電子系統設計基礎

第一章電子系統設計基礎院校：長治學院系別：電子信息與物理系主講人：張毅郵箱：qqvirile@163.com聯系電話：152345001332023/2/4課程概述講授24課時（1-12周）實驗27課時（第一周開始做）成績=實驗成績+平時成績+考勤+考試筆記要做好，實驗報告冊（電子版）2023/2/41.1電子系統范疇軍用電子消費類電子計算機類通信電子汽車電子

工業(yè)電子2023/2/4模擬系統與數字系統模數混合系統（絕大多數系統）如空調控制器、電視機、測量儀器、工業(yè)控制器、手機電路

純粹的模擬系統---如簡單的放大器純粹的數字系統---如電子鐘2023/2/4消費類產品2023/2/4主板2023/2/4顯卡和網卡七彩虹顯卡TP-Link網卡2023/2/4通信電子產品2023/2/4車載GPS和悍馬2023/2/4汽車電子燃油噴射控制器2023/2/4數控鉆床和汽車生產線

2023/2/4艦船和戰(zhàn)斗機2023/2/4三運放儀表放大器

2023/2/4數字產品2023/2/4手機電路2023/2/4超級芯片數碼彩電主板2023/2/41.2電子系統概念2023/2/42023/2/42023/2/42023/2/42023/2/42023/2/42023/2/41.3電子系統設計步驟確立目標（根據市場調查或者用戶需求）系統方案設計（技術方法/單片機、DSP、FPGA、嵌入式方法）理論模型建立與算法設計（算法的有效性與穩(wěn)定性）硬件設計

信號采集與前端信號處理;邏輯控制單元;輸出回路設計軟件設計調試（單元調試與系統調試）產品化設計（功能、價錢、外觀、節(jié)能、操控性）產品認證（節(jié)能、電氣安全、環(huán)保、行業(yè)特殊要求、不同國家的專門認證要求）2023/2/4數字系統設計常用的技術方法單片機技術MicrocontrollerUnitDSP技術DigitalSignalProcessor嵌入式系統EmbeddedSystemASIC技術

ApplicationSpecificIntegrationCircuits可編程ASIC技術CPLD/FPGA2023/2/4設計中幾個基本概念EDA技術ElectronicDesignAutomaticTechnology開發(fā)平臺DevelopmentKit仿真技術SimulateTechnologySOC片上系統SystemonChipIP知識產權模塊

Intellectual

PropertyEMCElectromagneticCompatibility（電磁兼容性）OEMOriginalEquipmentManufacture(原始設備制造商)

2023/2/4設計與仿真工具可編程器件設計工具

XilinxISE;AlteraQuartusII;MentorFpgaAdvantage系統級設計與算法設計工具SystemView;MATLAB電路級仿真工具

Pspice;MultiSimPCB設計工具PowerPCB;

Protel

嵌入式系統開發(fā)工具

ARMADS;

KeilARM/C51IDE；AlteraNiosIIIDE；TiCodeComposerStudio2023/2/4ＭATLAB仿真軟件---豐富的表現力2023/2/4ＭATLAB仿真軟件---強大的運算能力2023/2/4MUTISIM仿真軟件2023/2/4MUTISIM仿真軟件---直觀的線路仿真2023/2/4Protel仿真軟件--原理圖設計2023/2/4Protel

仿真軟件----多層電路板設計2023/2/4Ｘilinx仿真軟件ISE2023/2/4Ｘilin設計軟件ISE仿真器2023/2/4QuartusⅡ仿真軟件---VHDL設計入口2023/2/4QuartusⅡ仿真軟件---原理圖設計入口2023/2/4QuartusⅡ仿真軟件---仿真2023/2/4MentorFPGAAdvantage2023/2/4ARMCodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境

2023/2/4ARMAXD調試器

2023/2/42023/2/4TiCodeComposerStudio2023/2/4TiCodeComposerStudio2023/2/41.4電子系統設計方法2023/2/4系統的結構自頂至底有：系統子系統部件（功能模塊）單元電路元器件版圖2023/2/4系統子系統子系統功能模塊功能模塊功能模塊功能模塊單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路元、器件版圖自頂向下自頂向下設計方法2023/2/4自上而下法的優(yōu)點盡量運用概念（抽象）描述、分析設計對象，不過早地考慮具體的電路、元器件和工藝概念驅動法抓住主要矛盾，不糾纏在具體細節(jié)上，控制設計的復雜性2023/2/4自底向上設計方法系統子系統子系統功能模塊功能模塊功能模塊功能模塊單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路元、器件版圖自頂向上2023/2/4部件設計在先，設計系統時將受這些部件的限制，影響：

