第1章 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述_第1頁
第1章 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述_第2頁
第1章 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述_第3頁
第1章 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述_第4頁
第1章 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述_第5頁
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文檔簡介

1、.,第1章 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述,任務(wù)一 函數(shù)信號發(fā)生器的電路設(shè)計(jì) 任務(wù)目標(biāo) 任務(wù)要求 相關(guān)知識 任務(wù)實(shí)施,.,任務(wù)目標(biāo) (1)能夠根據(jù)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程,完成函數(shù)信號發(fā)生器方框圖的設(shè)計(jì)、各個功能單元的設(shè)計(jì)以及整個電路原理圖的設(shè)計(jì),并能進(jìn)行基本的分析和計(jì)算以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。 (2)能夠綜合考慮選取電子元器件。,.,任務(wù)要求 設(shè)計(jì)函數(shù)信號發(fā)生器,其技術(shù)指標(biāo)如下: (1)正弦波信號源 輸出頻率范圍:200Hz50kHz,分兩波段連續(xù)可調(diào) 輸出電壓范圍:010Vp-p (2)方波信號源 輸出頻率范圍:200Hz50kHz,分兩波段連續(xù)可調(diào) 輸出電壓范圍: 010Vp-p (3)三角波信號源 輸出頻率

2、范圍:250Hz33kHz,分兩波段連續(xù)可調(diào) 輸出電壓范圍: 010Vp-p,.,1.1 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)理論為依 據(jù),知識技能為基礎(chǔ),創(chuàng)新構(gòu)思,將研究方案予以實(shí)現(xiàn)的過 程。 進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì),要掌握電子專業(yè)知識、要了解市場變 化,懂得產(chǎn)品造型藝術(shù),對視覺、觸覺、安全、使用標(biāo)準(zhǔn)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)明確目標(biāo),.,(2)多種備選方案 (3)制約因素 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)定型五個階段。 1方案論證 它

3、是設(shè)計(jì)的依據(jù)和基礎(chǔ)。 2初步設(shè)計(jì) 其主要目的是確定設(shè)計(jì)對象的主要參數(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) 依據(jù)總體方案確定的參數(shù)、尺寸,精確地對每一部件、零件 進(jìn)行設(shè)計(jì),確定它們的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、材料、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)按照安全、可靠、耐用、經(jīng)濟(jì)、美觀、好 造、易修的要求進(jìn)行。 1可靠性 2安全性 3實(shí)用性 實(shí)用性好是指性能良好,操作、使用與維護(hù)方便。在設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)“形式服從功能”,遵循實(shí)用、合理、為消費(fèi)者著想的原 則。,.,4工藝性 5標(biāo)準(zhǔn)化 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)

4、中,要貫徹執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì) 原則,積極采用國際先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 6延續(xù)性 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,要盡可能采用原有產(chǎn)品中先進(jìn)合理的部分及 已掌握的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。 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)觀點(diǎn)來解決各種領(lǐng)域中具 體問題的科學(xué)方法。在設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮設(shè)計(jì)對象及與之相 關(guān)的各個方面的功能分配與協(xié)調(diào)。 特點(diǎn) :整體性、目的性、有序性、反饋性和動態(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

5、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,通過計(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 幾個不同的模塊,模塊之間保存相對的獨(dú)立性,然后將模塊 互相連接起來構(gòu)成完整的系統(tǒng)。,.,1.3 電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容與方法,1.3.1 電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容主要包括以下幾個方面: 擬定電路設(shè)計(jì)的技術(shù)條件(任務(wù)書)。 選擇電源的種類。 確定負(fù)荷容量(功耗)。 設(shè)計(jì)電路原理圖、接線圖、安裝圖、裝

6、配圖。 選擇電子、電器元件,制定電子元器件明細(xì)表。 畫出執(zhí)行元件、控制部件及檢測元件總布局圖。 設(shè)計(jì)機(jī)殼、面板、印制電路板、接線板以及非標(biāo)準(zhǔn)電器和專用安裝零件。 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書和使用說明書。,.,1.3.2 電路設(shè)計(jì)的基本方法 1借鑒設(shè)計(jì)法 設(shè)計(jì)者在接到設(shè)計(jì)任務(wù)或確定設(shè)計(jì)目標(biāo)后,應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品,進(jìn) 行調(diào)查研究,選取可以借用或借鑒的實(shí)用電路。 2近似設(shè)計(jì)法 在電路設(shè)計(jì)過程中,由于元件受多方因素的影響,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)行粗略計(jì)算,幫助近似確定電路參數(shù)的取值范 圍,參數(shù)的具體確定借助于實(shí)驗(yàn)調(diào)整和計(jì)算機(jī)仿真來完成。,.,3功能分解、組合設(shè)計(jì)法

