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1.3 電子電路系統(tǒng)設(shè)計基本原則和設(shè)計內(nèi)容

1.3.1 電子電路系統(tǒng)設(shè)計的基本原則

電子電路系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)遵守的基本原則如下。

① 滿足系統(tǒng)功能和性能的要求。好的設(shè)計必須完全滿足設(shè)計要求的功能特性和技術(shù)指標(biāo),這也是電子電路系統(tǒng)設(shè)計時必須滿足的基本條件。

② 電路簡單,成本低,體積小。在滿足功能和性能要求的情況下,簡單的電路對系統(tǒng)來說不僅是經(jīng)濟(jì)的,同時也是可靠的。所以,電路應(yīng)盡量簡單。值得注意的是,系統(tǒng)集成技術(shù)是簡化系統(tǒng)電路的最好方法。

③ 電磁兼容性好。電磁兼容特性是現(xiàn)代電子電路的基本要求,所以,一個電子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有良好的電磁兼容特性。實際設(shè)計時,設(shè)計的結(jié)果必須能滿足給定的電磁兼容條件,以確保系統(tǒng)正常工作。

④ 可靠性高。電子電路系統(tǒng)的可靠性要求與系統(tǒng)的實際用途、使用環(huán)境等因素有關(guān)。任何一種工業(yè)系統(tǒng)的可靠性計算都是以概率統(tǒng)計為基礎(chǔ)的,因此電子電路系統(tǒng)的可靠性只能是一種定性估計,所得到的結(jié)果也只是具有統(tǒng)計意義的數(shù)值。實際上,電子電路系統(tǒng)可靠性計算方法和計算結(jié)果與設(shè)計人員的實際經(jīng)驗有相當(dāng)大的關(guān)系,設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)注意積累經(jīng)驗,以提高可靠性設(shè)計的水平。

⑤ 系統(tǒng)的集成度高。最大限度地提高集成度,是電子電路系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)遵循的一個重要原則。高集成度的電子電路系統(tǒng),必然具有電磁兼容性好、可靠性高、制造工藝簡單、體積小、質(zhì)量容易控制以及性價比高等一系列優(yōu)點。

⑥ 調(diào)試簡單方便。這要求電子電路設(shè)計者在設(shè)計電路的同時,必須考慮調(diào)試的問題。如果一個電子電路系統(tǒng)不易調(diào)試或調(diào)試點過多,這個系統(tǒng)的質(zhì)量是難以保證的。

⑦ 生產(chǎn)工藝簡單。生產(chǎn)工藝是電子電路系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)當(dāng)考慮的一個重要問題,無論是批量產(chǎn)品還是樣品,簡單的生產(chǎn)工藝對電路的制作與調(diào)試來說都是相當(dāng)重要的一個環(huán)節(jié)。

⑧ 操作簡單方便。操作簡便是現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)的重要特征,難以操作的系統(tǒng)是沒有生命力的。

⑨ 耗電少。

⑩ 性價比高。

通常希望所設(shè)計的電子電路能同時符合以上各項要求,但有時會出現(xiàn)相互矛盾的情況。

例如,在設(shè)計中有時會遇到這樣的情況:如果要想使耗電最少或體積最小,則成本高或可靠性差或操作復(fù)雜麻煩。在這種情況下,應(yīng)當(dāng)針對實際情況抓住主要矛盾來解決問題。例如,對于用交流電網(wǎng)供電的電子設(shè)備,如果電路總的功耗不大,那么功耗的大小不是主要矛盾,而對于用微型電池供電的航天儀表而言,功耗的大小則是主要矛盾之一。

