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1、电子电路设计实践编著：李怀亮绥化学院电气工程学院电子创新园区2014年2月前言 电子电路设计一、电子电路设计1.应达到的基本要求（1）综合运用电子技术课程中所学到理论知识去独立完成一个设计课题。（2）通过查阅手册和文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。（3）进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。（4）学会电子电路的安装与调试技能。（5）进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。（6）学会撰写课程设计总计报告、科技论文等。（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。2.电子电路设计大体分三个阶段（1）设计与计算阶段。（2）安装与调试阶段。（3）撰写总结报告或论文阶段。3.电子
2、电路设计的方法与步骤包括：总体方案的设计与选择、单元电路的选择与设计、单元电路间的连接方法、绘制总体电路草图、关键电路试验、最后绘制正式的总体电路图等设计环节。二、电子电路设计入门1.开展电子电路设计与制作，如何选题（1）选题应新颖，实用性强。（2）选题应包括硬件设计和软件设计的内容，且硬件内容应多于软件内容。（3）选题应综合性强，能涵盖模拟电路、数字电路，而且一般都需要用单片机作为控制核心或处理信号，或者用PLD等新器件来实现。（4）选题的难易程度应低于毕业设计的题目。（5）如何想通过完成选题在全国电子竞赛拿上名次，选题应有创新点，有特色。特色 就是人无我有，人有我新，而且选题比较复杂，很可
3、能是机电结合型的。2.开展电子电路设计与制作，如何入门（1）介入电路设计与制作，宜早不宜迟（2）兴趣是最好的老师（3）勤于动手是最好的途径例：运算放大器：按理论分析，只要比例电阻选定后，就可决定运放的放大倍数，计算结果十分明确。而事实并非如此，需要用理论计算和实验调整方式选取比例电阻，这样才能获得切合实际的放大倍数。三、电子电路设计平台1.硬件平台电路、信号、电子技术基础：含低频电路、高频电路、信号分析与处理知识。例：各种运算放大器、555定时器、各种计数器、译码驱动器、显示器、A/D 、 D/A 、发射、接收、锁相环芯片(锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成)等。可编程CPLD、FPG
4、A芯片：可进行灵活的编程和下载，具有可重复性、可组合性，可设计并下载系统级的数字电路；可以构建高速电子电路，可用于前端电路。微控制器MCU（单片机）：可通过灵活的编程改变其功能，处理速度较慢，但接口丰富，常常作为综合电子系统的控制核心。专业芯片ASIC：为完成某一特定功能制定芯片。例：图像压缩芯片，可以使图像信息在电话线中传输；移动通信中的射频、音频接口芯片等。数字信号处理器DSP：DSP芯片由于其特殊的设计结构，使数字信号处理理论建立的算法得以实时运行，并逐步进入MCU的应用领域。2.软件平台汇编语言：它是最简单、最基本、最实用的语言，也是一种低级语言，速度快，可直接控制硬件，在单片机开发中
5、广为应用。C语言：作为一种通用的高级语言，可大幅地提高单片机的应用系统开发效率。C语言程序便于移植和修改，能提供处理复杂的数据类型，增强了程序处理能力和灵活性。但用C语言编译器生成代码效率较低并且执行时间较长，影响速度。MATLAB语言：是一种较强大的数学运算和图形功能的语言，他的应用范围几乎涵盖了所有科学和工程计算领域；应用MATLAB工具箱还能进行系统级的模拟分析。因此它是集编程和EDA仿真于一体的语言。VHDL语言：超高速集成电路硬件描述语言，它是开发、烧制大规模集成电路语言，是个大半导体公司开发产品的有力工具。EDA仿真软件：虚拟电子实验平台EWB、Multisim ，主要用于电路、低
