電路設(shè)計(jì)及技巧課件

1、電路設(shè)計(jì)技巧 學(xué) 院 * 專(zhuān) 業(yè) * 年級(jí)班別 * 學(xué)生姓名 * 指導(dǎo)教師 * 2017年 3月摘要電路(電子線(xiàn)路)是由電氣設(shè)備和元器件按一定方式聯(lián)接起來(lái)，為電流流通提供了路徑的總體，也叫電子網(wǎng)路。根據(jù)所處理信號(hào)的不同，電子電路可以分為模擬電路和數(shù)字電路。一般PCB基本設(shè)計(jì)流程如下：前期準(zhǔn)備-PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-PCB布局-布線(xiàn)-布線(xiàn)優(yōu)化和絲印-網(wǎng)絡(luò)和DRC檢查和結(jié)構(gòu)檢查-制板。本文將從電源設(shè)計(jì)，模擬電路，數(shù)字電路，數(shù)?；旌想娐罚咚匐娐芬约半娐吩O(shè)計(jì)軟件的使用等六個(gè)方面對(duì)電路設(shè)計(jì)流程中遇到的一些問(wèn)題和技巧進(jìn)行介紹，關(guān)鍵詞：電路設(shè)計(jì),數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本放大電路，信號(hào)完整性，數(shù)模混合目錄 電路設(shè)計(jì)

2、技巧1摘要2第一章 電源電路設(shè)計(jì)概要51.1電源電路的重要性51.2穩(wěn)定電源的優(yōu)點(diǎn)51.3不穩(wěn)定電源的缺點(diǎn)61.4現(xiàn)在使用的一般的恒定電壓的穩(wěn)壓電壓61.4.1按控制方式61.4.2.按電壓轉(zhuǎn)換形式61.4.3.按拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)6第二章 模擬電路設(shè)計(jì)技巧82.1“基本放大電路”和多級(jí)放大電路的關(guān)系92.2 “基本放大電路”和頻率特性的關(guān)系92.3“基本放大電路”和功率放大電路的關(guān)系92.4 “基本放大電路”和波形發(fā)生變換電路的關(guān)系92.5 “基本放大電路”和穩(wěn)壓電路的關(guān)系102.6 “基本放大電路”和集成運(yùn)算放大電路的關(guān)系102.7 “基本放大電路”和信號(hào)運(yùn)算、處理電路的關(guān)系102.8 濾波電路應(yīng)用

3、10第三章 數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作103.1 數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法113.2 數(shù)字電路系統(tǒng)的組成113.3 數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法與步驟123.4 數(shù)字電路系統(tǒng)的裝調(diào)13第四章 模數(shù)混合注意事項(xiàng)144.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)144.1.1轉(zhuǎn)換時(shí)間144.1.2轉(zhuǎn)換速率144.1.3轉(zhuǎn)換精度154.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇的注意事項(xiàng)154.2.1位數(shù)選擇154.2.2轉(zhuǎn)換速率164.3數(shù)?；旌献⒁馇闆r16第五章 高速電路PCB設(shè)計(jì)165.1高速電路定義及其PCB設(shè)計(jì)流程165.1.1高速電路定義165.1.2高速PCB設(shè)計(jì)流程圖175.2 高速PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題175.2.1 信號(hào)完整

4、性問(wèn)題175.2.1.1 傳輸線(xiàn)理論175.2.1.2傳輸線(xiàn)效應(yīng)185.2.3電源完整性設(shè)計(jì)問(wèn)題19第六章 電子電路設(shè)計(jì)軟件介紹206.1 軟件的介紹206.1.1 OrCAD軟件簡(jiǎn)介206.1.2 PADS軟件的簡(jiǎn)介206.2基本PCB設(shè)計(jì)知識(shí)216.3 PCB設(shè)計(jì)流程21參考文獻(xiàn)23緒論電路設(shè)計(jì)，是指按照一定規(guī)則，使用特定方法設(shè)計(jì)出符合使用要求的電路系統(tǒng)。現(xiàn)如今，人類(lèi)生產(chǎn)生活對(duì)各種高度自動(dòng)化產(chǎn)品的依賴(lài)日益嚴(yán)重，而最基本的電路的設(shè)計(jì)更是重中之重，電子設(shè)計(jì)工程師也成為一種必須的職業(yè)。而對(duì)于自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，了解并學(xué)會(huì)普通的電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程已成為一種必要，這些都是為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的表現(xiàn)。但是

5、對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，真正的實(shí)現(xiàn)這一系列操作并成功的難度較大，首先需要具備基礎(chǔ)的電路知識(shí)，其次需要大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電路設(shè)計(jì)軟件的熟悉操作。數(shù)字電路，模擬電路，數(shù)?；旌想娐?，不同情況下設(shè)計(jì)所需注意事項(xiàng)也不同，如果是高速電路的話(huà)，又應(yīng)該注意高頻率的信號(hào)對(duì)電路信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，整個(gè)過(guò)程中電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，學(xué)會(huì)使用AD，pad等電路設(shè)計(jì)軟件以達(dá)到更高效的設(shè)計(jì)。第一章 電源電路設(shè)計(jì)概要1.1電源電路的重要性每個(gè)電子電路系統(tǒng)中必須有電源供給，為了保障電子系統(tǒng)能夠正常高效的運(yùn)行，電源的正確設(shè)計(jì)師保證一個(gè)一個(gè)電子電路系統(tǒng)正常工作的基本保障。特別是要求在高穩(wěn)定的直流電壓下工作的電路，直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)電路

6、設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前普遍情況是吧變壓器直接接到交流電源上，只經(jīng)過(guò)絕緣/變壓，在對(duì)變壓器二次側(cè)的交流電壓進(jìn)行整流/濾波，得到不穩(wěn)定的直流電源。1.2穩(wěn)定電源的優(yōu)點(diǎn)1.電路在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)又要承受電源變動(dòng)，難以兼顧：讓實(shí)現(xiàn)功能的電路在波動(dòng)大的非穩(wěn)定直流電源下運(yùn)行，需要使用耐壓和功耗都有裕量的半導(dǎo)體器件。這種半導(dǎo)體器件外形尺寸大且價(jià)格高。考慮到目前主流的CMOS型IC，其損耗與電源電壓的平方及頻率成正比，因此電路難以在高速環(huán)境下運(yùn)行。2.應(yīng)對(duì)電源變動(dòng)與實(shí)現(xiàn)功能相互分離，簡(jiǎn)單易行：在制作價(jià)格便宜的小型電子設(shè)備時(shí)，人們希望在實(shí)現(xiàn)具體功能的電路中使用雖在耐壓上沒(méi)有裕量

7、但價(jià)格便宜，體積小巧的半導(dǎo)體，而電源變動(dòng)的部分有穩(wěn)定電源電路承擔(dān)就可以。這樣既降低了IC的電源電壓，可以低功耗高速的進(jìn)行工作?？傊?，使用穩(wěn)定電源的目的就是靠分工來(lái)提高半導(dǎo)體器件的利用率。并且，如果穩(wěn)定電源電路盡可能地使用內(nèi)部損耗小的電路，設(shè)備整體就能變得既造價(jià)低廉又體積小巧。1.3不穩(wěn)定電源的缺點(diǎn)1.電源電壓變動(dòng)大，數(shù)字電路不易設(shè)計(jì)；2.模擬電路難以應(yīng)對(duì)電源電壓的變動(dòng)；1.4現(xiàn)在使用的一般的恒定電壓的穩(wěn)壓電壓導(dǎo)致電壓變動(dòng)的主要的因素有輸入電壓，負(fù)載電流，環(huán)境溫度。預(yù)支這些可能引起輸出電壓變動(dòng)的因素，得到恒定的直流輸出電壓，就是直流穩(wěn)定電源電路的功能輸出電壓穩(wěn)定的電源種類(lèi)及選擇方法直流穩(wěn)定電源設(shè)

