電路的設計技術(shù)及技巧

1、電路的設計技術(shù)與技巧電路是電流所流經(jīng)的路徑,或稱電子回路，是由電氣設備和元器件（用電器），按一定方式聯(lián)接起來。如電阻、電容、電感、二極管、三極管、電源和開關等，構(gòu)成的網(wǎng)絡。 電路規(guī)模的大小，可以相差很大，小到硅片上的集成電路，大到高低壓輸電網(wǎng)。在電路輸入端加上電源使輸入端產(chǎn)生電勢差，電路連通時即可工作。電流的存在可以通過一些儀器測試出來，如電壓表或電流表偏轉(zhuǎn)、燈泡發(fā)光等；按照流過的電流性質(zhì)，一般把它分為兩種：直流電通過的電路稱為“直流電路”，交流電通過的電路稱為“交流電路”。而根據(jù)所處理信號的不同，電子電路又可以分為模擬電路和數(shù)字電路。. 一.電路的組成 電路由電源、開關、連接導線和用電器四大

2、部分組成。實際應用的電路都比較復雜，因此，為了便于分析電路的實質(zhì)，通常用符號表示組成電路實際原件及其連接線，即畫成所謂電路圖。其中導線和輔助設備合稱為中間環(huán)節(jié)。電源是提供電能的設備。電源的功能是把非電能轉(zhuǎn)變成電能。例如，電池是把化學能轉(zhuǎn)變成電能；發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)變成電能。由于非電能的種類很多，轉(zhuǎn)變成電能的方式也很多。電源分為電壓源與電流源兩種，只允許同等大小的電壓源并聯(lián)，同樣也只允許同等大小的電流源串聯(lián)，電壓源不能短路，電流源不能斷路。 在電路中使用電能的各種設備統(tǒng)稱為負載。負載的功能是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥?。例如，電爐把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；電動機把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能等。通常使用的照明器具、家用電

3、器、機床等都可稱為負載。連接導線用來把電源、負載和其他輔助設備連接成一個閉合回路，起著傳輸電能的作用。 電路輔助設備：輔助設備是用來實現(xiàn)對電路的控制、分配、保護及測量等作用的。輔助設備包括各種開關、熔斷器、電流表、電壓表及測量儀表等。 二.電路中常用的物理量與重要定律（1） 電路的作用是進行電能與其它形式的能量之間的相互轉(zhuǎn)換。因此，用一些物理量來表示電路的狀態(tài)及各部分之間能量轉(zhuǎn)換的相互關系。 電流的含義 電流在實用上有兩個含義：第一，電流表示一種物理現(xiàn)象，即電荷有規(guī)則的運動就形成電流。第二，本來，電流的大小用電流強度來表示，而電流強度是指在單位時間內(nèi)通過導體截面積的電荷量，其單位是安培（庫/秒

4、），簡稱安，用大寫字母A表示。但電流強度平時人們多簡稱電流。所以電流又代表一個物理量，這是電流的第二個含義。 電流的方向 電流的真實方向和正方向是兩個不同的概念，不能混淆。 習慣上總是把正電荷運動的方向，作為電流的方向，這就是電流的實際方向或真實方向，它是客觀存在，不能任意選擇，在簡單電路中，電流的實際方向能通過電源或電壓的極性很容易地確定下來。 但是，在復雜直流電路中，某一段電路里的電流真實方向很難預先確定，在交流電路中，電流的大小和方向都是隨時間變化的。這時，為了分析和計算電路的需要，引入了電流參考方向的概念，參考方向又叫假定正方向，簡稱正方向。 所謂正方向，就是在一段電路里，在電流兩種可

5、能的真實方向中，任意選擇一個作為參考方向（即假定正方向）。當實際的電流方向與假定的正方向相同時，電流是正值；當實際的電流方向與假定正方向相反時，電流就是負值。 換一個角度看，對于同一電路，可以因選取的正方向不同而有不比較電壓和電位的概念可以看出，電場中某點的電位就是該點到參考點之間的電壓，電位是電壓的一個特殊形式同的表示，它可能是正值或者是負值。要特別指出的是，電路中電流的正方向一經(jīng)確定，在整個分析與計算的過程中必須以此為準，不允許再更改。 從數(shù)值上看，AB兩點之間的電壓是電場力把單位正電荷從A點移動到B點時所做的功；而電場中某點的電位等于電場力將單位正電荷自該點移動到參考點所做的功。對于電位

