電子電路設計的一般方法與步驟

一、總體方案的設計與選擇

1.方案原理的構想

(1)提出原理方案

一個複雜的系統需要進行原理方案的構思，也就是用什麼原理來實現系統要求。因此，應對課題的任務、要求和條件進行仔細的分析與研究，找出其關鍵問題是什麼，然後根據此關鍵問題提出實現的原理與方法，并畫出其原理框圖（即提出原理方案）。提出原理方案關系到設計全局，應廣泛收集與查閱有關資料，廣開思路,開動腦筋,利用已有的各種理論知識，提出盡可能多的方案，以便作出更合理的選擇。所提方案必須對關鍵部分的可行性進行讨論，一般應通過試驗加以确認。

(2)原理方案的比較選擇

原理方案提出後，必須對所提出的幾種方案進行分析比較。在詳細的總體方案尚未完成之前,隻能就原理方案的簡單與複雜，方案實現的難易程度進行分析比較，并作出初步的選擇。如果有兩種方案難以敲定，那麼可對兩種方案都進行後續階段設計，直到得出兩種方案的總體電路圖,然後就性能、成本、體積等方面進行分析比較，才能最後确定下來。

二、單元電路的設計與選擇

1.單元電路結構形式的選擇與設計

按已确定的總體方案框圖，對各功能框分别設計或選擇出滿足其要求的單元電路。因此，必須根據系統要求，明确功能框對單元電路的技術要求，必要時應詳細拟定出單元電路的性能指标，然後進行單元電路結構形式的選擇或設計。

滿足功能框要求的單元電路可能不止一個，因此必須進行分析比較，擇優選擇。

2.元器件的選擇

(1)元器件選擇的一般原則

元器件的品種規格十分繁多，性能、價格和體積各異，而且新品種不斷湧現，這就需要我們經常關心元器件信息和新動向，多查閱器件手冊和有關的科技資料，尤其要熟悉一些常用的元器件型号、性能和價格，這對單元電路和總體電路設計極為有利。選擇什麼樣的元器件最合适，需要進行分析比較。首先應考慮滿足單元電路對元器件性能指标的要求，其次是考慮價格、貨源和元器件體積等方面的要求。

(2)集成電路與分立元件電路的選擇問題

随着微電子技術的飛速發展，各種集成電路大量湧現，集成電路的應用越來越廣泛。今天，一塊集成電路常常就是具有一定功能的單元電路，它的性能、體積、成本、安裝調試和維修等方面一般都優于由分立元件構成的單元電路。

優先選用集成電路不等于什麼場合都一定要用集成電路。在某些特殊情況，如：在高頻、寬頻帶、高電壓、大電流等場合，集成電路往往還不能适應，有時仍需采用分立元件。另外，對一些功能十分簡單的電路，往往隻需一隻三極管或一隻二極管就能解決問題，就不必選用集成電路。

(3) 怎樣選擇集成電路

集成電路的品種很多，總的可分為模拟集成電路、數字集成電路和模數混合集成電路等三大類。按功能分，模拟集成電路有：集成運算放大器、比較器、模拟乘法器、集成功率放大器、集成穩壓器，集成函數發生器以及其他專用模拟集成電路等；數字集成電路有:集成門、驅動器、譯碼器/編碼器、數據選擇器、觸發器、寄存器、計數器、存儲器、微處理器、可編程器件等；混合集成電路有：定時器、A/D、D/A轉換器、鎖相環等。

按集成電路中有源器件的性質又可分為雙極型和單極型兩種集成電路。同一功能的集成電路可以是雙極型的，亦可以是單極型的。雙極型與單極型集成電路在性能上的主要差别是:雙極型器件工作頻率高、功耗大、溫度特性差、輸入電阻小等，而單極型器件正好相反。至于采用哪一種，這要由單元電路所要求的性能指标來決定。

數字集成電路有：雙極型的TTL、ECL和I2L等，單極型的CMOS、NMOS和動态MOS等。選擇集成電路的關鍵因素主要包括性能指标、工作條件、性能價格比等，集成電路選擇流程如圖14.1.1所示：

圖14.1.1 集成電路選擇的流程

三、單元電路之間的級聯設計

各單元電路确定以後，還要認真仔細地考慮他們之間的級聯問題，如：電氣特性的相互匹配、信号耦合方式、時序配合，以及相互幹擾等問題。

1. 電氣性能相互匹配問題

關于單元電路之間電氣性能相互匹配的問題主要有：阻抗匹配、線性範圍匹配、負載能力匹配、高低電平匹配等。前兩 個問題是模拟單元電路之間的匹配問題，最後一個問題是數字單元電路之間的匹配問題。而第三個問題(負載能力匹配)是兩種電路都必須考慮的問題。從提高放大倍數和負載能力考慮，希望後一級的輸入電阻要大,前一級的輸出電阻要小,但從改善頻率響應角度考慮，則要求後一級的輸入電阻要小。