8、計(jì)的第一步是方式的選擇，按照內(nèi)部運(yùn)行方式分類(lèi)，直流穩(wěn)定電源可分為線(xiàn)性調(diào)節(jié)器和開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器兩種形式。其中線(xiàn)性調(diào)節(jié)器在運(yùn)行原理上又可以分為并聯(lián)調(diào)節(jié)器和串聯(lián)調(diào)節(jié)器。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器分類(lèi)如下：1.4.1按控制方式脈沖調(diào)制變換器：驅(qū)動(dòng)波形為方波。PWM、PFM、混合式。諧振式變換器：驅(qū)動(dòng)波形為正弦波。又分ZCS(零電流諧振開(kāi)關(guān))、ZVS(零電壓諧振開(kāi)關(guān))兩種。1.4.2.按電壓轉(zhuǎn)換形式1.AC/DC：一次電源，即整流電源。2.DC/DC：二次電源。（1）Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。（2）Boost：升壓斬波器，入出極性相同。（3）Buck-Boost：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。（4）C

9、uk：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。1.4.3.按拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)1.隔離型：有變壓器。2.非隔離型：無(wú)變壓器。線(xiàn)性調(diào)節(jié)器具有噪聲小的優(yōu)勢(shì)，而開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器具有損耗曉得優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)要低求噪聲電源的模擬電路應(yīng)該選用線(xiàn)性調(diào)節(jié)器，需要大電流的電路應(yīng)該選用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，一般都可按照這個(gè)原則靈活使用。電源設(shè)計(jì)技巧概述（1）選用合適的供電電源如上面所說(shuō)，電源有串聯(lián)型線(xiàn)性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源兩大類(lèi)。前者具有波紋小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但電路的效率低，功耗大。后者功耗小，效率高，但電路復(fù)雜，紋波大。（2）精心設(shè)計(jì)PCB實(shí)踐證明即使電路原理圖正確，PCB設(shè)計(jì)不恰當(dāng)也會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)的功能產(chǎn)生不良影響，甚至致使電路

10、不能工作。為了解決來(lái)自電源和信號(hào)之間的干擾，正確接地時(shí)控制干擾的重要方法。吧接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，就可以解決大部分干擾問(wèn)題1）正確選擇單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地對(duì)于雙面板，地線(xiàn)布置特別講究，通常采用單點(diǎn)接地，電源和地是電源的兩端接到印刷線(xiàn)路板上來(lái)的，電源一個(gè)接點(diǎn)，地一個(gè)接點(diǎn)。2）將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應(yīng)該使他們盡量分開(kāi)。作為數(shù)字信號(hào)部分是以脈沖信號(hào)工作，信號(hào)幅度大，頻譜寬，其地線(xiàn)與電源線(xiàn)上的噪聲高達(dá)幾十毫伏甚至幾百毫伏，這對(duì)于模擬信號(hào)而言一個(gè)是十分強(qiáng)大的干擾信號(hào)源，如接地不當(dāng)，布線(xiàn)不良，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會(huì)嚴(yán)重影響模擬信號(hào)的波形。因此兩者的地線(xiàn)以及電源線(xiàn)

11、也不要相混，分別與電源端的地線(xiàn)和電源線(xiàn)相連。還要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。3）盡量加粗接地線(xiàn)若接地線(xiàn)很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。應(yīng)將接地線(xiàn)盡量加粗，使他能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應(yīng)該大于3mm。4）將接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路設(shè)計(jì)只有數(shù)字電路組成的印制電路板的地線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。原因在于：印刷電路板上有很多集成電路元件，尤其遇到有功耗大的元件時(shí)，因受接地線(xiàn)粗細(xì)的限制，會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地線(xiàn)構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)減小這種電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。（3

12、）用好去耦電容去耦電容一方面阻止電路中的噪聲進(jìn)入電源，另一方面防止電源中的噪聲進(jìn)入前級(jí)電路，使電路噪聲干擾減少到滿(mǎn)足電路要求的范秋。因此設(shè)計(jì)數(shù)字電路使，對(duì)于集成電路，盡量在每個(gè)集成電路的電源與地之間都加一個(gè)去耦電容。電容一方面是該集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該期間的高頻噪聲。（4）正確連接各塊電路之間的電源線(xiàn)和地線(xiàn)常見(jiàn)的電路連接方式是將所有 電路的電源線(xiàn)依次串接到電源電路板上去 , 電路在工 作時(shí)對(duì) 電源產(chǎn)生噪聲污染 , 噪聲信號(hào)不僅存在于電源線(xiàn)中,還同樣加在地線(xiàn)上。而信號(hào)的傳輸要通過(guò)地線(xiàn),當(dāng)一塊電路板上的信號(hào)傳輸?shù)搅硪粔K 電路板上時(shí),就會(huì)疊加

13、上地線(xiàn)上 的噪聲信號(hào) , 使電路總體的信噪比嚴(yán)重下降。特別是有模擬電路和A D C 等對(duì)交直流噪聲敏感的電路存在時(shí)尤為明顯。下圖就是一個(gè)典型的 A D 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 , 圖中將實(shí)際的連接線(xiàn)用 電阻和 電感的串聯(lián)進(jìn)行等效,數(shù)字系統(tǒng)的電源噪聲會(huì)嚴(yán)重影響 A D C 電路及前級(jí)的模擬處理電路, 這明顯是一種不良的電源連接方式。為有利于減小電路的中地線(xiàn)上的噪聲干擾,改進(jìn)的電源連接方式是電路中首先將模擬地和數(shù)字地分開(kāi) , 建立一個(gè)模擬參考點(diǎn),所有模擬部分的地都接到個(gè)參考點(diǎn)上。一般說(shuō)來(lái),數(shù)字部分多數(shù)使用 + SV 的電源 ,模擬部分多數(shù)采用士I S V 或其他電壓的電源 , 這兩電源應(yīng)分別接到數(shù)字地和

14、模擬地 ,并要注意這兩組 電源的變壓器繞組之間應(yīng)具有良好的絕緣和良好的靜電隔離。如果系統(tǒng)中還有使用相同電壓的高噪聲的電路 , 如繼 電器和 L E D 的驅(qū)動(dòng) 電路 , 則需要另做一組電源單獨(dú)給其供電,相互之間的地線(xiàn)最好是只有一 點(diǎn)相連 恰當(dāng)?shù)淖鞣ㄊ菍?電源和地線(xiàn)先接入電路中對(duì)噪聲敏感的模擬電路或校數(shù)轉(zhuǎn)換電路, 然后 由這個(gè)電路板再接線(xiàn)到信號(hào)更小的前級(jí)電路 (如信號(hào)調(diào)理電路 ) 去 ; 而數(shù)字 電路的地所有的先接到A D C 或微處理器等需要和模擬地接在一塊的數(shù)字地上 , 再接到數(shù)字電路的供電電源上去。下面的圖例就是改進(jìn)了的電源接線(xiàn)方式, 同樣用電阻和電感的串聯(lián)等效實(shí)際的連接線(xiàn) , 圖中的電容

