电子电路一般设计方法和设计举例.docx

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电子电路一般设计方法和设计举例

电子电路的一般设计方法

电子电路种类很多，设计方法也不尽相同，尤其是随着集成电路的迅速发展，各种专用功能的新型器件大量涌现，使电路设计工作发生了巨大的变革。

原始的分立元件电路的设计方法，已渐渐被集成块直接组装所取代。

所以，要求设计者应把精力从单元电路的设计与计算，转移到整体方案的设计上来，不断熟悉各种集成电路的性能、指标，根据总体要求恰当选取集成器件，合理地进行连接实验，完成总体的系统设计。

电子电路的一般设计过程

由于电子电路种类繁多，使得电路的设计过程和步骤也不完全相同。

不过多数情况下，还是有共同的规律可遵循。

一般来说，对于简单的电子电路装置的设计步骤大体如图1.1.1所示。

其中包括：

选定总体方案与框图；分析单元电路的功能；选择器件与参数计算；画出并设计总体电路图；电路的安装与调试；确定实际的总体电路等。

下面概要介绍各个步骤的主要工作。

一、选定总体方案与框图

根据设计任务、指标要求和给定的条件，分析所要设计的电路应该完成的功能，并将总体功能分解成若干单项的功能，分清主次和相互的关系，形成若干单元功能块组成的总体方案。

该方案可以有多个，需要通过实际的调查研究、查阅有关资料和集体讨论等方式，着重从方案能否满足要求、构成是否简单、实现是否经济可行等方面，对几个方案进行比较和论证，择优选取。

对选取的方案，常用方块图的形式表示出来。

注意每个方块尽可能是完成某一种功能的单元电路，尤其是关键的功能块的作用与功能一定要表达清楚。

还要表示出它们各自的作用和相互之间的关系，注明信息的走向和制约关系。

二、分析单元电路的功能

任何复杂的电子电路装置和设备，都是由若干具有简单功能的单元电路组成的。

总体方案的每个方块，往往是由一个主要单元电路组成的，它的性能指标也比较单一。

在明确每个单元电路的技术指标的前提下，要分析清楚各个单元电路的工作原理，设计出各单元电路的结构形式。

要利用过去学过的或熟悉的单元电路，也要善于通过查阅资料、分析研究一些新型电路，开发利用～些新型器件。

各单元电路之间要注意在外部条件、元器件使用、连接关系等方面的相互配合，尽可能减少元件的类型、电子转换和接口电路，以保证电路简单、工作可靠、经济实用。

各单元电路拟定之后，应全面地检查一遍，看每个单元各自的功能是否能实现，信息是否能畅通，总体功能是否满足要求。

如果存在问题，还要针对问题作局部调整。

三、选择器件与参数计算

单元电路确定之后，根据其工作原理和所要实现的功能，首先要选择在性能上能满足要求的集成器件。

所选集成器件最好完全满足单元电路的要求。

当然在多数情况下集成器件只能完成部分功能，或者需要同其他集成器件和电子元器件组合起来组成所需的单元电路。

这里需灵活运用过去学过的知识，也需要十分熟悉各种集成电路的性能和指标，注意对新型器件的开发和利用。

经常会出现这种情况，在花费了许多工夫之后仍然选不到合适的电路，或者性能指标达不到要求，或者电路太复杂实现十分困难。

这就需要对总体方案作修正或改进，调整某些功能方块的分工和指标要求。

可见，电路设计中有时要经过这样多次的反复修正和完善。

每个单元电路的结构、形式确定之后，需对影响技术指标和参数的元器件进行计算。

这种计算有的需根据电路理论的有关公式、有的按照工程估算方法，还有的需要用经验数据。

用计算方法得到的器件参数，还要按照元器件的标称值选取实用的元器件。

四、画出预设计总体电路图

根据单元电路的设计、计算与元器件选取的结果，画出预设计的总体电路图。

总体电路图应当包括总体电路原理图和实际元器件的接线图。

需要制作出实用装置的题目，还要做出印刷电路板的工艺设计。

总体电路图应按元器件国标或部标的规定以及电路图的规范画出。

图中要注意信号输入和输出的流向，通常信号流向是从左至右或从上至下，各单元电路也应尽可能按此规律排列，同时要注意布局合理。

总体电路图尽可能画在一张图纸上。

如果电路比较复杂，应当把主电路画在一张图纸上，而把一些比较独立或次要的单元电路画在另一张或几张图纸上，但要标明相互的连接关系。

所有的连接线要“横平、竖直”，相连的交叉线要在交点上用圆点标出。

电源线和地线尽可能统一，并标出电源电压数值。

总体电路图画出之后，还要进行认真的审查。

检查总体电路是否满足方案的要求，单元电路是否齐备；每个单元电路的工作原理是否正确，能否实现各自的功能；各单元电路之间的连接有无问题，电平和时序是否合适；图中标注的元器件型号、管脚、参数值等是否正确等。

