工程師必須知道：電子電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)

　　一、 電子電路的設(shè)計(jì)基本步驟：

　　1、 明確設(shè)計(jì)任務(wù)要求：

　　充分了解設(shè)計(jì)任務(wù)的具體要求如性能指標(biāo)、內(nèi)容及要求，明確設(shè)計(jì)任務(wù)。

　　2、 方案選擇：

　　根據(jù)掌握的知識(shí)和資料，針對(duì)設(shè)計(jì)提出的任務(wù)、要求和條件，設(shè)計(jì)合理、可靠、經(jīng)濟(jì)、可行的設(shè)計(jì)框架，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，做到心中有數(shù)。

　　3、 根據(jù)設(shè)計(jì)框架進(jìn)行電路單元設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇：

　　具體設(shè)計(jì)時(shí)可以模仿成熟的電路進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，注意信號(hào)之間的關(guān)系和限制;接著根據(jù)電路工作原理和分析方法，進(jìn)行參數(shù)的估計(jì)與計(jì)算;器件選擇時(shí)，元器 件的工作、電壓、頻率和功耗等參數(shù)應(yīng)滿足電路指標(biāo)要求，元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的裕量，一般應(yīng)大于額定值的1.5倍，電阻和電容的參數(shù)應(yīng)選擇計(jì)算值 附近的標(biāo)稱值。

　　4、 電路原理圖的繪制：

　　電路原理圖是組裝、焊接、調(diào)試和檢修的依據(jù)，繪制電路圖時(shí)布局必須合理、排列均勻、清晰、便于看圖、有利于讀圖;信號(hào)的流向一般從輸入端或信號(hào)源畫 起，由左至右或由上至下按信號(hào)的流向依次畫出務(wù)單元電路，反饋通路的信號(hào)流向則與此相反;圖形符號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)，并加適當(dāng)?shù)臉?biāo)注;連線應(yīng)為直線，并且交叉和折彎 應(yīng)最少，互相連通的交叉處用圓點(diǎn)表示，地線用接地符號(hào)表示。

　　二、 電子電路的組裝

　　電路組裝通常采用通用印刷電路板焊接和實(shí)驗(yàn)箱上插接兩種方式，不管哪種方式，都要注意：

　　1.集成電路：

　　認(rèn)清方向，找準(zhǔn)第一腳，不要倒插，所有IC的插入方向一般應(yīng)保持一致，管腳不能彎曲折斷;

　　2. 元器件的裝插：

　　去除元件管腳上的氧化層，根據(jù)電路圖確定器件的位置，并按信號(hào)的流向依次將元器件順序連接;

　　3. 導(dǎo)線的選用與連接：

　　導(dǎo)線直徑應(yīng)與過孔(或插孔)相當(dāng)，過大過細(xì)均不好;為檢查電路方便，要根據(jù)不同用途，選擇不同顏色的導(dǎo)線，一般習(xí)慣是正電源用紅線，負(fù)電源用藍(lán)線，地 線用黑線，信號(hào)線用其它顏色的線;連接用的導(dǎo)線要求緊貼板上，焊接或接觸良好，連接線不允許跨越IC或其他器件，盡量做到橫平豎直，便于查線和更換器件， 但高頻電路部分的連線應(yīng)盡量短;電路之間要有公共地。

　　4. 在電路的輸入、輸出端和其測(cè)試端應(yīng)預(yù)留測(cè)試空間和接線柱，以方便測(cè)量調(diào)試;

　　5. 布局合理和組裝正確的電路，不僅電路整齊美觀，而且能提高電路工作的可靠性，便于檢查和排隊(duì)故障。

　　三、 電子電路調(diào)試

　　實(shí)驗(yàn)和調(diào)試常用的儀器有：萬用表、穩(wěn)壓電源、示波器、信號(hào)發(fā)生器等。調(diào)試的主要步驟。

　　1. 調(diào)試前不加電源的檢查

　　對(duì)照電路圖和實(shí)際線路檢查連線是否正確，包括錯(cuò)接、少接、多接等;用萬用表電阻檔檢查焊接和接插是否良好;元器件引腳之間有無短路，連接處有無接觸不 良，二極管、三極管、集成電路和電解電容的極性是否正確;電源供電包括極性、信號(hào)源連線是否正確;電源端對(duì)地是否存在短路(用萬用表測(cè)量電阻)。

