电子设计基础
1970/01/01 19:07 点击：1112 / 回复：0
一、电子系统概述
所谓电子系统是指由一组电子元件或基本电子单元电路相互连接、相互作用而形成的电路整体，能按特定的控制信号，去执行所设想的功能。一般按电子系统所处理加工完成信号的不同，可分为模拟电子系统、数字电子系统和数字-模拟混合电子系统。
1.模拟电子系统
模拟电子系统的主要功能是对模拟信号进行检测、处理、变换和产生。模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定的动态范围内可能任意取值。这些信号可以是电量（如电压、电流等），也可以是来自传感器的非电量（如应变、温度、压力、流量等）。组成模拟电子系统的主要单元电路有放大电路、滤波电路、信号变换电路等。下图为低频功率放大系统方框图，它由话筒、音频放大器、扬声器和电源组成 。
2.数字电子系统
由若干数字电路和逻辑部件组成，处理及传送数字信号的设备称为数字系统。数字信号的特点是不随时间作连续变化。一个复杂的数字电子系统可分解为控制器加若干个子系统。这些子系统完成的逻辑功能比较单一，一般由中、大规模集成电路实现，如存储器、译码器、数据选择器、加法器、比较器、计数器等。复杂的数字电子系统中必须要有控制器，控制器的主要功能是来管理各个子系统之间的互相操作，使它们有条不紊地按规定的顺序操作。现在我们已经广泛使用单片机，少量使用的ARM、FPGA等使设计大大简化。数字电子系统的简单框图由下图表示。
3.模拟-数字电子混合系统
简单地说，包含有模拟电子电路和数字电子电路组成的电子系统称之为混合电子系统。在过程控制和各种仪器仪表中，完成对如温度、压力、流量、速度等物理量的控制、测量、显示等功能，需要模拟-数字混合电子系统来实现。各种混合式集成电路有非常多，如早期的555定时器就是典型的混合式集成电路，现在这种类型的电路就太多了
二、电子系统设计的一般方法
1.模拟电子系统的设计方法
由于电子系统种类繁多，千差万别，故设计一个电子系统的方法和步骤也不尽相同。但对于要设计的实际电子系统，一般首先根据电子系统的设计任务，进行总体方案策划；然后对组成系统的单元电路进行设计、参数计算、元器件确定、绘出电路图、PCB Layout和实验调试。
(1).总体方案确定
在全面分析电子系统任务书所下达的系统功能、技术指标后，根据已掌握的知识和资料，将总体系统功能合理的分解成若干个子系统（电路单元），并画出各个电路单元框图相互连接而形成的系统原理框图。电子系统总体方案的选择，直接决定电子系统设计的质量。在进行总体方案设计时，要多思考、多分析、多比较。要从性能稳定、工作可靠、电路简单、成本低、功耗小、调试维修方便等方面，选择出最佳方案。
(2).单元电路设计
在进行单元电路设计时，必须明确对各单元电路的具体要求，详细拟定出单元电路的性能指标，认真考虑各单元之间的相互联系，注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配。另外，尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能。有时找不到完全满足要求的现成电路，可在与设计要求比较接近的某电路基础上适当改进，或自己进行创造性设计。为了使电子系统的体积小，可靠性高，电路单元尽可能用集成电路组成。
(3).参数计算
在进行电子电路设计时，应根据电路的性能指标要求决定电路元器件的参数。例如根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电阻的取值；根据振荡器要求的振荡频率，利用公式，可计算出决定振荡频率的电阻和电容之值等等。但一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是惟一的，应根据元器件性能、价格、体积、通用性和货源等方面灵活选择。
计算电路参数时应注意下列问题：
a.各元件的工作电流、电压和功耗等应符合要求，并留有适当的裕量。