15、是每塊 電路板上電源入口處的濾波電容。這樣就以 A D 轉(zhuǎn)換電路的地作為基準(zhǔn)參考電位點(diǎn),其他 電路都以這里為基準(zhǔn),能夠盡量降低電路中地線(xiàn)上的噪聲, 使 電路的信噪比提高。對(duì)于地線(xiàn)上的電流,還可采用串小電阻的方式來(lái)改變電流的流向,從而使地線(xiàn)上的紋波減小 。 作為每一塊電路板中,首先需要將電源入口處加上濾波 電路,以減少其他 電路的噪聲對(duì)本電路板產(chǎn)生不 良的影響 , 同時(shí)也能減少電路 自身產(chǎn)生的噪聲通過(guò)電源線(xiàn)傳送到其他 電路板上去。還有一種較好的思路是每一塊電路板各自根據(jù)需要,分別設(shè)計(jì)不同精度的穩(wěn)壓電源電路在 電路板上 , 杜絕通過(guò)電源線(xiàn)造成各塊電路板 的電源的相互干擾。當(dāng)然,前提是地線(xiàn)依然需要采

16、用一點(diǎn)連接 , 即其他各塊電路板 的地線(xiàn)都要接到共同的模擬電路的末級(jí)。第二章 模擬電路設(shè)計(jì)技巧放大電路中有直流基礎(chǔ) , 又有被放大的信號(hào) , 交直流通路不同 , 因此必須分開(kāi)分析 , 即交流分析和直流分析單獨(dú)進(jìn)行。2.1“基本放大電路”和多級(jí)放大電路的關(guān)系對(duì)于基本放大電路而言,需要解決和進(jìn)一步認(rèn)識(shí)三個(gè)問(wèn)題.首先是輸入阻抗和輸出阻抗問(wèn)題. 只要搞清前級(jí)是后級(jí)的信號(hào)源, 前級(jí)的輸出電阻是后級(jí)電路的信號(hào)源內(nèi)阻,后級(jí)電路是前級(jí)電路的負(fù)載, 負(fù)載可以是純電阻或阻容等, 而基本放大電路的負(fù)載電阻可以認(rèn)為是后級(jí)放大電路的輸入電阻; 其次是電路之間的級(jí)聯(lián)問(wèn)題, 主要考慮阻抗匹配和采用的耦合方式(直接耦合, 還

17、是阻容耦合, 還是變壓器耦合等);最后要解決的問(wèn)題是放大倍數(shù),這完全可以從放大倍數(shù)的定義出發(fā)推導(dǎo)出來(lái).所以在“基本放大電路”教學(xué)中為了給多級(jí)放大電路的教學(xué)埋下伏筆,把信號(hào)源用一句話(huà)表述:“信號(hào)源”可看成是一級(jí)放大電路; 把“負(fù)載”用一句話(huà)表述: 負(fù)載同樣可看成是一級(jí)放大電路, 這樣就可以了.2.2 “基本放大電路”和頻率特性的關(guān)系放大電路的頻率特性是基于基本放大電路在耦合電容、旁路電容、晶體管結(jié)電容的影響需要考慮時(shí),對(duì)放大電路的認(rèn)識(shí).從信號(hào)工作頻率來(lái)考慮, 頻率較低時(shí), 結(jié)電容可視為開(kāi)路(相當(dāng)于基本放大電路的直流通路), 但耦合電容和旁路電容的作用不可忽視;頻率較高時(shí), 結(jié)電容的容抗變小, 對(duì)

18、PN 結(jié)形成分流,使晶體管的電流放大倍數(shù)減小, 而耦合電容和旁路電容可視為短路, 對(duì)信號(hào)傳輸造成影響減小; 從電容的大小來(lái)考慮, 結(jié)電容越小, 對(duì)放大信號(hào)影響越小,耦合電容和旁路電容越小, 對(duì)信號(hào)影響越大. 2.3“基本放大電路”和功率放大電路的關(guān)系功率放大電路是基于基本放大電路在大信號(hào)高輸出時(shí)需要考慮的效率問(wèn)題而提出的,它放大的仍然是電流和電壓,至于其各種形式也是建立在基本放大電路基礎(chǔ)上的,只不過(guò)是由于負(fù)載或輸出信號(hào)要求的不同, 而采用不同的輸出方式. 至于它的工作原理只要搞清楚了基本放大電路的工作原理中輸入和輸出波形之間的關(guān)系,以及靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置對(duì)于輸入、輸出波形的影響,對(duì)于功率放大電路

19、中互補(bǔ)電路的認(rèn)識(shí)就不覺(jué)得不可思議了,可以把功率放大電路看成是基本放大電路的應(yīng)用. 在“基本放大電路”的學(xué)習(xí)中, 注重輸入、輸出波形的切實(shí)理解就可以了, 可以采取先畫(huà)全部波形的正半周, 再畫(huà)全部波形的負(fù)半周的辦法以加深對(duì)波形的理解,或者在靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不合理內(nèi)容介紹時(shí)有意識(shí)地進(jìn)行半個(gè)正弦波的說(shuō)明.2.4 “基本放大電路”和波形發(fā)生變換電路的關(guān)系波形發(fā)生電路無(wú)非是基本放大電路接入正反饋再加上一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)就可以了,特別是對(duì)正弦波波形發(fā)生電路就更典型了,而非正弦波發(fā)生電路就是依靠一個(gè)電容的充放電來(lái)形成.波形變換利用基本放大電路在改善電路性能方面起的作用就能說(shuō)明問(wèn)題.方波變換成三角波也是在基本放大電路的

20、基礎(chǔ)上加一個(gè)充放電電容即可. 在“基本放大電路”學(xué)習(xí)時(shí), 考慮負(fù)載為容性的波形就是很好的鋪墊.2.5 “基本放大電路”和穩(wěn)壓電路的關(guān)系穩(wěn)壓電路是建立在基本放大電路共集電極接法基礎(chǔ)上的一種應(yīng)用型電路.由于穩(wěn)壓電路特定的習(xí)慣畫(huà)法, 使學(xué)生有了新鮮感和陌生感, 其實(shí)只要畫(huà)成基本放大電路共集電極接法在認(rèn)識(shí)電路時(shí)會(huì)很熟悉, 在介紹穩(wěn)壓電路工作原理時(shí)很方便, 因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)對(duì)習(xí)慣上稱(chēng)之為的射極跟隨器很熟悉了,這也同時(shí)要求在進(jìn)行射極輸出器教學(xué)時(shí)注重對(duì)其工作原理的認(rèn)真分析.2.6 “基本放大電路”和集成運(yùn)算放大電路的關(guān)系集成運(yùn)算放大電路是基于直接耦合的多級(jí)放大電路, 又增加了抑制零點(diǎn)漂移和各種電流源(深度電流負(fù)

21、反饋)的集成電路,其基本形式還是基本放大電路, 只不過(guò)是把電路做到了芯片內(nèi). 至于各種各樣的電流源更是基本放大電路的基本形式中射極電阻不同的具體應(yīng)用.只要基本共射放大電路熟悉問(wèn)題就簡(jiǎn)單了.2.7 “基本放大電路”和信號(hào)運(yùn)算、處理電路的關(guān)系信號(hào)的運(yùn)算和處理電路使用集成運(yùn)算放大電路, 可看成是輸入電阻趨于無(wú)窮大, 輸出電阻趨于零的基本電壓放大電路,這樣處理的結(jié)果使信號(hào)的各種運(yùn)算成為與集成運(yùn)算電路基本無(wú)關(guān),只與輸入信號(hào)的大小和反饋方式及輸入端連接方式有關(guān)的輸出。2.8 濾波電路應(yīng)用低通濾波是一種過(guò)濾方式，規(guī)則為低頻信號(hào)能正常通過(guò)，而超過(guò)設(shè)定臨界值的高頻信號(hào)則被阻隔、減弱。但是阻隔、減弱的幅度則會(huì)依據(jù)

