电路设计及技巧课件

1、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

2、技巧1摘要2第一章 电源电路设计概要51.1电源电路的重要性51.2稳定电源的优点51.3不稳定电源的缺点61.4现在使用的一般的恒定电压的稳压电压61.4.1按控制方式61.4.2.按电压转换形式61.4.3.按拓补结构6第二章 模拟电路设计技巧82.1“基本放大电路”和多级放大电路的关系92.2 “基本放大电路”和频率特性的关系92.3“基本放大电路”和功率放大电路的关系92.4 “基本放大电路”和波形发生变换电路的关系92.5 “基本放大电路”和稳压电路的关系102.6 “基本放大电路”和集成运算放大电路的关系102.7 “基本放大电路”和信号运算、处理电路的关系102.8 滤波电路应用

3、10第三章 数字电路系统设计与制作103.1 数字电路系统的设计方法113.2 数字电路系统的组成113.3 数字电路系统设计的一般方法与步骤123.4 数字电路系统的装调13第四章 模数混合注意事项144.1模数转换器的技术指标144.1.1转换时间144.1.2转换速率144.1.3转换精度154.2模数转换器选择的注意事项154.2.1位数选择154.2.2转换速率164.3数模混合注意情况16第五章 高速电路PCB设计165.1高速电路定义及其PCB设计流程165.1.1高速电路定义165.1.2高速PCB设计流程图175.2 高速PCB设计过程中的三个关键问题175.2.1 信号完整

4、性问题175.2.1.1 传输线理论175.2.1.2传输线效应185.2.3电源完整性设计问题19第六章 电子电路设计软件介绍206.1 软件的介绍206.1.1 OrCAD软件简介206.1.2 PADS软件的简介206.2基本PCB设计知识216.3 PCB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

5、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

6、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

7、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

8、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）C

9、uk：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

10、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

11、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

12、）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

13、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A D C 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 A D 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 A D C 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I S V 或其他电压的电源 , 这两电源应分别接到数字地和

14、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 L E D 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A D C 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

15、是每块 电路板上电源入口处的滤波电容。这样就以 A D 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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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

32、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： 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方法。包括选用的仪器设备，调试的步骤、每个步骤中检测

33、的部位、如何人为设置电路工作状态进行测试等。 可以先进行静态测量，确定IC的电源、地、控制端的静态电平等直流工作状态是否正常后再进行动态测量，如果电路装配工艺比较好，也可以在动态测量发现问题后再进行静态测量。进行静、动态测量时应尽量保证测试条件与电路的实际工作状态相吻合。 在寻找故障时，可以按信号的流程对电路进行逐级测量，或由前往后、或由后向前；也可以根据电路的特点从关键部位入手进行；或根据通电连接后系统的工作状态直接从电路的某一部分着手进行。 明确每次测量的意义，要了解什么，希望解决什么问题，一定要做到心中有数。从测量中掌握的各种数据、现象、观测到的信号波形等入手，通过分析、试验（调整）再开

34、始新的测量，如此循环向下进行，就可以发现与排除故障，达到预定的设计目标。 在对电路进行检测、试验或调整的过程中，应掌握一些实用的检测方法，如对换法（将检测好的器件或电路代替怀疑有故障的器件或电路）、对比法（通过测量将故障电路与正常电路的状态、参数等进行逐项对比）、对分法（把有故障的电路根据逻辑关系分成两部分，确定是哪一部分有问题，然后再对有故障的电路再次对分，直至找到故障所在）、信号注入法（根据电路的逻辑关系人为设置输入端口电平或注入数字信号，观测电路的响应，判断故障所在）、信号寻迹法（从信号的流向入手，通过在电路中跟踪寻找信号，造出故障所在）。在数字电路中，由于不存在大功率、大电流、高电压的

35、工作状态，电路故障一般都是装配过程中出现的挂锡、虚焊、元件插错等原因造成的，除非IC插反了方向或电源接错了极性，一般情况下，有源器件损坏的可能性较小。5) 归纳总结 当电路能够正常工作以后，应将测试的数据、波形、计算结果等原始数据归纳保存，以备以后查阅。最后编写总结报告。总结报告应对本设计的特点、所采用的设计技巧、存在的问题、解决的方法、电路的最后形式、电路达到的技术指标等进行必要的分析与阐述。第四章 模数混合注意事项模数转换器就是常见的 A /D 转换器， 用于进行模拟信号与数字信号之间的转换， 以实现电路系统中作业控制信号与数据处理信号的联动， 有着十分重要的作用。现在随着科技水平与制造工

