1.3　電子電路系統設計基本原則和設計內容

1.3.1　電子電路系統設計的基本原則

電子電路系統設計時應當遵守的基本原則如下。

① 滿足系統功能和性能的要求。好的設計必須完全滿足設計要求的功能特性和技術指標，這也是電子電路系統設計時必須滿足的基本條件。

② 電路簡單，成本低，體積小。在滿足功能和性能要求的情況下，簡單的電路對系統來說不僅是經濟的，同時也是可靠的。所以，電路應盡量簡單。值得注意的是，系統集成技術是簡化系統電路的最好方法。

③ 電磁兼容性好。電磁兼容特性是現代電子電路的基本要求，所以，一個電子系統應當具有良好的電磁兼容特性。實際設計時，設計的結果必須能滿足給定的電磁兼容條件，以確保系統正常工作。

④ 可靠性高。電子電路系統的可靠性要求與系統的實際用途、使用環境等因素有關。任何一種工業系統的可靠性計算都是以概率統計為基礎的，因此電子電路系統的可靠性只能是一種定性估計，所得到的結果也只是具有統計意義的數值。實際上，電子電路系統可靠性計算方法和計算結果與設計人員的實際經驗有相當大的關系，設計人員應當注意積累經驗，以提高可靠性設計的水平。

⑤ 系統的集成度高。最大限度地提高集成度，是電子電路系統設計過程中應當遵循的一個重要原則。高集成度的電子電路系統，必然具有電磁兼容性好、可靠性高、制造工藝簡單、體積小、質量容易控制以及性價比高等一系列優點。

⑥ 調試簡單方便。這要求電子電路設計者在設計電路的同時，必須考慮調試的問題。如果一個電子電路系統不易調試或調試點過多，這個系統的質量是難以保證的。

⑦ 生產工藝簡單。生產工藝是電子電路系統設計者應當考慮的一個重要問題，無論是批量產品還是樣品，簡單的生產工藝對電路的制作與調試來說都是相當重要的一個環節。

⑧ 操作簡單方便。操作簡便是現代電子電路系統的重要特征，難以操作的系統是沒有生命力的。

⑨ 耗電少。

⑩ 性價比高。

通常希望所設計的電子電路能同時符合以上各項要求，但有時會出現相互矛盾的情況。

例如，在設計中有時會遇到這樣的情況：如果要想使耗電最少或體積最小，則成本高或可靠性差或操作復雜麻煩。在這種情況下，應當針對實際情況抓住主要矛盾來解決問題。例如，對于用交流電網供電的電子設備，如果電路總的功耗不大，那么功耗的大小不是主要矛盾，而對于用微型電池供電的航天儀表而言，功耗的大小則是主要矛盾之一。

1.3.2　電子電路設計的內容

電子電路設計是對各種技術綜合應用的過程。通常，電子電路設計過程包括以下幾個方面的內容。

（1）功能和性能指標分析　一般設計題目給出的是系統功能要求、重要技術指標要求。

這些是電子電路系統設計的基本出發點。但僅憑題目所給要求還不能進行設計，設計人員必須對題目的各項要求進行分析，整理出系統和具體電路設計所需的更具體、更詳細的功能要求和技術性能指標數據，這些數據才是進行電子電路系統設計的原始依據。同時，通過對設計題目的分析，設計人員可以不定期更深入地了解所要設計的系統的特性。功能和性能指標分析的結果必須與原題目的要求進行對照檢查，以防遺漏。

（2）系統設計　系統設計包括初步設計、方案比較和實際設計3部分內容。有了功能和性能指標分析的結果，就可以進行初步的方案設計。方案設計的內容主要是選擇實現系統的方法、擬采用的系統結構（如系統功能框圖），同時還應考慮實現系統各部分的基本方法。

這時應當提出兩種以上方案進行初步對比，如果不能確定，則應當進行關鍵電路的分析，然后再作比較。方案確定后，系統的總體設計就已完成，這時必須與功能、性能指標分析的結果數據和題目的要求進行核實，以免疏漏。

一個實用課題的理想設計方案不是輕而易舉就能獲得的，往往需要設計者進行廣泛、深入的調查研究，翻閱大量參考資料，并進行反復比較和可行性論證，結合實際工程實踐需要，才能最后確定下來。

