單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),第一講 電子電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ),電子系統(tǒng)是指由電子元件和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(hào)，去執(zhí)行所設(shè)想的功能。,1.1 概述,1.1.1,模擬電子系統(tǒng),模擬電子系統(tǒng)的主要功能是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、處理、變換和產(chǎn)生。模擬信號(hào)的特點(diǎn)是，在時(shí)間上和幅值上均是連續(xù)的，在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可能任意取值。這些信號(hào)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(hào)變換電路、驅(qū)動(dòng)電路等。圖1.1.1為低頻功率擴(kuò)音系統(tǒng)方框圖，它由話筒、音頻放大器、揚(yáng)聲器和電源組成。,1.1.2,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(hào)的設(shè)備稱為數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是不隨時(shí)間作連續(xù)變化。一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電子系統(tǒng)可分解為控制器加若干個(gè)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(shí)現(xiàn)，如存儲(chǔ)器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、比較器、計(jì)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(gè)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(jiǎn)單框圖由圖1.1.2表示。,控,制,器,子,系,統(tǒng),1,子,系,統(tǒng),N,外 部 輸 入,操 作 輸 出,1.1.3,模擬數(shù)字電子混合系統(tǒng),簡(jiǎn)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(duì)如溫度、壓力、流量、速度等物理量的控制、測(cè)量、顯示等功能，需要模擬數(shù)字混合電子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。,測(cè)溫電路是把溫度的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為與溫度變化相應(yīng)的數(shù)字編碼信號(hào)。然后，微處理機(jī)系統(tǒng)根據(jù)水溫控制模型進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的控制輸出數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)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(jì)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(shí)和資料，將總體系統(tǒng)功能合理的分解成若干個(gè)子系統(tǒng)（電路單元），并畫出各個(gè)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(jì)的質(zhì)量。在進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，要多思考、多分析、多比較。要從性能穩(wěn)定、工作可靠、電路簡(jiǎn)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(jì),在進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確對(duì)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(jí)單元之間信號(hào)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(gè)電子系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。另外，盡量選擇現(xiàn)有的、成熟的電路來實(shí)現(xiàn)單元電路的功能。有時(shí)找不到完全滿足要求的現(xiàn)成電路，可在與設(shè)計(jì)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(jì)。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(jì)算,在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(jì)者應(yīng)根據(jù)元器件性能、價(jià)格、體積、通用性和貨源等方面靈活選擇。計(jì)算電路參數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：,（1）在計(jì)算元器件工作電流、電壓和功率等參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮工作條件最不利的情況，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?（2）對(duì)于元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的裕量，一般取1.52倍的額定值。,（3）對(duì)于電阻、電容參數(shù)的取值，應(yīng)選計(jì)算值附近的標(biāo)稱值。電阻值一般在1,MW,內(nèi)選擇；非電解電容器一般在100,pF,0.47,m,F,選擇；電解電容一般在1,m,F2000,m,F,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(jià)格、體積等。,4元器件選擇,電子電路的設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)根據(jù)電路處理信號(hào)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(jiǎn)化電子電路的設(shè)計(jì)。如隨著模擬集成技術(shù)的不斷發(fā)展，適用于各種場(chǎng)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?cè)谶M(jìn)行直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)時(shí)，已很少采用分立元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)了，取而代之的是性能更穩(wěn)定、工作更可靠、成本更價(jià)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(chǎng)合也不同。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)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(diǎn)，以便根據(jù)電路要求，對(duì)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(hào)。,5計(jì)算機(jī)模擬仿真,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法發(fā)生了很大變化。目前，,EDA（,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要手段。在計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)上，利用,EDA,軟件，可對(duì)各種電子電路進(jìn)行調(diào)試、測(cè)量、修改，大大提高了電子設(shè)計(jì)的效率和精確度，同時(shí)節(jié)約了設(shè)計(jì)費(fèi)用。目前常用的電子電路輔助分析、設(shè)計(jì)的常用軟件有,PSPICE、PROTEL、EWB（,電子工作臺(tái)）等。,6實(shí)驗(yàn),電子設(shè)計(jì)要考慮的因素和問題相當(dāng)多，由于電路在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬時(shí)采用元器件的參數(shù)和模型與實(shí)際器件有差別，所以對(duì)經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真過的電路，還要進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)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(duì)它們重新設(shè)計(jì)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(jì)、參數(shù)計(jì)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(jì)和維修的依據(jù)。