1、電路設計技巧 學 院 * 專 業 * 年級班別 * 學生姓名 * 指導教師 * 2017年 3月摘要電路(電子線路)是由電氣設備和元器件按一定方式聯接起來，為電流流通提供了路徑的總體，也叫電子網路。根據所處理信號的不同，電子電路可以分為模擬電路和數字電路。一般PCB基本設計流程如下：前期準備-PCB結構設計-PCB布局-布線-布線優化和絲印-網絡和DRC檢查和結構檢查-制板。本文將從電源設計，模擬電路，數字電路，數模混合電路，高速電路以及電路設計軟件的使用等六個方面對電路設計流程中遇到的一些問題和技巧進行介紹，關鍵詞：電路設計,數字電路系統設計，基本放大電路，信號完整性，數模混合目錄 電路設計

2、技巧1摘要2第一章 電源電路設計概要51.1電源電路的重要性51.2穩定電源的優點51.3不穩定電源的缺點61.4現在使用的一般的恒定電壓的穩壓電壓61.4.1按控制方式61.4.2.按電壓轉換形式61.4.3.按拓補結構6第二章 模擬電路設計技巧82.1“基本放大電路”和多級放大電路的關系92.2 “基本放大電路”和頻率特性的關系92.3“基本放大電路”和功率放大電路的關系92.4 “基本放大電路”和波形發生變換電路的關系92.5 “基本放大電路”和穩壓電路的關系102.6 “基本放大電路”和集成運算放大電路的關系102.7 “基本放大電路”和信號運算、處理電路的關系102.8 濾波電路應用

3、10第三章 數字電路系統設計與制作103.1 數字電路系統的設計方法113.2 數字電路系統的組成113.3 數字電路系統設計的一般方法與步驟123.4 數字電路系統的裝調13第四章 模數混合注意事項144.1模數轉換器的技術指標144.1.1轉換時間144.1.2轉換速率144.1.3轉換精度154.2模數轉換器選擇的注意事項154.2.1位數選擇154.2.2轉換速率164.3數模混合注意情況16第五章 高速電路PCB設計165.1高速電路定義及其PCB設計流程165.1.1高速電路定義165.1.2高速PCB設計流程圖175.2 高速PCB設計過程中的三個關鍵問題175.2.1 信號完整

4、性問題175.2.1.1 傳輸線理論175.2.1.2傳輸線效應185.2.3電源完整性設計問題19第六章 電子電路設計軟件介紹206.1 軟件的介紹206.1.1 OrCAD軟件簡介206.1.2 PADS軟件的簡介206.2基本PCB設計知識216.3 PCB設計流程21參考文獻23緒論電路設計，是指按照一定規則，使用特定方法設計出符合使用要求的電路系統。現如今，人類生產生活對各種高度自動化產品的依賴日益嚴重，而最基本的電路的設計更是重中之重，電子設計工程師也成為一種必須的職業。而對于自動化專業的學生來說，了解并學會普通的電子電路設計過程已成為一種必要，這些都是為了適應時代發展的表現。但是

5、對于初學者來說，真正的實現這一系列操作并成功的難度較大，首先需要具備基礎的電路知識，其次需要大量的設計經驗，對電路設計軟件的熟悉操作。數字電路，模擬電路，數模混合電路，不同情況下設計所需注意事項也不同，如果是高速電路的話，又應該注意高頻率的信號對電路信號傳輸的影響，整個過程中電源的設計至關重要，學會使用AD，pad等電路設計軟件以達到更高效的設計。第一章 電源電路設計概要1.1電源電路的重要性每個電子電路系統中必須有電源供給，為了保障電子系統能夠正常高效的運行，電源的正確設計師保證一個一個電子電路系統正常工作的基本保障。特別是要求在高穩定的直流電壓下工作的電路，直流穩壓電源的設計關系到整個電路

6、設計的穩定性和可靠性，是電路設計中非常關鍵的一個環節。目前普遍情況是吧變壓器直接接到交流電源上，只經過絕緣/變壓，在對變壓器二次側的交流電壓進行整流/濾波，得到不穩定的直流電源。1.2穩定電源的優點1.電路在實現功能的同時又要承受電源變動，難以兼顧：讓實現功能的電路在波動大的非穩定直流電源下運行，需要使用耐壓和功耗都有裕量的半導體器件。這種半導體器件外形尺寸大且價格高。考慮到目前主流的CMOS型IC，其損耗與電源電壓的平方及頻率成正比，因此電路難以在高速環境下運行。2.應對電源變動與實現功能相互分離，簡單易行：在制作價格便宜的小型電子設備時，人們希望在實現具體功能的電路中使用雖在耐壓上沒有裕量

7、但價格便宜，體積小巧的半導體，而電源變動的部分有穩定電源電路承擔就可以。這樣既降低了IC的電源電壓，可以低功耗高速的進行工作。總之，使用穩定電源的目的就是靠分工來提高半導體器件的利用率。并且，如果穩定電源電路盡可能地使用內部損耗小的電路，設備整體就能變得既造價低廉又體積小巧。1.3不穩定電源的缺點1.電源電壓變動大，數字電路不易設計；2.模擬電路難以應對電源電壓的變動；1.4現在使用的一般的恒定電壓的穩壓電壓導致電壓變動的主要的因素有輸入電壓，負載電流，環境溫度。預支這些可能引起輸出電壓變動的因素，得到恒定的直流輸出電壓，就是直流穩定電源電路的功能輸出電壓穩定的電源種類及選擇方法直流穩定電源設