（3）原理電路設計　系統設計的結果提出了具體設計方案，確定了系統的基本結構，那么，接下來的工作就是進行各部分功能電路以及分電路連接的具體設計。這時要注意局部電路對全系統的影響，要考慮是否易于實現、是否易于檢測以及性價比等問題，因此，設計人員平時要注意電路資料的積累。

（4）可靠性設計　電子電路系統的可靠性指標，是根據電子電路系統的使用條件和功能要求提出的，具有極強的針對性和目的性。任何一個電子電路系統的可靠性指標和設計要求，都只能針對一定的條件和目的，脫離具體條件談可靠性是沒有任何意義的。不講條件和目的，一味地提高系統可靠性，其結果只能是設計出一個難以實現或成本極高的電子電路系統。

可靠性設計包括三個方面：一是系統可靠性指標設計；二是系統本身可靠性必須滿足設計要求；三是系統對錯誤的容忍程度，即容錯能力。

實際上，可靠性設計在系統設計時已經有所體現，系統的方案設計和電路設計中必須考慮可靠性因素（如器件的選擇、電路連接方式的選擇等）。可靠性設計應當對全系統的可靠性進行核實計算。

（5）電磁兼容特性設計　電磁兼容設計實際也體現在系統和電路的設計過程中。系統的各種電磁特性指標是系統電磁設計的基本依據，而電路的工作條件則是電磁兼容設計的基本內容。

電磁兼容設計要解決兩方面的問題，一是提出合理的系統電磁兼容條件，二是如何使系統能滿足電磁兼容條件的要求。電子電路電磁兼容設計的任務是對電子電路系統的電磁特性（特別是電磁耦合特性）進行分析、計算，再根據分析、計算的結果來確定系統電磁兼容結構和特性。

要提高電子電路電磁兼容特性，在電路設計時應注意：

• 選擇電磁兼容特性好的集成電路。
• 盡量使關鍵電路數字化。
• 盡量提高系統集成度。
• 只要條件允許，盡量降低系統頻率。
• 為系統提供足夠功率的電源。
• 電路布線合理，做到高低頻分開、功率電路與信號電路分開、數字電路與模擬電路分開、遠距離傳輸信號使用電隔離技術等。

（6）調試方案設計　電子電路系統設計的另一個重要內容是設計一個合理的調試方案。調試方案的目的是為設計人員提供一個有序、合理、迅速的系統調試方法，使設計人員在系統實際調試前就對調試的全過程有個清楚的認識，明確要調試的項目、目的、應達到的技術指標、可能發生的問題和現象、處理問題的方法、系統各部分調試時所需要的儀器設備等。

調試方案設計還應當包括測試結果記錄的格式設計，測試結果記錄格式必須能明確地反映系統所實現的各項功能特性和達到的各項技術指標。

1.3.3　電路設計的一般過程

電子電路的一般設計方法和步驟如圖1-8所示。由于電子電路種類繁多，千差萬別，設計方法和步驟也因情況不同而異，因而圖1-8所示的設計步驟有時需要交叉進行，甚至會出現反復。電子電路設計的方法和步驟不是一成不變的，設計者要根據實際情況靈活掌握。

（1）選擇總體方案　設計電路的第一步就是選擇總體方案。總體方案是用具有一定功能的若干單元電路構成一個整體，以滿足課題題目所提出的要求和性能指標，實現各項功能。選擇方案就是按照系統總的要求，把電路劃分成若干個功能塊，得出能表示單元功能的整機原理框圖。每個方框是一個單元功能電路，按照系統性能指標要求，規劃出各單元功能電路所要完成的任務，確定輸出與輸入的關系，確定單元電路的結構。

由于符合要求的總體方案往往不止一個，所以應當針對系統提出的任務、要求和條件，進行廣泛調查研究，大量查閱參考文獻和有關資料，廣開思路，要敢于探索，努力創新，提出若干不同方案，仔細分析每個方案的可行性和優缺點，反復比較，爭取方案的設計合理、可靠、經濟、功能齊全、技術先進。