b.对元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般应大于额定值的1.5倍。
c.对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最不利的情况考虑。
d.电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值。
e.在保证电路达到功能指标要求的前提下，应尽量减少元件的品种、价格、体 积等。
(4).元器件选择
电子电路的设计就是选择最合适的元器件，并把它们有机地组合起来。在确定电子元件时，应根据电路处理信号的频率范围、环境温度、空间大小、成本高低等诸多因素全面考虑。具体表现为：
a.一般优先选择集成电路。由于集成电路体积小、功能强，可使电子电路可靠性增强，安装调试方便，可大大简化电子电路的设计。如一般情况下利用运算放大器就可构成性能良好的放大器。同样，目前我们在进行直流稳压电源设计时，已很少采用分立元器件进行设计了，取而代之的是性能更稳定、工作更可靠、成本更价廉的集成稳压器。
b.电阻和电容是两种最常用的元器件，它们的种类很多，性能相差也比较大，应用的场合也不同。因此，对于设计者来说，应该熟悉各种电阻器和电容器的主要性能指标和特点，以便根据电路要求，对元件做出正确的选择。
c.分立半导体元件的选择。首先要熟悉它们的功能，掌握它们的应用范围；根据电路的功能要求和元器件在电路中的工作条件，如通过的最大电流、最大反向工作电压、最高工作频率、最大消耗的功率等，确定元器件型号。
(5).计算机模拟仿真
随着计算机技术的飞速发展，电子系统的设计方法发生了很大变化。目前，EDA（电子设计自动化）技术已成为现代电子系统设计的必要手段。在计算机工作平台上，利用EDA软件，可对各种电子电路进行调试、测量、修改，大大提高了电子设计的效率和精确度，同时节约了设计费用。目前常用的电子电路辅助分析、设计的常用软件有（电子工作台）等。
(6).绘总体电路图
总体电路图是在总框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的，它是PCB Layout、组装、调试、和维修的依据。目前绘电路图一般是在计算机上利用绘图软件完成。绘制电路图时主要注意以下几点：
a.总体电路图尽可能画在同一张图纸上；同时注意信号的流向，一般从输入端画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路；对于电路图比较复杂的，应将主电路图画在一张图上，而将其余的单元电路画在一张或数张图纸上，并在各图所有端口两端标注上标号，依次说明各图纸之间的连线关系。
b.注意总体电路图的紧凑和协调，要求布局合理，排列均匀。图中元器件的符号应标准化，元件符号旁边应标出型号和参数。集成电路通常用方框表示，在方框内标出它的型号，在方框的边线两侧标出每根连线的功能和管脚号。
c.连线一般画成水平线和垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。对于相互交叉的线，应在交叉处用圆点标出。对于连接电源负极的连线，一般用接地符号表示；对于连接电源正极的连线，仅需标出电源的电压值即可。
在各单元电路模块和控制电路达到预期要求以后，可把各个部分电路连接起来，构成整个电路系统，并对该系统进行功能测试。测试主要包含三部分工作：系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试。若系统有一项不符合要求，则必须修改电路设计。
(7).PCB设计
根据结构确定PCB尺寸，导入原理图生成的网络表，按规则放置元件和布线。
(8).实验、调试
电子设计要考虑的因素和问题相当多，由于电路在计算机上进行模拟时采用元器件的参数和模型与实际器件有差别，所以对经计算机仿真过的电路，还要进行实际实验。通过实验可以发现问题、解决问题。若性能指标达不到要求，应深入分析问题出在哪些单元或元件上，再对它们重新设计和选择，直到完全满足性能指标为止。
(9).撰写设计文件
