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          電子電路設計的基礎知識

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          作者: 時間:2007-02-07 來源: 收藏

          一、 電子電路的設計基本步驟:
          1、 明確設計任務要求:
          充分了解設計任務的具體要求如性能指標、內容及要求,明確設計任務。
          2、 方案選擇:
          根據掌握的知識和資料,針對設計提出的任務、要求和條件,設計合理、可靠、經濟、可行的設計框架,對其優(yōu)缺點進行分析,做到心中有數。
          3、 根據設計框架進行電路單元設計、參數計算和器件選擇:
          具體設計時可以模仿成熟的電路進行改進和創(chuàng)新,注意信號之間的關系和限制;接著根據電路工作原理和分析方法,進行參數的估計與計算;器件選擇時,元器件的工作、電壓、頻率和功耗等參數應滿足電路指標要求,元器件的極限參數必須留有足夠的裕量,一般應大于額定值的1.5倍,電阻和電容的參數應選擇計算值附近的標稱值。
          4、 電路原理圖的繪制:
          電路原理圖是組裝、焊接、調試和檢修的依據,繪制電路圖時布局必須合理、排列均勻、清晰、便于看圖、有利于讀圖;信號的流向一般從輸入端或信號源畫起,由左至右或由上至下按信號的流向依次畫出務單元電路,反饋通路的信號流向則與此相反;圖形符號和標準,并加適當的標注;連線應為直線,并且交叉和折彎應最少,互相連通的交叉處用圓點表示,地線用接地符號表示。


          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驗箱上插接兩種方式,不管哪種方式,都要注意:
          1. 集成電路:
          認清方向,找準第一腳,不要倒插,所有IC的插入方向一般應保持一致,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,根據電路圖確定器件的位置,并按信號的流向依次將元器件順序連接;
          3. 導線的選用與連接:
          導線直徑應與過孔(或插孔)相當,過大過細均不好;為檢查電路方便,要根據不同用途,選擇不同顏色的導線,一般習慣是正電源用紅線,負電源用藍線,地線用黑線,信號線用其它顏色的線;連接用的導線要求緊貼板上,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、輸出端和其測試端應預留測試空間和接線柱,以方便測量調試;
          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,便于檢查和排隊故障。


          三、 電子電路調試
          實驗和調試常用的儀器有:萬用表、穩(wěn)壓電源、示波器、信號發(fā)生器等。調試的主要步驟。
          1. 調試前不加電源的檢查
          對照電路圖和實際線路檢查連線是否正確,包括錯接、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、信號源連線是否正確;電源端對地是否存在短路(用萬用表測量電阻)。
          若電路經過上述檢查,確認無誤后,可轉入靜態(tài)檢測與調試。
          2. 靜態(tài)檢測與調試
          斷開信號源,把經過準確測量的電源接入電路,用萬用表電壓檔監(jiān)測電源電壓,觀察有無異常現象:如冒煙、異常氣味、手摸元器件發(fā)燙,電源短路等,如發(fā)現異常情況,立即切斷電源,排除故障;
          如無異常情況,分別測量各關鍵點直流電壓,如靜態(tài)工作點、數字電路各輸入端和輸出端的高、低電平值及邏輯關系、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,則調整電路元器件參數、更換元器件等,使電路最終工作在合適的工作狀態(tài);
          對于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發(fā)生。
          3. 動態(tài)檢測與調試
          動態(tài)調試是在靜態(tài)調試的基礎上進行的,調試的方法地在電路的輸入端加上所需的信號源,并循著信號的注射逐級檢測各有關點的波形、參數和性能指標是否滿足設計要求,如必要,要對電路參數作進一步調整。發(fā)現問題,要設法找出原因,排除故障,繼續(xù)進行。(詳見檢查故障的一般方法)
          4. 調試注意事項
          (1)正確使用測量儀器的接地端,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,在頻率較高時要設法隔離連接線分布電容的影響,例如用示波器測量時應該使用示波器探頭連接,以減少分布電容的影響。
          (3)測量電壓所用儀器的輸入阻抗必須遠大于被測處的等效阻抗。
          (4)測量儀器的帶寬必須大于被測量電路的帶寬。
          (5)正確選擇測量點和測量
          (6)認真觀察記錄實驗過程,包括條件、現象、數據、波形、相位等。
          (7)出現故障時要認真查找原因。