8、計的第一步是方式的選擇，按照內部運行方式分類，直流穩定電源可分為線性調節器和開關調節器兩種形式。其中線性調節器在運行原理上又可以分為并聯調節器和串聯調節器。開關調節器分類如下：1.4.1按控制方式脈沖調制變換器：驅動波形為方波。PWM、PFM、混合式。諧振式變換器：驅動波形為正弦波。又分ZCS(零電流諧振開關)、ZVS(零電壓諧振開關)兩種。1.4.2.按電壓轉換形式1.AC/DC：一次電源，即整流電源。2.DC/DC：二次電源。（1）Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。（2）Boost：升壓斬波器，入出極性相同。（3）Buck-Boost：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。（4）C

9、uk：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。1.4.3.按拓補結構1.隔離型：有變壓器。2.非隔離型：無變壓器。線性調節器具有噪聲小的優勢，而開關調節器具有損耗曉得優點。總的來說要低求噪聲電源的模擬電路應該選用線性調節器，需要大電流的電路應該選用開關調節器，一般都可按照這個原則靈活使用。電源設計技巧概述（1）選用合適的供電電源如上面所說，電源有串聯型線性穩壓電源和開關型穩壓電源兩大類。前者具有波紋小，電路結構簡單的優點，但電路的效率低，功耗大。后者功耗小，效率高，但電路復雜，紋波大。（2）精心設計PCB實踐證明即使電路原理圖正確，PCB設計不恰當也會對電子系統的功能產生不良影響，甚至致使電路

10、不能工作。為了解決來自電源和信號之間的干擾，正確接地時控制干擾的重要方法。吧接地和屏蔽正確結合起來使用，就可以解決大部分干擾問題1）正確選擇單點接地和多點接地對于雙面板，地線布置特別講究，通常采用單點接地，電源和地是電源的兩端接到印刷線路板上來的，電源一個接點，地一個接點。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，應該使他們盡量分開。作為數字信號部分是以脈沖信號工作，信號幅度大，頻譜寬，其地線與電源線上的噪聲高達幾十毫伏甚至幾百毫伏，這對于模擬信號而言一個是十分強大的干擾信號源，如接地不當，布線不良，數字電路產生的噪聲會嚴重影響模擬信號的波形。因此兩者的地線以及電源線

11、也不要相混，分別與電源端的地線和電源線相連。還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，致使電子設備的信號電平不穩，抗噪聲性能變壞。應將接地線盡量加粗，使他能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應該大于3mm。4）將接地線構成閉環路設計只有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。原因在于：印刷電路板上有很多集成電路元件，尤其遇到有功耗大的元件時，因受接地線粗細的限制，會在地線上產生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地線構成環路，則會減小這種電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。（3

12、）用好去耦電容去耦電容一方面阻止電路中的噪聲進入電源，另一方面防止電源中的噪聲進入前級電路，使電路噪聲干擾減少到滿足電路要求的范秋。因此設計數字電路使，對于集成電路，盡量在每個集成電路的電源與地之間都加一個去耦電容。電容一方面是該集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該期間的高頻噪聲。（4）正確連接各塊電路之間的電源線和地線常見的電路連接方式是將所有 電路的電源線依次串接到電源電路板上去 , 電路在工 作時對 電源產生噪聲污染 , 噪聲信號不僅存在于電源線中,還同樣加在地線上。而信號的傳輸要通過地線,當一塊電路板上的信號傳輸到另一塊 電路板上時,就會疊加

13、上地線上 的噪聲信號 , 使電路總體的信噪比嚴重下降。特別是有模擬電路和A D C 等對交直流噪聲敏感的電路存在時尤為明顯。下圖就是一個典型的 A D 數據采集系統框圖 , 圖中將實際的連接線用 電阻和 電感的串聯進行等效,數字系統的電源噪聲會嚴重影響 A D C 電路及前級的模擬處理電路, 這明顯是一種不良的電源連接方式。為有利于減小電路的中地線上的噪聲干擾,改進的電源連接方式是電路中首先將模擬地和數字地分開 , 建立一個模擬參考點,所有模擬部分的地都接到個參考點上。一般說來,數字部分多數使用 + SV 的電源 ,模擬部分多數采用士I S V 或其他電壓的電源 , 這兩電源應分別接到數字地和

14、模擬地 ,并要注意這兩組 電源的變壓器繞組之間應具有良好的絕緣和良好的靜電隔離。如果系統中還有使用相同電壓的高噪聲的電路 , 如繼 電器和 L E D 的驅動 電路 , 則需要另做一組電源單獨給其供電,相互之間的地線最好是只有一 點相連 恰當的作法是將 電源和地線先接入電路中對噪聲敏感的模擬電路或校數轉換電路, 然后 由這個電路板再接線到信號更小的前級電路 (如信號調理電路 ) 去 ; 而數字 電路的地所有的先接到A D C 或微處理器等需要和模擬地接在一塊的數字地上 , 再接到數字電路的供電電源上去。下面的圖例就是改進了的電源接線方式, 同樣用電阻和電感的串聯等效實際的連接線 , 圖中的電容

15、是每塊 電路板上電源入口處的濾波電容。這樣就以 A D 轉換電路的地作為基準參考電位點,其他 電路都以這里為基準,能夠盡量降低電路中地線上的噪聲, 使 電路的信噪比提高。對于地線上的電流,還可采用串小電阻的方式來改變電流的流向,從而使地線上的紋波減小 。 作為每一塊電路板中,首先需要將電源入口處加上濾波 電路,以減少其他 電路的噪聲對本電路板產生不 良的影響 , 同時也能減少電路 自身產生的噪聲通過電源線傳送到其他 電路板上去。還有一種較好的思路是每一塊電路板各自根據需要,分別設計不同精度的穩壓電源電路在 電路板上 , 杜絕通過電源線造成各塊電路板 的電源的相互干擾。當然,前提是地線依然需要采