样机完成后，应整理出如下的设计文件：完整的电路原理图、PCB图、结构图、详细的原程序清单、元器件清单、功能与性能测试结果、使用说明书等。
2.电子设计的一般原则
任何一项系统的设计，都要遵循一定的原则或标准、规范。进行电子系统设计，一般要求遵循以下的原则：
(1).兼顾技术的先进性和成熟性
当今世界，电子技术发展日新月异。系统设计应适应技术发展的潮流，使系统能保持较长时间的先进性和实用性。同时也要兼顾技术上的成熟性，以缩短开发时间和上市时间。
(2).安全性、可靠性和容错性
安全在任何产品种都是第一位的，在电子系统设计种也是必须首先考虑的。采用成熟的技术、元件和部件，可以在一定程度上保证系统的可靠、稳定和安全。系统还应该具有较强的容错性，例如，不会因人员操作失误而使整个系统无法工作；或因某各模块出现故障而使整个系统瘫痪。
(3).实用性和经济性
在满足基本功能和性能的前提下，系统应具有良好的性价比。
(4).可开展性
新的系统设计时应该有一定的前瞻性，以便以后对系统进行升级改造时，不仅可以保护原有资源，还可以降低系统维护、升级的复杂性以及提高效率。
(5).易维护性
元器件和部件应尽可能采用通用、成熟产品，使系统易于维护。
各种放大电路基本上是以上三种类型电路组合而成的，三种电路的特点分别是：
a.共射电路同时具有较大的电压放大代数和电流放大倍数，输入电阻和输出电阻值比较适中，所以，一般只要对输入电阻、输出电阻和频率响应没有特殊要求的地方均采用此电路。因此。共射电路被广泛地用作低频电压放大电路的输入级、中间级和输出级。
b.共集电路的特点是电压跟随。这就是电压放大倍数小于而接近于1，输出电压与输入电压同相，而且输入电阻很高、输出电阻很低。由于具有这些特点，常被用作多级放大电路的输入级、输出级或作为隔离用的中间级。首先，可以利用它作为测量放大器的输入级，以减小对被测电路的影响，提高测量的精度。其次，如果放大电路输出端是一个变化的负载，那么为了在负载变化时保证放大电路的输出电压比较稳定，要求放大电路具有很低的输出电阻。此时，可以采用射极输出器作为放大电路的输出级。
c.共基电路的突出特点在于它具有很低的输入电阻，使晶体结点容的影响不显著，因而频率响应得到很大改善，所以这种接法常用于宽频带放大器，另外，由于输出电阻高．共基电路过可以作为恒流源。输出电压与输入电压是同相位的。
(2).运放放大电路。
运放电路由于电路简单，使用方便，各项指标高，因此非常通用。在音频设备里面应用最为广泛，各种音源设备、调音台、功放均有运放放大电路，主要有三种放大电路。常用的IC有TL082、TL084、NE5532、JRC4558等。
(3).专用IC放大电路。
这类的IC非常多，没有运放那么通用，一般都是针对特定的使用范围，有小信号放大的也有功率放大的。如典型的小功率放大器LM386。
3.信号处理电路
(1).滤波器
滤波器是一种频域变换电路。它能让指定频段的信号顺利通过，甚至还能放大，而对非指定频段的信号予以衰减。仅采用R、L、C元件组成的滤波器称无源滤波器，含有放大器元件的称为有源滤波器。通常有低通、高通、带通、带阻四种。模拟电路使用最多的是由R、C组成的滤波器，有源滤波器的设计可用软件设计，如Microchip公司的FilterLAB软件。R、L、C滤波器由于元件体积原因很难实现集成化，开关电容滤波器用开关电容取代电阻，因此容易实现集成化，在对元件体积及滤波器的稳定性和准确性有要求的电路中广泛使用，典型的IC有 MAXIM公司的MAX263/MAX264/MAX267/MAX268。
4.模拟电路指标控制
(2).信噪比
信噪比放大器的重要指标，是指放大器额定输出电平与本底噪声电平的比值，用dB表示
噪声的含义很广，就一般而言，对有用的信号产生干扰作用的杂乱无章的波，都可称之为噪声。噪声在不同的频段区，表现形式往往不一样。例如：在音频区的高频噪声是以沙沙声出现，低频噪声是以嗡嗡声出现。
低噪声设计的一些措施：