7、在電路設(shè)計(jì)中,經(jīng)常將電子線路按功能劃分為多個子模塊, 各模塊參照各種具體電路進(jìn)行設(shè)計(jì),然后組合成系統(tǒng)進(jìn)行統(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)指標(biāo)的要求,弄清楚系統(tǒng)要求的功能,確定采用電 路的基本形式,據(jù)此對課題的可行性作出估計(jì)和判斷,確定 課題的技術(shù)關(guān)鍵和擬解決的問題。 1.4.2總體方案的設(shè)計(jì)與選擇 1選擇總體方案的一般過程 針對設(shè)計(jì)任務(wù)、要求和條件,查閱有關(guān)資料,廣開思路,提 出若干不同方案,然后仔細(xì)分析每個方案的可行性和優(yōu)缺 點(diǎn),加以比較,從中選優(yōu),進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)。,.,2選擇方案的注意事項(xiàng) 應(yīng)當(dāng)針對關(guān)系到電路全局的問題,多提些不同的方案,有些關(guān)鍵

8、部分,還要提出各種具體電路,根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析比較,從而找出最優(yōu)方案。 既要考慮方案的可行性,還要考慮性能、可靠性、成本、功耗和體積等問題。 在分析論證和設(shè)計(jì)過程中需要不斷改進(jìn)和完善,但應(yīng)盡量避免方案上的重大反復(fù)。 1.4.3單元電路的設(shè)計(jì)與選擇 在確定總體方案、畫出詳細(xì)框圖之后,便可進(jìn)行單元電路設(shè) 計(jì)。,.,根據(jù)設(shè)計(jì)要求和總體方案的原理框圖,確定對各單元電路的設(shè)計(jì)要求,必要時(shí)應(yīng)擬定主要單元電路的性能指標(biāo)。 擬定出各單元電路的要求,檢查無誤后方可按一定順序分別設(shè)計(jì)每一個單元電路。 設(shè)計(jì)單元電路的結(jié)構(gòu)形式。一般情況下,應(yīng)查閱有關(guān)資料,從而找到適用的參考電路,也可從幾個電路綜合得出需要的電路。

9、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)品質(zhì)量,降低成本,電子元器件的選用是產(chǎn)品生 產(chǎn)、制作的關(guān)鍵。如果選用不當(dāng)影響各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn), 將會出廢品、次品。 1元器件的選擇原則 選擇經(jīng)實(shí)踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有良好信譽(yù)的生產(chǎn) 廠家的標(biāo)準(zhǔn)器件 元器件的技術(shù)性能、質(zhì)量等級、使用條件等應(yīng)滿足電路設(shè) 計(jì)的要求。,.,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。 國產(chǎn)元件的優(yōu)選。首先選擇經(jīng)過認(rèn)證鑒定的符合國標(biāo)的元器件,經(jīng)過使用考驗(yàn)的符合要求的元器件。 進(jìn)口元器件。國外權(quán)威機(jī)構(gòu)的PPL(優(yōu)選清單)、QP

10、L(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)算的基本原則 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 則。 (2)理論公式計(jì)算法 (3)工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法 工程經(jīng)驗(yàn)公式是考慮了各種主、客觀因素的影響,并在長期 的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的符合實(shí)際的行之有效的計(jì)算公式, 計(jì)算簡單、方便、準(zhǔn)確。,.,1.4.6總電路圖的設(shè)計(jì) 總電路圖是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和印制電路板設(shè)計(jì)的主要依據(jù),也是進(jìn) 行生產(chǎn)、調(diào)試、維修的依據(jù),因此,畫好一張總電路圖非常 重要。 1.4.7審圖