          四、 電子電路故障檢查的一般方法
          對于新設計組裝的電路來說,常見的故障原因有:
          (1)實驗電路與設計的原理圖不符;元件使用不當或損壞;
          (2)設計的電路本身就存在某些嚴重缺點,不能滿足技術要求,連線發(fā)生短路和開路;
          (3)焊點虛焊,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;
          (6)接地處理不當;
          (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、信號尋跡法、對比法、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. 直接觀察法和信號檢查法:與前面介紹的調試前的直觀檢查和靜態(tài)檢查相似,只是更有目標針對性。
          2. 信號尋跡法:在輸入端直接輸入一定幅值、頻率的信號,用示波器由前級到后級逐級觀察波形及幅值,如哪一級異常,則故障就在該級;對于各種復雜的電路,也可將各單元電路前后級斷開,分別在各單元輸入端加入適當信號,檢查輸出端的輸出是否滿足設計要求。
          3. 對比法:將存在問題的電路參數與工作狀態(tài)和相同的正常電路中的參數(或理論分析和仿真分析的電流、電壓、波形等參數)進行比對,判斷故障點,找出原因。
          4. 部件替換法:用同型號的好器件替換可能存在故障的部件。
          5. 加速暴露法:有時故障不明顯,或時有時無,或要較長時間才能出現,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、 性實驗報告
          設計性實驗報告主要包括以下幾點:
          1. 課題名稱
          2. 內容摘要
          3. 設計內容及要求
          4. 比較和選擇的設計方案
          5. 單元電路設計、參數計算和器件選擇
          6. 畫出完整的電路圖。并說明電路的工作原理
          7. 組裝調試的內容,如使用的主要儀器和儀表、調試電路的方法和技巧、測試的數據和波形并與計算結果進行比較分析、調試中出現的故障、原因及排除方法
          8. 總結設計電路的特點和方案的優(yōu)缺點,指出課題的核心及實用價值,提出改進意見和展望
          9. 列出元器件清單
          10. 列出參考文獻
          11. 收獲、體會
          實際撰寫時可根據具有情況作適當調整。


          六、 電子電路干擾的抑制
          1. 干擾源
          電子電路工作時,往往在有用信號之外還存在一些令人頭痛的干擾源,有的產生于電子電路內部,有的產生于外部。外部的干擾主要有:高頻電器產生的高頻干擾、電源產生的工頻干擾、無線電波的干擾;內部的干擾主要有:交流聲、不同信號之間的互相感應、調制,寄生振蕩、熱噪聲、因阻抗不匹配產生的波形畸變或振蕩。
          2. 降低內部干擾的措施
          (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,要把模擬信號部分,高速數字電路部分,噪聲源部分(如繼電器,大電流開關等)這三部分合理地分開,使相互間的信號耦合為最小。
          (2) 電源線設計:根據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、使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲能力。
          (3) 地線設計:在電子設備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用,可解決大部分干擾問題(詳細方法見下節(jié)接地)。
          (4) 退藕電容配置線路板設計的常規(guī)做法之一是在線路板的各個關鍵部位配置適當的退藕電容。退藕電容的一般配置原則是:
          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。
          原則上每個集成電路芯片都應布置一個0.01pF的瓷片電容,如遇印制板空隙 不夠,可每4~8個芯片布置一個1 ~ 10pF的但電容。
          對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件,如 RAM、ROM存儲器件,應在芯片 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,尤其是高頻旁路電容不能有引線。
          此外,還應注意以下兩點:
          在印制板中有接觸器、繼電器、 按鈕等元件時.操作它們時均會產生較大火花放電,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,因此在使用時對不用端要接地或接正電源。
          3. 降低外部干擾的措施有:
          (1) 遠離干擾源或進行屏蔽處理;
          (2) 運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,設計接地點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:單點接地、串聯(lián)接地、平面接地。在電子設備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用,可解決大部分干擾問題。電子設備中地線結構大致有系統(tǒng)地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設計中應注意以下幾點:
          1. 正確選擇單點接地與多點接地
            在低頻電路中,信號的工作頻率小于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)流對干擾影響較大,因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應盡量降低地線阻抗,應采用就近多點接地。高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地,地線應短而租,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。當工作頻率在1~10MHz時,如果采用一點接地,其地線長度不應超過波長的1/20,否則應采用多點接地法。
          2.將數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,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設備的定時信號電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗。
          4. 將接地線構成閉環(huán)路
          設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時,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,因受接地線粗細的限制,會在地結上產生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結構成環(huán)路,則會縮小電位差值,提高電子設備的抗噪聲能力。

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          關鍵詞: 電子電路設計

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