1.3.2 電子電路設(shè)計的內(nèi)容

電子電路設(shè)計是對各種技術(shù)綜合應(yīng)用的過程。通常,電子電路設(shè)計過程包括以下幾個方面的內(nèi)容。

(1)功能和性能指標(biāo)分析 一般設(shè)計題目給出的是系統(tǒng)功能要求、重要技術(shù)指標(biāo)要求。

這些是電子電路系統(tǒng)設(shè)計的基本出發(fā)點。但僅憑題目所給要求還不能進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計人員必須對題目的各項要求進(jìn)行分析,整理出系統(tǒng)和具體電路設(shè)計所需的更具體、更詳細(xì)的功能要求和技術(shù)性能指標(biāo)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)才是進(jìn)行電子電路系統(tǒng)設(shè)計的原始依據(jù)。同時,通過對設(shè)計題目的分析,設(shè)計人員可以不定期更深入地了解所要設(shè)計的系統(tǒng)的特性。功能和性能指標(biāo)分析的結(jié)果必須與原題目的要求進(jìn)行對照檢查,以防遺漏。

(2)系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計包括初步設(shè)計、方案比較和實際設(shè)計3部分內(nèi)容。有了功能和性能指標(biāo)分析的結(jié)果,就可以進(jìn)行初步的方案設(shè)計。方案設(shè)計的內(nèi)容主要是選擇實現(xiàn)系統(tǒng)的方法、擬采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如系統(tǒng)功能框圖),同時還應(yīng)考慮實現(xiàn)系統(tǒng)各部分的基本方法。

這時應(yīng)當(dāng)提出兩種以上方案進(jìn)行初步對比,如果不能確定,則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行關(guān)鍵電路的分析,然后再作比較。方案確定后,系統(tǒng)的總體設(shè)計就已完成,這時必須與功能、性能指標(biāo)分析的結(jié)果數(shù)據(jù)和題目的要求進(jìn)行核實,以免疏漏。

一個實用課題的理想設(shè)計方案不是輕而易舉就能獲得的,往往需要設(shè)計者進(jìn)行廣泛、深入的調(diào)查研究,翻閱大量參考資料,并進(jìn)行反復(fù)比較和可行性論證,結(jié)合實際工程實踐需要,才能最后確定下來。

(3)原理電路設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)果提出了具體設(shè)計方案,確定了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),那么,接下來的工作就是進(jìn)行各部分功能電路以及分電路連接的具體設(shè)計。這時要注意局部電路對全系統(tǒng)的影響,要考慮是否易于實現(xiàn)、是否易于檢測以及性價比等問題,因此,設(shè)計人員平時要注意電路資料的積累。

(4)可靠性設(shè)計 電子電路系統(tǒng)的可靠性指標(biāo),是根據(jù)電子電路系統(tǒng)的使用條件和功能要求提出的,具有極強的針對性和目的性。任何一個電子電路系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)和設(shè)計要求,都只能針對一定的條件和目的,脫離具體條件談可靠性是沒有任何意義的。不講條件和目的,一味地提高系統(tǒng)可靠性,其結(jié)果只能是設(shè)計出一個難以實現(xiàn)或成本極高的電子電路系統(tǒng)。

可靠性設(shè)計包括三個方面:一是系統(tǒng)可靠性指標(biāo)設(shè)計;二是系統(tǒng)本身可靠性必須滿足設(shè)計要求;三是系統(tǒng)對錯誤的容忍程度,即容錯能力。

實際上,可靠性設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計時已經(jīng)有所體現(xiàn),系統(tǒng)的方案設(shè)計和電路設(shè)計中必須考慮可靠性因素(如器件的選擇、電路連接方式的選擇等)。可靠性設(shè)計應(yīng)當(dāng)對全系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行核實計算。

(5)電磁兼容特性設(shè)計 電磁兼容設(shè)計實際也體現(xiàn)在系統(tǒng)和電路的設(shè)計過程中。系統(tǒng)的各種電磁特性指標(biāo)是系統(tǒng)電磁設(shè)計的基本依據(jù),而電路的工作條件則是電磁兼容設(shè)計的基本內(nèi)容。

