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[固网终端] 电路设计的一般方法 [复制链接]

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发表于 2008-1-13 23:21:00 |显示全部楼层

电路设计的一般方法 <div style="FONT-SIZE: 12px;">所谓电子系统是指由一组电子元件或基本电子单元电路相互连接、相互作用而形成的电路整体，它能按特定的控制信号实行所设定的功能。按处理信号的不同，电子系统一般可分为模拟电子系统、数字电子系统和数字模拟混合系统。
 1.1.          模拟电子电路的设计方法
 由于模拟电子系统种类繁多、千差万别，故设计一个模拟电子系统的方法和步骤也不尽相同。但对于要设计的实际电子系统，一般首先根据电子系统的设计任务，进行总体方案选择；然后对组成系统的单元电路进行设计、参数计算、元器件的确定和实验调试；最后绘出用于引导工程的电路图。
 1.1.1.          总体方案的确定
 在全面分析电子系统任务书所下达的系统功能、技术指标后，根据已掌握的常识和资料，将总体系统按功能合理地分解成若干个子系统（单元电路），并画出各个单元电路框图相互连接而形成的系统原理框图。电子系统总体方案的选择，将直接决定电子系统设计的质量。因此，在进行总体方案设计时，要多思考、多分析、多比较。要从性能的稳定性、工作的可靠性、电路结构、成本、功耗、调试维修等方面，选出最佳方案。
 1.1.2.          单元电路设计
 在进行单元电路设计时，必须明确对各单元电路的具体要求，详细拟定出单元电路的性能指标，认真考虑各单元之间的相互联系，注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并应使各单元电路的供电电源尽可能地统一，以便使整个电子系统简单可靠。另外，应尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能。如果找不到完全满足要求的现成电路，则在与设计要求比较接近的电路基础上适当改进，或自己进行创造性设计。为使电子系统的体积小、可靠性高，单元电路尽可能使用集成电路组成。
 1.1.3.          参数计算
 在进行电子系统设计时，应根据电路的性能指标要求决定电路元器件的参数。例如根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电阻的取值；根据振荡器要求的振荡频率，利用公式可算出决定振荡频率的电阻和电容值等。但一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是唯一的，设计者应根据元器件的性能、价格、体积、通用型和货源等方面灵活选择。计算电路参数时应注意以下几点。
 1)         在计算元器件工作电流、电压和功率等参数时，应考虑工作条件最不利的情况，并留有适当的余量。
 2)         对于元器件的极限参数必须理由足够的余量，一般取1.5~2倍的额定值。
 3)         对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值。电阻值一般在1MΩ内选择；非电解电容一般在100pF~0.47F之间选择；电解电容一般在1μF~2000μF之间选用。
 4)         在保证电路达到性能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格及体积等。
 1.1.4.          元器件选择
 在确定元器件时，应全面考虑电路处理信号的处理范围、环境温度、空间大小、成本高低等诸多因素。
 1)         一般优先选择集成电路。由于集成电路体积小、功能强，可使电子电路可靠性增强，安装调试方便，并可简化电子电路的设计。随着模拟集成技术的不断发展，使用余各种场合下的集成运算放大器不断涌现，只要外加极少量的元器件，利用运算放大器就可构成性能良好的放大器。同样，目前在进行直流稳压电源设计时，已经很少采用分立元器件进行设计了。取而代之的时性能更稳定、工作更可靠、成本更低廉的集成稳压器。
 2)         正确选择电阻器和电容器。这是两种最常见的元器件，种类很多，性能相差很大，应用的场合也不同。因此，对于设计者来说，应熟悉各种电阻器和电容器的主要性能指标和特点，以便根据电路要求，对元件作出正确选择。
 3)         选择分立半导体元件。首先要熟悉这些元件的性能，掌握它们的应用范围；再根据电路的功能要求和元器件再电路中的工作条件，如通过的最大电流、最大反向工作电压、最高工作频率、最大消耗的功率等，确定元器件的型号。
 1.1.5.          计算机模拟仿真
 随着计算机技术的飞速发展，电子系统的设计方法发生的很大变化。目前，EDA（电子设计自动化）技术已成为现代电子系统设计的必要条件。在计算机平台上，利用EDAApp，可对各种电子电路进行调试、测量、修改，这样可提高电子设计的效率和精确度，同时节约的设计费用。 1.1.6.          实验
