《電子電路設計與實踐》課件第1章

第1章

概述1.1電子系統(tǒng)的基本組成和分類1.2電子系統(tǒng)的設計方法1.3電子系統(tǒng)設計的基本知識和基本技能

1.1電子系統(tǒng)的基本組成和分類

1.1.1電子系統(tǒng)的基本組成

電子系統(tǒng)的組成千差萬別，但通常由以下幾部分組成，如圖1-1-1所示。

圖1-1-1電子系統(tǒng)的基本組成

外部信號獲取或輸入：電子系統(tǒng)只能處理電信號，外部信號如果是基本物理量，就需要用傳感器來進行轉(zhuǎn)換；如果是其他電路或設備輸入的信號，就需要進行信號的耦合匹配。

信號處理：信號處理前通常要對外部信號進行調(diào)理，也就是對輸入信號進行衰減、放大、濾波等處理，然后再進行下一步的采集、分析、計算、變換、傳輸、判斷和執(zhí)行等。

信號執(zhí)行：信號執(zhí)行主要是指信號處理后的顯示、驅(qū)動負載和輸出等。

1.1.2電子系統(tǒng)的分類

電子系統(tǒng)的分類如圖1-1-2所示。圖1-1-2電子系統(tǒng)的分類

模擬電子系統(tǒng)是指由模擬電子元器件組成，主要處理模擬信號的電子系統(tǒng)。自然界的物理量大多以模擬量的形式存在，用于采集、分析、計算、變換、傳輸、判斷和執(zhí)行模擬信號的系統(tǒng)大量存在，模擬集成電路數(shù)量也很多，如運算放大器集成芯片的型號就有數(shù)千種之多。

數(shù)字電子系統(tǒng)是指由數(shù)字電子元器件組成，主要處理數(shù)字信號的電子系統(tǒng)。數(shù)字信號的傳輸和處理優(yōu)勢非常明顯，目前嵌入式系統(tǒng)在電子設計中作為核心控制和處理電路大量存在，整個系統(tǒng)不但可靠性高而且體積很小。數(shù)字集成電路種類繁多，規(guī)模越來越大

模數(shù)混合電子系統(tǒng)是指既有模擬元器件，又有數(shù)字元器件，處理的信號包含模擬量和數(shù)字量的電子系統(tǒng)?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)的設計通常都是模數(shù)混合電子系統(tǒng)，信號經(jīng)模擬系統(tǒng)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為標準數(shù)字量，然后在數(shù)字系統(tǒng)中經(jīng)過分析、計算、變換、傳輸和判斷后又轉(zhuǎn)換為模擬量用于驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作，這中間A/D、D/A作為橋梁不可缺少。

1.2電子系統(tǒng)的設計方法

電子系統(tǒng)的設計方法一般采用自頂向下的方法，即先依據(jù)設計指標和功能要求進行系統(tǒng)總體框圖的設計，再根據(jù)總體框圖的單元電路指標要求確定具體單元電路的實現(xiàn)方法。設計流程如圖1-2-1所示。圖1-2-1電子系統(tǒng)設計流程

1.2.1電子系統(tǒng)總體框圖的設計方法

電子系統(tǒng)總體框圖的設計過程其實就是總體方案論證的過程，是系統(tǒng)能否最終成功的關鍵。在進行總體方案設計時，一定要牢牢把握“可行性”和“先進性”這兩點。首先要全面分析電子系統(tǒng)任務書所下達的系統(tǒng)功能、技術指標，清楚地了解各項技術指標的實際內(nèi)涵，從而明確項目的重點、難點和關鍵點；其次要廣泛查閱資料，集思廣益，并逐一對各種方案從性能穩(wěn)定性、工作可靠性、電路結(jié)構(gòu)、成本、功耗、調(diào)試維修等方面進行比較，最終選擇出一個技術先進、功能多樣、擴展性強、性價比高的系統(tǒng)。

1.2.2模擬電路的設計方法

在設計一個由模擬元器件組成的電路時，首先應根據(jù)設計任務進行電路設計、參數(shù)計算、元器件選擇、計算機模擬仿真和實驗，最后繪出用于指導工程的電路圖。

1．電路設計

在進行電路設計時，必須明確電路的具體要求，詳細擬定出電路的性能指標，認真考慮各單元之間的相互聯(lián)系，應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，并使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，應盡量選擇現(xiàn)有的、成熟的電路來實現(xiàn)單元電路的功能。如果找不到完全滿足要求的現(xiàn)成電路，則可在與設計要求比較接近的電路基礎上適當改進，或自己進行創(chuàng)造性設計。為使電子系統(tǒng)的體積小、可靠性高，單元電路盡可能用集成電路組成。

2．參數(shù)計算

在進行設計時，應根據(jù)電路的性能指標要求確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，可確定反饋電阻的取值；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值等。但一般滿足電路性能指標要求的理論參數(shù)值不是唯一的，設計者應根據(jù)元器件的性能、價格、體積、通用性和貨源等靈活選擇。在計算元器件工作電流、電壓和功率等參數(shù)時，應考慮工作條件最不利的情況，并留有適當?shù)挠嗔俊?/p>

(1)對于元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的余量，一般取1.5～2倍的額定值。

(2)對于電阻、電容參數(shù)的取值，應選擇計算值附近的標稱值。電阻值一般在1MΩ以內(nèi)，非電解電容一般在100pF～0.47μF之間，電解電容一般在1～2000μF之間。