11、先從全局出發(fā),檢查總體方案是否合適,有無問題,再檢查各單元電路的原理是否正確,電路形式是否合適。 檢查各單元電路之間的電平、時(shí)序等配合有無問題。 檢查電路中有無繁瑣之處,是否可以化簡。 根據(jù)圖中所標(biāo)出的各種元器件的型號、參數(shù)等,驗(yàn)算能否達(dá)到指標(biāo)要求,有無一定的裕量。,.,要特別指出元件應(yīng)工作在額定范圍內(nèi),以免實(shí)驗(yàn)時(shí)損壞。 解決發(fā)現(xiàn)的所有問題,并請人復(fù)查一遍。 1.4.8產(chǎn)品設(shè)計(jì)報(bào)告 產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)制作完成之后,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。,.,.,子任務(wù)一 正弦波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì),根據(jù)任務(wù)要求,我們要設(shè)計(jì)的函數(shù)信號發(fā)生器應(yīng)該由正弦 波、方波、三角波信號發(fā)

12、生器、放大輸出及直流穩(wěn)壓電源組 成,如圖1-1所示。,.,(1)工作原理 正弦波產(chǎn)生電路是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋網(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。,.,如果反饋電壓Uf與原輸入信號Ui 完全相等,則即使無外輸入 信號,放大電路輸出端也有一個正弦波信號。這種現(xiàn)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),為了克服電路中的損耗,需要正反饋 強(qiáng)一些,即要求 。既然 ,起振后就要產(chǎn)生 增幅振蕩,需要靠三極管大信號運(yùn)用時(shí)的非線性特性去限制 幅度的增加,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

13、,以獲得正弦 波輸出。 此外,可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié),用以調(diào)節(jié)放 大電路的增益,從而達(dá)到穩(wěn)幅的目的。 因此,正弦波產(chǎn)生電路包括放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng) 絡(luò)和穩(wěn)幅電路組成。,.,(2)RC橋式正弦波振蕩器 RC振蕩電路用來產(chǎn)生幾十kHz以下的低頻正弦信號。通常采 用RC橋式振蕩電路。,.,RC電路串、并聯(lián)為正反饋與選頻網(wǎng)絡(luò) Rf 、R1組成穩(wěn)幅電路。 在0=1/RC時(shí),經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)組成正反饋,產(chǎn)生振蕩,振 蕩頻率為f0 =1/ 2RC。起振時(shí),要求放大倍數(shù)Au=1+Rf /R1略大于3,達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)Rf減小至使Au=3。即Rf /R1略大于2。 (3)電路設(shè)計(jì) 采用圖1-

14、3的電路為基本結(jié)構(gòu),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。設(shè)計(jì)的電路 如圖1-4所示。,.,.,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: 200Hz50kHz,分兩波段連續(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,一般情況 下,采用波段開關(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)電位器完成本波段內(nèi)頻率的細(xì)調(diào)。 雙聯(lián)電位器W1、W2(50k)和R1、R2(1.5k)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0 時(shí)使電路工作異常。,.,電阻R1、R2選用精度為1%的電阻;雙聯(lián)電位器的中的兩 個電位器調(diào)節(jié)時(shí)的

15、阻值偏差不能太大;電容C1、C3、C2、 C4 的誤差不能超過5%。若不能滿足上述要求,會產(chǎn)生失真 的正弦波。 穩(wěn)幅電路 由VD1、VD2和W3組成。當(dāng)輸出幅度增加時(shí),二極管的 動態(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,達(dá)到穩(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 2.2 k,R3選1k。 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。,.,子任務(wù)二 方波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì),產(chǎn)生方波的方法很多,最簡單的方法是采用過零比較器。將 正弦波

16、產(chǎn)生電路輸出的正弦波經(jīng)過零比較器即可得到同頻的 方波,如圖1-5所示。,.,工作原理: 當(dāng)ui0 運(yùn)放處于負(fù)飽和態(tài),輸出電壓uO=uOL(uOL為低電平) 當(dāng)ui0 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“過零電壓比較器” 波形如圖所示:,.,子任務(wù)三 三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì),三角波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。,集成運(yùn)放U1及其周圍R1R4、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,我們設(shè)計(jì)一個三角波電路,輸出頻率范圍: 250Hz33kHz,分兩波段連續(xù)可調(diào),輸出電壓范圍010Vpp。電路如圖1-8所示。,三角波的頻率為:f=(R8+W5)/4R7(R9+W6)C5

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