这种审查十分重要，以防在安装、调试中损坏器件。

*五、电路的安装与调试

电路的安装与调试是完成课程设计的重要环节。

它是把理论设计付诸实践，制做出符合设计要求的实际电路的过程。

安装与调试为学生创造了一个动脑又动手，独立开展电路实验的机会。

要求学生掌握电子电路的基本制作工艺和操作技能，运用实验的手段检验理论设计中的问题，运用学过的知识指导电路调试和检测工作，使理论与实际有机地结合起来，提高分析解决电路实际问题的能力。

课程设计的电路安装，应根据题目的要求和教学条件，可以制作出实际的电子电路装置，也可以利用实验箱完成电路。

前者还需要考虑电路的布局、制作专门的印刷电路板、焊接和组装电路等，这方面的知识将在本章1.2节电路安装部分进行介绍，这里不再详细讨论。

有关电路调试和故障检测方法也将在本章的1.3节作详细介绍。

由于多种实际因素的影响，原来的理论设计可能要作修改，原来选择的元器件需要调整或改变参数，有时还需要增加一些电路或器件，以保证电路能稳定地工作。

因此，调试之后很可能要对前面“选择器件和参数计算”一步中所确定的方案再作修改，最后完成实际的总体电路。

六、确定实际的总体电路

通过电路调试和技术指标的检测，达到了预期的设计要求，即可确定所要设计的总体电路，并画出实际的总体电路图。

按规定还要列出所用的元器件名细表。

课程设计还要求学生对设计的全过程作出系统的总结，独立写出严谨的、有理论根据的、实事求是的、文理通顺的字迹端正的课程设计报告-设计说明书。

课程设计说明书主要内容有：

（1）设计题目；

（2）主要指标和要求；

（3）方案选择及电路工作原理；

（4）单元电路设计计算，元器件的选择，画出电路图等；

*（5）安装、调试中遇到的问题，解决的方法以及实验效果等；

*（6）电路性能指标测试结果，是否满足要求及对成果的评价；

（7）收获、体会和改进设计的建议。

课程设计一般可分为三个阶段：

50％+25％+25％

（1）预设计阶段：

包括教师授课、方案论证、设计计算和完成预设计。

（2）电路绘制与仿真调试阶段：

包括绘制电路原理图、印制版电路图，仿真调试和检测。

（3）总结报告阶段：

包括总结设计工作，写出设计说明书和最后考核。

电子电路设计举例

为了帮助初学设计者了解电子电路的预设计过程和步骤，将以简单数字频率计为例，介绍设计的方法，并重点讨论电路预设计部分。

一、设计题目

简单数字频率计的设计

二、技术指标和设计要求

1．频率的测量范围：

1～9999HZ

2．被测信号幅度：

Ui＜100mv

三、选择总体方案，确定电路框图

1．提出方案

任务要求测量输入信号的频率，为此可以采用不同的方法：

一种是间接测量法，例如先将输入信号变换成与频率成正比的电压，再利用A／D转换器形成数字信号，最后用数码显示器显示出来；另一种是直接测量法，即将输入信号放大整形后，通过控制门记录1秒钟内的脉冲数，再通过计数器、译码显示电路表示出来。

所以，完成该设计任务至少可以有两种方案，它们的方框图如图1.1.2和图1.1.3所示。

2．方案论证

图1.1.2所示方案从理论上是可行的，但它必须有频率检波电路和A/D转换电路，不仅电路比较复杂，而且信号经过两次变换会产生较大误差，因此测量结果不很准确，该电路调试也较困难，所以该方案不是最佳的。