22、不同的頻率以及不同的濾波程序（目的）而改變。它有的時(shí)候也被叫做高頻去除過(guò)濾或者最高去除過(guò)濾。低通過(guò)濾是高通過(guò)濾的對(duì)立。第三章 數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字電路設(shè)計(jì)的對(duì)象、方法與手段發(fā)生了很大變化，設(shè)計(jì)對(duì)象從基本邏輯功能電路（計(jì)數(shù)器、寄存器等）的設(shè)計(jì)到數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)再到大規(guī)模數(shù)據(jù)控制與處理系統(tǒng)（CPU 、DSP等）的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法也由采用真值表求邏輯表達(dá)式、畫(huà)出邏輯電路圖的方式到通過(guò)確定總體方案，采取從局部到整體，用各種中大規(guī)模集成電路來(lái)組成滿(mǎn)足要求的邏輯電路系統(tǒng)的方式。3.1 數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與數(shù)字電子技術(shù)中基本的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的

23、設(shè)計(jì)有較大的區(qū)別。后者是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，用真值表、狀態(tài)表求出簡(jiǎn)化的邏輯表達(dá)式，畫(huà)出邏輯圖、邏輯電路，用一般的集成門(mén)電路或集成觸發(fā)器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有復(fù)雜的邏輯功能，難以用真值表、邏輯表達(dá)式來(lái)完整地描述其邏輯功能，用數(shù)字電子技術(shù)中常用的方法來(lái)設(shè)計(jì)，顯然是復(fù)雜而困難的。利用數(shù)字電路硬件描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的方法，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA）。它可以采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)行為級(jí)的數(shù)學(xué)模型描述與仿真論證系統(tǒng)的可行性來(lái)確定最優(yōu)秀的方案；它可以采用自頂向下的遞階結(jié)構(gòu)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)性，既易于設(shè)計(jì)調(diào)試又便于對(duì)問(wèn)題的查找和解決；它可以采用原理圖、硬件描述語(yǔ)言或狀態(tài)機(jī)和多種方法輸

24、入，并可調(diào)用軟件系統(tǒng)提供豐富的庫(kù)元件，生成數(shù)字電路并映射到可編程邏輯器件，進(jìn)行邏輯仿真及實(shí)現(xiàn)后的時(shí)序仿真，設(shè)計(jì)者只需根據(jù)仿真結(jié)果修改電路直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。3.2 數(shù)字電路系統(tǒng)的組成數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘電路、脈沖產(chǎn)生電路和電源等。 輸入電路的主要作用是將被控信號(hào)加工變換成數(shù)字信號(hào)，其形式包括各種輸入接口電路。比如在數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)制作中，通過(guò)輸入電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號(hào)。有些模擬信號(hào)則通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)輸入電路時(shí)，必須首先了解輸入信號(hào)的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計(jì)合適的輸入接口電路。 控制電路的功能是

25、將信息加工運(yùn)算并為系統(tǒng)各部分提供所需的各種控制。比如多路可編程控制器的設(shè)計(jì)制作，其定時(shí)器即為一控制電路，正是在它的作用下，計(jì)數(shù)脈沖才按一定的時(shí)間周期（定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間）一組一組地送給地址計(jì)數(shù)器，形成時(shí)間控制。在數(shù)字頻率計(jì)中，從JK觸發(fā)器兩個(gè)反相輸出端輸出的信號(hào)也是控制信號(hào)，它既控制了被測(cè)信號(hào)送至計(jì)數(shù)器的時(shí)間，同時(shí)又控制了鎖存器在計(jì)數(shù)完畢后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。產(chǎn)生這種信號(hào)輸出的電路即為控制電路。數(shù)字電路系統(tǒng)中，各種邏輯運(yùn)算、判別電路等，都是控制電路，它們是整個(gè)系統(tǒng)的核心。設(shè)計(jì)控制電路是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要的內(nèi)容，必須充分注意不同信號(hào)之間的邏輯性與時(shí)序性。輸出電路是完成系統(tǒng)最后邏輯功能的重要部分。數(shù)字

26、電路系統(tǒng)中存在各種各樣的輸出接口電路。其功能可能是發(fā)送一組經(jīng)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)，或顯示一組數(shù)字，或?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成模擬輸出信號(hào)。比如數(shù)字頻率計(jì)的顯示譯碼與數(shù)碼管電路，多路可編程控制器的并行移位寄存器及驅(qū)動(dòng)電路等，都屬于系統(tǒng)的輸出電路。設(shè)計(jì)輸出電路，必須注意與負(fù)載在電平、信號(hào)極性、拖動(dòng)能力等方面進(jìn)行匹配。 時(shí)鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個(gè)系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時(shí)鐘電路包括主時(shí)鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時(shí)鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的555多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計(jì)中的基準(zhǔn)時(shí)間形成電路等都屬于時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時(shí)鐘的

27、頻率，并注意與其他控制信號(hào)結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時(shí)鐘脈沖。 電源為整個(gè)系統(tǒng)工作提供所需的能源，為各端口提供所需的直流電平。在數(shù)字電路系統(tǒng)中，TTL電路對(duì)電源電壓要求比較嚴(yán)格，電壓值必須在一定范圍內(nèi)。CMOS電路對(duì)電源電壓的要求相對(duì)比較寬松。設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須注意電源的負(fù)載能力，電壓的穩(wěn)定度及波紋系數(shù)等?？傊?，任何復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)都可以逐步劃分成不同層次、相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系、時(shí)序等的分析，最后可以選用合適的數(shù)字電路器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。將各子系統(tǒng)組合起來(lái)，便完成了整個(gè)大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。按照這種由大到小，由整體到局部，再由小到大，由局部到整體的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就可以避免盲目的拼湊，完

28、成設(shè)計(jì)任務(wù)。3.3 數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法與步驟 設(shè)計(jì)數(shù)字電路系統(tǒng)的一般方法與步驟包括：1) 分析課題 必須充分了解設(shè)計(jì)要求，明確被設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全部功能、要求及技術(shù)指標(biāo)。熟悉被處理信號(hào)與被控制對(duì)象的各種參數(shù)與特點(diǎn)。2) 確定總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)系統(tǒng)邏輯功能畫(huà)出系統(tǒng)的原理框圖，將系統(tǒng)分解。確定貫串不同方框間各種信號(hào)的邏輯關(guān)系與時(shí)序關(guān)系。方框圖應(yīng)能簡(jiǎn)潔、清晰地表示設(shè)計(jì)方案的原理。3) 繪制單元電路并對(duì)單元電路仿真 選擇合適的數(shù)字器件，用電子CAD軟件繪出各邏輯單元的邏輯電路圖。標(biāo)注各單元電路輸入輸出信號(hào)的波形。原理圖中所用的元件應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)號(hào)；電路的排列一般按信號(hào)流向由左至右排列；重要的線(xiàn)路放在圖

29、的上方，次要線(xiàn)路放在圖的下方，主電路放在圖的中央位置；當(dāng)信號(hào)通路分開(kāi)畫(huà)時(shí)，在分開(kāi)的兩端必須作出標(biāo)記，并指出斷開(kāi)處的引出與引入點(diǎn)。然后利用電子CAD軟件中的數(shù)字電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，以確定電路是否準(zhǔn)確無(wú)誤。當(dāng)電路中采用TTL、CMOS、運(yùn)放、分立元件等多種器件時(shí)，如果采用不同的電源供電，則要注意不同電路之間電平的正確轉(zhuǎn)換。并繪制出電平轉(zhuǎn)換電路。4) 分析電路 可能設(shè)計(jì)的單元電路不存在任何問(wèn)題，但組合起來(lái)后系統(tǒng)卻不能正常工作，因此，必須充分分析各單元電路，尤其是對(duì)控制信號(hào)要從邏輯關(guān)系、正反極性、時(shí)序幾個(gè)方面進(jìn)行深入考慮，確保不存在沖突。在深入分析的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)電路的不斷修改，獲得最

