電子方案設(shè)計的一般方法與步驟
電子方案設(shè)計是什么呢？下面是小編整理的電子方案設(shè)計的一般方法與步驟，歡迎大家閱讀！
電子方案設(shè)計的一般方法與步驟
一、總體方案的設(shè)計與選擇
1.方案原理的構(gòu)想
(1)提出原理方案
一個復(fù)雜的系統(tǒng)需要進(jìn)行原理方案的構(gòu)思，也就是用什么原理來實現(xiàn)系統(tǒng)要求。因此，應(yīng)對課題的任務(wù)、要求和條件進(jìn)行仔細(xì)的分析與研究，找出其關(guān)鍵問題是什么，然后根據(jù)此關(guān)鍵問題提出實現(xiàn)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(guān)系到設(shè)計全局，應(yīng)廣泛收集與查閱有關(guān)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(guān)鍵部分的可行性進(jìn)行討論，一般應(yīng)通過試驗加以確認(rèn)。
(2)原理方案的比較選擇
原理方案提出后，必須對所提出的幾種方案進(jìn)行分析比較。在詳細(xì)的總體方案尚未完成之前,只能就原理方案的簡單與復(fù)雜，方案實現(xiàn)的難易程度進(jìn)行分析比較，并作出初步的選擇。如果有兩種方案難以敲定，那么可對兩種方案都進(jìn)行后續(xù)階段設(shè)計，直到得出兩種方案的總體電路圖,然后就性能、成本、體積等方面進(jìn)行分析比較，才能最后確定下來。
2.總體方案的確定
原理方案選定以后，便可著手進(jìn)行總體方案的確定，原理方案只著眼于方案的原理，不涉及方案的許多細(xì)節(jié)，因此，原理方案框圖中的每個框圖也只是原理性的、粗略的，它可能由一個單元電路構(gòu)成，亦可能由許多單元電路構(gòu)成。為了把總體方案確定下來，必須把每一個框圖進(jìn)一步分解成若干個小框，每個小框為一個較簡單的單元電路。當(dāng)然，每個框圖不宜分得太細(xì)，亦不能分得太粗，太細(xì)對選擇不同的單元電路或器件帶來不利，并使單元電路之間的相互連接復(fù)雜化；但太粗將使單元電路本身功能過于復(fù)雜，不好進(jìn)行設(shè)計或選擇。總之,應(yīng)從單元電路和單元之間連接的設(shè)計與選擇出發(fā)，恰當(dāng)?shù)胤纸饪驁D。
二、單元電路的設(shè)計與選擇
1.單元電路結(jié)構(gòu)形式的選擇與設(shè)計
按已確定的總體方案框圖，對各功能框分別設(shè)計或選擇出滿足其要求的單元電路。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)要求，明確功能框?qū)卧娐返募夹g(shù)要求，必要時應(yīng)詳細(xì)擬定出單元電路的性能指標(biāo)，然后進(jìn)行單元電路結(jié)構(gòu)形式的選擇或設(shè)計。
滿足功能框要求的單元電路可能不止一個，因此必須進(jìn)行分析比較，擇優(yōu)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(guī)格十分繁多，性能、價格和體積各異，而且新品種不斷涌現(xiàn)，這就需要我們經(jīng)常關(guān)心元器件信息和新動向，多查閱器件手冊和有關(guān)的科技資料，尤其要熟悉一些常用的元器件型號、性能和價格，這對單元電路和總體電路設(shè)計極為有利。選擇什么樣的元器件最合適，需要進(jìn)行分析比較。首先應(yīng)考慮滿足單元電路對元器件性能指標(biāo)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
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種集成電路大量涌現(xiàn)，集成電路的應(yīng)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(diào)試和維修等方面一般都優(yōu)于由分立元件構(gòu)成的單元電路。
優(yōu)先選用集成電路不等于什么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適應(yīng)，有時仍需采用分立元件。另外，對一些功能十分簡單的電路，往往只需一只三極管或一只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，總的可分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和模數(shù)混合集成電路等三大類。按功能分，模擬集成電路有：集成運算放大器、比較器、模擬乘法器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓器，集成函數(shù)發(fā)生器以及其他專用模擬集成電路等；數(shù)字集成電路有:集成門、驅(qū)動器、譯碼器/編碼器、數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)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(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)等。
按集成電路中有源器件的性質(zhì)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別是: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標(biāo)來決定。
數(shù)字集成電路有：雙極型的TTL、ECL和I2L等，單極型的CMOS、NMOS和動態(tài)MOS等。選擇集成電路的關(guān)鍵因素主要包括性能指標(biāo)、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(lián)設(shè)計
各單元電路確定以后，還要認(rèn)真仔細(xì)地考慮他們之間的級聯(lián)問題，如：電氣特性的相互匹配、信號耦合方式、時序配合，以及相互干擾等問題。
1.電氣性能相互匹配問題