(3)在保證電路達到性能指標要求的前提下，盡量減少元器件的品種、價格及體積等。

3．元器件選擇

在確定電子元器件時，應全面考慮電路處理信號的頻率范圍、元器件所處的環(huán)境溫度及空間大小、元器件的成本高低等諸多因素。

1)一般優(yōu)先選擇集成電路。

(2)正確選擇電阻器和電容器。

(3)選擇分立半導體元器件。

4．計算機模擬仿真

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設計方法發(fā)生了很大的變化。目前，EDA(電子設計自動化)技術已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的重要手段。在計算機平臺上，利用EDA軟件對各種電子電路進行調(diào)試、測量、修改，可以大大提高電子設計的效率和精確度，同時還可以節(jié)約設計費用。

5．實驗

電子設計要考慮的因素和問題相當多，由于電路在計算機上進行模擬時所采用的元器件參數(shù)和模型與實際元器件有差別，因此對經(jīng)計算機仿真過的電路，還要進行實際實驗。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。若性能指標達不到要求，應深入分析問題出在哪些單元或元器件上，再對它們重新進行設計和選擇，直到性能指標完全滿足要求為止。

6．總體電路圖繪制

總體電路圖是在總框圖、單元電路設計、參數(shù)計算和元器件選擇的基礎上繪制的，它是組裝、調(diào)試、設計印制電路板和維修的依據(jù)。目前一般利用繪圖軟件繪制電路圖。

繪制電路圖時應注意以下幾點：

1)總體電路圖盡可能畫在同一張圖上，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。

(2)注意總體電路圖的協(xié)調(diào)和緊湊性，要求布局合理、排列均勻。

(3)連線一般畫成水平線或垂直線，并盡可能地減少交叉和拐彎。

1.2.3數(shù)字電路的設計方法

1．電路設計方法

數(shù)字電路的規(guī)模差異很大，對于規(guī)模比較小的數(shù)字電路可采用所謂的經(jīng)典設計，即根據(jù)設計任務要求，用真值表、狀態(tài)表求出簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路圖，最后用小規(guī)模電路實現(xiàn)。隨著中大規(guī)模集成電路的發(fā)展，實現(xiàn)比較復雜的數(shù)字系統(tǒng)變得比較方便，且便于調(diào)試、生產(chǎn)和維護，其設計方法也比較靈活。

2．功能要求分析

數(shù)字電路一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、被控電路和電源等。

3．方案確定

明確了系統(tǒng)性能以后，應考慮實現(xiàn)這些性能的技術，即采用哪種電路來完成它。

4．邏輯功能劃分

一般數(shù)字電路可劃分為信息處理電路和控制電路。信息處理電路可按功能要求將其分成若干個功能模塊?？刂齐娐肥钦麄€數(shù)字電路的核心，它根據(jù)外部輸入信號及來自受其控制的信息處理電路的狀態(tài)信號，產(chǎn)生受控電路的控制信號。常用的控制電路有3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)控制對象的復雜程度，可靈活選擇控制器類型。

5．電路設計

在全面分析模塊功能類型后，應選擇合適的元器件并設計出電路

6．電路綜合

在各模塊和控制電路達到預期要求以后，可把各個部分連接起來，構(gòu)成整個電路系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行功能測試。測試主要包含3部分的工作：電路故障診斷與排除、電路功能測試、電路性能指標測試。

7．設計報告撰寫

在整個電路實驗完成后，應撰寫出包含如下內(nèi)容的設計報告：完整的電路原理圖、詳細的程序清單、所用元器件清單、功能與性能測試結(jié)果及使用說明書等。

1.2.4設計報告的撰寫

撰寫設計報告，不僅僅是整理資料的過程，還是對整個設計工作進行總結(jié)分析，最后升華達到融會貫通的過程。設計報告內(nèi)容如表1-2-1所示。

1.3電子系統(tǒng)設計的基本知識和基本技能

1.3.1基本知識電子系統(tǒng)的設計要具備的理論知識較多。初次接觸系統(tǒng)設計者，可結(jié)合自身知識的結(jié)構(gòu)選擇性能指標合適的系統(tǒng)進行設計，不要貪大求全，將指標定得過高，最后導致設計不成功。

1．理論知識

理論知識包括電路分析基礎、信號與系統(tǒng)、低頻電子線路、高頻電子線路、脈沖數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)設計、自控原理、傳感器原理等。

2．實驗知識

實驗知識不是指實踐技能，而是指有關電路性能指標測量方法的知識，如放大電路輸出阻抗的測量，針對不同電路有多種測量方法。

1.3.2基本技能

1．元器件的識別與檢測

電子元器件種類繁多，設計者不可能做到樣樣精通，但基本的元器件識別和檢測方法應熟練掌握。

2．電路焊接、安裝和調(diào)試

電路制作過程中，焊接是連接各種電子元器件和印制電路板的主要手段。從幾個元件構(gòu)成的整流電路到成千上萬個零部件組成的計算機系統(tǒng)，都是由基本的電子元器件和功能部件，按一定的電路工作原理，用一定的工藝方法連接而成的。焊接工藝很多，如手工焊接、波峰焊接、無錫焊接等。

3．儀器儀表使用

電路調(diào)試要用到儀器儀表，常用儀器儀表如三用表、信號源、示波器、交流毫伏表等要做到能熟練使用，這對電路調(diào)試、指標測試意義重大。

4．設計軟件使用

一個電路設計好后，需要對其進行仿真測試，及時修改電路中的不足，直到電路中的各項功能都能實現(xiàn)，然后才能開始進行制作，這樣可避免不必要的資源浪費。

前，市場上各類電路仿真軟件有很多種，如用于數(shù)模混合仿真的軟件有PSpice、Multisim等，用于系統(tǒng)仿真的軟件有Systemview、Cadence等，用于純數(shù)字系統(tǒng)仿真的軟件有MA