電磁兼容設(shè)計要解決兩方面的問題,一是提出合理的系統(tǒng)電磁兼容條件,二是如何使系統(tǒng)能滿足電磁兼容條件的要求。電子電路電磁兼容設(shè)計的任務(wù)是對電子電路系統(tǒng)的電磁特性(特別是電磁耦合特性)進(jìn)行分析、計算,再根據(jù)分析、計算的結(jié)果來確定系統(tǒng)電磁兼容結(jié)構(gòu)和特性。

要提高電子電路電磁兼容特性,在電路設(shè)計時應(yīng)注意:

  • 選擇電磁兼容特性好的集成電路。
  • 盡量使關(guān)鍵電路數(shù)字化。
  • 盡量提高系統(tǒng)集成度。
  • 只要條件允許,盡量降低系統(tǒng)頻率。
  • 為系統(tǒng)提供足夠功率的電源。
  • 電路布線合理,做到高低頻分開、功率電路與信號電路分開、數(shù)字電路與模擬電路分開、遠(yuǎn)距離傳輸信號使用電隔離技術(shù)等。

(6)調(diào)試方案設(shè)計 電子電路系統(tǒng)設(shè)計的另一個重要內(nèi)容是設(shè)計一個合理的調(diào)試方案。調(diào)試方案的目的是為設(shè)計人員提供一個有序、合理、迅速的系統(tǒng)調(diào)試方法,使設(shè)計人員在系統(tǒng)實際調(diào)試前就對調(diào)試的全過程有個清楚的認(rèn)識,明確要調(diào)試的項目、目的、應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)、可能發(fā)生的問題和現(xiàn)象、處理問題的方法、系統(tǒng)各部分調(diào)試時所需要的儀器設(shè)備等。

調(diào)試方案設(shè)計還應(yīng)當(dāng)包括測試結(jié)果記錄的格式設(shè)計,測試結(jié)果記錄格式必須能明確地反映系統(tǒng)所實現(xiàn)的各項功能特性和達(dá)到的各項技術(shù)指標(biāo)。

1.3.3 電路設(shè)計的一般過程

電子電路的一般設(shè)計方法和步驟如圖1-8所示。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,因而圖1-8所示的設(shè)計步驟有時需要交叉進(jìn)行,甚至?xí)霈F(xiàn)反復(fù)。電子電路設(shè)計的方法和步驟不是一成不變的,設(shè)計者要根據(jù)實際情況靈活掌握。

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圖1-8 電路設(shè)計過程

(1)選擇總體方案 設(shè)計電路的第一步就是選擇總體方案。總體方案是用具有一定功能的若干單元電路構(gòu)成一個整體,以滿足課題題目所提出的要求和性能指標(biāo),實現(xiàn)各項功能。選擇方案就是按照系統(tǒng)總的要求,把電路劃分成若干個功能塊,得出能表示單元功能的整機原理框圖。每個方框是一個單元功能電路,按照系統(tǒng)性能指標(biāo)要求,規(guī)劃出各單元功能電路所要完成的任務(wù),確定輸出與輸入的關(guān)系,確定單元電路的結(jié)構(gòu)。

由于符合要求的總體方案往往不止一個,所以應(yīng)當(dāng)針對系統(tǒng)提出的任務(wù)、要求和條件,進(jìn)行廣泛調(diào)查研究,大量查閱參考文獻(xiàn)和有關(guān)資料,廣開思路,要敢于探索,努力創(chuàng)新,提出若干不同方案,仔細(xì)分析每個方案的可行性和優(yōu)缺點,反復(fù)比較,爭取方案的設(shè)計合理、可靠、經(jīng)濟(jì)、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)。

框圖應(yīng)能說明方案的基本原理,應(yīng)能正確反映系統(tǒng)完成的任務(wù)和各組成部分的功能,清楚表示出系統(tǒng)的基本組成和相互關(guān)系。

