电路图纸-电子电路设计的原则、方法和步骤.pdf

2 0 0 7年 1 2月 江西教育学院学报 综合 第 2 8卷第 6期 J o u rnal o f J i a n g x i I n s t i t u t e o f E d u c a t i o n C o m p r e h e n s i v e De c 2 O0 7 V0 1 2 8 No 6 电子电路设计的原则 方法和步骤 蔡久评 熊中侃 江 西科技师 范学院计算机 系 江西 南昌 3 3 0 0 3 8 摘要 实际的 E g E g 路往往是很 复杂 的 是 由多种基本 电路组合而成 设计 时要根据具体情况 遵循一些规律去 合理地设计电路的形式 文章对 电子电路设计过程 中应遵循的一些基本原则 方法和步骤进行了阐述 关键词 电子电路 电路设计 原则 电路设计方法 电路设计步骤 中图分类号 T N 7 0 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 3 6 3 8 2 0 0 7 0 6 0 0 1 3 0 4 Pr i n c i p l e s M e t h o d s S t e p s o f El e c t r o n i c Ci r c u i t De s i g n C AI J i u p i n g XI ONG Z h o n g k a n De p a r t me n t o f Co mp u t e r S c i e n c e J i a n g x i S c i e n c e T e c h n o l o g y I n s t i t u t e Na n c h a n g 3 3 0 0 3 8 C h i n a A b s t r a c t A p r o p e r E l e c t r o n i c C i r c u i t D e s i g n E C D i s t o c o m p l y w i t h t h e i n t e rnal l a w s i n a c c o r d a n c e w i t h s p e c i fi c s i t u a ti o n s b e c a u s e a p r a c t i c a l e l e c t r o n i c c i rcu i t i s o f c o mp l e x i t y a n d i t c o n s i s o f v a ri e t i e s T h i s p a p e r g i v e s a d e t a i l e d e x p l a n a ti o n o f b a s i c p ri n c i p l e s me tho d s a n d s t e p s o n EC D Ke y W o r d s e l e c t r o n i c c i r c u i t EC D p r i n c i p l e s EC D me tho d s E CD s t e p s 电子电路种类繁多 千差万别 设计一个实际电 子电路的方法和步骤也不尽相 同 但设计过程 中应 遵循一些基本原则 方法和步骤 下面简略地对它们 进行 阐述 1 电子 电路设计 的基本原 则 1 1 整 体 性 原 则 在设计 电子电路时 应 当从整体 出发 从分析电 子电路整体 内部各组成元件的关系以及 电子 电路整 体与外部环境之间的关系人手 去揭示与掌握 电子 电路整体性质 判断电子电路类型 明确所要设计的 电子电路应具备哪些功能 相互信号与控制关系如 何 参数指标在哪个功能模块实现等 从而确定总体 设计方案 整体原则强调 以综合为基础 在综合的控制 与 指导下 进行分析 并且对分析的结果进行恰 当的综 合 基本 的要点是 1 电子 电路分析必须以综合为 目的 以综合为前提 离开了综合的分析是盲 目的 不全面的 2 在 以分析为 主的过程 中往往包含着 小的综合 即在对电子 电路各部分进行分别考察的 过程中 往往也需要有电子电路局部的综合 3 综 合必须以分析为基础 只有对电子电路的分析了解 达到一定程度以后 才能进行综合 没有详尽以分析 电子 电路作基础 综合就是匆忙 的 