a.高频噪声主要是半导体元件产生的，通常IC的噪声比分立的三极管大，因为通常IC开环增益非常大，但是IC内部的三极管β值比较小，为了达到高增益需要多级三极管级联，这样级级放大到输出总噪声就比较大。因此，要求低噪声的电路应尽量低噪声器件，高性能的IC价格较高，廉价的办法是采用分立的三极管电路。从电路结构上第一级放大器的对整机信噪比影响最大，因此第一级放大器的噪声要控制好并且增益尽量做大。
b.在满足机器指标的情况下可限制电路频率响应，这个办法对高频噪声比较有效。
c.低频噪声通常是交流电源干扰所致，受干扰的电路主要是小信号部分和阻抗高的电路，在设计过程要将小信号电路尽量远离与交流电源有关的电源线和变压器，对于空间限制的机器可对变压器采取屏蔽措施。PCB的设计也很重要，设计中必须采取一点接地的走线方式。
对于其他措施解决不了噪声问题的电路可采用降噪电路。在音频区段考虑降低噪声问题时，必须注意的基本原则是：人是靠双耳接收各种声音信息的，而人耳听音存在一些特点，对于在原声音信号过后约 120ms以内，即使有噪声存在，人耳也察觉不出，听不见，即所谓掩蔽效应，在此情况下降噪毫无意义。对于小的声音信号，尤其反映细腻情节的 音乐信号，为了聆听清楚，必须考虑噪声降低问题，这便是降噪原则。许多降噪器电路往往都遵守这一原则。
常用的降噪电路可以分为以下几类：
1.静态非互补式降噪电路：此电路对输入的声信号进行固有的单程降噪处理。像50Hz交流声滤波器，滤除声音中规则的50Hz成分，其滤波曲线固定在50Hz频点上进行衰减，这种滤波器接在声音通道上进行一次性单程处理。
2.静态互补式降噪电路：此电路对于输入的声信号进行固有的双程降噪处理，二次处理声信号，构成互补形式，使声音中的噪声降低。例如：预加重和去加重降低高频噪声。预加重和去加重预先固定的，与声音信号大小无关。
3.动态互补式降噪电路：此电路根据输入的声信号大小不同，进行不同方式的双程降噪处理。常用的Dolby降噪器等便属于这一类。它们对输入的声信号进行动态，二次互补式双程处理，以达到降噪效果。
4.动态非互补式降噪电路：此电路根据输入的声信号大小不同，进行不同方式的单程降噪处理。动态噪声限制器（DNR）便属于这类降噪系统。它遵从降噪原则，对输入的声信号采用动态处理，并且对输入声信号通道进行一次性单程处理。这类的电路有专用的IC，如LM1894，这个IC有约10dB的降噪效果。
5.噪声门电路：此电路是利用了掩蔽效应，简单说就是在扬声器声音很大时有噪声也听不出来，当声音和噪声相当时就关掉输出。具体的电路就是在信号通道设一个门电路，大过噪声电平才输出。这种电路的参数对音质影响比较大。
6.扩展电路：此电路就是设定一个基准值使大过基准值的信号更强，小过基准值的信号更弱，噪声信号一般比较小，经过扩展电路后可以达到降噪效果。典型的IC有NE571。
(3).放大器的失真问题
a.线性失真。也称频率失真。这种失真是由放大器对不同频率信号的增益不同而引起的。这外失真限制了有效的重放频率范围，或使某些频率份量的相对副度降低，某些频率信号将得不到真实反映，致使重放声失去真实感。b.谐波失真。正弦信号是声音中最单纯的声音。如果将正弦信号输入功率放大器，若放大器存在非线性失真，就在输出端得到失真的正弦波信号，这个失真的正弦波可分解为基波和奇、偶次谐波，如图所示。偶次倍频率的高次谐波与基波呈现和谐音关系，不会使声音有明显变坏；但奇次谐波与基波为不和谐音，它会使声音明显变坏，这就是谐波失真。
b.谐波失真。正弦信号是声音中最单纯的声音，如果将正弦信号输入功率放大器，若放大器存在非线性失真，就在输出端得到失真的正弦波信号，这个失真的正弦波可分解为基波和奇、偶次谐波，如图所示。偶次倍频率的高次谐波与基波呈现和谐音关系，不会使声音有明显变坏；但奇次谐波与基波为不和谐音，它会使声音明显变坏，这就是谐波失真。谐波失真用它的总量与基波之比的百分数表示。过去认为1％以下的失真为人耳不能判别，但是经过训练的人是能够判别0.5％左右失真的。所以放大器的谐波失真通常应在0.1％以下。
c.互调失真。
互调失真也是由功率放大器的非线性放大引起的。当两个不同频率的信号经过非线性器件后就要产生相互调制，由于音频信号是由若干频率不同的信号组成，也就要产生相互调制了，其结果就是产生出两个输入倍号的和频与差频信号，如图所示。因此会产生出大量的新的频率成分。特别是在超出放大器放大能力出现削顶波形的时候，会产生严重的互调失真，这些互调成分，毫无疑间它要比谐波失真更加严重地影响音质。互调失真也用百分数表示。放大器的互调失真一般应在0.1％以下。
