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电路设计及技巧

电路设计技巧

学院****

专业****

年级班别****

学生姓名****

指导教师****

2017年3月

摘要

电路（电子线路）是由电气设备和元器件按一定方式联接起来，为电流流通提供了路径的总体，也叫电子网路。

根据所处理信号的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。

一般PCB基本设计流程如下：

前期准备--PCB结构设计--PCB布局--布线--布线优化和丝印--网络和DRC检查和结构检查--制板。

本文将从电源设计，模拟电路，数字电路，数模混合电路，高速电路以及电路设计软件的使用等六个方面对电路设计流程中遇到的一些问题和技巧进行介绍，

关键词：

电路设计,数字电路系统设计，基本放大电路，信号完整性，数模混合

目录

电路设计技巧1

摘要2

第一章电源电路设计概要5

1.1电源电路的重要性5

1.2稳定电源的优点5

1.3不稳定电源的缺点6

1.4现在使用的一般的恒定电压的稳压电压6

1.4.1按控制方式6

1.4.2.按电压转换形式6

1.4.3.按拓补结构6

第二章模拟电路设计技巧8

2.1“基本放大电路”和多级放大电路的关系9

2.2“基本放大电路”和频率特性的关系9

2.3“基本放大电路”和功率放大电路的关系9

2.4“基本放大电路”和波形发生变换电路的关系9

2.5“基本放大电路”和稳压电路的关系10

2.6“基本放大电路”和集成运算放大电路的关系10

2.7“基本放大电路”和信号运算、处理电路的关系10

2.8滤波电路应用10

第三章数字电路系统设计与制作10

3.1数字电路系统的设计方法11

3.2数字电路系统的组成11

3.3数字电路系统设计的一般方法与步骤12

3.4数字电路系统的装调13

第四章模数混合注意事项14

4.1模数转换器的技术指标14

4.1.1转换时间14

4.1.2转换速率14

4.1.3转换精度15

4.2模数转换器选择的注意事项15

4.2.1位数选择15

4.2.2转换速率16

4.3数模混合注意情况16

第五章高速电路PCB设计16

5.1高速电路定义及其PCB设计流程16

5.1.1高速电路定义16

5.1.2高速PCB设计流程图17

5.2高速PCB设计过程中的三个关键问题17

5.2.1信号完整性问题17

5.2.1.1传输线理论17

5.2.1.2传输线效应18

5.2.3电源完整性设计问题19

第六章电子电路设计软件介绍20

6.1软件的介绍20

6.1.1OrCAD软件简介20

6.1.2PADS软件的简介20

6.2基本PCB设计知识21

6.3PCB设计流程21

参考文献23

绪论

电路设计，是指按照一定规则，使用特定方法设计出符合使用要求的电路系统。

现如今，人类生产生活对各种高度自动化产品的依赖日益严重，而最基本的电路的设计更是重中之重，电子设计工程师也成为一种必须的职业。

而对于自动化专业的学生来说，了解并学会普通的电子电路设计过程已成为一种必要，这些都是为了适应时代发展的表现。

但是对于初学者来说，真正的实现这一系列操作并成功的难度较大，首先需要具备基础的电路知识，其次需要大量的设计经验，对电路设计软件的熟悉操作。

数字电路，模拟电路，数模混合电路，不同情况下设计所需注意事项也不同，如果是高速电路的话，又应该注意高频率的信号对电路信号传输的影响，整个过程中电源的设计至关重要，学会使用AD，pad等电路设计软件以达到更高效的设计。

第一章电源电路设计概要

1.1电源电路的重要性

每个电子电路系统中必须有电源供给，为了保障电子系统能够正常高效的运行，电源的正确设计师保证一个一个电子电路系统正常工作的基本保障。

特别是要求在高稳定的直流电压下工作的电路，直流稳压电源的设计关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。

