第1章電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述

第1章電子產(chǎn)品

設(shè)計(jì)概述義務(wù)一函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)義務(wù)目的義務(wù)要求相關(guān)知識(shí)義務(wù)虛施

義務(wù)目的〔1〕可以根據(jù)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程，完成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器方框圖的設(shè)計(jì)、各個(gè)功能單元的設(shè)計(jì)以及整個(gè)電路原理圖的設(shè)計(jì)，并能進(jìn)展根本的分析和計(jì)算以到達(dá)設(shè)計(jì)目的的要求。〔2〕可以綜合思索選取電子元器件。

義務(wù)要求設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，其技術(shù)目的如下：〔1〕正弦波信號(hào)源輸出頻率范圍：200Hz~50kHz，分兩波段延續(xù)可調(diào)輸出電壓范圍：0~10Vp-p〔2〕方波信號(hào)源輸出頻率范圍：200Hz~50kHz，分兩波段延續(xù)可調(diào)輸出電壓范圍：0~10Vp-p〔3〕三角波信號(hào)源輸出頻率范圍：250Hz~33kHz，分兩波段延續(xù)可調(diào)輸出電壓范圍：0~10Vp-p1.1電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念與特點(diǎn)1.1.1電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就是根據(jù)課題的要求，以科學(xué)實(shí)際為依據(jù)，知識(shí)技藝為根底，創(chuàng)新構(gòu)思，將研討方案予以實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。進(jìn)展電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，要掌握電子專業(yè)知識(shí)、要了解市場(chǎng)變化，懂得產(chǎn)品外型藝術(shù)，對(duì)視覺(jué)、觸覺(jué)、平安、運(yùn)用規(guī)范等各方面有詳細(xì)的了解。1.1.2電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)〔1〕明確目的〔2〕多種備選方案〔3〕制約要素1.1.3電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的程序電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)程序包括方案論證、初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、試制與實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)定型五個(gè)階段。1．方案論證它是設(shè)計(jì)的根據(jù)和根底。2．初步設(shè)計(jì)其主要目的是確定設(shè)計(jì)對(duì)象的主要參數(shù)，并保證有足夠的精確度，以便做出完善的設(shè)計(jì)。3．技術(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)總體方案確定的參數(shù)、尺寸，準(zhǔn)確地對(duì)每一部件、零件進(jìn)展設(shè)計(jì)，確定它們的構(gòu)造、外形、尺寸、資料、強(qiáng)度、質(zhì)量等參數(shù)。4．試制與實(shí)驗(yàn)5．設(shè)計(jì)定型1.2電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求與方法1.2.1電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求電子產(chǎn)品在時(shí)，應(yīng)按照平安、可靠、耐用、經(jīng)濟(jì)、美觀、好造、易修的要求進(jìn)展。1．可靠性2．平安性3．適用性適用性好是指性能良好，操作、運(yùn)用與維護(hù)方便。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)“方式服從功能〞，遵照適用、合理、為消費(fèi)者著想的原那么。4．工藝性5．規(guī)范化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，要貫徹執(zhí)行規(guī)范化、通用化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)原那么，積極采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)規(guī)范。6．延續(xù)性在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，要盡能夠采用原有產(chǎn)品中先進(jìn)合理的部分及已掌握的消費(fèi)技術(shù)和消費(fèi)閱歷。1.2.2電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法1．系統(tǒng)論設(shè)計(jì)法系統(tǒng)論設(shè)計(jì)法是以整體分析及系統(tǒng)觀念來(lái)處理各種領(lǐng)域中具體問(wèn)題的科學(xué)方法。在設(shè)計(jì)時(shí)，綜合思索設(shè)計(jì)對(duì)象及與之相關(guān)的各個(gè)方面的功能分配與協(xié)調(diào)。