框圖應能說明方案的基本原理，應能正確反映系統完成的任務和各組成部分的功能，清楚表示出系統的基本組成和相互關系。

選擇方案必須注意下面兩個問題。

① 要有全局觀點，從全局出發，抓住主要矛盾。因為有時局部電路方案為最優，但系統方案不一定是最佳的。

② 要充分開動腦筋，不僅要考慮方案是否可行，還要考慮怎樣保證性能可靠，考慮如何降低成本、降低功耗、減小體積等許多實際的問題。

（2）設計單元電路　單元電路是整機的一部分，只有把單元電路設計好才能提高整體設計水平。設計單元電路的一般方法和步驟如下。

① 根據設計要求和已選定的總體方案原理框圖，確定對各單元電路的設計要求，必要時應詳細擬定主要單元電路的性能指標、與前后級之間的關系、分析電路的構成形式。應注意各單元電路之間的相互配合，注意各部分輸入信號、輸出信號和控制信號的關系。盡量少用或不用電平轉換之類的接口電路，并考慮使各單元電路采用統一的供電電源，以簡化電路結構，降低成本。

② 擬定好各單元電路的要求后，應全面檢查一遍，確定無誤后方可按信號流程或從難到易或從易到難的順序分別設計各單元電路。

③ 選擇單元電路的組成形式。一般情況下，應查閱有關資料，以豐富知識、開闊眼界，從已掌握的知識和了解的各種電路中選擇一個合適的電路。如確實找不到性能指標完全滿足要求的電路，也可選用與設計要求比較接近的電路，然后調整電路參數。

在單元電路的設計中特別要注意保證各功能塊協調一致地工作。對于模擬系統，要按照需要采用不同的耦合方式把它們連接起來；對于數字系統，協調工作主要通過控制器來進行，控制器不允許有競爭冒險和過渡干擾脈沖出現，以免發生控制失誤。對所選各功能塊進行設計時，要根據集成電路的技術要求和功能塊應完成的任務，正確計算外圍電路的參數。對于數字集成電路要正確處理各功能輸入端。

（3）計算參數　為保證單元電路達到功能指標要求，常需計算某些參數。例如放大器電路中各電阻值、放大倍數，振蕩器中電阻、電容、振蕩頻率等參數。只有很好地理解電路的工作原理，正確利用計算公式，計算的參數才能滿足設計要求。

一般來說，計算參數應注意以下幾點。

① 各元器件的工作電壓、電流、頻率和功耗等應在允許的范圍內，并留有適當的裕量，以保證電路在規定的條件下能正常工作，達到所要求的性能指標。

② 對于環境溫度、交流電網電壓等工作條件，計算參數時應按最不利的情況考慮。

③ 涉及元器件的極限參數（如整流橋的耐壓）時，必須留有足夠的裕量，一般按1.5倍左右考慮。例如，如果實際電路中三極管UCE的最大值為20V，那么挑選三極管時應按U_(BR)CEO≥30V考慮。

④ 電阻值盡可能選在1MΩ以下，一般不應超過10MΩ，其數值應在常用電阻標稱值系列之內，并根據具體情況正確選擇電阻的品種。

⑤ 非電解電容盡可能在100pF～0.1μF范圍內選擇，其數值應在常用電容器標稱值系列之內，并根據具體情況正確選擇電容的品種。

⑥ 在保證電路性能的前提下，盡可能降低成本，減少器件品種，減少元器件的功耗，減小體積，為安裝調試創造有利條件。

⑦ 有些參數很難用公式計算確定，需要設計者具備一定的實際經驗。如確實無法確定，個別參數可待仿真時再確定。

（4）審圖　由于在設計過程中有些問題難免考慮不周全，各種參數計算也可能出錯，因此在畫出總原理初圖并計算參數后，進行審圖是很有必要的。審圖可以發現原理圖中不當或錯誤之處，能將錯誤降到最低程度，使仿真階段少走彎路。尤其是比較復雜的電路，仿真之前一定要進行全面審查，必要時還可請經驗豐富的同行共同審查，以發現和解決大部分問題。審圖時應注意以下幾點。

① 先從全局出發，檢查總體方案是否合適，有無問題，是否有更佳方案。

② 檢查各單元電路是否正確，電路形式是否合適。

③ 模擬電路各電路之間的耦合方式有無問題，數字電路各單元電路之間的電平、時序等配合有無問題，邏輯關系是否正確，是否存在競爭冒險。

④ 檢查電路中有無煩瑣之處，是否可以簡化。

⑤ 根據圖中所標出的各元器件的型號、參數，驗算能否達到性能指標，有無恰當的裕量。

⑥ 要特別注意檢查電路圖中各元器件工作是否安全，是否工作在額定值范圍內。

⑦ 解決所發現的全部問題后，若改動較多，應復查一遍。

（5）仿真和實驗　電子產品的研制或電子電路的制作都離不開仿真和實驗。設計一個具有實用價值的電子電路，需要考慮的因素和問題很多，既要考慮總體方案是否可行，還要考慮各種細節問題。