目前普遍情况是吧变压器直接接到交流电源上，只经过绝缘/变压，在对变压器二次侧的交流电压进行整流/滤波，得到不稳定的直流电源。

1.2稳定电源的优点

1.电路在实现功能的同时又要承受电源变动，难以兼顾：

让实现功能的电路在波动大的非稳定直流电源下运行，需要使用耐压和功耗都有裕量的半导体器件。

这种半导体器件外形尺寸大且价格高。

考虑到目前主流的CMOS型IC，其损耗与电源电压的平方及频率成正比，因此电路难以在高速环境下运行。

2.应对电源变动与实现功能相互分离，简单易行：

在制作价格便宜的小型电子设备时，人们希望在实现具体功能的电路中使用虽在耐压上没有裕量但价格便宜，体积小巧的半导体，而电源变动的部分有稳定电源电路承担就可以。

这样既降低了IC的电源电压，可以低功耗高速的进行工作。

总之，使用稳定电源的目的就是靠分工来提高半导体器件的利用率。

并且，如果稳定电源电路尽可能地使用内部损耗小的电路，设备整体就能变得既造价低廉又体积小巧。

1.3不稳定电源的缺点

1.电源电压变动大，数字电路不易设计；

2.模拟电路难以应对电源电压的变动；

1.4现在使用的一般的恒定电压的稳压电压

导致电压变动的主要的因素有输入电压，负载电流，环境温度。

预支这些可能引起输出电压变动的因素，得到恒定的直流输出电压，就是直流稳定电源电路的功能

输出电压稳定的电源种类及选择方法

直流稳定电源设计的第一步是方式的选择，按照内部运行方式分类，直流稳定电源可分为线性调节器和开关调节器两种形式。

其中线性调节器在运行原理上又可以分为并联调节器和串联调节器。

开关调节器分类如下：

1.4.1按控制方式

脉冲调制变换器：

驱动波形为方波。

PWM、PFM、混合式。

谐振式变换器：

驱动波形为正弦波。

又分ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）两种。

1.4.2.按电压转换形式

1.AC/DC：

一次电源，即整流电源。

2.DC/DC：

二次电源。

（1）Buck电路：

降压斩波器，入出极性相同。

（2）Boost：

升压斩波器，入出极性相同。

（3）Buck-Boost：

升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。

（4）Cuk：

升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。

1.4.3.按拓补结构

1.隔离型：

有变压器。

2.非隔离型：

无变压器。

线性调节器具有噪声小的优势，而开关调节器具有损耗晓得优点。

总的来说要低求噪声电源的模拟电路应该选用线性调节器，需要大电流的电路应该选用开关调节器，一般都可按照这个原则灵活使用。

电源设计技巧概述

（1）选用合适的供电电源

如上面所说，电源有串联型线性稳压电源和开关型稳压电源两大类。

前者具有波纹小，电路结构简单的优点，但电路的效率低，功耗大。

后者功耗小，效率高，但电路复杂，纹波大。

（2）精心设计PCB

实践证明即使电路原理图正确，PCB设计不恰当也会对电子系统的功能产生不良影响，甚至致使电路不能工作。

为了解决来自电源和信号之间的干扰，正确接地时控制干扰的重要方法。

吧接地和屏蔽正确结合起来使用，就可以解决大部分干扰问题

1）正确选择单点接地和多点接地

对于双面板，地线布置特别讲究，通常采用单点接地，电源和地是电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。

2）将数字电路与模拟电路分开

电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应该使他们尽量分开。

作为数字信号部分是以脉冲信号工作，信号幅度大，频谱宽，其地线与电源线上的噪声高达几十毫伏甚至几百毫伏，这对于模拟信号而言一个是十分强大的干扰信号源，如接地不当，布线不良，数字电路产生的噪声会严重影响模拟信号的波形。

因此两者的地线以及电源线也不要相混，分别与电源端的地线和电源线相连。

还要尽量加大线性电路的接地面积。

3）尽量加粗接地线

若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的信号电平不稳，抗噪声性能变坏。

应将接地线尽量加粗，使他能通过三倍于印制电路板的允许电流。

如有可能，接地线的宽度应该大于3mm。

4）将接地线构成闭环路

设计只有数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。

原因在于：

印刷电路板上有很多集成电路元件，尤其遇到有功耗大的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地线构成环路，则会减小这种电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

（3）用好去耦电容

去耦电容一方面阻止电路中的噪声进入电源，另一方面防止电源中的噪声进入前级电路，使电路噪声干扰减少到满足电路要求的范秋。

因此设计数字电路使，对于集成电路，尽量在每个集成电路的电源与地之间都加一个去耦电容。

电容一方面是该集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该期间的高频噪声。

（4）正确连接各块电路之间的电源线和地线

常见的电路连接方式是将所有电路的电源线依次串接到电源电路板上去,电路在工作时对电源产生噪声污染,噪声信号不仅存在于电源线中,还同样加在地线上。

而信号的传输要通过地线,当一块电路板上的信号传输到另一块电路板上时,就会叠加上地线上的噪声信号,使电路总体的信噪比严重下降。

特别是有模拟电路和ADC等对交直流噪声敏感的电路存在时尤为明显。

下图就是一个典型的AD数据采集系统框图,图中将实际的连接线用电阻和电感的串联进行等效,数字系统的电源噪声会严重影响ADC电路及前级的模拟处理电路,这明显是一种不良的电源连接方式。