16、用一點連接 , 即其他各塊電路板 的地線都要接到共同的模擬電路的末級。第二章 模擬電路設計技巧放大電路中有直流基礎 , 又有被放大的信號 , 交直流通路不同 , 因此必須分開分析 , 即交流分析和直流分析單獨進行。2.1“基本放大電路”和多級放大電路的關系對于基本放大電路而言,需要解決和進一步認識三個問題.首先是輸入阻抗和輸出阻抗問題. 只要搞清前級是后級的信號源, 前級的輸出電阻是后級電路的信號源內阻,后級電路是前級電路的負載, 負載可以是純電阻或阻容等, 而基本放大電路的負載電阻可以認為是后級放大電路的輸入電阻; 其次是電路之間的級聯問題, 主要考慮阻抗匹配和采用的耦合方式(直接耦合, 還

17、是阻容耦合, 還是變壓器耦合等);最后要解決的問題是放大倍數,這完全可以從放大倍數的定義出發推導出來.所以在“基本放大電路”教學中為了給多級放大電路的教學埋下伏筆,把信號源用一句話表述:“信號源”可看成是一級放大電路; 把“負載”用一句話表述: 負載同樣可看成是一級放大電路, 這樣就可以了.2.2 “基本放大電路”和頻率特性的關系放大電路的頻率特性是基于基本放大電路在耦合電容、旁路電容、晶體管結電容的影響需要考慮時,對放大電路的認識.從信號工作頻率來考慮, 頻率較低時, 結電容可視為開路(相當于基本放大電路的直流通路), 但耦合電容和旁路電容的作用不可忽視;頻率較高時, 結電容的容抗變小, 對

18、PN 結形成分流,使晶體管的電流放大倍數減小, 而耦合電容和旁路電容可視為短路, 對信號傳輸造成影響減小; 從電容的大小來考慮, 結電容越小, 對放大信號影響越小,耦合電容和旁路電容越小, 對信號影響越大. 2.3“基本放大電路”和功率放大電路的關系功率放大電路是基于基本放大電路在大信號高輸出時需要考慮的效率問題而提出的,它放大的仍然是電流和電壓,至于其各種形式也是建立在基本放大電路基礎上的,只不過是由于負載或輸出信號要求的不同, 而采用不同的輸出方式. 至于它的工作原理只要搞清楚了基本放大電路的工作原理中輸入和輸出波形之間的關系,以及靜態工作點的設置對于輸入、輸出波形的影響,對于功率放大電路

19、中互補電路的認識就不覺得不可思議了,可以把功率放大電路看成是基本放大電路的應用. 在“基本放大電路”的學習中, 注重輸入、輸出波形的切實理解就可以了, 可以采取先畫全部波形的正半周, 再畫全部波形的負半周的辦法以加深對波形的理解,或者在靜態工作點設置不合理內容介紹時有意識地進行半個正弦波的說明.2.4 “基本放大電路”和波形發生變換電路的關系波形發生電路無非是基本放大電路接入正反饋再加上一個選頻網絡就可以了,特別是對正弦波波形發生電路就更典型了,而非正弦波發生電路就是依靠一個電容的充放電來形成.波形變換利用基本放大電路在改善電路性能方面起的作用就能說明問題.方波變換成三角波也是在基本放大電路的

20、基礎上加一個充放電電容即可. 在“基本放大電路”學習時, 考慮負載為容性的波形就是很好的鋪墊.2.5 “基本放大電路”和穩壓電路的關系穩壓電路是建立在基本放大電路共集電極接法基礎上的一種應用型電路.由于穩壓電路特定的習慣畫法, 使學生有了新鮮感和陌生感, 其實只要畫成基本放大電路共集電極接法在認識電路時會很熟悉, 在介紹穩壓電路工作原理時很方便, 因為學生已經對習慣上稱之為的射極跟隨器很熟悉了,這也同時要求在進行射極輸出器教學時注重對其工作原理的認真分析.2.6 “基本放大電路”和集成運算放大電路的關系集成運算放大電路是基于直接耦合的多級放大電路, 又增加了抑制零點漂移和各種電流源(深度電流負

21、反饋)的集成電路,其基本形式還是基本放大電路, 只不過是把電路做到了芯片內. 至于各種各樣的電流源更是基本放大電路的基本形式中射極電阻不同的具體應用.只要基本共射放大電路熟悉問題就簡單了.2.7 “基本放大電路”和信號運算、處理電路的關系信號的運算和處理電路使用集成運算放大電路, 可看成是輸入電阻趨于無窮大, 輸出電阻趨于零的基本電壓放大電路,這樣處理的結果使信號的各種運算成為與集成運算電路基本無關,只與輸入信號的大小和反饋方式及輸入端連接方式有關的輸出。2.8 濾波電路應用低通濾波是一種過濾方式，規則為低頻信號能正常通過，而超過設定臨界值的高頻信號則被阻隔、減弱。但是阻隔、減弱的幅度則會依據

22、不同的頻率以及不同的濾波程序（目的）而改變。它有的時候也被叫做高頻去除過濾或者最高去除過濾。低通過濾是高通過濾的對立。第三章 數字電路系統設計與制作隨著微電子技術的迅速發展，數字電路設計的對象、方法與手段發生了很大變化，設計對象從基本邏輯功能電路（計數器、寄存器等）的設計到數字邏輯系統的設計再到大規模數據控制與處理系統（CPU 、DSP等）的設計。設計方法也由采用真值表求邏輯表達式、畫出邏輯電路圖的方式到通過確定總體方案，采取從局部到整體，用各種中大規模集成電路來組成滿足要求的邏輯電路系統的方式。3.1 數字電路系統的設計方法數字電路系統的設計與數字電子技術中基本的組合邏輯電路和時序邏輯電路的