系統性易讀性可靠性可維護性自底向上的缺點2023/2/4自底向上的優(yōu)點在系統的組裝和調試過程中有效可利用前人的設計成果2023/2/4系統子系統子系統功能模塊功能模塊功能模塊功能模塊單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路元、器件版圖以功能模塊為基礎的自上而下的設計方法2023/2/4基于IP的系統芯片(SOC)的設計2023/2/42023/2/42023/2/41.5板卡設計與仿真技術板卡設計是指根據所設計的電子線路在具體應用中的約束條件，把電子線路布置在一塊線路板或接口卡上，這里的約束包括安裝時的幾何形狀、幾何尺寸、電磁兼容性、安全性與可靠性等。印刷電路板(PrintedCircuitBoard-PCB)設計是板卡設計中的主要工作。電路板設計特別費時費力，需要CAD技術的幫助。板卡設計與仿真的軟件有：Smartwork、Tango、OrCAD、PCAD、PADS、Protel、EESYSTEM等。其中使用Protel較多，是因為簡單、易學、實用。2023/2/4Protel發(fā)展歷史87、88年由美國ACCELTechnologiesInc推出了第一個應用于電子線路設計軟件包——TANGO，這個軟件包開創(chuàng)了電子設計自動化（EDA）的先河。1985年誕生dos版Protel1998年Protel98這個32位產品是第一個包含5個核心模塊的EDA工具1999年Protel99構成從電路設計到真實板分析的完整體系。2002年ProtelDXP集成了更多工具，使用方便，功能更強大。2003年Protel2004對ProtelDXP進一步完善。2006年AltiumDesigner6.0成功推出，集成了更多工具，使用方便，功能更強大，特別在PCB設計這一塊性能大大提高。補充：A.目前中國的電子工程師用得最多的是：protel99se,最新版本AD6是由Altium的300-400個工程師經過6/7年的研發(fā)，ProtelDXP是過渡版本，修正版是Protel2004。B.AD6是2005年11月28日發(fā)布的（在網站上），它真正進入中國是2006年元旦以后，春節(jié)之后在中國正式發(fā)行。2023/2/4繪制電路原理圖基本流程1.設置圖紙大小2.設置設計環(huán)境3.放置元件和定義元件屬性4.原理圖布線5.調整線路6.輸出報表7.保存及打印輸出文件2023/2/4進入環(huán)境設置窗口設置原理圖圖紙參數設置環(huán)境參數加載或卸載系統元件庫1、設置原理圖編輯器環(huán)境2023/2/42、輸入或繪制原理圖繪制原理圖的電氣部件

2023/2/4查找元件2023/2/4元件屬性設置2023/2/4放置連線2023/2/4電氣連接點選擇Schmatic選項卡，選擇Option選項組中的Auto-Junction復選框2023/2/4放置電源/接地端點

2023/2/4繪制網絡標號2023/2/4放置總線(Bus)2023/2/4放置端口2023/2/4放置電路模塊

2023/2/4放置原理圖圖形部件2023/2/4放置說明文字標注和文本框2023/2/4繪制圖形2023/2/43、修改和編輯原理圖2023/2/4保存原理圖2023/2/45、原理圖設計規(guī)則檢查2023/2/4核對和排除錯誤

2023/2/46、打印輸出原理圖文件設置2023/2/4設置2023/2/47、生成與校對SPICEnetlist

執(zhí)行Design|CreateNetlist命令

2023/2/4

SPICEnetlist比較記錄文件

2023/2/48、統計原理圖信息2023/2/4

2023/2/4

2023/2/4印刷電路板設計單面板是一面有敷銅，另一面沒有敷銅的電路板，它只可在敷銅的一面布線，另一面放置元件。雙面板包括頂層（TopLayer）和底層（BottomLayer）兩層，兩面都有敷銅，均可布線。雙面板包括頂層（TopLayer）和底層（BottomLayer）兩層，兩面都有敷銅，均可布線。多層板是包含了多個工作層面的電路板。除了頂層、底層以外，還包括中間層、內部電源/接地層等。多層電路板包括三層或三層以上，如四層板、六層板等。信號層（SignalLayers）:主要用于放置連接數字或模擬信號的銅膜走線。層電源/接地層（InternalPlane）:主要用于布置電源線及接地線。2023/2/4機械層（MechanicalLayers）：主要用于放置各種指示和說明文字，如電路板尺寸。阻焊層（SolderMask）：Top/BottomSolderMask為頂/底層阻焊層，主要用于絲網漏印版，將不需要焊接的地方涂上阻焊劑。絲印層（Silksreen）:用于印刷標識元件的名稱、參數和形狀。有Top/BottomOverlay頂/底層絲印層穿透層(MultiLayer)：用于放置所有穿透式焊盤和過孔。