關(guān)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、線性范圍匹配、負(fù)載能力匹配、高低電平匹配等。前兩個問題是模擬單元電路之間的匹配問題，最后一個問題是數(shù)字單元電路之間的匹配問題。而第三個問題(負(fù)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(shù)和負(fù)載能力考慮，希望后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(yīng)角度考慮，則要求后一級的輸入電阻要小。
對于線性范圍匹配問題，這涉及到前后級單元電路中信號的動態(tài)范圍。顯然，為保證信號不失真地放大則要求后一級單元電路的動態(tài)范圍大于前級。
負(fù)載能力的匹配實際上是前一級單元電路能否正常驅(qū)動后一級的問題。這在各級之間均有，但特別突出的是在后一級單元電路中，因為末級電路往往需要驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如果驅(qū)動能力不夠，則應(yīng)增加一級功率驅(qū)動單元。在模擬電路里，如對驅(qū)動能力要求不高，可采用運放構(gòu)成的電壓跟隨器，否則需采用功率集成電路，或互補對稱輸出電路。在數(shù)字電路里，則采用達(dá)林頓驅(qū)動器、單管射極跟隨器或單管反向器。電平匹配問題在數(shù)字電路中經(jīng)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(zhuǎn)換電路。尤其是CMOS集成電路與TTL集成電路之間的連接，當(dāng)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(zhuǎn)換電路。
2.信號耦合方式
常見的單元電路之間的信號耦合方式有四種：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號（正弦信號和非正弦信號）送到下一級單元電路。但是，這種耦合方式在靜態(tài)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號
(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號的轉(zhuǎn)換變成信號的傳輸，以達(dá)到前后級隔離的目的。
3.時序配合
單元電路之間信號作用的時序在數(shù)字系統(tǒng)中是非常重要的。哪個信號作用在前，哪個信號作用在后，以及作用時間長短等，都是根據(jù)系統(tǒng)正常工作的要求而決定的。換句話說，一個數(shù)字系統(tǒng)有一個固定的時序。時序配合錯亂，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作失常。
時序配合是一個十分復(fù)雜的`問題，為確定每個系統(tǒng)所需的時序，必須對該系統(tǒng)中各個單元電路的信號關(guān)系進(jìn)行仔細(xì)的分析，畫出各信號的波形關(guān)系圖——時序圖，確定出保證系統(tǒng)正常工作下的信號時序，然后提出實現(xiàn)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(guān)系確定后，就可以進(jìn)行總體電路圖的繪制。總體電路圖是電子電路設(shè)計的結(jié)晶，是重要的設(shè)計文件，它不僅僅是電路安裝和電路板制作等工藝設(shè)計的主要依據(jù)，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，而只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(guān)系以及各種信號的流向。因此，圖紙的布局、圖形符號、文字標(biāo)準(zhǔn)等都應(yīng)規(guī)范統(tǒng)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(shè)計與計算中又采用工程估算，再加之設(shè)計中要考慮的因素相當(dāng)多，所以，設(shè)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(shè)計正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)，任何一個電子電路都必須通過試驗檢驗，未能經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(shè)計。只有通過試驗,證明電路性能全部達(dá)到設(shè)計的要求后，才能畫出正式的總體電路圖。
電子電路試驗應(yīng)注意以下幾點：
1.審圖。電子電路組裝前應(yīng)對總體電路草圖全面審查一遍。盡早發(fā)現(xiàn)草圖中存在的問題，以避免實驗中出現(xiàn)過多反復(fù)或重大事故。
2.電子電路組裝。一般先在面包板上采用插接方式組裝，或在多功能印刷板上采用焊接方式組裝。有條件時亦可試制印刷板后焊接組裝。
3.選用合適的試驗設(shè)備。一般電子電路試驗必備的設(shè)備有：直流穩(wěn)壓電源、萬用表、信號源、雙蹤示波器等，其他專用測試設(shè)備視具體電路要求而定。
4.試驗步驟：先局部，后整體。即先對每個單元電路進(jìn)行試驗，重點是主電路的單元電路試驗。可以先易后難，亦可依次進(jìn)行，視具體情況而定。調(diào)整后再逐步擴展到整體電路。只有整體電路調(diào)試通過后，才能進(jìn)行性能指標(biāo)測試。性能指標(biāo)測試合格才算試驗完結(jié)。
六、繪制正式的總體電路圖
經(jīng)過總體電路試驗后，可知總體電路的組成是否合理及各單元電路是否合適，各單元電路之間聯(lián)結(jié)按是否正確，元器件參數(shù)是否需要調(diào)整，是否存在故障隱患，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(jù)。畫正式總體電路應(yīng)注意的幾點與畫草圖一樣，只不過要求更嚴(yán)格，更工整。一切都應(yīng)按制圖標(biāo)準(zhǔn)繪圖。
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