30、佳設(shè)計(jì)方案。5) 完成整體設(shè)計(jì) 在各單元電路完成的基礎(chǔ)上，用電子CAD軟件將各單元電路連接起來(lái)，畫(huà)出符合軟件要求的整機(jī)邏輯電路圖。重新審查電路，以消除因某種疏忽造成的錯(cuò)誤。6) 邏輯仿真 整體電路設(shè)計(jì)完畢后，再次在仿真軟件上對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)比較理想的數(shù)字電路系統(tǒng)必須經(jīng)常訓(xùn)練，反復(fù)實(shí)踐。為使設(shè)計(jì)盡可能優(yōu)化，必須對(duì)數(shù)字電路器件，尤其是中大規(guī)模集成電路器件有比較多的了解。學(xué)會(huì)查閱數(shù)字電路器件手冊(cè)，了解不同器件之間的區(qū)別。充分明了各器件輸入端、控制端對(duì)信號(hào)的要求，輸出端輸出信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是十分重要的。此外，熟悉和掌握電子CAD軟件的使用，對(duì)我們的

31、設(shè)計(jì)則十分有幫助。3.4 數(shù)字電路系統(tǒng)的裝調(diào)數(shù)字系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)完畢后，還必須通過(guò)試驗(yàn)板的安裝與調(diào)試，糾正設(shè)計(jì)中因考慮不周出現(xiàn)的錯(cuò)誤或不足。檢測(cè)出實(shí)際系統(tǒng)正常運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)、工作狀態(tài)、輸出驅(qū)動(dòng)情況、動(dòng)作情況與邏輯功能。因此，系統(tǒng)裝調(diào)工作是驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)，進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)方案的重要實(shí)踐過(guò)程。一般方法與步驟包括： 1) 制作PCB電路板 如果整體電路是利用電子CAD軟件按其要求繪制的，則可以利用該軟件繪制PCB圖，制作出印刷電路板。采用PCB制作數(shù)字電路系統(tǒng)可以保證試驗(yàn)系統(tǒng)工作可靠，減少不必要的差錯(cuò)，大大節(jié)省電路試驗(yàn)時(shí)間。2) 檢測(cè)器件 在將器件安裝到PCB上之前，對(duì)所選用的器件進(jìn)行測(cè)試是十

32、分必要的，它可以減少因器件原因造成的電路故障，縮短工作時(shí)間。3) 安裝元器件 將各種器件安裝到PCB上是一件不太困難的工作。安裝時(shí)，集成電路最好通過(guò)插座與電路板連接，便于器件不小心損壞后進(jìn)行更換。數(shù)字電路的布線(xiàn)一般比較緊密、焊點(diǎn)較小，在焊接過(guò)程中注意不要出現(xiàn)掛錫或虛焊。4) 電路調(diào)試 電路的調(diào)試可分兩步來(lái)進(jìn)行，一是單元電路的調(diào)試，然后是總調(diào)。只有通過(guò)調(diào)試使單元電路到達(dá)預(yù)定要求，總調(diào)才能順利進(jìn)行。調(diào)試時(shí)應(yīng)注意： 充分理解電路的工作原理和電路結(jié)構(gòu)，對(duì)電路輸入輸出量之間的邏輯關(guān)系，正常情況下信號(hào)的電平、波形、頻率等做到心中有數(shù)。據(jù)此設(shè)計(jì)出科學(xué)的調(diào)試方法。包括選用的儀器設(shè)備，調(diào)試的步驟、每個(gè)步驟中檢測(cè)

33、的部位、如何人為設(shè)置電路工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試等。 可以先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，確定IC的電源、地、控制端的靜態(tài)電平等直流工作狀態(tài)是否正常后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，如果電路裝配工藝比較好，也可以在動(dòng)態(tài)測(cè)量發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后再進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量。進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量保證測(cè)試條件與電路的實(shí)際工作狀態(tài)相吻合。 在尋找故障時(shí)，可以按信號(hào)的流程對(duì)電路進(jìn)行逐級(jí)測(cè)量，或由前往后、或由后向前；也可以根據(jù)電路的特點(diǎn)從關(guān)鍵部位入手進(jìn)行；或根據(jù)通電連接后系統(tǒng)的工作狀態(tài)直接從電路的某一部分著手進(jìn)行。 明確每次測(cè)量的意義，要了解什么，希望解決什么問(wèn)題，一定要做到心中有數(shù)。從測(cè)量中掌握的各種數(shù)據(jù)、現(xiàn)象、觀測(cè)到的信號(hào)波形等入手，通過(guò)分析、試驗(yàn)（調(diào)整）再開(kāi)

34、始新的測(cè)量，如此循環(huán)向下進(jìn)行，就可以發(fā)現(xiàn)與排除故障，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 在對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)、試驗(yàn)或調(diào)整的過(guò)程中，應(yīng)掌握一些實(shí)用的檢測(cè)方法，如對(duì)換法（將檢測(cè)好的器件或電路代替懷疑有故障的器件或電路）、對(duì)比法（通過(guò)測(cè)量將故障電路與正常電路的狀態(tài)、參數(shù)等進(jìn)行逐項(xiàng)對(duì)比）、對(duì)分法（把有故障的電路根據(jù)邏輯關(guān)系分成兩部分，確定是哪一部分有問(wèn)題，然后再對(duì)有故障的電路再次對(duì)分，直至找到故障所在）、信號(hào)注入法（根據(jù)電路的邏輯關(guān)系人為設(shè)置輸入端口電平或注入數(shù)字信號(hào)，觀測(cè)電路的響應(yīng)，判斷故障所在）、信號(hào)尋跡法（從信號(hào)的流向入手，通過(guò)在電路中跟蹤尋找信號(hào)，造出故障所在）。在數(shù)字電路中，由于不存在大功率、大電流、高電壓的

35、工作狀態(tài)，電路故障一般都是裝配過(guò)程中出現(xiàn)的掛錫、虛焊、元件插錯(cuò)等原因造成的，除非IC插反了方向或電源接錯(cuò)了極性，一般情況下，有源器件損壞的可能性較小。5) 歸納總結(jié) 當(dāng)電路能夠正常工作以后，應(yīng)將測(cè)試的數(shù)據(jù)、波形、計(jì)算結(jié)果等原始數(shù)據(jù)歸納保存，以備以后查閱。最后編寫(xiě)總結(jié)報(bào)告?？偨Y(jié)報(bào)告應(yīng)對(duì)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、所采用的設(shè)計(jì)技巧、存在的問(wèn)題、解決的方法、電路的最后形式、電路達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行必要的分析與闡述。第四章 模數(shù)混合注意事項(xiàng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是常見(jiàn)的 A /D 轉(zhuǎn)換器， 用于進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換， 以實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)中作業(yè)控制信號(hào)與數(shù)據(jù)處理信號(hào)的聯(lián)動(dòng)， 有著十分重要的作用?，F(xiàn)在隨著科技水平與制造工

36、藝的發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用范圍更加廣泛， 因此我們要因地制宜的選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 以達(dá)到功能性與經(jīng)濟(jì)性的良好結(jié)合。下面我們就針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)與注意事項(xiàng)略作敘述。4.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)4.1.1轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器自接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)直到輸出端可以得到穩(wěn)定的信號(hào)所需要的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間的長(zhǎng)短受轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型影響較大，在這幾種類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器中， 間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度是最慢的， 一般都在 10 300ms 之間，有時(shí)所用的時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)。逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要優(yōu)于間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 它的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以控制在0 4s左右。并型比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快， 有的最