6、來說，參考點是至關重要的。在同一電路中，當選定不同的參考點，同一點的電位數(shù)值是不同的。 二.電路中常用的物理量與重要定律（2） 原則上說，參考點可以任意選定。在電工領域，通常選電路里的接地點為參考點，在電子電路里，常取機殼為參考點。 在實際應用時，僅知道兩點間的電壓往往不夠，還要求知道這兩點中哪一點電位高，哪一點電位低。例如，對于半導體二極管來說，還有其陽極電位高于陰極電位時才導通；對于直流電動機來說，繞組兩端的電位高低不同，電動機的轉(zhuǎn)動方向可能是不同的。由于實際使用的需要，要求我們引入電壓的極性，即方向問題。 電路中因其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能所引起的電位差，叫做電動勢。用字母E表示，單位是伏

7、特。在電路中，電動勢常用符號表示。 在物理學中，用電功率表示消耗電能的快慢電功率用P表示，它的單位是瓦特，簡稱瓦，符號是W電流在單位時間內(nèi)做的功叫做電功率 以燈泡為例，電功率越大，燈泡越亮。燈泡的亮暗由實際電功率決定，不用所通過的電流、電壓、電能、電阻決定！ 電路中的重要定律 歐姆定律：在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻阻值成反比，基本公式是I=U/R（電流=電壓/電阻） 諾頓定理：任何由電壓源與電阻構(gòu)成的兩端網(wǎng)絡, 總可以等效為一個理想電流源與一個電阻的并聯(lián)網(wǎng)絡。 戴維寧定理：任何由電壓源與電阻構(gòu)成的兩端網(wǎng)絡, 總可以等效為一個理想電壓源與一個電阻的串聯(lián)網(wǎng)絡。 分

8、析包含非線性器件的電路，則需要一些更復雜的定律。實際電路設計中，電路分析更多的通過計算機分析模擬來完成。 它是線性元件的一個重要定理。在線性電阻中，某處電壓或電流都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該處分別產(chǎn)生的電壓或電流的疊加。 對于一個具有n個結(jié)點和b條支路的電路，假設各條支路電流和支路電壓取關聯(lián)參考方向，并令（i1,i2,ib）、（u1,u2,ub）分別為b條支路的電流和電壓，則對于任何時間t，有i1*u1+i2*u2+ib*ub=0。 在對偶電路中，某些元素之間的關系（或方程）可以通過對偶元素的互換而相互轉(zhuǎn)換。對偶的內(nèi)容包括：電路的拓撲結(jié)構(gòu)、電路變量、電路元件、一些電路的公式（或方程）

9、甚至定理。 所有的電路在工作時，每一個元件或線路都會有能量的工作運用，即電能運用，而所有電路里的電能工作運用即稱為電路功率。 電路或電路元件的功率定義為：【功率=電壓*電流（P=I*V）】。 自然界里能量不會消滅，固有一定律【能量守恒定律】。 電路總功率=電路功率+各電路元件功率。例如：【電源（I*V）=電路（I*V）+ 各元件（I*V）】 在電路中的能量有時會變?yōu)闊崮芑蜉椛淠艿绕渌芰苛魇У娇諝庵校@就是電路或電路元件會發(fā)熱的原因，不會全部形成電能于電路中，有【總能量=電能+熱能+輻射能+其他能量】。 三.電路的設計 設計的思路（來源于電子發(fā)燒友網(wǎng)） 設計電路思路特別重要，那么思路又是如何得

10、來的呢？每當我們看到一個比較復雜的電路時，首先想到的是別人是如何把這么復雜的電路設計出來的？為什么我不能？我怎么才能夠設計呢？ 從大的方面講一般我們分三步走： 第一步，先學會看別人的電路； 第二步，學會根據(jù)自己的需要修改別人的電路； 第三步，自己獨立設計電路。具體方法其實任何一個復雜的電路都是由一個個小的電路模塊組成的。 首先，我們先把一個小的單元電路搞懂，而這個單元電路又是由一個個元器件組成的，所以我們先把這個單元電路中元器件弄通，而掌握這些元器件無非是電流、電壓、功率、工作條件等這幾個參數(shù)； 然后把這些器件放在一個單元單元電路中根據(jù)前面說的那幾個參數(shù)分析他們在電路中的作用。然后一定要多動手

11、，建議大家把每個元器件都要換個參數(shù)測試一下，而且每次只能更換一個元器件，觀看電路有什么變化，思考為什么會有這樣的變化，然后逐漸更換所有元器件，重復以上，這樣你會對電路中的這些元器件有了很深刻的感悟，而且動手做過的東西你不會忘記的。這樣對你積累經(jīng)驗十分有幫助。 其次，把兩個單元電路進行聯(lián)調(diào)，觀察調(diào)試過程出現(xiàn)的問題，直至調(diào)通。最后把多個單元電路進行聯(lián)調(diào)，直至調(diào)通。這樣由簡單到復雜循序漸進地學習和掌握電路設計經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗作為數(shù)據(jù)庫會存進你的大腦，以后你在設計電路時需要什么電路你大腦就會立即跳出來你曾經(jīng)做過的這些電路，讓你電路設計起來特別輕松，游刃有余。 電子電路設計的一般方法與步驟一、總體方案的