　　若電路經(jīng)過上述檢查，確認(rèn)無誤后，可轉(zhuǎn)入靜態(tài)檢測(cè)與調(diào)試。

　　2. 靜態(tài)檢測(cè)與調(diào)試

　　斷開信號(hào)源，把經(jīng)過準(zhǔn)確測(cè)量的電源接入電路，用萬用表電壓檔監(jiān)測(cè)電源電壓，觀察有無異常現(xiàn)象：如冒煙、異常氣味、手摸元器件發(fā)燙，電源短路等，如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即切斷電源，排除故障;

　　如無異常情況，分別測(cè)量各關(guān)鍵點(diǎn)直流電壓，如靜態(tài)工作點(diǎn)、數(shù)字電路各輸入端和輸出端的高、低電平值及邏輯關(guān)系、放大電路輸入、輸出端直流電壓等是否在正常工作狀態(tài)下，如不符，則調(diào)整電路元器件參數(shù)、更換元器件等，使電路最終工作在合適的工作狀態(tài);

　　對(duì)于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發(fā)生。

　　3. 動(dòng)態(tài)檢測(cè)與調(diào)試

　　動(dòng)態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，調(diào)試的方法地在電路的輸入端加上所需的信號(hào)源，并循著信號(hào)的注射逐級(jí)檢測(cè)各有關(guān)點(diǎn)的波形、參數(shù)和性能指標(biāo)是否滿 足設(shè)計(jì)要求，如必要，要對(duì)電路參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整。發(fā)現(xiàn)問題，要設(shè)法找出原因，排除故障，繼續(xù)進(jìn)行。(詳見檢查故障的一般方法)

　　4. 調(diào)試注意事項(xiàng)

　　(1)正確使用測(cè)量?jī)x器的接地端，儀器的接地端與電路的接地端要可靠連接;

　　(2)在信號(hào)較弱的輸入端，盡可能使用屏蔽線連線，屏蔽線的外屏蔽層要接到公共地線上，在頻率較高時(shí)要設(shè)法隔離連接線分布電容的影響，例如用示波器測(cè)量時(shí)應(yīng)該使用示波器探頭連接，以減少分布電容的影響。

　　(3)測(cè)量電壓所用儀器的輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于被測(cè)處的等效阻抗。

　　(4)測(cè)量?jī)x器的帶寬必須大于被測(cè)量電路的帶寬。

　　(5)正確選擇測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量

　　(6)認(rèn)真觀察記錄實(shí)驗(yàn)過程，包括條件、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、波形、相位等。

　　(7)出現(xiàn)故障時(shí)要認(rèn)真查找原因。

　　四、 電子電路故障檢查的一般方法

　　對(duì)于新設(shè)計(jì)組裝的電路來說，常見的故障原因有：

　　(1)實(shí)驗(yàn)電路與設(shè)計(jì)的原理圖不符;元件使用不當(dāng)或損壞;

　　(2)設(shè)計(jì)的電路本身就存在某些嚴(yán)重缺點(diǎn)，不能滿足技術(shù)要求，連線發(fā)生短路和開路;

　　(3)焊點(diǎn)虛焊，接插件接觸不良，可變電阻器等接觸不良;

　　(4)電源電壓不合要求，性能差;

　　(5)儀器作用不當(dāng);

　　(6)接地處理不當(dāng);

　　(7)相互干擾引起的故障等。

　　檢查故障的一般方法有：直接觀察法、靜態(tài)檢查法、信號(hào)尋跡法、對(duì)比法、部件替換法旁路法、短路法、斷路法、暴露法等，下面主要介紹以下幾種：

　　1. 直接觀察法和信號(hào)檢查法：與前面介紹的調(diào)試前的直觀檢查和靜態(tài)檢查相似，只是更有目標(biāo)針對(duì)性。

　　2. 信號(hào)尋跡法：在輸入端直接輸入一定幅值、頻率的信號(hào)，用示波器由前級(jí)到后級(jí)逐級(jí)觀察波形及幅值，如哪一級(jí)異常，則故障就在該級(jí);對(duì)于各種復(fù)雜的電路，也可將各單元電路前后級(jí)斷開，分別在各單元輸入端加入適當(dāng)信號(hào)，檢查輸出端的輸出是否滿足設(shè)計(jì)要求。