37、快轉(zhuǎn)換速度可以控制在 20 50ns 之間，單從轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)講， 并型比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)換速度最好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。4.1.2轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)， 用來(lái)表示轉(zhuǎn)換的速度。如一般情況下，并型比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到 20 50M 次 /s; 逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到 2 5M次 /s 左右; 間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率與前兩種相比則要小得多。4.1.3轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度一般可以分為分辨率和轉(zhuǎn)換誤差， 接下來(lái)我們就對(duì)其分別進(jìn)行簡(jiǎn)介。1）分辨率一般是以輸出的二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)來(lái)進(jìn)行表示的，它是用來(lái)衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力的。由于 N 位輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以

38、用于區(qū)分 2 的 N 次冪級(jí)次的不同等級(jí)的模擬輸入電壓， 其區(qū)分能力為滿(mǎn)量程輸入電壓的 1 /2N，且在電壓一定的情況下，位數(shù)越高， 分辨率就越高。單位分辨為 1LSB，如 N = 12 時(shí)，用百分?jǐn)?shù)可將其表示為: 1 /212= 0 24。 2）轉(zhuǎn)換誤差用于表示輸出誤差的最大值， 它用于衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量的差別， 可用最低有效位數(shù)的倍數(shù)來(lái)進(jìn)行表示。?？煞譃榱炕`差、 偏移誤差和滿(mǎn)刻度誤差等。量化誤差: 量化誤差是指因轉(zhuǎn)換器分辨率有限， 在轉(zhuǎn)換過(guò)程中而引起的誤差， 它可以表示為有限的分辨率轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)與理論分辨率轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)間的最大偏差量。偏移誤差: 偏移誤差是指輸

39、入信號(hào)為零時(shí)， 由于電路中存在外接電位器，導(dǎo)致的輸出信號(hào)不為零而產(chǎn)生的誤差值， 為此我們應(yīng)該將電路中的外接電位器調(diào)到最小，以減小誤差量。滿(mǎn)刻度誤差: 滿(mǎn)刻度誤差是指當(dāng)輸出信號(hào)為滿(mǎn)刻度值輸出時(shí)，其實(shí)際電壓值與滿(mǎn)刻度電壓值之間的差值。4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇的注意事項(xiàng)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇有許多注意事項(xiàng)， 下面我們就以位數(shù)選擇和轉(zhuǎn)換速率這兩點(diǎn)較為重要的項(xiàng)為例來(lái)進(jìn)行介紹。4.2.1位數(shù)選擇常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度多由其需求的精度來(lái)進(jìn)行確定，這就要求我們?cè)谶\(yùn)用一定的算法的前提下， 要綜合對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的傳感器、 轉(zhuǎn)換器、 控制機(jī)構(gòu)、 信號(hào)預(yù)處理電路和輸出電路的精度進(jìn)行分析與控制。一般情況下，我們?cè)谝紤]兩個(gè)主

40、要因素， 即靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平滑性。 其中，靜態(tài)精度是模擬信號(hào)在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化時(shí)所產(chǎn)生的誤差的主體。因此，我們?cè)诳紤]其靜態(tài)精度時(shí)， 要尤其注意輸入信號(hào)的量化誤差隨著信號(hào)轉(zhuǎn)化而在輸出信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的誤差?，F(xiàn)在使用的大多數(shù)測(cè)量裝置的精度值一般不小于 0 1% ， 一 般 取0 05% 0 1% 之間，與其相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)( 含符號(hào)位) 為 11 12 位，以此來(lái)提高靜態(tài)精度。如果其量程很大時(shí)， 我們可以采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案以滿(mǎn)足量程的要求。當(dāng)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)平滑性考慮時(shí)， 可利用軟件程度來(lái)模擬其數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)， 然后通過(guò)不斷的改變模擬的位數(shù)來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整，然后選取所需平滑程度的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)， 并確定出模

41、擬該動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)所使用的位數(shù)。一般來(lái)說(shuō)， 分辨率越高，平滑性越好。數(shù)位在 13 位以上的具有較高的分辨率， 其平滑性較好; 在 9 12 位間的為中等分辨率，其平滑性一般; 在 8 位以下的為低分辨率，其平滑性較差。要適當(dāng)選擇其位數(shù)， 避免選取的過(guò)低以影響精度，也不要選取得過(guò)高以增加成本。4.2.2轉(zhuǎn)換速率在進(jìn)行轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的選擇過(guò)程中， 要首先選擇好采樣速率，采樣定理為: 只有當(dāng)采樣頻率大于 2 倍信號(hào)頻率時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)將采樣后的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)到原模擬信號(hào)時(shí)， 信號(hào)的原始數(shù)據(jù)不會(huì)因轉(zhuǎn)換而缺失。依據(jù)采樣定理和實(shí)際需要， 來(lái)選擇一個(gè)波形周期內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。如果轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100s 時(shí)，其對(duì)模擬

42、信號(hào)的處理頻率最高為 1000Hz， 而當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間 為 10s 時(shí)， 其 對(duì) 模 擬 信 號(hào) 的 處 理 頻 率 可 提 高 至10000Hz。如果再提高處理頻率就較為困難了， 所以定出的轉(zhuǎn)換速率要在滿(mǎn)足定理的同時(shí)，符合實(shí)際的條件。4.3數(shù)?；旌献⒁馇闆r1）在布局時(shí)，需要考慮哪些屬于模擬部分電路，哪些屬于數(shù)字電路，兩者之間的要分開(kāi)放置，防止互相干擾。2）電源分離。模擬電源和數(shù)字電源通常要分開(kāi)，以避免相互干擾。如果把數(shù)字電源與模擬電源重疊放置，會(huì)產(chǎn)生耦合效應(yīng)，相互干擾。3）地平面要分開(kāi):在分離電源的同時(shí)，模擬地和數(shù)字地也要相應(yīng)該進(jìn)行分離，以構(gòu)成兩個(gè)相互獨(dú)立的地平面，保證信號(hào)的完整性。第五章 高速

43、電路PCB設(shè)計(jì)隨著集成電路的工作效率和信號(hào)的邊沿頻率不斷提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，以前低速的 PCB 已完全不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)日益增長(zhǎng)的高速化發(fā)展的需要，因此高速PCB設(shè)計(jì)成為主流。而隨著工作頻率的不斷提高，信號(hào)完整性，電磁兼容性，電源完整性都成為了高速PCB設(shè)計(jì)者必須要重視的問(wèn)題。，因此設(shè)計(jì)要求變得異常的復(fù)雜。由于對(duì)通信質(zhì)量等需求的要求提升，就不得不提高信號(hào)接收、傳輸、存儲(chǔ)和處理的速度，低速PCB設(shè)計(jì)方法已不再適用于高速PCB設(shè)計(jì)。本章從理論層面介紹了在高速PCB設(shè)計(jì)過(guò)應(yīng)該關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題及其解決的辦法。5.1高速電路定義及其PCB設(shè)計(jì)流程5.1.1高速電路定義所謂高速數(shù)字電