为有利于减小电路的中地线上的噪声干扰,改进的电源连接方式是电路中首先将模拟地和数字地分开,建立一个模拟参考点,所有模拟部分的地都接到个参考点上。

一般说来,数字部分多数使用+SV的电源,模拟部分多数采用士ISV或其他电压的电源,这两电源应分别接到数字地和模拟地,并要注意这两组电源的变压器绕组之间应具有良好的绝缘和良好的静电隔离。

如果系统中还有使用相同电压的高噪声的电路,如继电器和LED的驱动电路,则需要另做一组电源单独给其供电,相互之间的地线最好是只有一点相连恰当的作法是将电源和地线先接入电路中对噪声敏感的模拟电路或校数转换电路,然后由这个电路板再接线到信号更小的前级电路（如信号调理电路）去;而数字电路的地所有的先接到ADC或微处理器等需要和模拟地接在一块的数字地上,再接到数字电路的供电电源上去。

下面的图例就是改进了的电源接线方式,同样用电阻和电感的串联等效实际的连接线,图中的电容是每块电路板上电源入口处的滤波电容。

这样就以AD转换电路的地作为基准参考电位点,其他电路都以这里为基准,能够尽量降低电路中地线上的噪声,使电路的信噪比提高。

对于地线上的电流,还可采用串小电阻的方式来改变电流的流向,从而使地线上的纹波减小。

作为每一块电路板中,首先需要将电源入口处加上滤波电路,以减少其他电路的噪声对本电路板产生不良的影响,同时也能减少电路自身产生的噪声通过电源线传送到其他电路板上去。

还有一种较好的思路是每一块电路板各自根据需要,分别设计不同精度的稳压电源电路在电路板上,杜绝通过电源线造成各块电路板的电源的相互干扰。

当然,前提是地线依然需要采用一点连接,即其他各块电路板的地线都要接到共同的模拟电路的末级。

第二章模拟电路设计技巧

放大电路中有直流基础,又有被放大的信号,交直流通路不同,因此必须分开分析,即交流分析和直流分析单独进行。

2.1“基本放大电路”和多级放大电路的关系

对于基本放大电路而言,需要解决和进一步认识三个问题.首先是输入阻抗和输出阻抗问题.只要搞清前级是后级的信号源,前级的输出电阻是后级电路的信号源内阻,后级电路是前级电路的负载,负载可以是纯电阻或阻容等,而基本放大电路的负载电阻可以认为是后级放大电路的输入电阻;其次是电路之间的级联问题,主要考虑阻抗匹配和采用的耦合方式（直接耦合,还是阻容耦合,还是变压器耦合等）;最后要解决的问题是放大倍数,这完全可以从放大倍数的定义出发推导出来.所以在“基本放大电路”教学中为了给多级放大电路的教学埋下伏笔,把信号源用一句话表述:

“信号源”可看成是一级放大电路;把“负载”用一句话表述:

负载同样可看成是一级放大电路,这样就可以了.

2.2“基本放大电路”和频率特性的关系

放大电路的频率特性是基于基本放大电路在耦合电容、旁路电容、晶体管结电容的影响需要考虑时,对放大电路的认识.从信号工作频率来考虑,频率较低时,结电容可视为开路（相当于基本放大电路的直流通路）,但耦合电容和旁路电容的作用不可忽视;频率较高时,结电容的容抗变小,对PN结形成分流,使晶体管的电流放大倍数减小,而耦合电容和旁路电容可视为短路,对信号传输造成影响减小;从电容的大小来考虑,结电容越小,对放大信号影响越小,耦合电容和旁路电容越小,对信号影响越大.

2.3“基本放大电路”和功率放大电路的关系

功率放大电路是基于基本放大电路在大信号高输出时需要考虑的效率问题而提出的,它放大的仍然是电流和电压,至于其各种形式也是建立在基本放大电路基础上的,只不过是由于负载或输出信号要求的不同,而采用不同的输出方式.至于它的工作原理只要搞清楚了基本放大电路的工作原理中输入和输出波形之间的关系,以及静态工作点的设置对于输入、输出波形的影响,对于功率放大电路中互补电路的认识就不觉得不可思议了,可以把功率放大电路看成是基本放大电路的应用.在“基本放大电路”的学习中,注重输入、输出波形的切实理解就可以了,可以采取先画全部波形的正半周,再画全部波形的负半周的办法以加深对波形的理解,或者在静态工作点设置不合理内容介绍时有意识地进行半个正弦波的说明.