图1.1.3所示方案中，只要将输入信号放大整形成为脉冲信号，即可直接测量出信号的频率。

这里关键问题是产生精确的秒控制信号，以保证测量的精度。

如果采用石英晶体振荡器产生脉冲振荡信号，然后通过分频便可获得稳定、精确的时基信号。

这一电路实现起来也不困难。

可见，比较两种方案可以得出结论，第二种方案比较合理、可行。

四、分析单元电路并选择器件

1．秒控制信号产生电路

（1）秒信号发生器

为了产生精确的秒信号，必须有信号发生器即振荡器。

从数字电路课中可知，振荡器的频率和稳定度越高，形成的钞信号就越准确。

为了简便可行，用电子表的石英晶体构成频率为32768HZ（＝215）的振荡器，然后经过15次二分频就可以得到秒信号。

采用14位二进制串行分频器CC4060，外接石英晶体JN即可直接实现振荡与分频功能。

因其输出是2Hz的信号，需再接一个二分频器就可以得到秒信号，见图1.1.4。

（2）秒控制信号产生电路

有了秒信号还需要形成秒控制信号，以便控制门电路在一秒钟的采样时间内，记录输入信号的频率。

为了使记录的频率数值有一个稳定的显示时间，同时每次记录之前计数器必须清零，所以要求秒控制脉冲间隔一定时间出现一次。

如果采样时间为1秒，显示稳定的数字为5秒，则可用6只D触发器组成环形振荡器，其输入触发信号是秒信号，其并行输出Q1～Q6为顺序脉冲，其电路原理图和波形图如图1．1．5（a）和（b）所示。

图中Q1为秒控制信号，其高电平用来打开控制门电路，其低电平用来控制计数器的清零端和译码器的锁存端。

环形振荡器由双4位寄存器CC4015来实现，其连线图如图1．1．6所示。

2．放大整形电路

这部分单元电路用于对输入信号进行适当放大，以保证测量的精度和灵敏度。

信号经放大后再送入整形电路整形。

为了使放大电路与逻辑电路相容，应当选用单电源供电的运算放大器，这里选用F158，电源电压选用5V。

整形电路选用施密特触发器CC4093。

电路原理图如图1.1.7所示。

3．主校门电路

主校门电路由一只与非门和一只反相器组成。

可选用2输入与非门CC4011，电路理图如图1.1.8所示。

4．计数、译码和显示电路

由于频率计的测量范围是1～9999HZ，因此采用四只二——十进制同步加法计数器，可选用两块双BCD同步加法计数器CC4518。

译码器选用CC4511可以直接驱动发光H极管数码显示器（即LED数码管人由于4511输出a＿g的信号为高电平有效，所以选用共阴极LED数码管，选取MR213即可。

另外CC4518清零端Cγ和CC4511锁存端LE均为高电平有效，因此用Q的低电平控制清零和锁存时，必须加一级反相器再接至每个计数器和译码器的Cγ和LE端。

因为指标要求显示1－9999Hz信号所以需用计数器、译码器和LED数码管各四个。

图1.1.9对示出一位计数、译码和显示电路。

五、电路元器件参数的计算

由于整体电路多采用集成电路连接而成，所以需要设计计算的器件参数不多，其中只有

以下元件要求进行估算和选取：

1．振荡器R1，C1和CT的选取

由CC4060中的反相器与R1，C1和CT、构成的晶体振荡器，R1为反馈电阻，以保证反相器工作在线性放大区，该阻值不宜太小，一般选在几兆欧到几十兆欧。

本电路选22MΩ的电阻。

反馈电压是由输出电容CT和输入电容C1决定，以构成电容式三点式振荡电路。

一般C1选取20pF的电容，CT选用35／4pF的可调电容。

2．放大电路的R2，R3和R4的选取

放大电路的R2和R3决定电路的放大倍数，即Af＝

为了保证Ui＜100mV时，能使输出电压驱动后级施密特电路正常工作，由于CC4093触发电平，要求输出电压Uo＞2.2V。

可见，Af＝≥

，如果选取比为10kΩ则R3应选用220kΩ。

R4是限流保护电阻，在放大器输出最大电压时不致损坏施密特内部保护二极管，一般选取几为200Ω。

C2为耦合电容，选47μFo

3．译码、显示电路Ra～Rg的选取

Ra～Rg是发光二极管的限流电阻。

要求：

Ra～Rg≥

其中UOH为译码输出的高电平，UDF为发光二极管正向压降，IDF为二极管正向电流。

由器件参数手册可以查到：

在VDD=5V条件下，UOH=4．1v，发光二极管IDF=10mA，UDF≈2．5V，故Ra～g≥

Ω

六、预设计总体电路图

根据各单元电路选取的集成电路和有关元器件选取情况，可以画出预设计的总体电路图。

画图中一定要掌握所选集成电路的功能、各引脚排列情况以及各引出瑞连接方法。

由于上面分析电路时给出的都是原理电路，许多控制端都没有在图中标出，画总电路图时，特别是画连线图一定要表示清楚，对于不用的引出端也要按集成电路的功能要求处理好。

否则，在实验中往往因此使电路出现故障。

作为学习的一个练习，本题目的总体电路请读者自行画出。