邏輯功能比較單一，一般由中、大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，如存儲器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、比較器、計數(shù)器等數(shù)字電子系統(tǒng)中必須要有控制器，控制器的主要功能是來管理各個子系統(tǒng)之間的互相操作，使它們有條不紊地按規(guī)定的順序操作。

數(shù)字電子系統(tǒng)的簡單框圖由圖1.1.2表示控,制,器,子,系,統(tǒng),1,子,系,統(tǒng),N,外 部 輸 入,操 作 輸 出,1.1.3,模擬數(shù)字電子混合系統(tǒng),簡單地說，包含有模擬電子電路和數(shù)字電子電路組成的電子系統(tǒng)稱之為混合電子系統(tǒng)在過程控制和各種儀器儀表中，完成對如溫度、壓力、流量、速度等物理量的控制、測量、顯示等功能，需要模擬數(shù)字混合電子系統(tǒng)來實現(xiàn)測溫電路是把溫度的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號該電壓信號經(jīng)放大、濾波，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng),A/D,轉(zhuǎn)換器把電壓信號轉(zhuǎn)換為與溫度變化相應(yīng)的數(shù)字編碼信號然后，微處理機系統(tǒng)根據(jù)水溫控制模型進行計算，得到相應(yīng)的控制輸出數(shù)字信號該數(shù)字信號可控制電力電子電路的電流大小，從而調(diào)整水溫高低1.2,模擬電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法,1總體方案確定,在全面分析電子系統(tǒng)任務(wù)書所下達的系統(tǒng)功能、技術(shù)指標后，根據(jù)已掌握的知識和資料，將總體系統(tǒng)功能合理的分解成若干個子系統(tǒng)（電路單元），并畫出各個電路單元框圖相互連接而形成的系統(tǒng)原理框圖電子系統(tǒng)總體方案的選擇，直接決定電子系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量在進行總體方案設(shè)計時，要多思考、多分析、多比較要從性能穩(wěn)定、工作可靠、電路簡單、成本低、功耗小、調(diào)試維修方便等方面，選擇出最佳方案。

2單元電路設(shè)計,在進行單元電路設(shè)計時，必須明確對各單元電路的具體要求，詳細擬定出單元電路的性能指標，認真考慮各單元之間的相互聯(lián)系，注意前后級單元之間信號的傳遞方式和匹配，盡量少用或不用電平轉(zhuǎn)換之類的接口電路，并考慮到各單元電路的供電電源盡可能統(tǒng)一，以便使整個電子系統(tǒng)簡單可靠另外，盡量選擇現(xiàn)有的、成熟的電路來實現(xiàn)單元電路的功能有時找不到完全滿足要求的現(xiàn)成電路，可在與設(shè)計要求比較接近的某電路基礎(chǔ)上適當改進，或自己進行創(chuàng)造性設(shè)計為了使電子系統(tǒng)的體積小，可靠性高，電路單元盡可能用集成電路組成3參數(shù)計算,在進行電子電路設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)電路的性能指標要求決定電路元器件的參數(shù)例如根據(jù)電壓放大倍數(shù)的大小，可決定反饋電阻的取值；根據(jù)振蕩器要求的振蕩頻率，利用公式，可計算出決定振蕩頻率的電阻和電容之值等等但一般滿足電路性能指標要求的理論參數(shù)值不是惟一的，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)元器件性能、價格、體積、通用性和貨源等方面靈活選擇計算電路參數(shù)時應(yīng)注意以下幾點：,（1）在計算元器件工作電流、電壓和功率等參數(shù)時，應(yīng)考慮工作條件最不利的情況，并留有適當?shù)挠嗔?）對于元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的裕量，一般取1.52倍的額定值3）對于電阻、電容參數(shù)的取值，應(yīng)選計算值附近的標稱值。

電阻值一般在1,MW,內(nèi)選擇；非電解電容器一般在100,pF,0.47,m,F,選擇；電解電容一般在1,m,F2000,m,F,范圍內(nèi)選用4）在保證電路達到功能指標要求的前提下，盡量減少元器件的品種、價格、體積等4元器件選擇,電子電路的設(shè)計就是選擇最合適的元器件，并把它們有機地組合起來在確定電子元件時，應(yīng)根據(jù)電路處理信號的頻率范圍、環(huán)境溫度、空間大小、成本高低等諸多因素全面考慮具體表現(xiàn)為：,（1）一般優(yōu)先選擇集成電路由于集成電路體積小、功能強，可使電子電路可靠性增強，安裝調(diào)試方便，可大大簡化電子電路的設(shè)計如隨著模擬集成技術(shù)的不斷發(fā)展，適用于各種場合下的集成運算放大器層出不窮，只要外加極少量的元器件，利用運算放大器就可構(gòu)成性能良好的放大器同樣，目前我們在進行直流穩(wěn)壓電源設(shè)計時，已很少采用分立元器件進行設(shè)計了，取而代之的是性能更穩(wěn)定、工作更可靠、成本更價廉的集成穩(wěn)壓器2）電阻器和電容器是兩種最常用的元器件，它們的種類很多，性能相差也比較大，應(yīng)用的場合也不同因此，對于設(shè)計者來說，應(yīng)該熟悉各種電阻器和電容器的主要性能指標和特點，以便根據(jù)電路要求，對元件作出正確的選擇3）分立半導(dǎo)體元件的選擇首先要熟悉它們的功能，掌握它們的應(yīng)用范圍；根據(jù)電路的功能要求和元器件在電路中的工作條件，如通過的最大電流、最大反向工作電壓、最高工作頻率、最大消耗的功率等，確定元器件型號。