6、频模拟电路、简单数字电路的仿真设计；Proteus电子系统仿真软件，实现高级原理图布图、MCU、混合模式SPICE仿真、PCB设计以及自动布线等完整的电子设计系统；常见的EDA有通用电路分析软件PSPICE，用于高频电路的仿真设计。四、电子电路设计的步骤1.多拟定几个设计方案（提出原理方案，原理方案的比较与选择）例：”自动计时/定时器“方案一，用专用电子计数芯片实现方案二，用PLD器件实现方案三，用数字电路中组合逻辑电路实现方案四，用单片机实现2.单元电路的设计与选择（1）单元电路结构形式的选择与设计满足功能要求的单元可能不止一个，因此必须进行分析比较，择优选择。（2）元器件选择的一般原则多查
7、元器件手册和有关的科技资料，尤其要熟悉一些常用元器件、性能和价格，这对单元电路和总体电路设计极为有利。首先应考虑满足单元电路对元器件性能指标的要求，其次考虑价格、货源和元器件体积等方面问题。（3）集成电路与分立元器件电路的选择问题例如：设计直流电源，采用分立元件至少花几天时间，采用三端稳压块即简单又实用。优先选用集成电路不等于什么场合都一定要用集成电路。在某些特殊情况，如高频、宽频带、高电压、大电流等场合，集成电路往往不适用，有时仍需采用分立元件。（4）怎样选用集成电路模拟集成电路：集成运算放大器、比较器、模拟乘法器、集成功率放大器、集成稳压器、集成函数发生器以及其它专用模拟集成电路等；数字集
8、成电路：集成门、驱动器、译码器/编码器、数据选择器、触发器、寄存器、计数器、存储器、微处理器、可编程器件等；混合集成电路有：定时器、A/D、D/A转换器、锁相环等。3.纯硬件电路设计步骤图1 设计框图在上面框图中，并不要求所有媒介都通过仿真或搭电路验证，特别在电子竞赛中，时间紧、任务重，不可能按步骤办事，可以超常规设计，提前进入制作阶段，在制作中边调试编修改设计。4.基本工艺：印制电路板制作工艺（1）印制电路板简称PCB。（2）设计软件主要用Protel99工具软件仔细审阅所提供元器件型号、规格，特别是外形尺寸、封装形式、引脚排列顺序，并注意大功率需安装散热片，确定那些元件装在板上，那些元件装
9、在板外。从整体上考虑元件的安装与布局。如低频电路，可采取规则排列，比较整齐，便于安装调试及维修；对高频电路，采取不规则排列，要求布线越短越好，就近链接，看起来比较杂乱，减少分布参数。对于元件安装方式的考虑，可采用立式或卧式。大面积接地可以有效地抑制干扰。5.元器件的测试与筛选（1）对电路中消耗能量较大的耗能元件和承受电压较高的元件，应有1.5倍2倍的余量。（2）高频电路中的调谐电容、振荡电容，应选优质的电介电容、云母电容。（3）对滤波电路选普通电容即可，对定时电路，应选漏电小的胆电容。6.焊接工艺要求：焊点圆滑光亮、无气孔、无尖角、无拖尾；焊点大小一致；焊点的焊料适当，使焊锡充布焊盘，不堆锡，
10、更不能粘连。焊接CMOS器件应使用防静电烙铁，防止将其极间击穿。特别注意是虚焊，虚焊的原因：被焊处表面有氧化物或污垢；元件处理及镀锡不好；焊接温度不足；焊接时间短。7.装配工艺（1）根据整机零部件、电路板的尺寸选择箱的外形和大小。外部是显示屏、输入输出插口、调节旋钮或键盘。（2）发热元件要留出散热空间，必要时加散热片；要尽量避免各部分干扰，必要时应加屏蔽；各单板、部件最好通过接插件相连。（3）电路板上的元件安装应整齐美观，视元件孔的位置可选择立式或卧式。（4）如各部件需要导线连接，而且连接点较多，最好选用排线；对于信号线应采用同轴电缆；对公共地线，最好采用较粗的裸导线。在布线时，应尽量做到短而
