電子電路的設(shè)計技術(shù)

　　摘要：電子電路的設(shè)計，在電子類課程的理論聯(lián)系實際過程和實踐教學(xué)中，非常重要，必須重視。
關(guān)鍵字：電子電路，設(shè)計，元件，參數(shù)

0 概　述

　　常用電子電路的設(shè)計的方法和步驟是：選擇總體方案，設(shè)計單元電路，選擇元器件，計算參數(shù)，審圖，實驗，畫出整體電路圖。
　　由于電子電路種類繁多，千差萬別，設(shè)計方法和步驟也因情況不同而異，因而上述步驟需要交叉進(jìn)行，有時甚至?xí)霈F(xiàn)反復(fù)。因此在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際情況靈活掌握。
　　在設(shè)計一個電子電路系統(tǒng)時，首先必須明確系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù),根據(jù)任務(wù)進(jìn)行方案選擇，然后對方案中的各部分進(jìn)行單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇，最后將各部分連接在一起，畫出一個符合要求的完整系統(tǒng)電路圖。設(shè)計過程是知識的綜合應(yīng)用過程，包括對現(xiàn)有產(chǎn)品的分析，對元器件的應(yīng)用及對電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的完善等方面內(nèi)容。

1　明確系統(tǒng)的設(shè)計要求

　　對系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)進(jìn)行具體分析，充分了解系統(tǒng)的性能、指標(biāo)、內(nèi)容及要求，以便明確系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)。

2 總體方案的選擇

　　設(shè)計電路的第一步就是選擇總體方案。所謂總體方案是根據(jù)所提出的任務(wù)、要求和性能指標(biāo)，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體，來實現(xiàn)各項功能，滿足設(shè)計題目提出的要求和技術(shù)指標(biāo)。
　　方案選擇的重要任務(wù)是根據(jù)掌握的知識和資料，針對系統(tǒng)提出的任務(wù)、要求和條件，完成系統(tǒng)功能的設(shè)計。在這個過程中要敢于探索，勇于創(chuàng)新，爭取設(shè)計的方案合理、可靠、經(jīng)濟(jì)、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)。并且對方案要不斷進(jìn)行可行性和優(yōu)缺點的分析，最后設(shè)計出一個完整的框圖?？驁D應(yīng)能正確的反映系統(tǒng)所完成的任務(wù)和各組成部分的功能，清楚表示系統(tǒng)的基本組成和相互關(guān)系。
　　由于符合要求的方案往往不止一個，應(yīng)當(dāng)針對任務(wù)、要求和條件，查閱有關(guān)資料，以廣開思路，提出不同的方案，然后仔細(xì)分析每個方案的可行性和優(yōu)缺點，加以比較，從中選優(yōu)。在選擇過程中，常用框圖表示各種方案的基本原理?？驁D一般不必畫的太詳細(xì)，只要說明基本原理就可以了，但有些關(guān)鍵部分一定要畫清楚，必要時尚須畫出具體電路來加以分析。
選擇方案要注意下面幾個問題。
（1）應(yīng)針對關(guān)系到電路全局的問題，開動腦筋，多提些不同的方案，深入加以比較。有些部分，還要提出各種具體電路，根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行分析比較，從而找出最優(yōu)方案。
（2）不要盲目熱衷于數(shù)字化方案。數(shù)字電路確有不少優(yōu)點，但對輸入輸出都是模擬量的小裝置，如果采用數(shù)字化方案，則要先用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過數(shù)字電路處理后，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，這樣必然帶來高成本、電路復(fù)雜等缺點。因此，不仔細(xì)分析而一概認(rèn)為數(shù)字化方案比模擬電路方案好的觀點是不適宜的。必須從實際出發(fā)，針對具體問題提出多種不同方案，經(jīng)過充分的分析和比較，最后選出最佳方案。
（3）既要考慮方案的可行性，還要考慮性能、可靠性、成本、功耗和體積等實際問題。
（4）選出一個滿意的方案并非易事，在分析論證和實際過程中需要不斷改進(jìn)和完善，出現(xiàn)一些反復(fù)是難免的，但應(yīng)盡量避免方案上的大量反復(fù)，以免浪費(fèi)時間和精力。