23、設計有較大的區別。后者是根據設計任務要求，用真值表、狀態表求出簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路，用一般的集成門電路或集成觸發器電路來實現。而數字電路系統的設計具有復雜的邏輯功能，難以用真值表、邏輯表達式來完整地描述其邏輯功能，用數字電子技術中常用的方法來設計，顯然是復雜而困難的。利用數字電路硬件描述語言來設計數字系統是目前最先進的方法，即電子設計自動化(EDA）。它可以采用自頂向下的設計方法，從系統行為級的數學模型描述與仿真論證系統的可行性來確定最優秀的方案；它可以采用自頂向下的遞階結構加強結構性，既易于設計調試又便于對問題的查找和解決；它可以采用原理圖、硬件描述語言或狀態機和多種方法輸

24、入，并可調用軟件系統提供豐富的庫元件，生成數字電路并映射到可編程邏輯器件，進行邏輯仿真及實現后的時序仿真，設計者只需根據仿真結果修改電路直到滿足設計需要。3.2 數字電路系統的組成數字電路系統一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路、脈沖產生電路和電源等。 輸入電路的主要作用是將被控信號加工變換成數字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如在數字頻率計的設計制作中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數字電路可以處理的數字信號。有些模擬信號則通過模數轉換電路轉換成數字信號再進行處理。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。 控制電路的功能是

25、將信息加工運算并為系統各部分提供所需的各種控制。比如多路可編程控制器的設計制作，其定時器即為一控制電路，正是在它的作用下，計數脈沖才按一定的時間周期（定時器的定時時間）一組一組地送給地址計數器，形成時間控制。在數字頻率計中，從JK觸發器兩個反相輸出端輸出的信號也是控制信號，它既控制了被測信號送至計數器的時間，同時又控制了鎖存器在計數完畢后對數據進行鎖存。產生這種信號輸出的電路即為控制電路。數字電路系統中，各種邏輯運算、判別電路等，都是控制電路，它們是整個系統的核心。設計控制電路是數字系統設計的最重要的內容，必須充分注意不同信號之間的邏輯性與時序性。輸出電路是完成系統最后邏輯功能的重要部分。數字

26、電路系統中存在各種各樣的輸出接口電路。其功能可能是發送一組經系統處理的數據，或顯示一組數字，或將數字信號進行轉換，變成模擬輸出信號。比如數字頻率計的顯示譯碼與數碼管電路，多路可編程控制器的并行移位寄存器及驅動電路等，都屬于系統的輸出電路。設計輸出電路，必須注意與負載在電平、信號極性、拖動能力等方面進行匹配。 時鐘電路是數字電路系統中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統都在它的控制下按一定的規律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的555多諧振蕩電路，數字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據系統的要求首先確定主時鐘的

27、頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統所需的各種時鐘脈沖。 電源為整個系統工作提供所需的能源，為各端口提供所需的直流電平。在數字電路系統中，TTL電路對電源電壓要求比較嚴格，電壓值必須在一定范圍內。CMOS電路對電源電壓的要求相對比較寬松。設計電源時，必須注意電源的負載能力，電壓的穩定度及波紋系數等。總之，任何復雜的數字電路系統都可以逐步劃分成不同層次、相對獨立的子系統。通過對子系統的邏輯關系、時序等的分析，最后可以選用合適的數字電路器件來實現。將各子系統組合起來，便完成了整個大系統的設計。按照這種由大到小，由整體到局部，再由小到大，由局部到整體的設計方法進行系統設計，就可以避免盲目的拼湊，完

28、成設計任務。3.3 數字電路系統設計的一般方法與步驟 設計數字電路系統的一般方法與步驟包括：1) 分析課題 必須充分了解設計要求，明確被設計系統的全部功能、要求及技術指標。熟悉被處理信號與被控制對象的各種參數與特點。2) 確定總體設計方案 根據系統邏輯功能畫出系統的原理框圖，將系統分解。確定貫串不同方框間各種信號的邏輯關系與時序關系。方框圖應能簡潔、清晰地表示設計方案的原理。3) 繪制單元電路并對單元電路仿真 選擇合適的數字器件，用電子CAD軟件繪出各邏輯單元的邏輯電路圖。標注各單元電路輸入輸出信號的波形。原理圖中所用的元件應使用標準標號；電路的排列一般按信號流向由左至右排列；重要的線路放在圖

29、的上方，次要線路放在圖的下方，主電路放在圖的中央位置；當信號通路分開畫時，在分開的兩端必須作出標記，并指出斷開處的引出與引入點。然后利用電子CAD軟件中的數字電路仿真軟件對電路進行仿真測試，以確定電路是否準確無誤。當電路中采用TTL、CMOS、運放、分立元件等多種器件時，如果采用不同的電源供電，則要注意不同電路之間電平的正確轉換。并繪制出電平轉換電路。4) 分析電路 可能設計的單元電路不存在任何問題，但組合起來后系統卻不能正常工作，因此，必須充分分析各單元電路，尤其是對控制信號要從邏輯關系、正反極性、時序幾個方面進行深入考慮，確保不存在沖突。在深入分析的基礎上通過對原設計電路的不斷修改，獲得最