例如，用模擬電路實現還是用數字電路實現，或者用模/數混合電路實現；各單元電路的組織形式，各單元電路之間的連接用哪些元器件；各種元器件的性能、參數、價格、體積、封裝形式、功耗、貨源等。電子元器件品種繁多，性能參數各異，僅普通晶體三極管就有幾千種類型，要在眾多類型中選用合適的器件著實不易，再加上設計之初往往經驗不足，以及一些新的集成電路尤其是大規模或超大規模集成電路的功能較多，內部電路復雜，如果沒有實際用過，單憑資料是很難掌握它們的各種用法及使用的具體細節的。因此，設計時考慮問題不周、出現差錯是很正常的。對于比較復雜的電子電路，單憑紙上談兵就能使自己設計的原理圖正確無誤并能獲得較高的性價比，往往是不現實的，所以必須通過仿真和實驗來發現問題、解決問題，從而不斷完善電路。

隨著計算機的普及和EDA 技術的發展，電子電路設計中的實驗演變為仿真和實驗相結合。電路仿真與傳統的電路實驗相比較，具有快速、安全、省材等特點，可以大大提高工作效率。仿真具有下列優越之處。

① 對電路中只能依據經驗來確定的元器件參數，用電路仿真的方法很容易確定，而且電路的參數容易調整。

② 由于設計的電路中可能存在錯誤或者在搭接電路時出錯，可能損壞元器件或者在調試中損壞儀器，從而造成經濟損失。而電路仿真中也會損壞元器件或儀器，但不會造成經濟損失。

③ 電路仿真不受工作場地、儀器設備、元器件品種和數量的限制。

④ 在EWB軟件下完成的電路文件，可以直接輸出至常見的印制電路板排版軟件，如Protel、OrCAD和TANGO等，自動排出印制電路板，加速產品的開發速度。

盡管電路仿真有諸多優點，但其仍然不能完全代替實驗。仿真的電路與實際的電路仍有一定差距，尤其是模擬電路部分，由于仿真系統中元器件庫的參數與實際器件的參數可能不同，可能導致仿真時能實現的電路而實際卻不能實現。對于比較成熟的有把握的電路可以只進行仿真，而對于電路中關鍵部分或采用新技術、新電路、新器件的部分，一定要進行實驗。

仿真和實驗要完成以下任務。

① 檢查各元器件的性能、參數、質量能否滿足設計要求。

② 檢查各單元電路的功能和指標是否達到設計要求。

③ 檢查各個接口電路是否起到應有的作用。

④ 把各單元電路組合起來，檢查總體電路的功能，檢查總電路的性能是否最佳。

（6）總體電路圖的畫法　原理電路設計完成后，應畫出總體電路圖?？傮w電路圖不僅是印制電路板等工藝設計的主要依據，而且在組裝、調試和維修時也離不開它。繪制電路圖要注意以下幾點。

① 布局合理，排列均勻，疏密恰當，圖面清晰，美觀協調，便于看圖，便于對圖進行理解和閱讀。

② 注意信號的流向，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各單元電路。一般不要把電路圖畫成很長的窄條，電路圖的長度和寬度比例要比較合適。

③ 繪圖時應盡量把總電路畫在一張紙上，如果電路比較復雜，需繪制幾張圖，則應把主電路畫在同一張圖紙上，而把一些比較獨立或次要的部分（如直流穩壓電源）畫在另外的圖紙上，并在圖的斷口兩端做上標記，標出信號從一張圖到另一張圖的引出點和引入點，以說明各圖紙在電路連線之間的關系。

④ 每一個功能單元電路的組件應集中布置在一起，便于顯示各單元電路的功能關系。

⑤ 連接線應為直線，連線通常畫成水平線或豎線，一般不畫斜線。十字連通的交叉線，應在交叉處用圓點標出。連線要盡量短，少折彎。有的連線可用符號表示，如果把各元器件的每一根連線都畫出來，容易使人眼花繚亂，用符號表示簡潔明了。比如，器件的電源一般只標出電源電壓的數值（如+5V、+15V、-12V），地線用符號來表示。

⑥ 圖形符號要標準，圖中應加適當的標注。圖形符號表示器件的項目或概念。電路圖上的中、大規模集成電路器件，一般用方框表示，在方框中標出它的型號，在方框的邊線兩側標出每根線的功能名稱和引腳號。除中、大規模器件外，其余元器件符號應當標準化。