12、設計與選擇 1.方案原理的構(gòu)想 (1)提出原理方案 一個復雜的系統(tǒng)需要進行原理方案的構(gòu)思，也就是用什么原理來實現(xiàn)系統(tǒng)要求。因此，應對課題的任務、要求和條件進行仔細的分析與研究，找出其關鍵問題是什么，然后根據(jù)此關鍵問題提出實現(xiàn)的原理與方法，并畫出其原理框圖（即提出原理方案）。提出原理方案關系到設計全局，應廣泛收集與查閱有關資料，廣開思路,開動腦筋,利用已有的各種理論知識，提出盡可能多的方案，以便作出更合理的選擇。所提方案必須對關鍵部分的可行性進行討論，一般應通過試驗加以確認。 (2)原理方案的比較選擇 原理方案提出后，必須對所提出的幾種方案進行分析比較。在詳細的總體方案尚未完成之前,只能就原理方

13、案的簡單與復雜，方案實現(xiàn)的難易程度進行分析比較，并作出初步的選擇。如果有兩種方案難以敲定，那么可對兩種方案都進行后續(xù)階段設計，直到得出兩種方案的總體電路圖,然后就性能、成本、體積等方面進行分析比較，才能最后確定下來。3.總體方案的確定 原理方案選定以后，便可著手進行總體方案的確定，原理方案只著眼于方案的原理，不涉及方案的許多細節(jié)，因此，原理方案框圖中的每個框圖也只是原理性的、粗略的，它可能由一個單元電路構(gòu)成，亦可能由許多單元電路構(gòu)成。為了把總體方案確定下來，必須把每一個框圖進一步分解成若干個小框，每個小框為一個較簡單的單元電路。當然，每個框圖不宜分得太細，亦不能分得太粗，太細對選擇不同的單元電

14、路或器件帶來不利，并使單元電路之間的相互連接復雜化；但太粗將使單元電路本身功能過于復雜，不好進行設計或選擇。總之,應從單元電路和單元之間連接的設計與選擇出發(fā)，恰當?shù)胤纸饪驁D。二、單元電路的設計與選擇.單元電路結(jié)構(gòu)形式的選擇與設計 按已確定的總體方案框圖，對各功能框分別設計或選擇出滿足其要求的單元電路。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)要求，明確功能框?qū)卧娐返募夹g(shù)要求，必要時應詳細擬定出單元電路的性能指標，然后進行單元電路結(jié)構(gòu)形式的選擇或設計。 滿足功能框要求的單元電路可能不止一個，因此必須進行分析比較，擇優(yōu)選擇。 2.元器件的選擇 (1)元器件選擇的一般原則 元器件的品種規(guī)格十分繁多，性能、價格和體積各異

15、，而且新品種不斷涌現(xiàn)，這就需要我們經(jīng)常關心元器件信息和新動向，多查閱器件手冊和有關的科技資料，尤其要熟悉一些常用的元器件型號、性能和價格，這對單元電路和總體電路設計極為有利。選擇什么樣的元器件最合適，需要進行分析比較。首先應考慮滿足單元電路對元器件性能指標的要求，其次是考慮價格、貨源和元器件體積等方面的要求。 (2)集成電路與分立元件電路的選擇問題 隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種集成電路大量涌現(xiàn)，集成電路的應用越來越廣泛。今天，一塊集成電路常常就是具有一定功能的單元電路，它的性能、體積、成本、安裝調(diào)試和維修等方面一般都優(yōu)于由分立元件構(gòu)成的單元電路。 優(yōu)先選用集成電路不等于什么場合都一定要用集成

16、電路。在某些特殊情況，如：在高頻、寬頻帶、高電壓、大電流等場合，集成電路往往還不能適應，有時仍需采用分立元件。另外，對一些功能十分簡單的電路，往往只需一只三極管或一只二極管就能解決問題，就不必選用集成電路。 具體怎樣集成電路 集成電路的品種很多，總的可分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和模數(shù)混合集成電路等三大類。按功能分，模擬集成電路有：集成運算放大器、比較器、模擬乘法器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓器，集成函數(shù)發(fā)生器以及其他專用模擬集成電路等；數(shù)字集成電路有:集成門、驅(qū)動器、譯碼器/編碼器、數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、存儲器、微處理器、可編程器件等；混合集成電路有：定時器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換