對于線性範圍匹配問題，這涉及到前後級單元電路中信号的動态範圍。顯然，為保證信号不失真地放大則要求後一級單元電路的動态範圍大于前級。

負載能力的匹配實際上是前一級單元電路能否正常驅動後一級的問題。這在各級之間均有，但特别突出的是在後一級單 元電路中，因為末級電路往往需要驅動執行機構。如果驅動能力不夠，則應增加一級功率驅動單元。在模拟電路裡，如對驅 動能力要求不高，可采用運放構成的電壓跟随器，否則需采用功率集成電路，或互補對稱輸出電路。在數字電路裡，則采用達林頓驅動器、單管射極跟随器或單管反向器。電平匹配問題在數字電路中經常遇到。若高低電平不匹配，則不能保證正常的邏輯功能，為此，必須增加電平轉換電路。尤其是CMOS集成電路與TTL集成電路之間的連接，當兩者的工作電源不同時(如CMOS為 15V,TTL為 5V）,此時兩者之間必須加電平轉換電路。

2.信号耦合方式

常見的單元電路之間的信号耦合方式有四種：直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合。

(1)直接耦合方式

直接耦合是上一級單元電路的輸出直接（或通過電阻）與下一級單元電路的輸入相連接。這種耦合方式最簡單，它可把上一級輸出的任何波形的信号（正弦信号和非正弦信号）送到下一級單元電路。但是，這種耦合方式在靜态情況下，存在兩個單元電路的相互影響。在電路分析與計算時，必須加以考慮。

(2)阻容耦合方式（如圖14.1.2所示）

14.1.2 阻容耦合傳遞脈沖信号

(3)變壓器耦合方式

(4)光電耦合方式

光電耦合方式是一種常用的方式，其主要是通過光電信号的轉換變成信号的傳輸，以達到前後級隔離的目的。

3.時序配合

單元電路之間信号作用的時序在數字系統中是非常重要的。哪個信号作用在前，哪個信号作用在後，以及作用時間長短等，都是根據系統正常工作的要求而決定的。換句話說，一個數字系統有一個固定的時序。時序配合錯亂，将導緻系統工作失常。

時序配合是一個十分複雜的問題，為确定每個系統所需的時序，必須對該系統中各個單元電路的信号關系進行仔細的分析，畫出各信号的波形關系圖——時序圖，确定出保證系統正常工作下的信号時序，然後提出實現該時序的措施。

四、畫出總體電路草圖

單元電路和它們之間連接關系确定後，就可以進行總體電路圖的繪制。總體電路圖是電子電路設計的結晶，是重要的設計文件，它不僅僅是電路安裝和電路闆制作等工藝設計的主要依據，而且是電路試驗和維修時不可缺少的文件。總體電路涉及的方面和問題很多，不可能一次就把它畫好，因為尚未通過試驗的檢驗，所以不能算是正式的總體電路圖，而隻能是一個總體電路草圖。

對畫出總體電路圖的要求是：能清晰公整地反映出電路的組成、工作原理、各部分之間的關系以及各種信号的流向。因此，圖紙的布局、圖形符号、文字标準等都應規範統一。

五、總體電路試驗

由于電子元器件品種繁多且性能分散，電子電路設計與計算中又采用工程估算，再加之設計中要考慮的因素相當多，所以，設計出的電路難免會存在這樣或那樣的問題，甚至差錯。實踐是檢驗設計正确與否的唯一标準，任何一個電子電路都必須通過試驗檢驗，未能經過試驗的電子電路不能算是成功的電子電路。通過試驗可以發現問題，分析問題，找出解決問題的措施，從而修改和完善電子電路設計。隻有通過試驗,證明電路性能全部達到設計的要求後，才能畫出正式的總體電路圖。

電子電路試驗應注意以下幾點：

1.審圖。電子電路組裝前應對總體電路草圖全面審查一遍。盡早發現草圖中存在的問題，以避免實驗中出現過多反複或重大事故。

2.電子電路組裝。一般先在面包闆上采用插接方式組裝，或在多功能印刷闆上采用焊接方式組裝。有條件時亦可試制印刷闆後焊接組裝。

3.選用合适的試驗設備。一般電子電路試驗必備的設備有：直流穩壓電源、萬用表、信号源、雙蹤示波器等，其他專用測試設備視具體電路要求而定。

4.試驗步驟：先局部，後整體。即先對每個單元電路進行試驗，重點是主電路的單元電路試驗。可以先易後難，亦可依次進行，視具體情況而定。調整後再逐步擴展到整體電路。隻有整體電路調試通過後，才能進行性能指标測試。性能指标測試合格才算試驗完結。

六、繪制正式的總體電路圖

經過總體電路試驗後，可知總體電路的組成是否合理及各單元電路是否合适，各單元電路之間聯結按是否正确，元器件參數是否需要調整，是否存在故障隐患，以及解決問題的措施，從而為修改和完善總體電路提供可靠的依據。畫正式總體電路應注意的幾點與畫草圖一樣，隻不過要求更嚴格，更工整。一切都應按制圖标準繪圖。

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