選擇方案必須注意下面兩個問題。

① 要有全局觀點,從全局出發(fā),抓住主要矛盾。因為有時局部電路方案為最優(yōu),但系統(tǒng)方案不一定是最佳的。

② 要充分開動腦筋,不僅要考慮方案是否可行,還要考慮怎樣保證性能可靠,考慮如何降低成本、降低功耗、減小體積等許多實際的問題。

(2)設(shè)計單元電路 單元電路是整機的一部分,只有把單元電路設(shè)計好才能提高整體設(shè)計水平。設(shè)計單元電路的一般方法和步驟如下。

① 根據(jù)設(shè)計要求和已選定的總體方案原理框圖,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)、與前后級之間的關(guān)系、分析電路的構(gòu)成形式。應(yīng)注意各單元電路之間的相互配合,注意各部分輸入信號、輸出信號和控制信號的關(guān)系。盡量少用或不用電平轉(zhuǎn)換之類的接口電路,并考慮使各單元電路采用統(tǒng)一的供電電源,以簡化電路結(jié)構(gòu),降低成本。

② 擬定好各單元電路的要求后,應(yīng)全面檢查一遍,確定無誤后方可按信號流程或從難到易或從易到難的順序分別設(shè)計各單元電路。

③ 選擇單元電路的組成形式。一般情況下,應(yīng)查閱有關(guān)資料,以豐富知識、開闊眼界,從已掌握的知識和了解的各種電路中選擇一個合適的電路。如確實找不到性能指標(biāo)完全滿足要求的電路,也可選用與設(shè)計要求比較接近的電路,然后調(diào)整電路參數(shù)。

在單元電路的設(shè)計中特別要注意保證各功能塊協(xié)調(diào)一致地工作。對于模擬系統(tǒng),要按照需要采用不同的耦合方式把它們連接起來;對于數(shù)字系統(tǒng),協(xié)調(diào)工作主要通過控制器來進(jìn)行,控制器不允許有競爭冒險和過渡干擾脈沖出現(xiàn),以免發(fā)生控制失誤。對所選各功能塊進(jìn)行設(shè)計時,要根據(jù)集成電路的技術(shù)要求和功能塊應(yīng)完成的任務(wù),正確計算外圍電路的參數(shù)。對于數(shù)字集成電路要正確處理各功能輸入端。

(3)計算參數(shù) 為保證單元電路達(dá)到功能指標(biāo)要求,常需計算某些參數(shù)。例如放大器電路中各電阻值、放大倍數(shù),振蕩器中電阻、電容、振蕩頻率等參數(shù)。只有很好地理解電路的工作原理,正確利用計算公式,計算的參數(shù)才能滿足設(shè)計要求。

一般來說,計算參數(shù)應(yīng)注意以下幾點。

① 各元器件的工作電壓、電流、頻率和功耗等應(yīng)在允許的范圍內(nèi),并留有適當(dāng)?shù)脑A浚员WC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)(如整流橋的耐壓)時,必須留有足夠的裕量,一般按1.5倍左右考慮。例如,如果實際電路中三極管UCE的最大值為20V,那么挑選三極管時應(yīng)按U(BR)CEO≥30V考慮。

④ 電阻值盡可能選在1MΩ以下,一般不應(yīng)超過10MΩ,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的品種。

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)在常用電容器標(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,盡可能降低成本,減少器件品種,減少元器件的功耗,減小體積,為安裝調(diào)試創(chuàng)造有利條件。

⑦ 有些參數(shù)很難用公式計算確定,需要設(shè)計者具備一定的實際經(jīng)驗。如確實無法確定,個別參數(shù)可待仿真時再確定。

(4)審圖 由于在設(shè)計過程中有些問題難免考慮不周全,各種參數(shù)計算也可能出錯,因此在畫出總原理初圖并計算參數(shù)后,進(jìn)行審圖是很有必要的。審圖可以發(fā)現(xiàn)原理圖中不當(dāng)或錯誤之處,能將錯誤降到最低程度,使仿真階段少走彎路。尤其是比較復(fù)雜的電路,仿真之前一定要進(jìn)行全面審查,必要時還可請經(jīng)驗豐富的同行共同審查,以發(fā)現(xiàn)和解決大部分問題。審圖時應(yīng)注意以下幾點。

