電子電路設計的基礎知識全面解析

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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、穩壓電源、示波器、信號發生器等。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，可轉入靜態檢測與調試。

2. 靜態檢測與調試

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、手摸元器件發燙，電源短路等，如發現異常情況，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;

對于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發生。

3. 動態檢測與調試

動態調試是在靜態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。發現問題，要設法找出原因，排除故障，繼續進行。(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定性差等等。

五、 電子電路設計性實驗報告

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(詳細方法見下節接地)。

(4) 退藕電容配置線路板設計的常規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，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗。

4. 將接地線構成閉環路

設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統時，將接地線做成閉環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，若將接地結構成環路，則會縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。