3　單元電路的設(shè)計

　　在確定總體方案、畫出詳細(xì)框圖后，便可進(jìn)行單元電路的設(shè)計。
3.1設(shè)計單元電路的一般方法和步驟
（1）根據(jù)設(shè)計要求和以選定的總體方案的原理框圖，確定對各單元電路的設(shè)計要求，必要時應(yīng)詳細(xì)擬定主要單元電路的性能指標(biāo)。應(yīng)注意各單元電路的互相配合，但要盡量少用或不用電平轉(zhuǎn)換之類的接口電路，以簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本。
（2）擬定出各單元電路的要求后，應(yīng)全面檢查一遍，確實無誤后方可按一定順序分別設(shè)計各單元電路。
（3）選擇單元電路的結(jié)構(gòu)形式。一般情況下，應(yīng)查閱有關(guān)資料，以豐富知識、開闊眼界，從而找到適用的電路。如果確實找不到性能指標(biāo)完全滿足要求的電路時，也可以選用與設(shè)計要求比較接近的電路，然后調(diào)整電路參數(shù)。
　　每個單元電路設(shè)計前都需要明確本單元電路的任務(wù)，詳細(xì)擬定出單元電路的性能指標(biāo)，與前后級之間的關(guān)系，分析電路的組成形式，選擇最佳電路形式。因為同樣的電氣功能，可以由許多種電路形式和結(jié)構(gòu)來完成，在選擇電路方案時要進(jìn)行充分考慮。
　　具體設(shè)計進(jìn)行時，還可以參照經(jīng)典的、成熟的、先進(jìn)的電路形式，也可以進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，但都必須保證性能要求。而且單元電路本身要求設(shè)計合理，各單元電路也要互相配合，同時，注意各部分的輸入信號、輸出信號和控制信號的關(guān)系。
3.2參數(shù)的計算
　　為了保證單元電路達(dá)到功能指標(biāo)要求，就需要對參數(shù)進(jìn)行計算，例如放大電路的各電阻阻值、放大倍數(shù)；振蕩器中電阻、電容、振蕩頻率等參數(shù)。只有很好的理解電路的工作原理，正確利用公式，計算出來的參數(shù)才能滿足設(shè)計要求。
參數(shù)計算時，可能計算出來的參數(shù)有多組數(shù)據(jù)，但應(yīng)選擇能較好完成電路設(shè)計功能與指標(biāo)的那組。同時，還要注意有關(guān)的問題。
（1） 元器件的工作電流、電壓、頻率和功耗等參數(shù)應(yīng)能滿足電路的指標(biāo)要求。
（2） 元器件的極限參數(shù)必須留有足夠余量，一般應(yīng)大于額定值的一定倍數(shù)（一般取1.5倍）。
（3） 電阻和電容的參數(shù)應(yīng)選擇計算值附近的標(biāo)稱值。
3.3元器件的選擇
　　在進(jìn)行電子制作時，要正確的選用電子元器件，了解元件的特性、規(guī)格和質(zhì)量參數(shù)，熟悉它們的管腳排列?？紤]到產(chǎn)品在實際工作中可能遇到的環(huán)境條件，在選用元器件時，工作參數(shù)要留有余地。
　　從某意義上講，電子電路的設(shè)計就是選擇合適的元器件，并把它們最好的組合起來。因此在設(shè)計過程中，經(jīng)常遇到選擇元器件的問題，不僅在設(shè)計單元電路和總體電路及計算參數(shù)時要考慮哪些元器件合適，而且在提出方案、分析和比較方案的優(yōu)缺點時，有時也需要考慮哪些元器件以及它們的性能價格比如何等。怎樣選擇元器件？必須搞清兩個問題。第一，根據(jù)具體問題和方案，需要哪些元器件，每個元器件應(yīng)該具有哪些功能和性能指標(biāo)；第二，有哪些元器件實驗室有，哪些在市場上能買到，性能如何？價格如何？體積多大。電子元器件種類繁多，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，這就需要經(jīng)常關(guān)心元器件的信息和新動向，多查資料。
3.3.1 一般優(yōu)先選擇集成電路
　　集成電路的應(yīng)用越來越廣，它不但減小了電子設(shè)備的體積、成本，提高了可靠性，安裝調(diào)試比較簡單，而且大大簡化了設(shè)計，使數(shù)字電路的設(shè)計非常方便?，F(xiàn)在各種模擬電路的設(shè)計比以前容易的多。