44、路，指由于信號(hào)的高速變化而使得電路中的模擬特性，導(dǎo)線(xiàn)的電感、電容等發(fā)生作用的電路。一般認(rèn)為，果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過(guò) 50MHz，而且作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到整個(gè)電子系統(tǒng)的 1/3，就稱(chēng)為高速數(shù)字電路。但更為準(zhǔn)確的是根據(jù)信號(hào)沿變化的速度來(lái)定義的，信號(hào)快速變化的上升沿與下降沿引發(fā)了傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此，常約定如果線(xiàn)傳播延時(shí)大于數(shù)字信號(hào)上升時(shí)間的一半，為此類(lèi)信號(hào)是高速信號(hào)并產(chǎn)生傳輸線(xiàn)效應(yīng)，這樣的電路就稱(chēng)為高速電路。5.1.2高速PCB設(shè)計(jì)流程圖圖2高速PCB設(shè)計(jì)流程 圖3 一般PCB設(shè)計(jì)流程相比較于低速PCB設(shè)計(jì)過(guò)程（如圖3），高速PCB設(shè)計(jì)（如圖2）中進(jìn)行了原理圖仿真以及SI（信

45、號(hào)完整性），PI（電源完整性），EMC（電磁兼容性）等的檢測(cè)，目的是以此檢驗(yàn)是否滿(mǎn)足預(yù)計(jì)的信號(hào)完整性要求，而Hyper Lynx 是業(yè)界應(yīng)用最為普遍的高速 PCB 仿真工具，包含前仿真（Line Sim）環(huán)境、后仿真（Board Sim）環(huán)境和多板分析功能。信號(hào)完整性分析最常用的有三種模型：SPICE 仿真模型；Verilog-AMS 和VHDL-AMS 仿真模型；IBIS 仿真模型。Hyper Lynx的后仿真（Board Sim）環(huán)境能夠從PCB導(dǎo)線(xiàn)和從元件的封裝仿真輻射水平。而傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)依次要經(jīng)過(guò)電路設(shè)計(jì)，版圖設(shè)計(jì)，PCB制作等工序，且PCB的性能只能通過(guò)一系列儀器來(lái)測(cè)試，善于使用

46、一些仿真工具將大大方便高速PCB設(shè)計(jì)者的工作。且為了避免由于PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中(如交互布線(xiàn)) 可能引入的錯(cuò)誤, 一般在PCB的設(shè)計(jì)完成后, 都要進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查( DRC) , 看看在設(shè)計(jì)中是否有與規(guī)則和約束相沖突的地方, 以保證PCB設(shè)計(jì)滿(mǎn)足信號(hào)完整性、可靠性、可測(cè)性和可制造性的要求。5.2 高速PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題5.2.1 信號(hào)完整性問(wèn)題5.2.1.1 傳輸線(xiàn)理論在理想電路中, 信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端達(dá)到接收端沒(méi)有任何變化。而在現(xiàn)實(shí)世界中, 沿著導(dǎo)體到器件腿傳輸?shù)男盘?hào)就會(huì)產(chǎn)生幅度損失和信號(hào)變形, 信號(hào)幅度損失(也稱(chēng)衰減) 是由于材料屬性引起的。信號(hào)變形(也稱(chēng)噪聲) 是由于導(dǎo)體的電導(dǎo)性

47、及其周?chē)h(huán)境引起的。傳輸線(xiàn)理論認(rèn)為電阻、電容和電導(dǎo)總是沿導(dǎo)體(印制導(dǎo)線(xiàn)) 分布的, 而不是集中的。一個(gè)導(dǎo)體(印制導(dǎo)線(xiàn)) 是否要用傳輸線(xiàn)來(lái)模擬, 取決于導(dǎo)體的特性電阻、特性電容和特性電導(dǎo)對(duì)信號(hào)完整性影響的程度。一般來(lái)說(shuō), 當(dāng)導(dǎo)體(印制導(dǎo)線(xiàn)) 比驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間的一半還長(zhǎng)的時(shí)候, 即當(dāng)互連延時(shí)大于1 /2的上升時(shí)間時(shí), 就應(yīng)該把導(dǎo)體作為傳輸線(xiàn)來(lái)處理。5.2.1.2傳輸線(xiàn)效應(yīng)5.2.1.2.1反射反射就是在傳輸線(xiàn)上的回波。信號(hào)能量沒(méi)有全部被負(fù)載吸收，有一部分反射回來(lái)，在高速PCB中由于傳輸線(xiàn)理論的存在，當(dāng)傳輸線(xiàn)與負(fù)載端具有不同的阻抗，也就是說(shuō)兩者阻抗不匹配，這種情況下就會(huì)導(dǎo)致反射。反射會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形發(fā)

48、生畸變,如果信號(hào)在傳輸線(xiàn)上來(lái)回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。振蕩屬于欠阻尼狀態(tài)，而環(huán)繞振蕩則屬于過(guò)阻尼狀態(tài)。反射可以通過(guò)阻抗匹配進(jìn)行消除，常見(jiàn)的匹配方式有源端匹配，終端匹配，戴維南匹配，RC網(wǎng)絡(luò)匹配，二極管匹配。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該具體情況具體分析找到合適的匹配方式有效的減少信號(hào)反射。5.2.1.2.2串?dāng)_串?dāng)_是指能量在兩條或多條導(dǎo)線(xiàn)上的耦合。導(dǎo)線(xiàn)中通過(guò)交流電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)不同導(dǎo)線(xiàn)的磁場(chǎng)發(fā)生相互作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。串?dāng)_會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序及信號(hào)完整性帶來(lái)不利影響，并且會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量及信號(hào)的噪聲余量。串?dāng)_是由電磁耦合形成的，容性耦合產(chǎn)生容性串?dāng)_，感性耦合產(chǎn)生感性串?dāng)_串?dāng)_普遍存在于高速PCB設(shè)計(jì)中，給系

49、統(tǒng)帶來(lái)不利的影響。雖然在設(shè)計(jì)時(shí)我們無(wú)法避免這種情況的發(fā)生，但是我們可以采取一定的措施來(lái)減小串?dāng)_： (l)不同性質(zhì)信號(hào)之間傳輸線(xiàn)的并行長(zhǎng)度減小；(2) 改變某些線(xiàn)寬和線(xiàn)高；(3)采用介電常數(shù)較小的絕緣材質(zhì)；(4) 減小介質(zhì)的厚度；(5)高速信號(hào)線(xiàn)在滿(mǎn)足條件的情況下，加入端接匹配等措施。5.2.1.2.3 過(guò)沖與下沖過(guò)沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過(guò)設(shè)定電壓對(duì)于上升沿是指最高電壓而對(duì)于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值。過(guò)分的過(guò)沖會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)元器件電源電壓范圍，會(huì)導(dǎo)致器件的損壞。一般采用縮短布線(xiàn)減少反射以及進(jìn)行源端匹配等措施消除其影響5.2.1.2.4信號(hào)延遲和時(shí)序錯(cuò)誤延遲是指信號(hào)在PCB的導(dǎo)線(xiàn)

50、上以有限的速度從驅(qū)動(dòng)端到接收端的傳輸時(shí)間。信號(hào)延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤表現(xiàn)為信號(hào)在邏輯電平的高、低門(mén)限之間變化時(shí)，保持一段時(shí)間信號(hào)不跳變。在高速電路中，信號(hào)在器件之間的傳輸時(shí)間以及同步時(shí)間的縮短、驅(qū)動(dòng)過(guò)載、走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)等都會(huì)引起延時(shí)問(wèn)題。5.2.1.2.5多次跨越邏輯電平門(mén)限錯(cuò)誤信號(hào)在跳變的過(guò)程中可能多次跨越邏輯電平門(mén)限，從而導(dǎo)致這種錯(cuò)誤的發(fā)生，它是信號(hào)振蕩的一種特殊形式，也就是說(shuō)，信號(hào)振蕩在邏輯電平門(mén)限附件發(fā)生，這種錯(cuò)誤將導(dǎo)致邏輯功能紊亂。 5.2.2電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)問(wèn)題電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效的進(jìn)行工作的能力。電磁兼容性主要包括電磁干擾（EMI）和電磁忍受，即過(guò)量的