特點(diǎn)：整體性、目的性、有序性、反響性和動(dòng)態(tài)性步驟：系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施2．優(yōu)化設(shè)計(jì)法優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在各種設(shè)計(jì)限制條件下，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。步驟：首先要建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法；其次要編寫(xiě)優(yōu)化程序；然后輸入必要的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)初始值，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)求解并輸出優(yōu)化結(jié)果。3．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法〔CAD〕CAD指以計(jì)算機(jī)軟、硬件為依托，以數(shù)字化、信息化為特征，計(jì)算機(jī)參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方式和手段。4．模塊化設(shè)計(jì)法模塊化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)將產(chǎn)品按功能作用的不同分解為幾個(gè)不同的模塊，模塊之間保管相對(duì)的獨(dú)立性，然后將模塊相互銜接起來(lái)構(gòu)成完好的系統(tǒng)。1.3電路設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容與方法1.3.1電路設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容電路設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：①擬定電路設(shè)計(jì)的技術(shù)條件〔義務(wù)書(shū)〕。②選擇電源的種類。③確定負(fù)荷容量〔功耗〕。④設(shè)計(jì)電路原理圖、接線圖、安裝圖、裝配圖。⑤選擇電子、電器元件，制定電子元器件明細(xì)表。⑥畫(huà)出執(zhí)行元件、控制部件及檢測(cè)元件總規(guī)劃圖。⑦設(shè)計(jì)機(jī)殼、面板、印制電路板、接線板以及非規(guī)范電器和公用安裝零件。⑧編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算闡明書(shū)和運(yùn)用闡明書(shū)。1.3.2電路設(shè)計(jì)的根本方法1．自創(chuàng)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)者在接到設(shè)計(jì)義務(wù)或確定設(shè)計(jì)目的后，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品，進(jìn)行調(diào)查研討，選取可以借用或自創(chuàng)的適用電路。2．近似設(shè)計(jì)法在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于元件受多方要素的影響，往往采取“定性分析、定量估算、實(shí)驗(yàn)調(diào)整〞的方法，所以在設(shè)計(jì)初期，只需進(jìn)展粗略計(jì)算，協(xié)助近似確定電路參數(shù)的取值范圍，參數(shù)的詳細(xì)確定借助于實(shí)驗(yàn)調(diào)整和計(jì)算機(jī)仿真來(lái)完成。3．功能分解、組合設(shè)計(jì)法在電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常將電子線路按功能劃分為多個(gè)子模塊，各模塊參照各種詳細(xì)電路進(jìn)展設(shè)計(jì)，然后組合成系統(tǒng)進(jìn)展統(tǒng)調(diào)。1.4電路設(shè)計(jì)的步驟1.4.1課題分析根據(jù)技術(shù)目的的要求，弄清楚系統(tǒng)要求的功能，確定采用電路的根本方式，據(jù)此對(duì)課題的可行性作出估計(jì)和判別，確定課題的技術(shù)關(guān)鍵和擬處理的問(wèn)題。1.4.2總體方案的設(shè)計(jì)與選擇1．選擇總體方案的普經(jīng)過(guò)程針對(duì)設(shè)計(jì)義務(wù)、要求和條件，查閱有關(guān)資料，廣開(kāi)思緒，提出假設(shè)干不同方案，然后仔細(xì)分析每個(gè)方案的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)，加以比較，從中選優(yōu)，進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)。2．選擇方案的本卷須知①該當(dāng)針對(duì)關(guān)系到電路全局的問(wèn)題，多提些不同的方案，有些關(guān)鍵部分，還要提出各種詳細(xì)電路，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)展分析比較，從而找出最優(yōu)方案。②既要思索方案的可行性，還要思索性能、可靠性、本錢、功耗和體積等問(wèn)題。③在分析論證和設(shè)計(jì)過(guò)程中需求不斷改良和完善，但應(yīng)盡量防止方案上的艱苦反復(fù)。1.4.3單元電路的設(shè)計(jì)與選擇在確定總體方案、畫(huà)出詳細(xì)框圖之后，便可進(jìn)展單元電路設(shè)計(jì)。①根據(jù)設(shè)計(jì)要求和總體方案的原理框圖，確定對(duì)各單元電路的設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)應(yīng)擬定主要單元電路的性能目的。②擬定出各單元電路的要求，檢查無(wú)誤后方可按一定順序分別設(shè)計(jì)每一個(gè)單元電路。③設(shè)計(jì)單元電路的構(gòu)造方式。普通情況下，應(yīng)查閱有關(guān)資料，從而找到適用的參考電路，也可從幾個(gè)電路綜合得出需求的電路。④選擇單元電路的元器件，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)整元件，估算參數(shù)。