　　由于集成電路可以實現(xiàn)很多單元電路，甚至可以實現(xiàn)整機(jī)電路的功能。所以，選用集成電路設(shè)計既方便又靈活。它不僅使系統(tǒng)體積小，而且性能可靠，便于調(diào)試及運(yùn)用。在設(shè)計電路時很受歡迎。
　　但是，不要以為采用集成電路一定比分立元件好，有些功能相當(dāng)簡單的電路，只要用一只三極管或二極管就能解決問題，若采用集成電路反而會使電路復(fù)雜，成本增加。因此在頻率高、電壓高、電流大或要求噪聲極低等特殊場合，仍采用分立元件，必要時可畫出兩種電路進(jìn)行比較。
3.3.2怎樣選擇集成電路
　　集成電路的品種很多，選用方法一般是“先粗后細(xì)”，即先根據(jù)總體方案考慮應(yīng)該選用什么功能的集成電路，然后考慮具體性能，最后根據(jù)價格等因素選用某種型號的集成電路。
　　選用集成電路時，除上述以外，還必須注意以下幾點。
　　應(yīng)熟悉集成電路的品種和幾種典型產(chǎn)品的型號、性能、價格等，以便在設(shè)計時能提出較好的方案，較快的設(shè)計出單元電路和總電路。
　　選擇集成運(yùn)放，應(yīng)盡量選擇“全國集成電路標(biāo)準(zhǔn)化委員會提出的優(yōu)選集成電路系列”（集成運(yùn)放）中的產(chǎn)品。
同一種功能的數(shù)字電路可能既有CMOS產(chǎn)品，又有TTL產(chǎn)品，而且TTL器件中有中速、高速、甚高速、低功耗和肖特基低功耗等不同產(chǎn)品，CMOS數(shù)字器件也有普通型和高速型兩種不同產(chǎn)品。對于某些具體情況，設(shè)計者可根據(jù)其性能和特點靈活掌握。 　CMOS器件可以與TTL器件混合使用在同一電路中，為使二者的高低電平兼容，CMOS器件應(yīng)盡量使用+5V電源。但與用+15V　　供電的情況相比，某些性能有所下降。因此，必要時CMOS仍需+15V電源供電，此時，CMOS器件與TTL器件之間必須加電平轉(zhuǎn)換電路。
　　集成電路的常用封裝方式有三種：即扁平式、直立式和雙列直插式，為了便于安裝、更換、調(diào)試和維修，一般情況下，應(yīng)盡可能選用雙列直插式集成電路。
集成電路的型號、原理、功能、特性和參數(shù)可查閱有關(guān)手冊。
　　選擇的集成電路不僅要在功能和特性上實現(xiàn)設(shè)計方案，而且也要滿足功耗、電壓、價格等方面的要求。
3.3.3阻容元件的選擇
　　電阻和電容是兩種常用的分立元件，它們的種類很多，性能各異。阻值相同、品種不同的兩種電阻或容量相同、品種不同的兩種電容在同一電路中的同一位置，可能效果不大一樣。此外，價格和體積也可能相差很大。
　　所以，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)熟悉各種常用電阻和電容的種類、性能和特點，以便根據(jù)電路要求，進(jìn)行選擇。
4　參數(shù)的計算
　　在電子電路的設(shè)計過程中，常需要計算一些參數(shù)。對于一般情況，計算參數(shù)要注意以下點。
（1）各元器件的工作電壓、電流、頻率和功耗等應(yīng)在允許范圍內(nèi)，并留有適當(dāng)余量，以保證電路在規(guī)定的條件下，能正常工作，達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。
（2）對于環(huán)境溫度、交流電網(wǎng)電壓等工作條件，計算參數(shù)時應(yīng)按最不利的情況考慮。
（3）涉及元器件的極限參數(shù)（例如整流橋的耐壓值）時，必須留有足夠的余量，一般按1.5倍左右考慮。
（4）電阻值應(yīng)盡可能選在1M歐范圍內(nèi)，最大不應(yīng)超過10M歐，其數(shù)值應(yīng)在常用電阻標(biāo)稱值系列之內(nèi)，并根據(jù)具體情況正確選擇電阻品種。
（5）非電解電容盡可能在100pF~0.1μF范圍內(nèi)選擇，其數(shù)值應(yīng)在常用電容標(biāo)稱值系列之內(nèi)，并根據(jù)具體情況正確選擇電容的品種。
（6）在保證電路性能的前提下盡可能設(shè)法降低成本，減小器件品種，減小元器件的功耗和體積，為安裝調(diào)試創(chuàng)造有利條件。 （7）應(yīng)把計算確定的各參數(shù)值標(biāo)在電路圖的恰當(dāng)位置。
