工程師入門(mén)：電子電路設計基礎知識

一、電子電路的設計基本步驟

1. 明確設計任務(wù)要求：充分了解設計任務(wù)的具體要求如性能指標、內容及要求，明確設計任務(wù)。

2. 方案選擇：根據掌握的知識和資料，針對設計提出的任務(wù)、要求和條件，設計合理、可靠、經(jīng)濟、可行的設計框架，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，做到心中有數。

3. 根據設計框架進(jìn)行電路單元設計、參數計算和器件選擇：具體設計時(shí)可以模仿成熟的電路進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng )新，注意信號之間的關(guān)系和限制，接著(zhù)根據電路工作原理和分析方法，進(jìn)行參數的估計與計算。

器件選擇時(shí)，元器件的工作、電壓、頻率和功耗等參數應滿(mǎn)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(chēng)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(shí)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(huà)起，由左至右或由上至下按信號的流向依次畫(huà)出務(wù)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(xiàn)應為直線(xiàn)，并且交叉和折彎應最少，互相連通的交叉處用圓點(diǎn)表示，地線(xiàn)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(shí)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(xiàn)的選用與連接：導線(xiàn)直徑應與過(guò)孔(或插孔)相當，過(guò)大過(guò)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(xiàn)，一般習慣是正電源用紅線(xiàn)，負電源用藍線(xiàn)，地線(xiàn)用黑線(xiàn)，信號線(xiàn)用其它顏色的線(xiàn)。

連接用的導線(xiàn)要求緊貼板上，焊接或接觸良好，連接線(xiàn)不允許跨越IC或其他器件，盡量做到橫平豎直，便于查線(xiàn)和更換器件， 但高頻電路部分的連線(xiàn)應盡量短;電路之間要有公共地。

4. 預留測試空間和接線(xiàn)柱：在電路的輸入、輸出端和其測試端應預留測試空間和接線(xiàn)柱，以方便測量調試。

5. 布局合理和組裝正確的電路：布局合理和組裝正確的電路，不僅電路整齊美觀(guān)，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(shí)驗和調試常用的儀器有：萬(wàn)用表、穩壓電源、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(shí)際線(xiàn)路檢查連線(xiàn)是否正確：包括錯接、少接、多接等；用萬(wàn)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(wú)短路，連接處有無(wú)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(xiàn)是否正確；電源端對地是否存在短路(用萬(wàn)用表測量電阻)；若電路經(jīng)過(guò)上述檢查，確認無(wú)誤后，可轉入靜態(tài)檢測與調試。

2. 靜態(tài)檢測與調試

斷開(kāi)信號源，把經(jīng)過(guò)準確測量的電源接入電路，用萬(wàn)用表電壓檔監測電源電壓，觀(guān)察有無(wú)異?，F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(wú)異常情況，分別測量各關(guān)鍵點(diǎn)直流電壓，如靜態(tài)工作點(diǎn)、數字電路各輸入端和輸出端的高、低電平值及邏輯關(guān)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(guān)察是否有自激發(fā)生。

3. 動(dòng)態(tài)檢測與調試

動(dòng)態(tài)調試是在靜態(tài)調試的基礎上進(jìn)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(zhù)信號的注射逐級檢測各有關(guān)點(diǎn)的波形、參數和性能指標是否滿(mǎn)足設計要求，如必要，要對電路參數作進(jìn)一步調整。發(fā)現問(wèn)題，要設法找出原因，排除故障，繼續進(jìn)行。(詳見(jiàn)檢查故障的一般方法)

4. 調試注意事項

(1)正確使用測量?jì)x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(xiàn)連線(xiàn)，屏蔽線(xiàn)的外屏蔽層要接到公共地線(xiàn)上，在頻率較高時(shí)要設法隔離連接線(xiàn)分布電容的影響，例如用示波器測量時(shí)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?jì)x器的帶寬必須大于被測量電路的帶寬。