17、器、鎖相環(huán)等。 按集成電路中有源器件的性質(zhì)又可分為雙極型和單極型兩種集成電路。同一功能的集成電路可以是雙極型的，亦可以是單極型的。雙極型與單極型集成電路在性能上的主要差別是:雙極型器件工作頻率高、功耗大、溫度特性差、輸入電阻小等，而單極型器件正好相反。至于采用哪一種，這要由單元電路所要求的性能指標來決定。 數(shù)字集成電路有：雙極型的TTL、ECL和I2L等，單極型的CMOS、NMOS和動態(tài)MOS等。選擇集成電路的關鍵因素主要包括性能指標、工作條件、性能價格比等，集成電路選擇流程如下圖所示：集成電路選擇的流程 三、單元電路之間的級聯(lián)設計 各單元電路確定以后，還要認真仔細地考慮他們之間的級聯(lián)問題，如

18、：電氣特性的相互匹配、信號耦合方式、時序配合，以及相互干擾等問題。 1. 電氣性能相互匹配問題 關于單元電路之間電氣性能相互匹配的問題主要有：阻抗匹配、線性范圍匹配、負載能力匹配、高低電平匹配等。前兩 個問題是模擬單元電路之間的匹配問題，最后一個問題是數(shù)字單元電路之間的匹配問題。而第三個問題(負載能力匹配)是兩種電路都必須考慮的問題。從提高放大倍數(shù)和負載能力考慮，希望后一級的輸入電阻要大,前一級的輸出電阻要小,但從改善頻率響應角度考慮，則要求后一級的輸入電阻要小。 對于線性范圍匹配問題，這涉及到前后級單元電路中信號的動態(tài)范圍。顯然，為保證信號不失真地放大則要求后一級單元電路的動態(tài)范圍大于前級。

19、 負載能力的匹配實際上是前一級單元電路能否正常驅(qū)動后一級的問題。這在各級之間均有，但特別突出的是在后一級單 元電路中，因為末級電路往往需要驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如果驅(qū)動能力不夠，則應增加一級功率驅(qū)動單元。在模擬電路里，如對驅(qū) 動能力要求不高，可采用運放構(gòu)成的電壓跟隨器，否則需采用功率集成電路，或互補對稱輸出電路。在數(shù)字電路里，則采用達林頓驅(qū)動器、單管射極跟隨器或單管反向器。電平匹配問題在數(shù)字電路中經(jīng)常遇到。若高低電平不匹配，則不能保證正常的邏輯功能，為此，必須增加電平轉(zhuǎn)換電路。尤其是CMOS集成電路與TTL集成電路之間的連接，當兩者的工作電源不同時(如CMOS為+15V,TTL為+5V）,此時兩者之間

20、必須加電平轉(zhuǎn)換電路。 2.信號耦合方式 常見的單元電路之間的信號耦合方式有四種：直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合。 (1)直接耦合方式 直接耦合是上一級單元電路的輸出直接（或通過電阻）與下一級單元電路的輸入相連接。這種耦合方式最簡單，它可把上一級輸出的任何波形的信號（正弦信號和非正弦信號）送到下一級單元電路。但是，這種耦合方式在靜態(tài)情況下，存在兩個單元電路的相互影響。在電路分析與計算時，必須加以考慮。 (2)阻容耦合方式（如下圖所示） 14.1.2 阻容耦合傳遞脈沖信號 (3)變壓器耦合方式 (4)光電耦合方式 光電耦合方式是一種常用的方式，其主要是通過光電信號的轉(zhuǎn)換變成信號的傳輸，以

21、達到前后級隔離的目的。 3.時序配合 單元電路之間信號作用的時序在數(shù)字系統(tǒng)中是非常重要的。哪個信號作用在前，哪個信號作用在后，以及作用時間長短等，都是根據(jù)系統(tǒng)正常工作的要求而決定的。換句話說，一個數(shù)字系統(tǒng)有一個固定的時序。時序配合錯亂，將導致系統(tǒng)工作失常。 時序配合是一個十分復雜的問題，為確定每個系統(tǒng)所需的時序，必須對該系統(tǒng)中各個單元電路的信號關系進行仔細的分析，畫出各信號的波形關系圖時序圖，確定出保證系統(tǒng)正常工作下的信號時序，然后提出實現(xiàn)該時序的措施。四、畫出總體電路草圖 單元電路和它們之間連接關系確定后，就可以進行總體電路圖的繪制?？傮w電路圖是電子電路設計的結(jié)晶，是重要的設計文件，它不僅僅是電路安裝和電路板制作等工藝設計的主要依據(jù)，而且是電路試驗和維修時不可缺少的文件。總體電路涉及的方面和問題很多，不可能一次就把它畫好，因為尚未通過試驗的檢驗，所以不能算是正式的總體電路圖，而只能是一個總體電路草圖。 對畫出總體電路圖的要求是：能清晰公整地反映出電路的組成、工作原理、各部分之間的關系以及各種信號的流向。因此，圖紙的布局、圖形符號、文字標