禁止布線層(KeepOut)：用于設置布線范圍和電路板尺寸。安全間距(Clearance)是銅線與銅線、銅線與焊盤、焊盤與焊盤、焊盤與過孔之間的最小距離。2023/2/4電原理圖只表示電氣連接，而PCB是實際元件的物理連接板。2023/2/4安裝上元件后，就是實際的電子產品2023/2/4單面板、插入式封裝2023/2/4表貼封裝2023/2/4圖1 單面板與雙面板結構圖圖2 四層板結構圖2023/2/4元件封裝：元件封裝的定義規(guī)則為元件類型+焊點距離+元件外形。針腳式元件封裝：元件引腳帶有針腳形狀，在焊接時必須把元件引腳插入焊點導通孔，加上焊錫，通過焊接連接引腳和焊盤。因為針腳式元件的引腳貫穿整個電路板的各個板層，所以在焊點屬性設置中，Layer板層屬性必須設置位MultiLayer。表面貼片式元件：元件引腳用焊錫粘貼在印制電路板表面板層，因為表面貼片式元件的引腳僅僅作用于電路板單一層面，所以在板層屬性設置中，Layer必須指定電路板板層（TopLayer或BottomLayer）。導線：電路板上布置的導線都是銅質的，稱為銅膜導線或簡稱為導線，用于傳遞各種電流信號。飛線：飛線是虛線，它指示元件焊點之間的連接關系，導線實現飛線的意圖。焊盤：焊盤的主要作用是通過引腳來固定元件，每一焊盤對一個引腳，在焊盤部位放置引腳和融化的焊錫，冷卻后焊錫凝固從而將元件牢牢固定住。過孔：過孔在多層電路板設計中，它用于連接不同板層間的導線。2023/2/4PCB布局、布線基本原則