⑦ 數字電路中的門電路、觸發器在總電路原理圖中建議用門電路符號、觸發器符號來畫，而不按接線圖形式畫。比如，一個CMOS振蕩器經四分頻后輸出的電路如圖1-9（a）所示，如果畫成圖1-9（b）所示的形式則不利于看懂它的工作原理，不便與他人進行交流。由于CMOS集成電路不用的輸入端不能懸空，因此要對圖1-9（b）中CC4069和CC4013不用的輸入端進行處理，否則該圖是不正確的。

圖1-9　振蕩分頻器

以上只是總電路圖的一般畫法，實際情況千差萬別，應根據具體情況靈活掌握。

1.3.4　電子電路設計的方法

（1）模擬電路設計的基本方法　無論是民用的還是工程應用的電子產品，大多數是由模擬電路或模/數混合電路組合而成的。模擬裝置（設備）一般是由低頻電子線路或高頻電子線路組合而成的模擬電子系統，如音頻功率放大器、模擬示波器等。雖然它們的性能、用途各不相同，但其電路組成部分都是由基本單元電路組成的，電路的基本結構也具有共同的特點。一般來說，模擬裝置（設備）都由傳感器件、信號放大和變換電路以及驅動、執行機構三部分組成，結構框圖如圖1-10所示。

圖1-10　模擬裝置結構框圖

傳感器件主要是將非電信號轉換為電信號。信號放大和變換電路則是對得到的微弱電信號進行放大和變換，再傳送到相應的驅動、執行機構。其基本的功能電路有放大器、振蕩器、整流器及各種波形產生、變換電路等。驅動、執行機構可輸出足夠的能量，并根據課題或工程要求，將電能轉換成其他形式的能量，完成所需的功能。

對于模擬電子電路的設計方法，從整個系統設計的角度來說，應先根據任務要求，經過可行性的分析、研究后，拿出系統的總體設計方案，畫出總體設計結構框圖；在確定總體方案后，根據設計的技術要求，選擇合適的功能單元電路，然后確定所需要的具體元器件（型號及參數）；最后將元器件及單元電路組合起來，設計出完整的系統電路。需要說明的是，隨著科技的進步，集成電路正在迅速發展，線性集成電路（如集成運算放大器）日漸增多，采用模擬線性集成電路組建電路已趨流行。這方面的訓練對于初學的設計者來說十分重要。

（2）數字邏輯電路設計的基本方法　數字邏輯電路的設計包括兩個方面：基本邏輯功能電路設計和邏輯電路系統設計。這里主要介紹數字邏輯電路系統的設計，即根據設計的要求和指標，將基本邏輯電路組合成邏輯電路系統。

數字邏輯電路通常由四部分組成：輸入電路、控制電路、輸出電路、電源電路，如圖1-11所示。

圖1-11　數字邏輯電路組成

輸入電路接收被測或受控系統的有關信息并進行必要的變換或處理，以適應控制運算電路的需要。

控制電路則把接收的信息進行邏輯判斷和運算，并將結果輸送給輸出電路。輸出電路將得到的結果再做相應的處理即可驅動被測或受控系統了。電源電路的作用是為數字系統的各部分提供工作電壓或電流。

對于簡單的數字邏輯電路的設計，一般是根據任務的要求，畫出邏輯狀態真值表，利用各種方法化簡，求出最簡邏輯表達式，最后畫出邏輯電路圖。近年來，中、大規模集成電路的迅速發展，使得數字邏輯電路的設計發生了根本性的變化?，F在設計中更多的是考慮如何利用各種常用的標準集成電路設計出完整的數字邏輯電路系統。在設計中使用中、大規模集成電路，不僅可以減少電路組件的數目，使電路簡潔，而且能提高電路的可靠性，降低成本。因此，在數字電路設計中，應充分考慮這一問題。

數字邏輯電路總體方案設計的基本方法如下。

① 根據總的功能和技術要求，把復雜的邏輯系統分解成若干個單元系統，單元的數目不宜太多，每個單元也不能太復雜，以方便檢修。

② 每個單元電路由標準集成電路來組成，選擇合適的集成電路及器件，構成單元電路。

③ 考慮各個單元電路間的連接，所有單元電路在時序上應協調一致，滿足工作要求，相互間電氣特性應匹配，保證電路能正常、協調工作。