 电子设计要考虑的因素和问题相当多，由于电路在计算机上进行模拟时所采用的元器件参数和模型与实际器件由差别，所以对经计算机仿真过的电路，还要进行实际实验。通过实验才可以发现问题、解决问题。若性能指标达不到要求，应深入进行分析出在哪些单元或元件上，再对它们重新进设计和选择，直到性能完全满足要求为止。
 1.1.7.          总体电路图绘制
 总体电路图是在总框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印刷电路板设计和维修的依据。目前一般是利用绘图App绘制电路图。绘制电路图时要注意以下几点。
 1)         总体电路图尽可能画在一张图上，同时注意信号的流向，一般从输入端画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路。对于电路图比较复杂的，应将主电路图画在一张或数张纸上，并在各图所有端口两端注上标号，依次说明各图纸之间的连线关系。 2)         注意总体电路图的紧凑和协调，要求布局合理、排列均匀。图中元器件的符号应标准化，元件符号旁边应标出型号和参数。集成电路通常用方框表示，在方框内标出它的型号，在方框的两侧标出每根连线的功能和管脚号。
 3)         连线一般画成水平线或垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。对于相互交叉的线。应在交叉处用圆点标出。对于连接电源负极的连线。一般用接地符号表示；对于连接电源正极的连线，仅需标出电压值。
 1.2.          数字电子电路的设计方法
 数字系统的规模差异很大，对于比较小的数字系统可采用所谓经典设计。即根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路图，最后用小规模电路实现。随着大中规模集成电路的发展，实现比较复杂的数字系统变的比较方便，且便于调试、生产和维护，其设计方法也比较灵活。例如目前正在普及的ISP（在系统编程）可编程逻辑器件的出现，给数字系统设计带来了革命性的变化，硬件设计变得像App一样易于修改，如要改变一个设计方案，通过设计工具App在计算机数分钟内即可完成。这不仅扩展了器件的通途，缩短了系统的设计周期，而且还除了对器件单独编程的环节。省去了器件编程设备。 1.2.1.          系统功能要求分析
 数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、被控电路和电源等。数字系统设计首先要做到的是明确系统的任务、技术性能、精度指标、输入输出设备、应用环境以及有哪些特殊要求等。设计者有时接到的课题比较笼统，有些技术问题要靠设计者的分析和理解，特别是要和课题提出者、系统使用者反复磋商，并在应用现场进行实地考察以后才能明确地确定下来。
 1.2.2.          总体方案确定
 明确了系统性能以后，应考虑如何实现这些技术功能，即采用哪些电路来完成它。对于比较简单的系统，可采用中小规模集成电路实现；对于输入逻辑变量比较多、逻辑表达式比较复杂的系统，可采用大规模可编程逻辑器件完成；对于需要完成复杂的算术运算，进行多路数据采集、处理及控制的系统，可采用单片机系统实现。目前处理复杂的数字系统的最佳方案是大规模可编程逻辑器件加单片机，这样节约设计成本，提高可靠性。
 1.2.3.          逻辑功能划分
 任何一个复杂的大系统都可以逐步划分成不同层次的较小的子系统。一般先将系统划分为信息处理和控制电路两部分，然后根据信息处理电路的功能要求将其分成若干个功能模块。控制电路是整个数字系统的核心，它根据外部输入信号及来自受其控制的信息处理电路的状态信号，产生受控电路的控制信号。常用的控制电路有3中：移位型控制器、计数型控制器和微处理控制器。一般根据完成控制的复杂程度，可灵活选择控制器类型。
 1.2.4.          单元电路设计
 在全面分析各模块功能类型，应选择出合适的元器件并设计电路。组合逻辑电路的设计步骤如图1.1所示。时序逻辑电路的设计步骤如图1.2所示。 在设计电路时，应充分考虑能否用ASIC（专用集成电路）器件实现某些逻辑单元电路，这样可简化逻辑设计，提高系统的可靠性和减小

CB的体积。
 1.2.5.          系统电路综合
 在各单元模块和控制电路达到预期要求以后，可把各个部分连接起来，构成整个电路系统，并对系统进行功能测试。
 测试主要包含3部分的工作：系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试。若这3部分的测试有一项不符合要求，则必须修改电路设计。
 1.2.6.          设计文件的撰写
 在整个系统实验完成后，应整理出包含如下的设计文件：完整的电路原理图、详细的程序清单、所用元器件清单、功能与性能测试结果及使用说明书。
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