51、電磁輻射和對(duì)輻射敏感的程度。電磁干擾包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。許多實(shí)例告訴我們，從電子產(chǎn)品的零件、元器件和部件等基礎(chǔ)產(chǎn)品上就應(yīng)該解決好電磁兼容性問(wèn)題，否則，將PCB板裝到系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后再去解決蔣耗費(fèi)大量的成本。所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理的電磁兼容性設(shè)計(jì)。要產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題必須滿(mǎn)足三個(gè)條件：1.存在一定的輻射源；2.存在干擾傳播途徑；3.存在易受干擾的敏感器件，這三個(gè)條件缺一不可，所以從這三個(gè)方面可較有效的解決電磁兼容性問(wèn)題，如較好的解決信號(hào)完整性問(wèn)題，考慮電源去耦，阻抗匹配，屏蔽，濾波等方法。同時(shí)還要PCB板的結(jié)構(gòu)，工藝等問(wèn)題進(jìn)行全面考慮。5.2.3電源完整性設(shè)計(jì)問(wèn)題現(xiàn)代數(shù)字電路

52、設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢(shì)是朝著小型、高速、高密度和輕量化的方向不斷攀升。在對(duì)高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性的分析中，個(gè)重要的內(nèi)容就是涉及到給數(shù)量日益增加的開(kāi)關(guān)器件提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。電源完整性是指系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中電源受影響的情況。對(duì)于一個(gè)理想的電源來(lái)說(shuō)，其阻抗為零，平面任何一點(diǎn)的點(diǎn)位都是保持恒定的(等于系統(tǒng)供給電壓)，然而際的情況并不如此，是存在很大的噪聲干擾。在許多實(shí)際問(wèn)題中，系統(tǒng)無(wú)法正常工作的主要原因是電源分配系統(tǒng)（PDS）設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致地彈噪聲，同步開(kāi)關(guān)噪聲，尤其是在高速PCB設(shè)計(jì)中，電源分配系統(tǒng)的不合理設(shè)常常是導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的重要原因。合理的設(shè)計(jì)電源分配系統(tǒng)是有效減小電源噪聲的方法，所以電源分配

53、系統(tǒng)是高速電路PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的一個(gè)部分，為了盡量減少電源噪聲，一般電源分配系統(tǒng)可按下列規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)：1. 電源，地平面之間應(yīng)具有盡可能小的交流阻抗2. PDS必須為信號(hào)提供無(wú)干擾的回流通路3. 電源，地平面應(yīng)同時(shí)具備空間電場(chǎng)的屏蔽作用4. 配置足夠的，均勻分布的去耦電容5. 在數(shù)模混合設(shè)計(jì)中，應(yīng)為數(shù)字電路和模擬電路分別提供獨(dú)立的PDS6. 不同的電源，地層應(yīng)相對(duì)隔離，不直接疊壓7. 對(duì)每一個(gè)電路來(lái)說(shuō)，PDS應(yīng)被視為獨(dú)立的、相互隔離的，以保證噪聲不能通過(guò)PDS耦合到其他電路去第六章 電子電路設(shè)計(jì)軟件介紹隨著計(jì)算機(jī)在國(guó)內(nèi)的逐漸普及，EDA(ElectronicDesignAutomati

54、c,電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件在電路行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。這些軟件包括電路設(shè)計(jì)與仿真工具、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC設(shè)計(jì)軟件、PLD設(shè)計(jì)工具及其它EDA軟件，這里主講PADS和OrCAD對(duì)原理圖和PCB圖設(shè)計(jì)工具的相關(guān)介紹。當(dāng)然了，很多EDA軟件已經(jīng)涵蓋了所有功能甚至更多功能。6.1 軟件的介紹6.1.1 OrCAD軟件簡(jiǎn)介OrCAD /Capture CIS：它是OrCAD軟件包中的共用軟件，也是其它兩個(gè)軟件的基礎(chǔ)。它是一個(gè)功能強(qiáng)大的電路原理圖設(shè)計(jì)軟件。除了可以生成各類(lèi)電路原理圖外，與其它電路圖繪制軟件相比，Capture CIS軟件中還有明顯特點(diǎn)的元器件信息系統(tǒng)模塊CIS(Component Inf

55、ormation System)。該信息系統(tǒng)模塊除了可以對(duì)元件庫(kù)中4萬(wàn)多種元器件實(shí)施高效的管理以外，還具有ICA(Internet Component Assistant)功能，可以在設(shè)計(jì)電路圖的過(guò)程中，通過(guò)Internet網(wǎng)上其它元器件數(shù)據(jù)庫(kù)中查閱到百萬(wàn)多種元器件，并可以根據(jù)繪圖需要將它們調(diào)入電路圖或添加到自己的庫(kù)文件中；用Capture軟件繪制的電路圖完成成后，還可以直接調(diào)用OrCAD /Pspice軟件進(jìn)行仿真，也可以進(jìn)入OrCAD /Layout Plus軟件進(jìn)行制板設(shè)計(jì)；OrCAD /Capture CIS操作界面友好、直觀形象、使用方便；操作功能強(qiáng)大、靈活，項(xiàng)目管理科學(xué)有效，適應(yīng)性

56、很強(qiáng)，支持國(guó)際上多種標(biāo)準(zhǔn)。 OrCAD / PspiceA/D：這是一個(gè)通用電路模擬軟件，除了對(duì)數(shù)字電路和數(shù)/模混合電路模擬外，還具有優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能。該軟件中的Probe模塊，相當(dāng)于一臺(tái)“虛擬示波器”不但可以在模擬結(jié)束后顯示結(jié)果信號(hào)波形，而且可以對(duì)波形進(jìn)行各種運(yùn)算處理，包括提取電路特性參數(shù)、分析電路參數(shù)與元器件參數(shù)的關(guān)系，使分析過(guò)程更加方便直觀。6.1.2 PADS軟件的簡(jiǎn)介 PADS軟件是美國(guó)Mentor Graphics公司的產(chǎn)品。PADS9.5是一個(gè)功能強(qiáng)大、多頁(yè)的原理圖設(shè)計(jì)輸入工具，具有在每頁(yè)進(jìn)行快速存取、在線(xiàn)元件編輯、庫(kù)管理方便簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，所有這些都為PADS提供了高效的電路板設(shè)計(jì)環(huán)

57、境，提高了由原理圖設(shè)計(jì)鏈接到PCB制版的轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，PADS也是一個(gè)復(fù)雜的、高速印制電路板設(shè)計(jì)軟件。它具有快速交互布線(xiàn)編輯器(FIRE)，它的這一功能在眾多的交互布線(xiàn)模式中獨(dú)樹(shù)一幟，由于FIRE采用強(qiáng)大功能的算法，布線(xiàn)完成后很少需要用戶(hù)修改調(diào)整，可以使用戶(hù)在布線(xiàn)時(shí)節(jié)省大量時(shí)間，提高效率。對(duì)表貼元件等細(xì)小焊盤(pán)間距、對(duì)高速布線(xiàn)的約束條件設(shè)定、對(duì)圖形用戶(hù)界面的定制等方面功能，PADS軟件都是無(wú)可挑剔的。由于PADS LAYOUT 和 PADS LOGIC兩軟件運(yùn)行速度快，加之功能強(qiáng)大，有些簡(jiǎn)單的操作可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能、快捷鍵方便、視窗寬等優(yōu)點(diǎn)。 6.2基本PCB設(shè)計(jì)知識(shí)通常，硬件電路設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，都需要遵循一定的步驟。要知道，嚴(yán)格按照步驟進(jìn)行工作是設(shè)計(jì)出完美