5計算機模擬仿真,隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計方法發(fā)生了很大變化目前，,EDA（,電子設(shè)計自動化）技術(shù)已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的必要手段在計算機工作平臺上，利用,EDA,軟件，可對各種電子電路進行調(diào)試、測量、修改，大大提高了電子設(shè)計的效率和精確度，同時節(jié)約了設(shè)計費用目前常用的電子電路輔助分析、設(shè)計的常用軟件有,PSPICE、PROTEL、EWB（,電子工作臺）等6實驗,電子設(shè)計要考慮的因素和問題相當多，由于電路在計算機上進行模擬時采用元器件的參數(shù)和模型與實際器件有差別，所以對經(jīng)計算機仿真過的電路，還要進行實際實驗通過實驗可以發(fā)現(xiàn)問題、解決問題若性能指標達不到要求，應(yīng)深入分析問題出在哪些單元或元件上，再對它們重新設(shè)計和選擇，直到完全滿足性能指標為止7繪總體電路圖,總體電路圖是在總框圖、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和元器件選擇的基礎(chǔ)上繪制的，它是組裝、調(diào)試、印刷電路板設(shè)計和維修的依據(jù)目前繪電路圖一般是在計算機上利用繪圖軟件完成繪制電路圖時主要注意以下幾點,：,（1）總體電路圖盡可能畫在同一張圖紙上；同時注意信號的流向，一般從輸入端畫起，由左至右或由上至下按信號的流向依次畫出各單元電路；對于電路圖比較復(fù)雜的，應(yīng)將主電路圖畫在一張圖上，而將其余的單元電路畫在一張或數(shù)張圖紙上，并在各圖所有端口兩端標注上標號，依次說明各圖紙之間的連線關(guān)系。

2）注意總體電路圖的緊湊和協(xié)調(diào)，要求布局合理，排列均勻圖中元器件的符號應(yīng)標準化，元件符號旁邊應(yīng)標出型號和參數(shù)集成電路通常用方框表示，在方框內(nèi)標出它的型號，在方框的邊線兩側(cè)標出每根連線的功能和管腳號3）連線一般畫成水平線和垂直線，并盡可能減少交叉和拐彎對于相互交叉的線，應(yīng)在交叉處用圓點標出對于連接電源負極的連線，一般用接地符號表示；對于連接電源正極的連線，僅需標出電源的電壓值即可1.3 數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法,數(shù)字系統(tǒng)的規(guī)模差異很大，對于比較小的數(shù)字系統(tǒng)可采用所謂經(jīng)典法設(shè)計即根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，用真值表、狀態(tài)表求出簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路圖，最后用小規(guī)模電路實現(xiàn)例如目前正迅速普及的,ISP（,在系統(tǒng)編程）可編程邏輯器件的出現(xiàn)，給數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計帶來了革命性的變化硬件設(shè)計變得像軟件一樣易于修改，且要改變一個設(shè)計方案，通過設(shè)計工具軟件在計算機上數(shù)分鐘內(nèi)即可完成這不僅擴展了器件的用途，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計周期，而且還根除了對器件單獨編程的環(huán)節(jié)，省去了器件編程設(shè)備1充分分析系統(tǒng)功能要求,數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、被控電路和電源等數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計首先要做的是明確系統(tǒng)的任務(wù)、所要達到的技術(shù)性能、精度指標、輸入輸出設(shè)備、應(yīng)用環(huán)境以及有哪些特殊要求等。