11、直，这样布线美观、可靠、分布参数或干扰小。五、电子电路中的抗干扰与屏蔽接地1. 电子电路干扰的抑制（1）干扰源电子电路工作时，往往在有信号之外，还存在一些令人头痛的干扰电压（或电流）。如何克服这些干扰是电子电路（设备）在设计、制造时的主要问题之一。干扰产生于干扰源。干扰源有的在电子电路（设备）外部，也有的在电子电路（设备）内部。（2）电子电路设备外部干扰源主要有：电弧机、日光灯、弧光灯、辉光放电管、火花点火装置等产生的干扰；直流发电机及电动机，交流整流子电动机等旋转设备，以及继电器、开关等产生的干扰；由大功率输电线产生的工频干扰；无线电设备辐射的电磁波等。 （3）电子电路设备内部产生的干扰主要
12、有：交流声，不同信号的互相感应，寄生振荡；绕线电位器的动点、电子元件的引线和印制电路板布线等各种金属的接点间，由于温度差而产生的热电动势等；在数字电路中，由于传输线各部分的特性阻抗不同或与负载阻抗不匹配时，所传输的信号在终端部位发生一次或多次反射，使信号波形发生畸变或产生振荡等。2.干扰途径及其抑制方法（1）为减少设备内部产生的干扰设计人员应注意以下几点：元器件布置不可过密，改善电子设备的散热条件，分散设置稳压电源，避免通过电源内阻引进干扰，在配线和安装时，尽量减少不必要的电磁耦合，尽量减少公共阻抗的阻值，低频信号采用一点接地，数字器件的输入端子不可悬空，必须结合电路的实际情况和条件妥善处理。
13、例如，与非门多余输入端可以通过电阻上接电源，或者将端子合并使用等。3.电子电路中抗干扰措施（1）抑制快速变化开关干扰的思路是尽可能减小du/dt、di/dt。减小du/dt干扰主要在干扰源两端并联电容、续流二极管或RC串联吸收回路。例1：继电器线圈并联续流二极管，可消除断开线圈时产生反电动势。例2：单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间加隔离电路，如电压比较器。减小di/dt干扰在干扰源回路串联电感或电阻以及续流二极管。（2）抑制缓慢变化干扰主要是接地合理，如电源退耦滤波技术；对于共模干扰，则考虑采用双端输入运放。（3）抑制高频干扰的措施是电源退耦滤波电容两端并联0.0
14、1uF0.1uF高频电容；干扰源与被干扰源的对象加以屏蔽；电路的引线、布线尽量短而直，减少分布参数的影响；在引线上穿上磁珠，形成滤波电路；晶振与单片机引脚尽量靠近。（4）良好的接地与屏蔽。4.电子电路的布线与接地技术（1）要求电路板布局合理，强电、弱电、数字信号、模拟信号应分开。例：大功率器件尽可能放在电路板边缘。（2）数字地和模拟地分开集中后接地（实行一点接地），用最短线连接起来接到低阻抗的接地平面上，如接于电源地。（3）高频或开关IC器件应直接焊在电路板上，尽量少用IC座，以减少分布参数的影响。（4）尽可能使干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。（5）PCB上两条线靠得近，容
15、易形成寄生电容和互感，应尽量避免。（6）大小信号分离，即输入信号应远离输出信号。（7）传输小信号的线一定要用屏蔽线，将屏蔽层单端接地。5.有关接地的几点基本知识（1）安全接地一般实验室中安全接地有三种方法，第一种是把三孔插座的地与电源线的中线直接连接，这种接法不是绝对安全的。第二种是把地连到一座大楼的刚骨架上。第三种是最理想的，在实验室的地下深埋一块面积较大的金属板，用与金属板焊接的粗铜线接到实验室作信号地线。第一种地线可能会引入较大的50Hz交流信号干扰；第二种用大楼刚骨架作地线的方法，由于它的电阻大，接地不好，可能感应各种干扰电压（含50Hz交流信号）；只有第三种地线上的干扰信号才是最小的。（2）工作接地电子电路在工作和测量时，要求有公共的电位参考点。这个参考点一般是把直流电源的某一端作公共点，叫做工作接地点。工作接地点一般是指接机壳或底板，并不一定要与大地相连接。 （3）信号地信号地是指信号电