不坚实的 往往 带有某种主观臆测的成分 l 2功 能性 原 则 任何一个复杂的大电子电路系统都可以逐步划 分成不同层次的较小的电子电路子系统 电子电路 设计一般先将大 电子电路系统划分为若干个具有相 对独立的功能部分 并将其作为独立电子电路功能 模块 再全面分析各模块功能类型及功能要求 考虑 如何实现这些技术功能 即采用哪些电路来完成它 然后选用具体 的实际电路 选择出合适的元器件 计 算元器件参数并设计各单元 电路 1 3臻 美性 最优化 原 则 臻美性原则是对一个基本达到设计性能指标 的 电子电路而言 由于元件 自身或相互配合 功能模块 的相互配合或藕合还存在一些缺陷 使电子电路对 信号的传送 处理等方面不尽完美 需要在约束条件 收 稿 日期 2 0 0 7一O 9 2 6 作者简介 蔡久评 1 9 6 1 一 男 江西新建人 江西科技 师范学院计算机 系副教授 从事高等教 育及 自动控制研 究 维普资讯 l 4 江西教 育学院学报 综合 2 0 0 I7年 的限制下 从电路中每个待调整的元器件或 功能模 块人手 进行参数分析 分别计算每个优化 指标 并 根据优化指标的要求 调整元器件或功能模块 的参 数 直到目标参数满足最优化 目标值 的要求 完成整 个电路的最优化设计 1 4可靠性与稳定性原则 电子 电路是各种电器设备 的心脏 它决定着电 器设备的功能和用途 尤其是电器设备性 能的可靠 性更是 由其电子电路的可靠性来决定 电路形式及 元器件选型等设计工作 设计方案在很大程度上也 就决定 了可靠性 在电子 电路设计时应遵循如下原 则 只要能满足 系统的性能和功能指标就尽可能地 简化电子电路结构 避免片面追求高性能指标 和过 多的功能 合理划分软硬件功能 贯彻 以软代硬的原 则 使软件和硬件相辅相成 尽可能用数字电路代替 模拟电路 影响电子电路可靠性的因素很多 在发 生的时间和程度上的随机性也很大 在设计时 对易 遭受不可靠因素干扰的薄弱环节应主动地采取可靠 性保障措施 使电子电路遭受不可靠因素干扰时能 保持稳定 抗干扰技术和容错设计是变被动为主动 的两个重要手段 1 5性 能 与价 格 比原 则 在当今竞争激烈 的市场中 产 品必须具有较短 的开发设计周期 以及出色 的性能和可靠性 为了 占领市场 提高竞争力 所设计的产 品应当成本低 性能好 易操作 具有先进性 核心竞争力 在设计 要充分考虑电子电路的性能与价格 比 2电子 电路设计 的基本 方法 2 1层 次 化 设 计 方 法 层次化设计方法 的基本思想就是分模块 分层 次地进行设计描述 电子电路与系统的设计要面 向 系统级 电路级和物理实现级三个不同的层次 描 述系统总功能的设计为顶层设计 描述电路级的设 计为中层设计 描述物理实现级 中较小单元的设计 为底层设计 整个设计过程可理解为从硬件的顶层 抽象描述向最底层结构描述 的一系列转换过程 直 到最后得到可实现的硬件单元描述为止 层次化设 计方法比较 自由 既可采用 自顶向下的设计 也可采 用 自底向上设计 自顶 向下的设计方法就是从设计 的总体要求人手 自顶向下地将设计划分为不同的 功能子模块 每个模块完成特定 的功能 这种设计 方法首先确定顶层模块的设计 再进行子模块的详 细设计 而在子模块的设计中可以调用库中已有的 成熟的 经典的模块或设计过程中保留下来的成功 实例 自底向上的设计方法是 自顶 向下的设计方法 的逆方向 在层次化的设计中所用的模块有两种 一 是预先设计好的标准模块 二是根据需要设计的具 有特定应用功能 的模块 层次化 自顶向下的设计方法可有效地实现设计 周期 系统性能和系统成本之间的最佳权衡 对系统 级 根据系统所要求的性能指标和设计限制建立系 统的方块图 对系统进行行为级描述 并进行系统级 模拟验证 然后 将模块进一步划分为多个子模块 如数字电路 模拟 电路 D S P 对 电路级 进行子系统 电路原理结构设计 用逻辑综合优化工具生成门级逻 辑电路的 E D I F网表 根据子系统电路不同类型选择 不同软件工具进行设计 仿真 优化 以建立层次化 的宏模型库 对物理实现级 物理实现方法的选择由 系统设计 目标决定 涉及性能 价格和时间等因素 2 2渐 近 式的组 合设 计方 法 应用型电子 电路 的设计 一般都经历如下过程 接到设计任务 一般附有功能与技术指标要求 如 果是从头开始设计新电子 