30、佳設計方案。5) 完成整體設計 在各單元電路完成的基礎上，用電子CAD軟件將各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的整機邏輯電路圖。重新審查電路，以消除因某種疏忽造成的錯誤。6) 邏輯仿真 整體電路設計完畢后，再次在仿真軟件上對整個試驗系統進行邏輯仿真，驗證設計。根據設計任務，設計出一個比較理想的數字電路系統必須經常訓練，反復實踐。為使設計盡可能優化，必須對數字電路器件，尤其是中大規模集成電路器件有比較多的了解。學會查閱數字電路器件手冊，了解不同器件之間的區別。充分明了各器件輸入端、控制端對信號的要求，輸出端輸出信號的特點，對設計者來說是十分重要的。此外，熟悉和掌握電子CAD軟件的使用，對我們的

31、設計則十分有幫助。3.4 數字電路系統的裝調數字系統整體電路設計完畢后，還必須通過試驗板的安裝與調試，糾正設計中因考慮不周出現的錯誤或不足。檢測出實際系統正常運行的各項技術指標、參數、工作狀態、輸出驅動情況、動作情況與邏輯功能。因此，系統裝調工作是驗證理論設計，進一步修正設計方案的重要實踐過程。一般方法與步驟包括： 1) 制作PCB電路板 如果整體電路是利用電子CAD軟件按其要求繪制的，則可以利用該軟件繪制PCB圖，制作出印刷電路板。采用PCB制作數字電路系統可以保證試驗系統工作可靠，減少不必要的差錯，大大節省電路試驗時間。2) 檢測器件 在將器件安裝到PCB上之前，對所選用的器件進行測試是十

32、分必要的，它可以減少因器件原因造成的電路故障，縮短工作時間。3) 安裝元器件 將各種器件安裝到PCB上是一件不太困難的工作。安裝時，集成電路最好通過插座與電路板連接，便于器件不小心損壞后進行更換。數字電路的布線一般比較緊密、焊點較小，在焊接過程中注意不要出現掛錫或虛焊。4) 電路調試 電路的調試可分兩步來進行，一是單元電路的調試，然后是總調。只有通過調試使單元電路到達預定要求，總調才能順利進行。調試時應注意： 充分理解電路的工作原理和電路結構，對電路輸入輸出量之間的邏輯關系，正常情況下信號的電平、波形、頻率等做到心中有數。據此設計出科學的調試方法。包括選用的儀器設備，調試的步驟、每個步驟中檢測

33、的部位、如何人為設置電路工作狀態進行測試等。 可以先進行靜態測量，確定IC的電源、地、控制端的靜態電平等直流工作狀態是否正常后再進行動態測量，如果電路裝配工藝比較好，也可以在動態測量發現問題后再進行靜態測量。進行靜、動態測量時應盡量保證測試條件與電路的實際工作狀態相吻合。 在尋找故障時，可以按信號的流程對電路進行逐級測量，或由前往后、或由后向前；也可以根據電路的特點從關鍵部位入手進行；或根據通電連接后系統的工作狀態直接從電路的某一部分著手進行。 明確每次測量的意義，要了解什么，希望解決什么問題，一定要做到心中有數。從測量中掌握的各種數據、現象、觀測到的信號波形等入手，通過分析、試驗（調整）再開

34、始新的測量，如此循環向下進行，就可以發現與排除故障，達到預定的設計目標。 在對電路進行檢測、試驗或調整的過程中，應掌握一些實用的檢測方法，如對換法（將檢測好的器件或電路代替懷疑有故障的器件或電路）、對比法（通過測量將故障電路與正常電路的狀態、參數等進行逐項對比）、對分法（把有故障的電路根據邏輯關系分成兩部分，確定是哪一部分有問題，然后再對有故障的電路再次對分，直至找到故障所在）、信號注入法（根據電路的邏輯關系人為設置輸入端口電平或注入數字信號，觀測電路的響應，判斷故障所在）、信號尋跡法（從信號的流向入手，通過在電路中跟蹤尋找信號，造出故障所在）。在數字電路中，由于不存在大功率、大電流、高電壓的

35、工作狀態，電路故障一般都是裝配過程中出現的掛錫、虛焊、元件插錯等原因造成的，除非IC插反了方向或電源接錯了極性，一般情況下，有源器件損壞的可能性較小。5) 歸納總結 當電路能夠正常工作以后，應將測試的數據、波形、計算結果等原始數據歸納保存，以備以后查閱。最后編寫總結報告。總結報告應對本設計的特點、所采用的設計技巧、存在的問題、解決的方法、電路的最后形式、電路達到的技術指標等進行必要的分析與闡述。第四章 模數混合注意事項模數轉換器就是常見的 A /D 轉換器， 用于進行模擬信號與數字信號之間的轉換， 以實現電路系統中作業控制信號與數據處理信號的聯動， 有著十分重要的作用。現在隨著科技水平與制造工

36、藝的發展，模數轉換器的使用范圍更加廣泛， 因此我們要因地制宜的選擇合適的模數轉換器， 以達到功能性與經濟性的良好結合。下面我們就針對模數轉換器的技術指標與注意事項略作敘述。4.1模數轉換器的技術指標4.1.1轉換時間轉換時間指的是模數轉換器自接到轉換控制信號直到輸出端可以得到穩定的信號所需要的時間。這個時間的長短受轉換電路的類型影響較大，在這幾種類型的轉換器中， 間接型模數轉換器的轉換速度是最慢的， 一般都在 10 300ms 之間，有時所用的時間可能會更長。逐次比較型模數轉換器的轉換速度要優于間接型模數轉換器， 它的轉換時間可以控制在0 4s左右。并型比較型模數轉換器的轉換速度最快， 有的最