① 先從全局出發(fā),檢查總體方案是否合適,有無問題,是否有更佳方案。

② 檢查各單元電路是否正確,電路形式是否合適。

③ 模擬電路各電路之間的耦合方式有無問題,數(shù)字電路各單元電路之間的電平、時序等配合有無問題,邏輯關(guān)系是否正確,是否存在競爭冒險。

④ 檢查電路中有無煩瑣之處,是否可以簡化。

⑤ 根據(jù)圖中所標(biāo)出的各元器件的型號、參數(shù),驗算能否達(dá)到性能指標(biāo),有無恰當(dāng)?shù)脑A俊?/p>

⑥ 要特別注意檢查電路圖中各元器件工作是否安全,是否工作在額定值范圍內(nèi)。

⑦ 解決所發(fā)現(xiàn)的全部問題后,若改動較多,應(yīng)復(fù)查一遍。

(5)仿真和實驗 電子產(chǎn)品的研制或電子電路的制作都離不開仿真和實驗。設(shè)計一個具有實用價值的電子電路,需要考慮的因素和問題很多,既要考慮總體方案是否可行,還要考慮各種細(xì)節(jié)問題。

例如,用模擬電路實現(xiàn)還是用數(shù)字電路實現(xiàn),或者用模/數(shù)混合電路實現(xiàn);各單元電路的組織形式,各單元電路之間的連接用哪些元器件;各種元器件的性能、參數(shù)、價格、體積、封裝形式、功耗、貨源等。電子元器件品種繁多,性能參數(shù)各異,僅普通晶體三極管就有幾千種類型,要在眾多類型中選用合適的器件著實不易,再加上設(shè)計之初往往經(jīng)驗不足,以及一些新的集成電路尤其是大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路的功能較多,內(nèi)部電路復(fù)雜,如果沒有實際用過,單憑資料是很難掌握它們的各種用法及使用的具體細(xì)節(jié)的。因此,設(shè)計時考慮問題不周、出現(xiàn)差錯是很正常的。對于比較復(fù)雜的電子電路,單憑紙上談兵就能使自己設(shè)計的原理圖正確無誤并能獲得較高的性價比,往往是不現(xiàn)實的,所以必須通過仿真和實驗來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,從而不斷完善電路。

隨著計算機的普及和EDA 技術(shù)的發(fā)展,電子電路設(shè)計中的實驗演變?yōu)榉抡婧蛯嶒炏嘟Y(jié)合。電路仿真與傳統(tǒng)的電路實驗相比較,具有快速、安全、省材等特點,可以大大提高工作效率。仿真具有下列優(yōu)越之處。

① 對電路中只能依據(jù)經(jīng)驗來確定的元器件參數(shù),用電路仿真的方法很容易確定,而且電路的參數(shù)容易調(diào)整。

② 由于設(shè)計的電路中可能存在錯誤或者在搭接電路時出錯,可能損壞元器件或者在調(diào)試中損壞儀器,從而造成經(jīng)濟(jì)損失。而電路仿真中也會損壞元器件或儀器,但不會造成經(jīng)濟(jì)損失。

③ 電路仿真不受工作場地、儀器設(shè)備、元器件品種和數(shù)量的限制。

④ 在EWB軟件下完成的電路文件,可以直接輸出至常見的印制電路板排版軟件,如Protel、OrCAD和TANGO等,自動排出印制電路板,加速產(chǎn)品的開發(fā)速度。

盡管電路仿真有諸多優(yōu)點,但其仍然不能完全代替實驗。仿真的電路與實際的電路仍有一定差距,尤其是模擬電路部分,由于仿真系統(tǒng)中元器件庫的參數(shù)與實際器件的參數(shù)可能不同,可能導(dǎo)致仿真時能實現(xiàn)的電路而實際卻不能實現(xiàn)。對于比較成熟的有把握的電路可以只進(jìn)行仿真,而對于電路中關(guān)鍵部分或采用新技術(shù)、新電路、新器件的部分,一定要進(jìn)行實驗。