d.瞬态互调失真。
谐波失真相互调失真都是由放大器的非线性矢真所引起，通常应用负反馈技术可使这种失真减到最小，这时测量放大器的各项指标都很好，但是音质总是不如人意。这是因为音质与瞬态互调失真有密切的关系，不管是语言还是音乐，都具有断续起落的瞬态性，这就是瞬态响应的概念。瞬态响应不好的放大器，当输入一个正弦波信号时输出波形可以很好，但当输入一个方波时，其输出波形的前沿上升变缓慢，后沿就会拖尾(阻尼振荡)，使音乐的层次感和透明度降低。瞬态特性的好坏对打击乐器的音质影响特别大。瞬态特性可以用瞬时跟随速率赢表示。瞬时跟随速率，它能表示系统瞬间建立脉冲信号的能力。
(4).动态范围
动态范围是指最大不失真输出与静态时系统噪声输出之比的对数值，其表示单位为分贝（dB）。在SJ/T10406标准里面规定的是“过载源电动势与额定源电动势之比”。对于信号输入就到电位器调节的电路动态范围可以做得很宽，对于信号输入要经过放大器后再调节的电路则由输入放大器决定。动态范围与电路类型和电路供电电压有关，通常运放构成的电路动态范围比较宽。由三极管构成的电路动态范围要窄，主要是工作点决定，工作点不合适也会影响失真度。
四、数字电子设计基础
1.三种基本逻辑门
(1).与门
完成与运算的电路称为与逻辑门，简称为与门。它有两个或两个以上的输入端相一个输出端。逻辑式为： F＝A．B．C
(2).或门
完成或运算的电路称为或逻辑门，简称或门。它有两个或两个以上的输入端和一个输出端，逻辑式为：F＝A+B+C
(3).非门
完成非运算的电路称非逻辑门，简称非门。逻辑式为： F=Ā
2.RS基本触发器
基本RS触发器是最简单的触发器，它是将两个与非门输入与输出交叉连接构成。
3.数字集成电路的分类与特点
数字集成电路有双极型（TTL、ECL）和单极型（COMS）两大类。
TTL和COMS电路区别：
(1).TTL电平输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。TTL最小输入高电平输入高电平>=2.0V，最小输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。CMOS输出高电平接近于电源电压，输出低电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。因为TTL和COMS的高低电平的值不一样，所以互相连接时需要电平的转换。
(2).TTL电路是电流控制器件，而COMS电路是电压控制器件。
(3).TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大；COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。
4.单片机
单片机是微型计算机，具有软件处理能力，因此绝大部分逻辑电路都可以由单片机取代。单片机种类繁多，最具代表性的是Intel公司推出的8051内核单片机，很多公司的单片机都是基于8051内核发展的，我们公司使用的单片机绝大多数也是8051内核单片机。
(1).单片机选型依据
a.I/O口数量，ROM、RAM资源；
b.性能，可靠性和稳定性；
c.软件、开发工具兼容性；
d.价格因素。
(2).单片机常用外围电路
1.通信接口电路
单片机的通信接口电路分并口和串口两类。并口是8个以上的I/O口直接连接，一次就能传输1个字节数据，适用于高速传输，但是要占用较多端口。串口一般由2个以上I/O口组成，常用的有标准UART（远距离由RS232、RS485、RS422扩展）、I2C、SPI、CAN，还有一些特殊的串口等。
文章:youk [1970/01/01 19:07]
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