(5)正確選擇測量點(diǎn)和測量。

(6)認真觀(guān)察記錄實(shí)驗過(guò)程，包括條件、現象、數據、波形、相位等。

(7)出現故障時(shí)要認真查找原因。

四、電子電路常見(jiàn)的故障原因

對于新設計組裝的電路來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的故障原因有：實(shí)驗電路與設計的原理圖不符;元件使用不當或損壞；設計的電路本身就存在某些嚴重缺點(diǎn)，不能滿(mǎn)足技術(shù)要求，連線(xiàn)發(fā)生短路和開(kāi)路；焊點(diǎn)虛焊，接插件接觸不良，可變電阻器等接觸不良；電源電壓不合要求，性能差；儀器作用不當；接地處理不當；相互干擾引起的故障等。

五、電子電路檢查故障的一般方法

檢查故障的一般方法有：直接觀(guān)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(guān)察法和信號檢查法：與前面介紹的調試前的直觀(guān)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(guān)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(kāi)，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(mǎn)足設計要求。

3. 對比法：將存在問(wèn)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(jìn)行比對，判斷故障點(diǎn)，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(shí)故障不明顯，或時(shí)有時(shí)無(wú)，或要較長(cháng)時(shí)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。

六、電子電路設計性實(shí)驗報告

設計性實(shí)驗報告主要包括以下幾點(diǎn)：課題名稱(chēng)、內容摘要、設計內容及要求、比較和選擇的設計方案、單元電路設計、參數計算和器件選擇、畫(huà)出完整的電路圖并說(shuō)明電路的工作原理。

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(jìn)行比較分析、調試中出現的故障、原因及排除方法

總結設計電路的特點(diǎn)和方案的優(yōu)缺點(diǎn)，指出課題的核心及實(shí)用價(jià)值，提出改進(jìn)意見(jiàn)和展望。

列出元器件清單，列出參考文獻，收獲、體會(huì )，實(shí)際撰寫(xiě)時(shí)可根據具有情況作適當調整。

七、電子電路干擾的抑制

1. 干擾源

電子電路工作時(shí)，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(chǎn)生于電子電路內部，有的產(chǎn)生于外部。

外部的干擾主要有：高頻電器產(chǎn)生的高頻干擾、電源產(chǎn)生的工頻干擾、無(wú)線(xiàn)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(chǎn)生的波形畸變或振蕩

2. 降低內部干擾的措施

元器件布局： 元件在印刷線(xiàn)路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問(wèn)題，原則之一是各部件之間的引線(xiàn)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(kāi)關(guān)等)這三部分合理地分開(kāi)，使相互間的信號耦合為最小。

電源線(xiàn)設計：根據印制線(xiàn)路板電流的大小，盡量加租電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻。 同時(shí)、使電源線(xiàn)、地線(xiàn)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。

地線(xiàn)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(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題(詳細方法見(jiàn)下節接地)。

退藕電容配置線(xiàn)路板設計的常規做法之一是在線(xiàn)路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當的退藕電容。

此外，還應注意以下兩點(diǎn)：

在印制板中有接觸器、繼電器、 按鈕等元件時(shí)。操作它們時(shí)均會(huì )產(chǎn)生較大火花放電，必須采用附圖所示的 RC 電路 來(lái)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(shí)對不用端要接地或接正電源。

3. 降低外部干擾的措施有

遠離干擾源或進(jìn)行屏蔽處理和運用濾波器降低外界干擾。

八、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(diǎn)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：?jiǎn)吸c(diǎn)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(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。電子設備中地線(xiàn)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(xiàn)設計中應注意以下幾點(diǎn)：

1. 正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地

在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線(xiàn)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(diǎn)接地。當信號工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應盡量降低地線(xiàn)阻抗，應采用就近多點(diǎn)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線(xiàn)應短而租，高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔。當工作頻率在1~10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)波長(cháng)的1/20，否則應采用多點(diǎn)接地法。

2.將數字電路與模擬電路分開(kāi)

電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。

3. 盡量加粗接地線(xiàn)

若接地線(xiàn)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(shí)信號電平不穩，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線(xiàn)盡量加粗。

4. 將接地線(xiàn)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(xiàn)系統時(shí)，將接地線(xiàn)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(shí)，因受接地線(xiàn)粗細的限制，會(huì )在地結上產(chǎn)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(huì )縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。