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、FPGA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①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，那些元件装在板外。
②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。
③对于元件安装方式的考虑，可采用立式或卧式。
④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；焊点的焊设计设计设计审题设计系统图设计单元设计单元设计单元电路1电路2电路3设计元件参设计元件参设计元件参数性能指标数性能指标数性能指标仿真或搭仿真或搭仿真或搭电路验证电路验证电路验证修改修改修改料适当，使焊锡充布焊盘，不堆锡，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。
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0.01uF～0.1uF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。
