第1章 電子電路一般設(shè)計方法

綜合電子設(shè)計與實踐主講教師：陳亮電話1章電子電路設(shè)計的一般方法

1-1概述所謂電子系統(tǒng)是指由一組電子元件或基本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。一般按電子系統(tǒng)所處理加工完成信號的不同，可分為模擬電子系統(tǒng)、數(shù)字電子系統(tǒng)和數(shù)字---模擬混合電子系統(tǒng)。

一、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(jìn)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模擬電子系統(tǒng)框圖

圖1.1.1為低頻功率擴(kuò)音系統(tǒng)框圖，它由話筒、音頻放大電路、揚(yáng)聲器和電源組成。二、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。圖1.1.2數(shù)字電子系統(tǒng)的簡單框圖一般來說，區(qū)別數(shù)字電路是系統(tǒng)還是功能部件的標(biāo)志：有沒有控制器。凡是有控制器的數(shù)字電路，不管其規(guī)模大小，一律稱為數(shù)字電子系統(tǒng)。如僅由幾片中規(guī)模集成電路組成的交通燈控制器應(yīng)稱為數(shù)字電子系統(tǒng)。而不包含控制器的數(shù)字電路，不管其規(guī)模大小，均不能作為獨立的數(shù)字系統(tǒng)來對待，最多只能算是一個子系統(tǒng)。如一個半導(dǎo)體存儲器，盡管規(guī)模很大，由于功能單一，只能稱之為部件。

三、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)。一個水溫自動控制系統(tǒng)的框圖如圖1.1.3所示

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(jī)系統(tǒng)根據(jù)水溫控制模型進(jìn)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(dá)的系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)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），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(jìn)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(jìn)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(xì)擬定出單元電路的性能指標(biāo)，認(rèn)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(dāng)改進(jìn)，或自己進(jìn)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(jìn)行電子電路設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)電路的性能指標(biāo)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(biāo)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(dāng)?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1.5～2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(biāo)稱值。電阻值一般在1MΩ內(nèi)選擇；非電解電容器一般在100pF～0.47uF選擇；電解電容一般在1uF～2000uF范圍內(nèi)選用。（4）在保證電路達(dá)到功能指標(biāo)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(jī)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(qiáng)，可使電子電路可靠性增強(qiáng)，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(yùn)算放大器層出不窮，只要外加極少量的元器件，利用運(yùn)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(jìn)行直流穩(wěn)壓電源設(shè)計時，已很少采用分立元器件進(jìn)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(biāo)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(jī)模擬仿真

隨著計算機(jī)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(jī)工作平臺上，利用EDA軟件，可對各種電子電路進(jìn)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(dāng)多，由于電路在計算機(jī)上進(jìn)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(jī)仿真過的電路，還要進(jìn)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(biāo)達(dá)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(biāo)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(jī)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(biāo)注上標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)化，元件符號旁邊應(yīng)標(biāo)出型號和參數(shù)。集成電路通常用方框表示，在方框內(nèi)標(biāo)出它的型號，在方框的邊線兩側(cè)標(biāo)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(biāo)出。對于連接電源負(fù)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(biāo)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(dá)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(jī)上數(shù)分鐘內(nèi)即可完成。這不僅擴(kuò)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(dá)到的技術(shù)性能、精度指標(biāo)、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(jìn)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(dá)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(yùn)算、進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集、處理、控制的系統(tǒng)，可采用單片機(jī)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(jī)，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?？刂齐娐肥钦麄€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)