　　3. 對(duì)比法：將存在問題的電路參數(shù)與工作狀態(tài)和相同的正常電路中的參數(shù)(或理論分析和仿真分析的電流、電壓、波形等參數(shù))進(jìn)行比對(duì)，判斷故障點(diǎn)，找出原因。

　　4. 部件替換法：用同型號(hào)的好器件替換可能存在故障的部件。

　　5. 加速暴露法：有時(shí)故障不明顯，或時(shí)有時(shí)無，或要較長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)，可采用加速暴露法，如敲擊元件或電路板檢查接觸不良、虛焊等，用加熱的方法檢查熱穩(wěn)定性差等等。

　　五、 電子電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告

　　設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要包括以下幾點(diǎn)：

　　1. 課題名稱

　　2. 內(nèi)容摘要

　　3. 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

　　4. 比較和選擇的設(shè)計(jì)方案

　　5. 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇

　　6. 畫出完整的電路圖。并說明電路的工作原理

　　7. 組裝調(diào)試的內(nèi)容，如使用的主要儀器和儀表、調(diào)試電路的方法和技巧、測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析、調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法

　　8. 總結(jié)設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)和方案的優(yōu)缺點(diǎn)，指出課題的核心及實(shí)用價(jià)值，提出改進(jìn)意見和展望

　　9. 列出元器件清單

　　10. 列出參考文獻(xiàn)

　　11. 收獲、體會(huì)

　　實(shí)際撰寫時(shí)可根據(jù)具有情況作適當(dāng)調(diào)整。

　　六、 電子電路干擾的抑制

　　1. 干擾源

　　電子電路工作時(shí)，往往在有用信號(hào)之外還存在一些令人頭痛的干擾源，有的產(chǎn)生于電子電路內(nèi)部，有的產(chǎn)生于外部。外部的干擾主要有：高頻電器產(chǎn)生的高頻干 擾、電源產(chǎn)生的工頻干擾、無線電波的干擾;內(nèi)部的干擾主要有：交流聲、不同信號(hào)之間的互相感應(yīng)、調(diào)制，寄生振蕩、熱噪聲、因阻抗不匹配產(chǎn)生的波形畸變或振 蕩。

　　2. 降低內(nèi)部干擾的措施

　　(1) 元器件布局： 元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題，原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上，要把模擬信號(hào)部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分(如繼電器，大電流開關(guān)等)這三部分合理地分開，使相互間的信號(hào)耦合為最小。

　　(2) 電源線設(shè)計(jì)：根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻。 同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

　　(3) 地線設(shè)計(jì)：在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題(詳細(xì)方法見下節(jié)接地)。

　　(4) 退藕電容配置線路板設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在線路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙荨Ｍ伺弘娙莸囊话闩渲迷瓌t是：

　　電源輸入端跨接10 ~100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。

　　原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙 不夠，可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1 ~ 10pF的但電容。

　　對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如 RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片 的電源線和地線之間直接接入退藕電容。

　　電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。

　　此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

　　在印制板中有接觸器、繼電器、 按鈕等元件時(shí)。操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用附圖所示的 RC 電路 來吸收放電電流。一般 R 取 1 ~ 2K,C取2.2 ~ 47UF.

　　CMOS的輸入阻抗很高， 且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。

　　3. 降低外部干擾的措施有：

　　(1) 遠(yuǎn)離干擾源或進(jìn)行屏蔽處理;

　　(2) 運(yùn)用濾波器降低外界干擾。

　　七、 接地接地分安全接地、工作接地，這里所談的是工作接地，設(shè)計(jì)接地點(diǎn)就是要盡可能減少各支路電流之間的相互耦合干擾，主要方法有：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、串聯(lián)接地、平面接地。在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。電子設(shè)備中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　1. 正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地

　　在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz,它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而租，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。當(dāng)工作頻率在1~10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

　　2.將數(shù)字電路與模擬電路分開

　　電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

　　3. 盡量加粗接地線

　　若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗。

　　4. 將接地線構(gòu)成閉環(huán)路

　　設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。