設(shè)計者有時接到的課題比較籠統(tǒng)，有些技術(shù)問題要靠設(shè)計者的消化、分析與理解，特別要和課題提出者、系統(tǒng)使用者反復(fù)磋商，并在應(yīng)用現(xiàn)場進行實地考察以后才能明確的確定下來2確定總體方案,明確了系統(tǒng)性能以后，應(yīng)考慮如何實現(xiàn)這些技術(shù)功能，即采用哪種電路來完成它對于比較簡單的系統(tǒng)，可采用中、小規(guī)模集成電路實現(xiàn)；對于輸入邏輯變量比較多、邏輯表達式比較復(fù)雜的系統(tǒng)，可采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷瓿?；對于需要完成復(fù)雜的算術(shù)運算、進行多路數(shù)據(jù)采集、處理、控制的系統(tǒng)，可采用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)目前對于處理復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)最佳方案是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷訂纹瑱C，這可大大簡化設(shè)計成本，提高可靠性3邏輯功能劃分,一般先將系統(tǒng)劃分為信息處理和控制電路兩部分；然后根據(jù)信息處理電路的功能要求將其分成若干個功能模塊控制電路是整個數(shù)字系統(tǒng)的核心，它根據(jù)外部輸入信號及受其控制的信息處理電路來的狀態(tài)信號，產(chǎn)生受控電路的控制信號常用的控制電路有如下三種：移位型控制器、計數(shù)型控制器和微處理器控制器；一般根據(jù)完成控制對象的復(fù)雜程度，可靈活選擇控制器形式,4單元電路設(shè)計,在全面分析各模塊功能類型后，應(yīng)選擇出合適的器件并設(shè)計出電路在設(shè)計電路時，應(yīng)充分考慮能否用,ASIC,器件實現(xiàn)某些邏輯單元電路，這樣可大大簡化邏輯設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性和減小,PCB,體積。

5系統(tǒng)電路綜合,在各單元電路模塊和控制電路達到預(yù)期要求以后，可把各個部分電路連接起來，構(gòu)成整個電路系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行功能測試測試主要包含三部分工作：系統(tǒng)故障診斷與排除、系統(tǒng)功能測試、系統(tǒng)性能指標測試若系統(tǒng)有一項不符合要求，則必須修改電路設(shè)計,6撰寫設(shè)計文件,在整個系統(tǒng)實驗完成后，應(yīng)整理出如下的設(shè)計文件：完整的電路原理圖、詳細的原程序清單、所用元器件清單、功能與性能測試結(jié)果、使用說明書等1.4 電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試,1電子系統(tǒng)的安裝,設(shè)計電路完成以后要進行電路的安裝，一般采用印刷電路板、通用電路板和面包板，在進行安裝時注意以下方面：,（1）準備好常用的工具和材料要將各種各樣的電子元器件及結(jié)構(gòu)各異的零部件裝配成,（2）所有電子元器件在安裝前要全部測試一遍，有條件的還要進行老化，以保證元器件的質(zhì)量符合要求的電子產(chǎn)品，一套基本的工具是必不可少的如烙鐵、鉗子、改錐、鑷子和焊錫正確使用得心應(yīng)手的工具，可大大提高工作效率，保證裝配質(zhì)量3）有極性的電子元器件安裝時其標志最好方向一致，以便于檢查和更換集成電路的方向要保持一致，以便正確布線和查線4）在面包板上組裝電路時，為了便于查線，可根據(jù)連線的不同作用選擇不同顏色的導(dǎo)線。

如正電源采用紅色線、負電源采用藍色導(dǎo)線、地線采用黑色導(dǎo)線、信號線采用黃色導(dǎo)線等5）布線要按信號的流向有序連接，連線要做到橫平豎直，不允許跨接在集成電路上另外，選擇導(dǎo)線粗細要適中，避免導(dǎo)線與面包板插孔之間接觸不良6）印刷電路板的設(shè)計原則是性質(zhì)相同的電路安排在一塊板上例如模擬電路或小信號電路安排在一塊板上；大功率電路、高壓電路、發(fā)射電路單獨配置，甚至要安排必要的屏蔽盒、絕緣盒、散熱裝置等2電子系統(tǒng)的調(diào)試,（1）調(diào)試電路的常用儀器,萬用表它可以測量交直流電壓、交直流電流、電阻、電容及半導(dǎo)體二極管和三極管具有精度高，使用方便，應(yīng)用廣泛等特點,示波器可以對電路中的各點電位進行測量和觀察波形，同時可比較任意兩點波形的相位關(guān)系示波器具有高的靈敏度、高的交流阻抗、對負載影響小等特點在使用示波器應(yīng)注意的是所用示波器的頻帶一定要大于被測信號的頻率信號發(fā)生器因為經(jīng)常要在加信號的情況下進行測試，則在調(diào)試和故障診斷時最好備有信號發(fā)生器如,FG163,型函數(shù)發(fā)生器，它可產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等波形2）調(diào)試電路前的檢查電路安裝完畢后，不要急于通電，首先要根據(jù)電路原理圖認真檢查電路接線是否正確主要直觀檢查電源、地線、信號線、元器件引腳之間有無短路，連線有。