2.4“基本放大电路”和波形发生变换电路的关系

波形发生电路无非是基本放大电路接入正反馈再加上一个选频网络就可以了,特别是对正弦波波形发生电路就更典型了,而非正弦波发生电路就是依靠一个电容的充放电来形成.波形变换利用基本放大电路在改善电路性能方面起的作用就能说明问题.方波变换成三角波也是在基本放大电路的基础上加一个充放电电容即可.在“基本放大电路”学习时,考虑负载为容性的波形就是很好的铺垫.

2.5“基本放大电路”和稳压电路的关系

稳压电路是建立在基本放大电路共集电极接法基础上的一种应用型电路.由于稳压电路特定的习惯画法,使学生有了新鲜感和陌生感,其实只要画成基本放大电路共集电极接法在认识电路时会很熟悉,在介绍稳压电路工作原理时很方便,因为学生已经对习惯上称之为的射极跟随器很熟悉了,这也同时要求在进行射极输出器教学时注重对其工作原理的认真分析.

2.6“基本放大电路”和集成运算放大电路的关系

集成运算放大电路是基于直接耦合的多级放大电路,又增加了抑制零点漂移和各种电流源（深度电流负反馈）的集成电路,其基本形式还是基本放大电路,只不过是把电路做到了芯片内.至于各种各样的电流源更是基本放大电路的基本形式中射极电阻不同的具体应用.只要基本共射放大电路熟悉问题就简单了.

2.7“基本放大电路”和信号运算、处理电路的关系

信号的运算和处理电路使用集成运算放大电路,可看成是输入电阻趋于无穷大,输出电阻趋于零的基本电压放大电路,这样处理的结果使信号的各种运算成为与集成运算电路基本无关,只与输入信号的大小和反馈方式及输入端连接方式有关的输出。

2.8滤波电路应用

低通滤波是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。

但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序（目的）而改变。

它有的时候也被叫做高频去除过滤或者最高去除过滤。

低通过滤是高通过滤的对立。

第三章数字电路系统设计与制作

随着微电子技术的迅速发展，数字电路设计的对象、方法与手段发生了很大变化，设计对象从基本逻辑功能电路（计数器、寄存器等）的设计到数字逻辑系统的设计再到大规模数据控制与处理系统（CPU、DSP等）的设计。

设计方法也由采用真值表求逻辑表达式、画出逻辑电路图的方式到通过确定总体方案，采取从局部到整体，用各种中大规模集成电路来组成满足要求的逻辑电路系统的方式。

3.1数字电路系统的设计方法

数字电路系统的设计与数字电子技术中基本的组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计有较大的区别。

后者是根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路，用一般的集成门电路或集成触发器电路来实现。

而数字电路系统的设计具有复杂的逻辑功能，难以用真值表、逻辑表达式来完整地描述其逻辑功能，用数字电子技术中常用的方法来设计，显然是复杂而困难的。

利用数字电路硬件描述语言来设计数字系统是目前最先进的方法，即电子设计自动化（EDA）。

它可以采用自顶向下的设计方法，从系统行为级的数学模型描述与仿真论证系统的可行性来确定最优秀的方案；它可以采用自顶向下的递阶结构加强结构性，既易于设计调试又便于对问题的查找和解决；它可以采用原理图、硬件描述语言或状态机和多种方法输入，并可调用软件系统提供丰富的库元件，生成数字电路并映射到可编程逻辑器件，进行逻辑仿真及实现后的时序仿真，设计者只需根据仿真结果修改电路直到满足设计需要。