电路 首先要根据电子 电 路的作用 需要 提出功能与技术指标要求 根据功 能与技术指标 的要求提出设计思路 这思路就含有 高频 低频模拟 电子线路 数字 电子线路中的基本单 元电路的基本知识 包括基本单元 电路 的结构 特 点 作用 工作 条件 等 依据设 计思路画 出组合 图 这种图有别于方框图与电路 图 是二者 的结合 以 突出基本单元电路之间的关 系为主 注重输 入 输 出端之间的连接 也 可插图画 出简明 的电子 电路 有结构清晰 制 图容易 更改方便 原理突出等优点 很适合于边设计边完善的设计方式 即渐近式 的组 合设计方式 然后进行原理分析使设计不断完善 当 设计到整体工作原理可行时 再计算电路各元件 的 参数或用调试的方式完成整个电路的设计 渐近式的设计过程是在基本单元电路知识掌握 之后 根据应用型电子电路的功能要求 较快地设计 出组合图 以组合图进行工作原理的分析 简明扼 要 更改方便 当设计到整体工作原理可行时 将单 元 电路代入 代入时还得注意连接点的信号极性 幅 度以及电压值之间的衔接 最后可用调试的方式完 成整个电路的设计 2 3 硬 件描 述语 言设 计 方法 利用数字电路硬件描述语言来设计数字系统是 目前最先进 的方法 即电子设计 自动化 E D A 它可 维普资讯 第 6期 蔡久评 熊 中侃 电子 电路设计 的原则 方法和步骤 l 5 以采用 自顶 向下 的设计方法 从系统行为级 的数学 模型描述与仿真论证系统 的可行性来确定最优秀的 方案 它可以采用 自顶向下的递阶结构加强结构性 既易于设计调试 又便于对 问题的查找和解决 它可 以采用原理图 硬件描述语 言或状态和多种方法输 入 并可调用软件系统提供丰富的库元件 生成数字 电路并映射到可编程逻辑器件 进行逻辑仿真及实 现后的时序仿真 设计者只需根据仿真结果修改 电 路直到满足设计需要 设计数字电路系统的一般方法 1 分析课题 充分了解设计要求 明确被设计系统的全部功能 要 求及技术指标 熟悉被处理信号与被控制对象的各 种参数与特点 2 确定总体设计方案 根据系统逻辑 功能画出系统 的原理框 图 将 系统分解 确定贯串 不 同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系 方框 图应能简洁 清晰地表示设计方案 的原理 3 绘制 单元电路并对单元 电路仿真 选择合适的数字器件 用电子 C A D软件绘出各逻辑单元的逻辑电路图 标 注各单元电路输入输出信号的波形 原理 图中所用 的元件应使用标准标号 电路 的排列一般按信号流 向由左至右排列 重要的线路放在图的上方 次要线 路放在图的下方 主电路放在图的中央位置 当信号 通路分开画时 在分开的两端必须作出标记 并指出 断开处的引出与引入点 然后利用 电子 C AD软件中 的数字电路仿真软件对 电路进行仿真测试 以确定 电路是否准确无误 4 分析电路 可能设计 的单元电 路不存在任何问题 但组合起来后系统却不能正常 工作 因此 必须充分分析各单元 电路 尤其是对控 制信号要从逻辑关系 正反极性 时序几个方面进行 深入考虑 确保不存在冲突 在深入分析的基础上 通过对原设计电路的不断修改 获得最佳设计方案 5 完成整体设计 在各单元 电路完成 的基础上 用 电子 C A D软件将各单元电路连接起来 画出符合软 件要求的整机逻辑 电路图 重新审查 电路 以消除 因某种疏忽造成 的错误 6 逻辑仿真 整体电路设计 完毕后 再次在仿真软件上对整个试验系统进行逻 辑仿真 验证设计 2 4最佳 化设 计 方法 对于一些电子电路 比如由集成 电路 它们一经 制出便很难调整 即便允许少量调整也是很麻烦的 这种类型电路必须事先进行准确设计 设计过程中 须将分布参数 有源器件参数的实际频响 终端负载 实际反射系数的频响等一起考虑进去 由于这种电子 电路设计过程非常复杂 必须采用计算机辅助设计 计算机辅助设计程序一般包括三部分 一是实 测数据的数据处理程序 二是网络分析程序 三是网 络最佳化分析程序 分析过程中 计算机 自动变换参 数 自动计算 电路响应 当电路响应落入预定公差范 围以内时计算机终止 计算机输出电路元件参数及 网络的最终响应数据 其具体方法是首先建立 目标 函数 再进行数据压缩处理 然后进行最佳化处理 目标函数是指待设计 网络 