37、快轉換速度可以控制在 20 50ns 之間，單從轉換時間來講， 并型比較型模數轉換器是轉換速度最好的模數轉換器。4.1.2轉換速率轉換速率是轉換時間的倒數， 用來表示轉換的速度。如一般情況下，并型比較型模數轉換器的轉換速率可達到 20 50M 次 /s; 逐次比較型模數轉換器的轉換速率可以達到 2 5M次 /s 左右; 間接型模數轉換器的轉換速率與前兩種相比則要小得多。4.1.3轉換精度轉換精度一般可以分為分辨率和轉換誤差， 接下來我們就對其分別進行簡介。1）分辨率一般是以輸出的二進制或十進制數字的位數來進行表示的，它是用來衡量模數轉換器對輸入信號的分辨能力的。由于 N 位輸出的模數轉換器可以

38、用于區分 2 的 N 次冪級次的不同等級的模擬輸入電壓， 其區分能力為滿量程輸入電壓的 1 /2N，且在電壓一定的情況下，位數越高， 分辨率就越高。單位分辨為 1LSB，如 N = 12 時，用百分數可將其表示為: 1 /212= 0 24。 2）轉換誤差用于表示輸出誤差的最大值， 它用于衡量模數轉換器實際輸出的數字量與理論輸出數字量的差別， 可用最低有效位數的倍數來進行表示。常可分為量化誤差、 偏移誤差和滿刻度誤差等。量化誤差: 量化誤差是指因轉換器分辨率有限， 在轉換過程中而引起的誤差， 它可以表示為有限的分辨率轉移特性曲線與理論分辨率轉移特性曲線間的最大偏差量。偏移誤差: 偏移誤差是指輸

39、入信號為零時， 由于電路中存在外接電位器，導致的輸出信號不為零而產生的誤差值， 為此我們應該將電路中的外接電位器調到最小，以減小誤差量。滿刻度誤差: 滿刻度誤差是指當輸出信號為滿刻度值輸出時，其實際電壓值與滿刻度電壓值之間的差值。4.2模數轉換器選擇的注意事項進行模數轉換器的選擇有許多注意事項， 下面我們就以位數選擇和轉換速率這兩點較為重要的項為例來進行介紹。4.2.1位數選擇常用的模數轉換器的精度多由其需求的精度來進行確定，這就要求我們在運用一定的算法的前提下， 要綜合對模數轉換器內的傳感器、 轉換器、 控制機構、 信號預處理電路和輸出電路的精度進行分析與控制。一般情況下，我們在要考慮兩個主

40、要因素， 即靜態精度和動態平滑性。 其中，靜態精度是模擬信號在進行數字化轉化時所產生的誤差的主體。因此，我們在考慮其靜態精度時， 要尤其注意輸入信號的量化誤差隨著信號轉化而在輸出信號時產生的誤差。現在使用的大多數測量裝置的精度值一般不小于 0 1% ， 一 般 取0 05% 0 1% 之間，與其相對應的二進制數( 含符號位) 為 11 12 位，以此來提高靜態精度。如果其量程很大時， 我們可以采用雙精度的轉換方案以滿足量程的要求。當在進行動態平滑性考慮時， 可利用軟件程度來模擬其數學模型的動態曲線， 然后通過不斷的改變模擬的位數來對動態曲線進行調整，然后選取所需平滑程度的動態曲線， 并確定出模

41、擬該動態曲線所使用的位數。一般來說， 分辨率越高，平滑性越好。數位在 13 位以上的具有較高的分辨率， 其平滑性較好; 在 9 12 位間的為中等分辨率，其平滑性一般; 在 8 位以下的為低分辨率，其平滑性較差。要適當選擇其位數， 避免選取的過低以影響精度，也不要選取得過高以增加成本。4.2.2轉換速率在進行轉換器轉換速率的選擇過程中， 要首先選擇好采樣速率，采樣定理為: 只有當采樣頻率大于 2 倍信號頻率時，才能實現將采樣后的數字信號恢復到原模擬信號時， 信號的原始數據不會因轉換而缺失。依據采樣定理和實際需要， 來選擇一個波形周期內采樣點的個數。如果轉換器的轉換時間為 100s 時，其對模擬

42、信號的處理頻率最高為 1000Hz， 而當轉換時間 為 10s 時， 其 對 模 擬 信 號 的 處 理 頻 率 可 提 高 至10000Hz。如果再提高處理頻率就較為困難了， 所以定出的轉換速率要在滿足定理的同時，符合實際的條件。4.3數模混合注意情況1）在布局時，需要考慮哪些屬于模擬部分電路，哪些屬于數字電路，兩者之間的要分開放置，防止互相干擾。2）電源分離。模擬電源和數字電源通常要分開，以避免相互干擾。如果把數字電源與模擬電源重疊放置，會產生耦合效應，相互干擾。3）地平面要分開:在分離電源的同時，模擬地和數字地也要相應該進行分離，以構成兩個相互獨立的地平面，保證信號的完整性。第五章 高速

43、電路PCB設計隨著集成電路的工作效率和信號的邊沿頻率不斷提高，系統設計復雜性和集成度的大規模提高，以前低速的 PCB 已完全不能滿足工業生產日益增長的高速化發展的需要，因此高速PCB設計成為主流。而隨著工作頻率的不斷提高，信號完整性，電磁兼容性，電源完整性都成為了高速PCB設計者必須要重視的問題。，因此設計要求變得異常的復雜。由于對通信質量等需求的要求提升，就不得不提高信號接收、傳輸、存儲和處理的速度，低速PCB設計方法已不再適用于高速PCB設計。本章從理論層面介紹了在高速PCB設計過應該關注的幾個關鍵問題及其解決的辦法。5.1高速電路定義及其PCB設計流程5.1.1高速電路定義所謂高速數字電