5　總電路圖的繪制
　　電路圖通常是在系統(tǒng)框圖、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和元器件選擇的基礎(chǔ)上繪制的。它是組裝、調(diào)試和維修的依據(jù)。
在設(shè)計好各單元電路以后，應(yīng)畫出總電路圖。總電路圖是進(jìn)行實驗和印制電路板設(shè)計制作的主要依據(jù)，也是進(jìn)行生產(chǎn)、調(diào)試、維修的依據(jù)。因此，畫好總電路圖很重要。
　　在繪制電路圖時要注意下面幾點。
（1）布局合理、排列均勻、畫面清晰、便于看圖利于對圖的理解和閱讀。有時一個總電路有幾部分組成，繪制時應(yīng)盡量把總電路畫在一張圖樣上。如果電路比較復(fù)雜，需繪制幾張圖，則應(yīng)把主電路畫在同一張圖樣上，而把一些比較獨(dú)立或次要的部分（例如直流穩(wěn)壓電源）畫在另外的圖樣上，并在圖的斷口兩端作上標(biāo)記，標(biāo)出信號從一張圖到另一張圖的引出點和引入點，或以其它的適當(dāng)?shù)姆绞剑f明各圖樣在電路連線之間的信號關(guān)系。
為了看清各單元電路的功能關(guān)系，每一個功能單元電路的元件應(yīng)集中布置在一起，并盡可能按工作順序排列。
（2）要注意信號流向，通常從輸入端畫起，由左至右或由上至下按信號的流向依次畫出各單元電路，而反饋通路的信號流向則與此相反。但一般不要把電路圖畫成很長的窄條，必要是可按信號流向的主通道依次把各單元電路排成類似字母“U”的形狀，它的開口可以朝左，也可以朝其他方向。
（3）圖形符號要標(biāo)準(zhǔn)，圖中應(yīng)加適當(dāng)?shù)臉?biāo)注。電路圖中的中、大規(guī)模集成電路器件，一般用框表示，在框中標(biāo)出它的型號，在框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根線功能名稱和管腳好。所有元器件的符號都應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。
電路圖中所有的連線都要表示清楚，各元器件之間的絕大多數(shù)連線應(yīng)在圖樣上畫出。連線通常畫成水平線或豎線，一般不畫斜線?；ハ噙B通的交叉線，應(yīng)在交叉處用圓點標(biāo)出。根據(jù)需要，可以在連接線上加上信號名或其他標(biāo)記，表示其功能或去向。連線要盡量短，電源一般標(biāo)出電源電壓的數(shù)值（例如+5V，+15V，-15V等）。電路圖的安排要緊湊和協(xié)調(diào)，稀密恰當(dāng)，避免出現(xiàn)有的地方畫的很密，有的地方卻空出一大塊。總之，要清晰明了，容易看懂，美觀協(xié)調(diào)。
（4）電路圖中的中大規(guī)模集成電路，通常用框形表示。在框中標(biāo)出它的型號，框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根連線的功能名稱和管腳號。除中大規(guī)模器件外，其余元器件的符號應(yīng)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化。集成電路器件的管腳較多，多余的管腳應(yīng)當(dāng)做適當(dāng)處理。
（5）如果電路比較復(fù)雜，設(shè)計者經(jīng)驗不足，有些問題在畫出總體電路之前難以解決，可以先畫出總電路的草圖，調(diào)整好布局和連線之后，再畫出正式的總電路圖。
（6）最好在坐標(biāo)紙上畫電路圖，可以畫的既好又快。
設(shè)計的電路是否能滿足設(shè)計要求，還必須通過組裝、調(diào)試進(jìn)行驗證。最后，繪出的完整電路圖還要通過裝配成品后，再整理而成。
　　此外，圖中的個別參數(shù)值可能需要在實驗時作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
　　在實際設(shè)計過程中，遇到問題時應(yīng)善于理論聯(lián)系實際，深入思考，分析原因，找出解決問題的辦法。經(jīng)過測試，性能指標(biāo)全部到達(dá)要求后，方可使用。
　　綜上所述，我們通過一系列的分析和設(shè)計、調(diào)試等過程，即可設(shè)計出我們所需要的電子電路。