仿真和實驗要完成以下任務(wù)。

① 檢查各元器件的性能、參數(shù)、質(zhì)量能否滿足設(shè)計要求。

② 檢查各單元電路的功能和指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計要求。

③ 檢查各個接口電路是否起到應(yīng)有的作用。

④ 把各單元電路組合起來,檢查總體電路的功能,檢查總電路的性能是否最佳。

(6)總體電路圖的畫法 原理電路設(shè)計完成后,應(yīng)畫出總體電路圖。總體電路圖不僅是印制電路板等工藝設(shè)計的主要依據(jù),而且在組裝、調(diào)試和維修時也離不開它。繪制電路圖要注意以下幾點。

① 布局合理,排列均勻,疏密恰當(dāng),圖面清晰,美觀協(xié)調(diào),便于看圖,便于對圖進(jìn)行理解和閱讀。

② 注意信號的流向,一般從輸入端或信號源畫起,由左至右或由上至下按信號的流向依次畫出各單元電路。一般不要把電路圖畫成很長的窄條,電路圖的長度和寬度比例要比較合適。

③ 繪圖時應(yīng)盡量把總電路畫在一張紙上,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紙上,而把一些比較獨立或次要的部分(如直流穩(wěn)壓電源)畫在另外的圖紙上,并在圖的斷口兩端做上標(biāo)記,標(biāo)出信號從一張圖到另一張圖的引出點和引入點,以說明各圖紙在電路連線之間的關(guān)系。

④ 每一個功能單元電路的組件應(yīng)集中布置在一起,便于顯示各單元電路的功能關(guān)系。

⑤ 連接線應(yīng)為直線,連線通常畫成水平線或豎線,一般不畫斜線。十字連通的交叉線,應(yīng)在交叉處用圓點標(biāo)出。連線要盡量短,少折彎。有的連線可用符號表示,如果把各元器件的每一根連線都畫出來,容易使人眼花繚亂,用符號表示簡潔明了。比如,器件的電源一般只標(biāo)出電源電壓的數(shù)值(如+5V、+15V、-12V),地線用符號來表示。

⑥ 圖形符號要標(biāo)準(zhǔn),圖中應(yīng)加適當(dāng)?shù)臉?biāo)注。圖形符號表示器件的項目或概念。電路圖上的中、大規(guī)模集成電路器件,一般用方框表示,在方框中標(biāo)出它的型號,在方框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根線的功能名稱和引腳號。除中、大規(guī)模器件外,其余元器件符號應(yīng)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化。

⑦ 數(shù)字電路中的門電路、觸發(fā)器在總電路原理圖中建議用門電路符號、觸發(fā)器符號來畫,而不按接線圖形式畫。比如,一個CMOS振蕩器經(jīng)四分頻后輸出的電路如圖1-9(a)所示,如果畫成圖1-9(b)所示的形式則不利于看懂它的工作原理,不便與他人進(jìn)行交流。由于CMOS集成電路不用的輸入端不能懸空,因此要對圖1-9(b)中CC4069和CC4013不用的輸入端進(jìn)行處理,否則該圖是不正確的。

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圖1-9 振蕩分頻器

以上只是總電路圖的一般畫法,實際情況千差萬別,應(yīng)根據(jù)具體情況靈活掌握。

1.3.4 電子電路設(shè)計的方法

(1)模擬電路設(shè)計的基本方法 無論是民用的還是工程應(yīng)用的電子產(chǎn)品,大多數(shù)是由模擬電路或模/數(shù)混合電路組合而成的。模擬裝置(設(shè)備)一般是由低頻電子線路或高頻電子線路組合而成的模擬電子系統(tǒng),如音頻功率放大器、模擬示波器等。雖然它們的性能、用途各不相同,但其電路組成部分都是由基本單元電路組成的,電路的基本結(jié)構(gòu)也具有共同的特點。一般來說,模擬裝置(設(shè)備)都由傳感器件、信號放大和變換電路以及驅(qū)動、執(zhí)行機構(gòu)三部分組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖1-10所示。