44、路，指由于信號的高速變化而使得電路中的模擬特性，導線的電感、電容等發生作用的電路。一般認為，果數字邏輯電路的頻率達到或者超過 50MHz，而且作在這個頻率之上的電路已經占到整個電子系統的 1/3，就稱為高速數字電路。但更為準確的是根據信號沿變化的速度來定義的，信號快速變化的上升沿與下降沿引發了傳輸的非預期結果。因此，常約定如果線傳播延時大于數字信號上升時間的一半，為此類信號是高速信號并產生傳輸線效應，這樣的電路就稱為高速電路。5.1.2高速PCB設計流程圖圖2高速PCB設計流程 圖3 一般PCB設計流程相比較于低速PCB設計過程（如圖3），高速PCB設計（如圖2）中進行了原理圖仿真以及SI（信

45、號完整性），PI（電源完整性），EMC（電磁兼容性）等的檢測，目的是以此檢驗是否滿足預計的信號完整性要求，而Hyper Lynx 是業界應用最為普遍的高速 PCB 仿真工具，包含前仿真（Line Sim）環境、后仿真（Board Sim）環境和多板分析功能。信號完整性分析最常用的有三種模型：SPICE 仿真模型；Verilog-AMS 和VHDL-AMS 仿真模型；IBIS 仿真模型。Hyper Lynx的后仿真（Board Sim）環境能夠從PCB導線和從元件的封裝仿真輻射水平。而傳統的PCB設計依次要經過電路設計，版圖設計，PCB制作等工序，且PCB的性能只能通過一系列儀器來測試，善于使用

46、一些仿真工具將大大方便高速PCB設計者的工作。且為了避免由于PCB設計過程中(如交互布線) 可能引入的錯誤, 一般在PCB的設計完成后, 都要進行全面的設計規則檢查( DRC) , 看看在設計中是否有與規則和約束相沖突的地方, 以保證PCB設計滿足信號完整性、可靠性、可測性和可制造性的要求。5.2 高速PCB設計過程中的三個關鍵問題5.2.1 信號完整性問題5.2.1.1 傳輸線理論在理想電路中, 信號從驅動端達到接收端沒有任何變化。而在現實世界中, 沿著導體到器件腿傳輸的信號就會產生幅度損失和信號變形, 信號幅度損失(也稱衰減) 是由于材料屬性引起的。信號變形(也稱噪聲) 是由于導體的電導性

47、及其周圍環境引起的。傳輸線理論認為電阻、電容和電導總是沿導體(印制導線) 分布的, 而不是集中的。一個導體(印制導線) 是否要用傳輸線來模擬, 取決于導體的特性電阻、特性電容和特性電導對信號完整性影響的程度。一般來說, 當導體(印制導線) 比驅動器上升時間的一半還長的時候, 即當互連延時大于1 /2的上升時間時, 就應該把導體作為傳輸線來處理。5.2.1.2傳輸線效應5.2.1.2.1反射反射就是在傳輸線上的回波。信號能量沒有全部被負載吸收，有一部分反射回來，在高速PCB中由于傳輸線理論的存在，當傳輸線與負載端具有不同的阻抗，也就是說兩者阻抗不匹配，這種情況下就會導致反射。反射會導致信號波形發

48、生畸變,如果信號在傳輸線上來回反射，就會產生振鈴和環繞振蕩。振蕩屬于欠阻尼狀態，而環繞振蕩則屬于過阻尼狀態。反射可以通過阻抗匹配進行消除，常見的匹配方式有源端匹配，終端匹配，戴維南匹配，RC網絡匹配，二極管匹配。在設計時，應該具體情況具體分析找到合適的匹配方式有效的減少信號反射。5.2.1.2.2串擾串擾是指能量在兩條或多條導線上的耦合。導線中通過交流電流時就會產生磁場，當不同導線的磁場發生相互作用時就會產生串擾。串擾會對系統的時序及信號完整性帶來不利影響，并且會降低信號質量及信號的噪聲余量。串擾是由電磁耦合形成的，容性耦合產生容性串擾，感性耦合產生感性串擾串擾普遍存在于高速PCB設計中，給系

49、統帶來不利的影響。雖然在設計時我們無法避免這種情況的發生，但是我們可以采取一定的措施來減小串擾： (l)不同性質信號之間傳輸線的并行長度減小；(2) 改變某些線寬和線高；(3)采用介電常數較小的絕緣材質；(4) 減小介質的厚度；(5)高速信號線在滿足條件的情況下，加入端接匹配等措施。5.2.1.2.3 過沖與下沖過沖就是第一個峰值或谷值超過設定電壓對于上升沿是指最高電壓而對于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個谷值或峰值。過分的過沖會遠遠超過元器件電源電壓范圍，會導致器件的損壞。一般采用縮短布線減少反射以及進行源端匹配等措施消除其影響5.2.1.2.4信號延遲和時序錯誤延遲是指信號在PCB的導線

50、上以有限的速度從驅動端到接收端的傳輸時間。信號延時和時序錯誤表現為信號在邏輯電平的高、低門限之間變化時，保持一段時間信號不跳變。在高速電路中，信號在器件之間的傳輸時間以及同步時間的縮短、驅動過載、走線過長等都會引起延時問題。5.2.1.2.5多次跨越邏輯電平門限錯誤信號在跳變的過程中可能多次跨越邏輯電平門限，從而導致這種錯誤的發生，它是信號振蕩的一種特殊形式，也就是說，信號振蕩在邏輯電平門限附件發生，這種錯誤將導致邏輯功能紊亂。 5.2.2電磁兼容性（EMC）設計問題電磁兼容性是指電子設備在各種電磁環境中仍能夠協調、有效的進行工作的能力。電磁兼容性主要包括電磁干擾（EMI）和電磁忍受，即過量的