目前繪電路圖一般是在計(jì)算機(jī)上利用繪圖軟件完成。繪制電路圖時(shí)主要注意以下幾點(diǎn),：,（1）總體電路圖盡可能畫在同一張圖紙上；同時(shí)注意信號(hào)的流向，一般從輸入端畫起，由左至右或由上至下按信號(hào)的流向依次畫出各單元電路；對(duì)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(hào)，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(hào)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，元件符號(hào)旁邊應(yīng)標(biāo)出型號(hào)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(hào)，在方框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根連線的功能和管腳號(hào)。,（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(duì)于相互交叉的線，應(yīng)在交叉處用圓點(diǎn)標(biāo)出。對(duì)于連接電源負(fù)極的連線，一般用接地符號(hào)表示；對(duì)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(jì)的一般方法,數(shù)字系統(tǒng)的規(guī)模差異很大，對(duì)于比較小的數(shù)字系統(tǒng)可采用所謂經(jīng)典法設(shè)計(jì)。即根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，用真值表、狀態(tài)表求出簡(jiǎn)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(shí)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(jì)帶來了革命性的變化。硬件設(shè)計(jì)變得像軟件一樣易于修改，且要改變一個(gè)設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)計(jì)工具軟件在計(jì)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(jì)周期，而且還根除了對(duì)器件單獨(dú)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(jì)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(jì)者有時(shí)接到的課題比較籠統(tǒng)，有些技術(shù)問題要靠設(shè)計(jì)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(chǎng)進(jìn)行實(shí)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(shí)現(xiàn)這些技術(shù)功能，即采用哪種電路來完成它。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，可采用中、小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)；對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)。目前對(duì)于處理復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)最佳方案是大規(guī)模可編程邏輯器件加單片機(jī)，這可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(gè)功能模塊。控制電路是整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的核心，它根據(jù)外部輸入信號(hào)及受其控制的信息處理電路來的狀態(tài)信號(hào)，產(chǎn)生受控電路的控制信號(hào)。常用的控制電路有如下三種：移位型控制器、計(jì)數(shù)型控制器和微處理器控制器；一般根據(jù)完成控制對(duì)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(jì),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(jì)出電路。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)充分考慮能否用,ASIC,器件實(shí)現(xiàn)某些邏輯單元電路，這樣可大大簡(jiǎn)化邏輯設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性和減小,PCB,體積。,5系統(tǒng)電路綜合,在各單元電路模塊和控制電路達(dá)到預(yù)期要求以后，可把各個(gè)部分電路連接起來，構(gòu)成整個(gè)電路系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。測(cè)試主要包含三部分工作：系統(tǒng)故障診斷與排除、系統(tǒng)功能測(cè)試、系統(tǒng)性能指標(biāo)測(cè)試。若系統(tǒng)有一項(xiàng)不符合要求，則必須修改電路設(shè)計(jì),。,6撰寫設(shè)計(jì)文件,在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)完成后，應(yīng)整理出如下的設(shè)計(jì)文件：完整的電路原理圖、詳細(xì)的原程序清單、所用元器件清單、功能與性能測(cè)試結(jié)果、使用說明書等。,1.4 電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試,1電子系統(tǒng)的安裝,設(shè)計(jì)電路完成以后要進(jìn)行電路的安裝，一般采用印刷電路板、通用電路板和面包板，在進(jìn)行安裝時(shí)注意以下方面：,（1）準(zhǔn)備好常用的工具和材料。要將各種各樣的電子元器件及結(jié)構(gòu)各異的零部件裝配成,（2）所有電子元器件在安裝前要全部測(cè)試一遍，有條件的還要進(jìn)行老化，以保證元器件的質(zhì)量。符合要求的電子產(chǎn)品，一套基本的工具是必不可少的。如烙鐵、鉗子、改錐、鑷子和焊錫。正確使用得心應(yīng)手的工具，可大大提高工作效率，保證裝配質(zhì)量。,（3）有極性的電子元器件安裝時(shí)其標(biāo)志最好方向一致，以便于檢查和更換。集成電路的方向要保持一致，以便正確布線和查線。,（4）在面包板上組裝電路時(shí)，為了便于查線，可根據(jù)連線的不同作用選擇不同顏色的導(dǎo)線。如正電源采用紅色線、負(fù)電源采用藍(lán)色導(dǎo)線、地線采用黑色導(dǎo)線、信號(hào)線采用黃色導(dǎo)線等。,（5）布線要按信號(hào)的流向有序連接，連線要做到橫平豎直，不允許跨接在集成電路上。另外，選擇導(dǎo)線粗細(xì)要適中，避免導(dǎo)線與面包板插孔之間接觸不良。,（6）印刷電路板的設(shè)計(jì)原則是性質(zhì)相同的電路安排在一塊板上。例如模擬電路或小信號(hào)電路安排在一塊板上；大功率電路、高壓電路、發(fā)射電路單獨(dú)配置，甚至要安排必要的屏蔽盒、絕緣盒、散熱裝置等。,2電子系統(tǒng)的調(diào)試,（1）調(diào)試電路的常用儀器,萬(wàn)用表。它可以測(cè)量交直流電壓、交直流電流、電阻、電容及半導(dǎo)體二極管和三極管。具有精度高，使用方便，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn),。,示波器。示波器可以對(duì)電路中的各點(diǎn)電位進(jìn)行測(cè)量和觀察波形，同時(shí)可比較任意兩點(diǎn)波形的相位關(guān)系。示波器具有高的靈敏度、高的交流阻抗、對(duì)負(fù)載影響小等特點(diǎn)。在使用示波器應(yīng)注意的是所用示波器的頻帶一定要大于被測(cè)信號(hào)的頻率。,信號(hào)發(fā)生器。因?yàn)榻?jīng)常要在加信號(hào)的情況下進(jìn)行測(cè)試，則在調(diào)試和故障診斷時(shí)最好備有信號(hào)發(fā)生器。如,FG163,型函數(shù)發(fā)生器，它可產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等波形。,（2）調(diào)試電路前的檢查。,電路安裝完畢后，不要急于通電，首先要根據(jù)電路原理圖認(rèn)真檢查電路接線是否正確。主要直觀檢查電源、地線、信號(hào)線、元器件引腳之間有無短路，連線有