1.4.4電子元器件的選用為了確保產(chǎn)質(zhì)量量，降低本錢，電子元器件的選用是產(chǎn)品生產(chǎn)、制造的關(guān)鍵。假設(shè)選用不當(dāng)影響各項(xiàng)技術(shù)目的的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)出廢品、次品。1．元器件的選擇原那么①選擇經(jīng)實(shí)際證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有良好信譽(yù)的消費(fèi)廠家的規(guī)范器件②元器件的技術(shù)性能、質(zhì)量等級(jí)、運(yùn)用條件等應(yīng)滿足電路設(shè)計(jì)的要求。③在滿足性能參數(shù)的情況下，應(yīng)選用低功耗、低熱阻、低損耗角、高功率增益、高效益的元器件。④國(guó)產(chǎn)元件的優(yōu)選。首先選擇經(jīng)過(guò)認(rèn)證鑒定的符合國(guó)標(biāo)的元器件，經(jīng)過(guò)運(yùn)用考驗(yàn)的符合要求的元器件。⑤進(jìn)口元器件。國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)的PPL〔優(yōu)選清單〕、QPL〔質(zhì)量鑒定合格的元器件清單〕中的元器件。2．元器件的選用3．優(yōu)先選用集成電路4．分立元件依然不可替代1.4.5電路的參數(shù)計(jì)算1．參數(shù)計(jì)算的重要性2．參數(shù)計(jì)算方法〔1〕參數(shù)計(jì)算的根本原那么電路的分析計(jì)算采取“定性分析、定量估算、實(shí)驗(yàn)調(diào)整〞的原那么。〔2〕實(shí)際公式計(jì)算法〔3〕工程閱歷公式計(jì)算法工程閱歷公式是思索了各種主、客觀要素的影響，并在長(zhǎng)期的消費(fèi)實(shí)際中總結(jié)出來(lái)的符合實(shí)踐的行之有效的計(jì)算公式，計(jì)算簡(jiǎn)單、方便、準(zhǔn)確。1.4.6總電路圖的設(shè)計(jì)總電路圖是進(jìn)展實(shí)驗(yàn)和印制電路板設(shè)計(jì)的主要根據(jù)，也是進(jìn)行消費(fèi)、調(diào)試、維修的根據(jù)，因此，畫(huà)好一張總電路圖非常重要。1.4.7審圖①先從全局出發(fā)，檢查總體方案能否適宜，有無(wú)問(wèn)題，再檢查各單元電路的原理能否正確，電路方式能否適宜。②檢查各單元電路之間的電平、時(shí)序等配合有無(wú)問(wèn)題。③檢查電路中有無(wú)繁瑣之處，能否可以化簡(jiǎn)。④根據(jù)圖中所標(biāo)出的各種元器件的型號(hào)、參數(shù)等，驗(yàn)算能否到達(dá)目的要求，有無(wú)一定的裕量。⑤要特別指出元件應(yīng)任務(wù)在額定范圍內(nèi)，以免實(shí)驗(yàn)時(shí)損壞。⑥處理發(fā)現(xiàn)的一切問(wèn)題，并請(qǐng)人復(fù)查一遍。1.4.8產(chǎn)品設(shè)計(jì)報(bào)告產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)制造完成之后，通常要求提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)報(bào)告和樣機(jī)。下表列出了設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容，供讀者參考。課題的任務(wù)與要求設(shè)計(jì)題目任務(wù)與要求系統(tǒng)概述提出幾種設(shè)計(jì)方案；方案比較，對(duì)選取的方案進(jìn)行可行性分析；列出系統(tǒng)框圖，介紹設(shè)計(jì)思路、工作原理單元電路設(shè)計(jì)與分析介紹各單元電路的工作原理，技術(shù)指標(biāo)；參數(shù)計(jì)算，元件選擇，提出元件采購(gòu)計(jì)劃；如用EDA軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)列出程序清單和仿真波形等安裝調(diào)試與數(shù)據(jù)處理列出測(cè)試儀器儀表名稱、型號(hào)，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)及波形；分析安裝調(diào)試過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題，找出原因，提出改進(jìn)方案結(jié)束語(yǔ)總結(jié)設(shè)計(jì)制作的結(jié)論性意見(jiàn)，收獲體會(huì)，對(duì)存在問(wèn)題，提出改進(jìn)方案；致謝辭附錄總電路圖、元件表、參考文件子義務(wù)一正弦波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)根據(jù)義務(wù)要求，我們要設(shè)計(jì)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器應(yīng)該由正弦波、方波、三角波信號(hào)發(fā)生器、放大輸出及直流穩(wěn)壓電源組成，如圖1-1所示?！?