的某一规定指标的函 数表达式 例对一放大器来说 根据设计要求 目标 函数可以选取为最大平度增益 频响曲线 最大 增益 带宽积 或最小噪声系数 甚至是这几个 目 标函数的某种线性组合 对一单端对网络来说 目标 函数可 以是输入反射系数频响曲线 一旦数学模型 建立之后 计算机根据最佳化程序每改变一次元件 参数值便调用一次模型进行响应计算 将计算结果 与预定公差进行比较 如果响应不合格 则再次修改 元件值 并再次计算响应 建立 目标函数的最终 目的 是 既要尽量加快计算速度 又要兼备尽量广泛的通 用性 设计电路时 需要将分布参数 有源器件的实测 数据考虑进去 这些曲线绝大多数是复杂函数 而且 每批器件之间各不相同 即实测量大 复杂 这些数 据一般是在计算 以前作为实型数组输入至 内存 如 果输入数据很多 因此计算前有必要对大量数据进 行压缩处理 有 了目标 函数数学模型以及器件特征化数据 下一步工作是用智能方式使计算 机 自动修改元件 值 以达到最终的性能指标 这一工作 由最佳化设计 来完成 最佳化是指当一个方程式 网络的指标响应 函数 中含有一个或多个 自变数时 调整这些 自变数 以达到设计要求的响应 运用最佳化方法 是因为即 使响应函数中只有几个 自变量 其响应曲线的情况 非常复杂 没有一种万能的方法能解决所有的问题 对于某一指定问题也并非只有一种可行方法 2 5数 值逼 近 简化 电路 方程 设 计方 法 在电路设计 中时常会遇到给出一个较为复杂的 电路方程 数学模型 诸 如机电模 拟 信号处理 元 器件参数补偿等等 往往就是 由一个数学模型来设 计电子 电路 并据其来完成电子 电路设计 如果直接 根据电路方程的要求来设计电路会相当复杂 且既 不利于电路结构 亦不利于系统的可靠性 简化电路方程的方法是在原电路方程基础上用 一 简单 电路方程去逼近 在误差要求范围内用简单 电路代替原来复杂的电路 达到简化 电路设计 目的 维普资讯 1 6 江 西教 育学院学报 综合 2 0 0 7年 其基 本原理是用 曲线拟合 和数值逼 近简化 电路 方 程 作图求解原电路方程曲线 设有一个含有多 种混合运算的电路数学模型 Y f x 1 在 Y有定义 的区间 内用 X的元素代人方程式 1 并 由此作出曲线 设计简单形式的曲线方程逼近原曲线方程 以方程式 1 为基础 在分析该 曲线各种要素的基础 上设计一条较为简便运算形式 的曲线方程去逼 近 1 式 经不断修正该方程 使之在误差允许范围内 求得简单的曲线方程 2 y f x 2 方程式 1 和方程式 2 是两条很接近的曲线 但式 2 比式 1 运算程度简单得多 误差分析 用 x的元素分别代人方程式 1 和式 2 求解误差 并重复第 步 不断修正方 程式 2 直到满足误差要求为止 则所求方程式 2 即取代了原方程式 1 由方程式 2 为设计 电路 在曲线拟合 中的曲线方程类型的选择 极大地 关系 曲线逼近的精度 一般要求作几种 曲线方程进 行 比较 直到误差符合电路设计要求为止 方程 中 系数修正也要多进行几次 可用确定误差量 由计算 机求解 直到误差符合要求 3电子电路设计的基本步骤 一 般首先根据 电子电路的设计任务 进行总体 方案选择 然后对组成系统的单元电路进行设计 参 数计算 元器件的确定和实验调试 最后绘出用于指 导工程的电路图 3 1 分析设计课题 明确功能要求 在接到设计课题后 应对题 目进行认真的阅读 理解 判断题 目类型 明确所要设计的电路应具备哪 些功能 相互信号与控制关系如何 参数指标在哪个 功能模块实现等 画出功能框图 根据用户要求或生 产实际提出设计要求 包括功能 技术参数等 使设 计课题具体化 3 2确 定核心 功能 器件及 总体设 计 方案 功能要求 明确后 应对 比多种方法与思路 综合 考虑成本 难度 器件的易采购性 方便合理性等 因 素 根据 系统功能凰出系统 的原理框 图 将系统分 解 确定贯串不同方框间各种信号的关系 方框图应 能简沽 清晰地表示设计方案的原理 必要时多设计 几个方案 以便从众多方案中优选出最佳实施方案 3 3 功能单元电路的设计与优选 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 尽量少用或不用 电平转 换之类的接 口电路 并应使各单元 电路 的供 电电源 尽可能地统一 以便使