3.2数字电路系统的组成

数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路、脉冲产生电路和电源等。

输入电路的主要作用是将被控信号加工变换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。

比如在数字频率计的设计制作中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。

有些模拟信号则通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。

在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。

控制电路的功能是将信息加工运算并为系统各部分提供所需的各种控制。

比如多路可编程控制器的设计制作，其定时器即为一控制电路，正是在它的作用下，计数脉冲才按一定的时间周期（定时器的定时时间）一组一组地送给地址计数器，形成时间控制。

在数字频率计中，从JK触发器两个反相输出端输出的信号也是控制信号，它既控制了被测信号送至计数器的时间，同时又控制了锁存器在计数完毕后对数据进行锁存。

产生这种信号输出的电路即为控制电路。

数字电路系统中，各种逻辑运算、判别电路等，都是控制电路，它们是整个系统的核心。

设计控制电路是数字系统设计的最重要的内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑性与时序性。

输出电路是完成系统最后逻辑功能的重要部分。

数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路。

其功能可能是发送一组经系统处理的数据，或显示一组数字，或将数字信号进行转换，变成模拟输出信号。

比如数字频率计的显示译码与数码管电路，多路可编程控制器的并行移位寄存器及驱动电路等，都属于系统的输出电路。

设计输出电路，必须注意与负载在电平、信号极性、拖动能力等方面进行匹配。

时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。

时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。

比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。

设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。

电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提供所需的直流电平。

在数字电路系统中，TTL电路对电源电压要求比较严格，电压值必须在一定范围内。

CMOS电路对电源电压的要求相对比较宽松。

设计电源时，必须注意电源的负载能力，电压的稳定度及波纹系数等。

总之，任何复杂的数字电路系统都可以逐步划分成不同层次、相对独立的子系统。

通过对子系统的逻辑关系、时序等的分析，最后可以选用合适的数字电路器件来实现。

将各子系统组合起来，便完成了整个大系统的设计。

按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大，由局部到整体的设计方法进行系统设计，就可以避免盲目的拼凑，完成设计任务。

3.3数字电路系统设计的一般方法与步骤

设计数字电路系统的一般方法与步骤包括：

1）分析课题必须充分了解设计要求，明确被设计系统的全部功能、要求及技术指标。

熟悉被处理信号与被控制对象的各种参数与特点。

2）确定总体设计方案根据系统逻辑功能画出系统的原理框图，将系统分解。

确定贯串不同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系。

方框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理。

3）绘制单元电路并对单元电路仿真选择合适的数字器件，用电子CAD软件绘出各逻辑单元的逻辑电路图。

标注各单元电路输入输出信号的波形。

原理图中所用的元件应使用标准标号；电路的排列一般按信号流向由左至右排列；重要的线路放在图的上方，次要线路放在图的下方，主电路放在图的中央位置；当信号通路分开画时，在分开的两端必须作出标记，并指出断开处的引出与引入点。

然后利用电子CAD软件中的数字电路仿真软件对电路进行仿真测试，以确定电路是否准确无误。

当电路中采用TTL、CMOS、运放、分立元件等多种器件时，如果采用不同的电源供电，则要注意不同电路之间电平的正确转换。

并绘制出电平转换电路。

4）分析电路可能设计的单元电路不存在任何问题，但组合起来后系统却不能正常工作，因此，必须充分分析各单元电路，尤其是对控制信号要从逻辑关系、正反极性、时序几个方面进行深入考虑，确保不存在冲突。

在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，获得最佳设计方案。

5）完成整体设计在各单元电路完成的基础上，用电子CAD软件将各单元电路连接起来，画出符合软件要求的整机逻辑电路图。

重新审查电路，以消除因某种疏忽造成的错误。

6）逻辑仿真整体电路设计完毕后，再次在仿真软件上对整个试验系统进行逻辑仿真，验证设计。

根据设计任务，设计出一个比较理想的数字电路系统必须经常训练，反复实践。

为使设计尽可能优化，必须对数字电路器件，尤其是中大规模集成电路器件有比较多的了解。

学会查阅数字电路器件手册，了解不同器件之间的区别。

充分明了各器件输入端、控制端对信号的要求，输出端输出信号的特点，对设计者来说是十分重要的。

此外，熟悉和掌握电子CAD软件的使用，对我们的设计则十分有帮助。

3.4数字电路系统的装调

数字系统整体电路设计完毕后，还必须通过试验板的安装与调试，纠正设计中因考虑不周出现的错误或不足。

检测出实际系统正常运行的各项技术指标、参数、工作状态、输出驱动情况、动作情况与逻辑功能。

因此，系统装调工作是验证理论设计，进一步修正设计方案的重要实践过程。

一般方法与步骤包括：

1）制作PCB电路板如果整体电路是利用电子CAD软件按其要求绘制的，则可以利用该软件绘制PCB图，制作出印刷电路板。

采用PCB制作数字电路系统可以保证试验系统工作可靠，减少不必要的差错，大大节省电路试验时间。

2）检测器件在将器件安装到PCB上之前，对所选用的器件进行测试是十分必要的，它可以减少因器件原因造成的电路故障，缩短工作时间。

3）安装元器件将各种器件安装到PCB上是一件不太困难的工作。

安装时，集成电路最好通过插座与电路板连接，便于器件不小心损坏后进行更换。

数字电路的布线一般比较紧密、焊点较小，在焊接过程中注意不要出现挂锡或虚焊。

4）电路调试电路的调试可分两步来进行，一是单元电路的调试，然后是总调。

只有通过调试使单元电路到达预定要求，总调才能顺利进行。

调试时应注意：

①充分理解电路的工作原理和电路结构，对电路输入输出量之间的逻辑关系，正常情况下信号的电平、波形、频率等做到心中有数。

据此设计出科学的调试