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圖1-10 模擬裝置結(jié)構(gòu)框圖

傳感器件主要是將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號放大和變換電路則是對得到的微弱電信號進(jìn)行放大和變換,再傳送到相應(yīng)的驅(qū)動、執(zhí)行機構(gòu)。其基本的功能電路有放大器、振蕩器、整流器及各種波形產(chǎn)生、變換電路等。驅(qū)動、執(zhí)行機構(gòu)可輸出足夠的能量,并根據(jù)課題或工程要求,將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量,完成所需的功能。

對于模擬電子電路的設(shè)計方法,從整個系統(tǒng)設(shè)計的角度來說,應(yīng)先根據(jù)任務(wù)要求,經(jīng)過可行性的分析、研究后,拿出系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,畫出總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖;在確定總體方案后,根據(jù)設(shè)計的技術(shù)要求,選擇合適的功能單元電路,然后確定所需要的具體元器件(型號及參數(shù));最后將元器件及單元電路組合起來,設(shè)計出完整的系統(tǒng)電路。需要說明的是,隨著科技的進(jìn)步,集成電路正在迅速發(fā)展,線性集成電路(如集成運算放大器)日漸增多,采用模擬線性集成電路組建電路已趨流行。這方面的訓(xùn)練對于初學(xué)的設(shè)計者來說十分重要。

(2)數(shù)字邏輯電路設(shè)計的基本方法 數(shù)字邏輯電路的設(shè)計包括兩個方面:基本邏輯功能電路設(shè)計和邏輯電路系統(tǒng)設(shè)計。這里主要介紹數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)的設(shè)計,即根據(jù)設(shè)計的要求和指標(biāo),將基本邏輯電路組合成邏輯電路系統(tǒng)。

數(shù)字邏輯電路通常由四部分組成:輸入電路、控制電路、輸出電路、電源電路,如圖1-11所示。

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圖1-11 數(shù)字邏輯電路組成

輸入電路接收被測或受控系統(tǒng)的有關(guān)信息并進(jìn)行必要的變換或處理,以適應(yīng)控制運算電路的需要。

控制電路則把接收的信息進(jìn)行邏輯判斷和運算,并將結(jié)果輸送給輸出電路。輸出電路將得到的結(jié)果再做相應(yīng)的處理即可驅(qū)動被測或受控系統(tǒng)了。電源電路的作用是為數(shù)字系統(tǒng)的各部分提供工作電壓或電流。

對于簡單的數(shù)字邏輯電路的設(shè)計,一般是根據(jù)任務(wù)的要求,畫出邏輯狀態(tài)真值表,利用各種方法化簡,求出最簡邏輯表達(dá)式,最后畫出邏輯電路圖。近年來,中、大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,使得數(shù)字邏輯電路的設(shè)計發(fā)生了根本性的變化。現(xiàn)在設(shè)計中更多的是考慮如何利用各種常用的標(biāo)準(zhǔn)集成電路設(shè)計出完整的數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)。在設(shè)計中使用中、大規(guī)模集成電路,不僅可以減少電路組件的數(shù)目,使電路簡潔,而且能提高電路的可靠性,降低成本。因此,在數(shù)字電路設(shè)計中,應(yīng)充分考慮這一問題。

數(shù)字邏輯電路總體方案設(shè)計的基本方法如下。

① 根據(jù)總的功能和技術(shù)要求,把復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)分解成若干個單元系統(tǒng),單元的數(shù)目不宜太多,每個單元也不能太復(fù)雜,以方便檢修。

② 每個單元電路由標(biāo)準(zhǔn)集成電路來組成,選擇合適的集成電路及器件,構(gòu)成單元電路。

③ 考慮各個單元電路間的連接,所有單元電路在時序上應(yīng)協(xié)調(diào)一致,滿足工作要求,相互間電氣特性應(yīng)匹配,保證電路能正常、協(xié)調(diào)工作。

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