51、電磁輻射和對輻射敏感的程度。電磁干擾包括傳導干擾和輻射干擾。許多實例告訴我們，從電子產品的零件、元器件和部件等基礎產品上就應該解決好電磁兼容性問題，否則，將PCB板裝到系統中發現問題后再去解決蔣耗費大量的成本。所以在產品設計初期就應該要對產品進行合理的電磁兼容性設計。要產生電磁兼容問題必須滿足三個條件：1.存在一定的輻射源；2.存在干擾傳播途徑；3.存在易受干擾的敏感器件，這三個條件缺一不可，所以從這三個方面可較有效的解決電磁兼容性問題，如較好的解決信號完整性問題，考慮電源去耦，阻抗匹配，屏蔽，濾波等方法。同時還要PCB板的結構，工藝等問題進行全面考慮。5.2.3電源完整性設計問題現代數字電路

52、設計的一個趨勢是朝著小型、高速、高密度和輕量化的方向不斷攀升。在對高速數字電路的信號完整性的分析中，個重要的內容就是涉及到給數量日益增加的開關器件提供穩定可靠的電源供應。電源完整性是指系統運行過程中電源受影響的情況。對于一個理想的電源來說，其阻抗為零，平面任何一點的點位都是保持恒定的(等于系統供給電壓)，然而際的情況并不如此，是存在很大的噪聲干擾。在許多實際問題中，系統無法正常工作的主要原因是電源分配系統（PDS）設計不合理導致地彈噪聲，同步開關噪聲，尤其是在高速PCB設計中，電源分配系統的不合理設常常是導致系統工作不穩定的重要原因。合理的設計電源分配系統是有效減小電源噪聲的方法，所以電源分配

53、系統是高速電路PCB設計中應該重點考慮的一個部分，為了盡量減少電源噪聲，一般電源分配系統可按下列規則進行設計：1. 電源，地平面之間應具有盡可能小的交流阻抗2. PDS必須為信號提供無干擾的回流通路3. 電源，地平面應同時具備空間電場的屏蔽作用4. 配置足夠的，均勻分布的去耦電容5. 在數模混合設計中，應為數字電路和模擬電路分別提供獨立的PDS6. 不同的電源，地層應相對隔離，不直接疊壓7. 對每一個電路來說，PDS應被視為獨立的、相互隔離的，以保證噪聲不能通過PDS耦合到其他電路去第六章 電子電路設計軟件介紹隨著計算機在國內的逐漸普及，EDA(ElectronicDesignAutomati

54、c,電路設計自動化)軟件在電路行業的應用也越來越廣泛。這些軟件包括電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件、PLD設計工具及其它EDA軟件，這里主講PADS和OrCAD對原理圖和PCB圖設計工具的相關介紹。當然了，很多EDA軟件已經涵蓋了所有功能甚至更多功能。6.1 軟件的介紹6.1.1 OrCAD軟件簡介OrCAD /Capture CIS：它是OrCAD軟件包中的共用軟件，也是其它兩個軟件的基礎。它是一個功能強大的電路原理圖設計軟件。除了可以生成各類電路原理圖外，與其它電路圖繪制軟件相比，Capture CIS軟件中還有明顯特點的元器件信息系統模塊CIS(Component Inf

55、ormation System)。該信息系統模塊除了可以對元件庫中4萬多種元器件實施高效的管理以外，還具有ICA(Internet Component Assistant)功能，可以在設計電路圖的過程中，通過Internet網上其它元器件數據庫中查閱到百萬多種元器件，并可以根據繪圖需要將它們調入電路圖或添加到自己的庫文件中；用Capture軟件繪制的電路圖完成成后，還可以直接調用OrCAD /Pspice軟件進行仿真，也可以進入OrCAD /Layout Plus軟件進行制板設計；OrCAD /Capture CIS操作界面友好、直觀形象、使用方便；操作功能強大、靈活，項目管理科學有效，適應性

56、很強，支持國際上多種標準。 OrCAD / PspiceA/D：這是一個通用電路模擬軟件，除了對數字電路和數/模混合電路模擬外，還具有優化設計的功能。該軟件中的Probe模塊，相當于一臺“虛擬示波器”不但可以在模擬結束后顯示結果信號波形，而且可以對波形進行各種運算處理，包括提取電路特性參數、分析電路參數與元器件參數的關系，使分析過程更加方便直觀。6.1.2 PADS軟件的簡介 PADS軟件是美國Mentor Graphics公司的產品。PADS9.5是一個功能強大、多頁的原理圖設計輸入工具，具有在每頁進行快速存取、在線元件編輯、庫管理方便簡潔等特點，所有這些都為PADS提供了高效的電路板設計環

57、境，提高了由原理圖設計鏈接到PCB制版的轉化效率。同時，PADS也是一個復雜的、高速印制電路板設計軟件。它具有快速交互布線編輯器(FIRE)，它的這一功能在眾多的交互布線模式中獨樹一幟，由于FIRE采用強大功能的算法，布線完成后很少需要用戶修改調整，可以使用戶在布線時節省大量時間，提高效率。對表貼元件等細小焊盤間距、對高速布線的約束條件設定、對圖形用戶界面的定制等方面功能，PADS軟件都是無可挑剔的。由于PADS LAYOUT 和 PADS LOGIC兩軟件運行速度快，加之功能強大，有些簡單的操作可以實現復雜的功能、快捷鍵方便、視窗寬等優點。 6.2基本PCB設計知識通常，硬件電路設計師在設計電路時，都需要遵循一定的步驟。要知道，嚴格按照步驟進行工作是設計出完美