〕任務(wù)原理正弦波產(chǎn)生電路是在放大電路的根底上加上正反響網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波，其框圖如圖1-2所示。假設(shè)反響電壓Uf與原輸入信號(hào)Ui完全相等，那么即使無(wú)外輸入信號(hào)，放大電路輸出端也有一個(gè)正弦波信號(hào)。這種景象叫自激振蕩。自激振蕩的條件是：產(chǎn)生正弦波振蕩的條件是：振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了抑制電路中的損耗，需求正反響強(qiáng)一些，即要求。既然，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需求靠三極管大信號(hào)運(yùn)用時(shí)的非線性特性去限制幅度的添加，這樣電路必然產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號(hào)，以獲得正弦波輸出。此外，可以在反響網(wǎng)絡(luò)中參與非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)理放大電路的增益，從而到達(dá)穩(wěn)幅的目的。因此，正弦波產(chǎn)生電路包括放大電路、正反響網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路組成?！?〕RC橋式正弦波振蕩器RC振蕩電路用來(lái)產(chǎn)生幾十kHz以下的低頻正弦信號(hào)。通常采用RC橋式振蕩電路。RC電路串、并聯(lián)為正反響與選頻網(wǎng)絡(luò)Rf、R1組成穩(wěn)幅電路。在ω0=1/RC時(shí)，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)組成正反響，產(chǎn)生振蕩，振蕩頻率為f0=1/2πRC。起振時(shí)，要求放大倍數(shù)Au=1+Rf/R1略大于3，到達(dá)穩(wěn)定平衡形狀時(shí)Rf減小至使Au=3。即Rf/R1略大于2?！?〕電路設(shè)計(jì)采用圖1-3的電路為根本構(gòu)造，然后確定選頻網(wǎng)絡(luò)RC的參數(shù)和穩(wěn)幅電路元件的阻值，以及集成運(yùn)放的型號(hào)。設(shè)計(jì)的電路如圖1-4所示。①選頻網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)要求是輸出頻率范圍：200Hz~50kHz，分兩波段延續(xù)可調(diào)。由于要求輸出頻率連續(xù)可調(diào)，所以RC選頻網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)包括可調(diào)元件，普通情況下，采用波段開(kāi)關(guān)切換電容的方式實(shí)現(xiàn)頻段的粗調(diào)，在每一頻段內(nèi)用雙聯(lián)電位器完本錢波段內(nèi)頻率的細(xì)調(diào)。雙聯(lián)電位器W1、W2〔50kΩ〕和R1、R2〔1.5kΩ〕的串聯(lián)完成頻率的細(xì)調(diào)。串聯(lián)R1、R2是防止雙聯(lián)電位器調(diào)到0Ω時(shí)使電路任務(wù)異常。電阻R1、R2選用精度為1%的電阻；雙聯(lián)電位器的中的兩個(gè)電位器調(diào)理時(shí)的阻值偏向不能太大；電容C1、C3、C2、C4的誤差不能超越5%。假設(shè)不能滿足上述要求，會(huì)產(chǎn)生失真的正弦波。②穩(wěn)幅電路由VD1、VD2和W3組成。當(dāng)輸出幅度添加時(shí)，二極管的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻減小，使VD1或VD2的和W3串聯(lián)的電阻減小，相當(dāng)于圖1-3中Rf的減小，輸出幅度下降，到達(dá)穩(wěn)幅的目的。為了保證電路起振，應(yīng)使即R4/R3略大于2，電路中R4選2.2kΩ，R3選1kΩ。用作振蕩器的運(yùn)放，其振蕩頻率最好在運(yùn)放頻率參數(shù)的1/10較為可靠。這里選用采用頻帶寬度為3MHz的四運(yùn)放TL074。子義務(wù)二方波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)產(chǎn)生方波的方法很多，最簡(jiǎn)單的方法是采用過(guò)零比較器。將正弦波產(chǎn)生電路輸出的正弦波經(jīng)過(guò)零比較器即可得到同頻的方波，如圖1-5所示。任務(wù)原理：當(dāng)ui＞0運(yùn)放處于負(fù)飽和態(tài)，輸出電壓uO=uOL(uOL為低電平)當(dāng)ui＜0運(yùn)放處于正飽和態(tài)，輸出電壓uO=uOH(uOH為高電平)由于在ui=0時(shí)輸出電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，稱“過(guò)零電壓比較器〞波形如下圖：子義務(wù)三三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)三角波產(chǎn)生電路的根本構(gòu)造如圖1-7所示。集成運(yùn)放U1及其周圍R1~R4、VDZ構(gòu)成電壓比較器，集成運(yùn)放U2及其周圍元件R、C、R5構(gòu)成積分器。集成運(yùn)放U2及其周圍元件R、C、R5構(gòu)成積分器，輸出為三角波，輸出電壓為：三角波的頻率為：三角波的幅度為：U=(R1/R2)×Uz根據(jù)圖1-7，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)三角波電路，輸出頻率范圍：250Hz~33kHz，分兩波段延續(xù)可調(diào)，輸出電壓范圍0~10Vpp。電路如圖1-8所示。三角波的