一、元件布局基本規(guī)則

元件布局的基本過程如下：先規(guī)劃電路板的尺寸，在確定特殊元件的位置后，根據電路的流程安排各功能單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。在放置功能單元電路的元件時，一般以其核心元件為中心，圍繞它布局，元器件應整齊、均勻、緊湊地排列在PCB板上。根據元器件間的連線關系，要適當調整元件的位置，如旋轉元件、左右或上下移動元件，使元件之間的連線盡量短些。 元件的布局就像下棋的布局，直接關系到電路板設計的成敗。應當從機械結構、散熱、電磁干擾、以后布線的方便性等多方面綜合考慮。2023/2/41．機械方面（1）確定PCB板尺寸、大小。最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3。實踐中也有各種異形板，如環(huán)形的操作板，這就要根據實際情況來定。當電路板尺寸大于200×150mm時，應適當增加厚度，或在電路板中增加支撐定位孔。（2）先安排特殊器件，如外部接插件、顯示器件，其定位要考慮和其他機械部件的配合。（3）重量超過15g的元器件應當用支架固定，又大又重的元件不宜直接安放到電路板上。（4）電位器、可調電感、線圈、可變電容器等可調元件，布局時應考慮整機結構。如在機內調節(jié)，應放在印制板方便調節(jié)的地方；如在機外調節(jié)，其位置要與調節(jié)旋鈕在機箱上的位置相適應。（5）應當留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。（6）位于電路板邊緣的器件，離電路板邊緣的距離一般不小于2mm。（7）定位孔、標準孔等非安裝孔周圍1.27mm內不得貼裝元、器件，螺釘等安裝孔周圍3.5mm（對于M2.5）、4mm（對于M3）內不得貼裝元器件；2023/2/42．散熱方面（1）發(fā)熱元器件應放在印制電路板易于散熱的地方，如板子邊緣、通風處。豎放的板子，發(fā)熱元件應放到板子上部，雙面板的底層不得放置發(fā)熱元件。（2）發(fā)熱量較大的元件，不宜放在印制板上。（3）怕熱元件如電解電容、晶振、鍺管等，要與發(fā)熱元件隔開一段距離。（4）發(fā)熱元件不能緊鄰導線和熱敏元件；高熱器件要均衡分布；2023/2/43．電磁干擾（1）集成電路的去藕電容要盡量就近安放，一般工作頻率在10Mhz以下的用0.1uF電容，10Mhz以上的用0.01uF的電容。（2）某些元件或導線間有較高的電位差，應加大距離，以免放電。帶高壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。（3）易互相干擾的元器件不能靠得太近，輸入輸出元器件應盡可能遠離，避免反饋干擾。（4）高頻元器件為減小分布參數，一般就近安放（不規(guī)則排列），一般電路（低頻電路）應因規(guī)則排列，便于裝焊。2023/2/44．其它方面（1）按電路模塊進行布局，實現同一功能的相關電路稱為一個模塊，電路模塊中的元件應采用就近集中原則，同時數字電路和模擬電路分開；（2）臥裝電阻、電感（插件）、電解電容等元件的下方避免布過孔，以免波峰焊后過孔與元件殼體短路；（3）電源插座要盡量布置在印制板的四周。電源插座及焊接連接器的布置間距應考慮方便電源插頭的插拔；（4）所有IC元件單邊對齊，有極性元件極性標示明確；（5）板面布線應疏密得當，當疏密差別太大時應以網狀銅箔填充，網格大于8mil(或0.2mm)；（6）貼片焊盤上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虛焊。重要信號線不準從插座腳間穿過；（7）貼片單邊對齊，字符方向一致，封裝方向一致；（8）有極性的器件在以同一板上的極性標示方向盡量保持一致。2023/2/4二、元件布線規(guī)則（1）畫定布線區(qū)域距PCB板邊≤1mm的區(qū)域內，以及安裝孔周圍1mm內，禁止布線；（2）一般將公共地線布置在印制板的邊緣，便于與機架（地）相連接。導線與印制板的邊緣應留有一定距離。（3）多級電路為防止局部電流而產生地阻抗干擾，各級電路應在一點接地（或盡量集中接地），高頻電路（30MHz以上）常采用大面積接地，這時各級的內部元件也應集中一小塊區(qū)域接地。（4）易受干擾器件和線路可用地線包圍。（5）電路中數字地和模擬地要分開，然后在一點接地，以防形成地回路。（6）電源線和地線靠近點，盡量減小圍出的面積，以降低電磁干擾。（7）注意電源線與地線應盡可能呈放射狀，以及信號線不能出現回環(huán)走線（8）導線間避免近距離平行走長線，這樣寄生耦合較大。雙面印制線避免平行，最好垂直或斜交。（9）輸入輸出線最好遠離，中間可用地線隔開。2023/2/4（10）導線應走平直，不應有急劇的彎曲和出現尖角，應用圓弧或折線過渡。（11）數字回路和模擬回路要分開，避免高頻和低頻信號的干擾。（12）載流大的導線應寬些，印制板上線寬和電流的關系大約是每毫米線寬允許載流1安培。一般導線寬度在0.3mm～2.0mm之間。電源線一般取0.5～1.0mm（20mil～40mil）,地線一般取1.0mm(40mil)以上。在可能的情況下，導線盡量寬些。（13）不同網絡的走線、焊盤、過孔之間要保持一定距離，一般整個板子可設為0.254mm(10mil)，較空的板子可設為0.3mm，較密的貼片板子可設為0.2～0.22mm，0.1mm以下是絕對禁止的。2023/2/4

進入PCB編輯環(huán)境，初步規(guī)劃電路板。確定電路板的尺寸，定義電氣邊界，放置安裝定位孔。選擇元件面，添加所需要的元件封裝庫，從中調出所要的元件封裝，并放置到剛才定義的電氣范圍內。手工將元件封裝拖放到合適的位置，修改元件標稱、參數等說明性符號。根據電路原理圖，手工在元件封裝的焊盤間連線。適當修改電路板的走線、安裝定位孔和邊界，確認無誤后保存PCB文件。規(guī)劃電路板手工放置元件、修改屬性手動布線添加元件封裝庫手工布局及確定邊界一、手工設計印制電路板手工設計印制電路板指布線等環(huán)節(jié)由人工完成，一般在設計比較簡單的電路時使用。其基本方法如下：印刷電路板設計的一般流程2023/2/4二、自動設計印制電路板

自動設計印制電路板指在設計中適當運用計算機的自動布局、自動布線等自動化功能，減輕人的勞動量。一般用在較復雜的印制電路板設計中，大型系統的印制電路板如果完全靠人工設計幾乎不可想象，設計者先手工設計某些關鍵線路，其它的再由計算機來完成。自動設計印制電路板基本方法如下：2023/2/4進入SCH編輯環(huán)境，輸入原理圖，并生成網絡表文件。進入PCB編輯環(huán)境，設置好工作環(huán)境參數，規(guī)劃電路板。添加所需的元件封裝庫，選擇元件面，利用前面生成的網絡表自動調入所有元件的封裝。手工布局或自動布局后