36、艺的发展，模数转换器的使用范围更加广泛， 因此我们要因地制宜的选择合适的模数转换器， 以达到功能性与经济性的良好结合。下面我们就针对模数转换器的技术指标与注意事项略作叙述。4.1模数转换器的技术指标4.1.1转换时间转换时间指的是模数转换器自接到转换控制信号直到输出端可以得到稳定的信号所需要的时间。这个时间的长短受转换电路的类型影响较大，在这几种类型的转换器中， 间接型模数转换器的转换速度是最慢的， 一般都在 10 300ms 之间，有时所用的时间可能会更长。逐次比较型模数转换器的转换速度要优于间接型模数转换器， 它的转换时间可以控制在0 4s左右。并型比较型模数转换器的转换速度最快， 有的最

37、快转换速度可以控制在 20 50ns 之间，单从转换时间来讲， 并型比较型模数转换器是转换速度最好的模数转换器。4.1.2转换速率转换速率是转换时间的倒数， 用来表示转换的速度。如一般情况下，并型比较型模数转换器的转换速率可达到 20 50M 次 /s; 逐次比较型模数转换器的转换速率可以达到 2 5M次 /s 左右; 间接型模数转换器的转换速率与前两种相比则要小得多。4.1.3转换精度转换精度一般可以分为分辨率和转换误差， 接下来我们就对其分别进行简介。1）分辨率一般是以输出的二进制或十进制数字的位数来进行表示的，它是用来衡量模数转换器对输入信号的分辨能力的。由于 N 位输出的模数转换器可以

38、用于区分 2 的 N 次幂级次的不同等级的模拟输入电压， 其区分能力为满量程输入电压的 1 /2N，且在电压一定的情况下，位数越高， 分辨率就越高。单位分辨为 1LSB，如 N = 12 时，用百分数可将其表示为: 1 /212= 0 24。 2）转换误差用于表示输出误差的最大值， 它用于衡量模数转换器实际输出的数字量与理论输出数字量的差别， 可用最低有效位数的倍数来进行表示。常可分为量化误差、 偏移误差和满刻度误差等。量化误差: 量化误差是指因转换器分辨率有限， 在转换过程中而引起的误差， 它可以表示为有限的分辨率转移特性曲线与理论分辨率转移特性曲线间的最大偏差量。偏移误差: 偏移误差是指输

39、入信号为零时， 由于电路中存在外接电位器，导致的输出信号不为零而产生的误差值， 为此我们应该将电路中的外接电位器调到最小，以减小误差量。满刻度误差: 满刻度误差是指当输出信号为满刻度值输出时，其实际电压值与满刻度电压值之间的差值。4.2模数转换器选择的注意事项进行模数转换器的选择有许多注意事项， 下面我们就以位数选择和转换速率这两点较为重要的项为例来进行介绍。4.2.1位数选择常用的模数转换器的精度多由其需求的精度来进行确定，这就要求我们在运用一定的算法的前提下， 要综合对模数转换器内的传感器、 转换器、 控制机构、 信号预处理电路和输出电路的精度进行分析与控制。一般情况下，我们在要考虑两个主

40、要因素， 即静态精度和动态平滑性。 其中，静态精度是模拟信号在进行数字化转化时所产生的误差的主体。因此，我们在考虑其静态精度时， 要尤其注意输入信号的量化误差随着信号转化而在输出信号时产生的误差。现在使用的大多数测量装置的精度值一般不小于 0 1% ， 一 般 取0 05% 0 1% 之间，与其相对应的二进制数( 含符号位) 为 11 12 位，以此来提高静态精度。如果其量程很大时， 我们可以采用双精度的转换方案以满足量程的要求。当在进行动态平滑性考虑时， 可利用软件程度来模拟其数学模型的动态曲线， 然后通过不断的改变模拟的位数来对动态曲线进行调整，然后选取所需平滑程度的动态曲线， 并确定出模

41、拟该动态曲线所使用的位数。一般来说， 分辨率越高，平滑性越好。数位在 13 位以上的具有较高的分辨率， 其平滑性较好; 在 9 12 位间的为中等分辨率，其平滑性一般; 在 8 位以下的为低分辨率，其平滑性较差。要适当选择其位数， 避免选取的过低以影响精度，也不要选取得过高以增加成本。4.2.2转换速率在进行转换器转换速率的选择过程中， 要首先选择好采样速率，采样定理为: 只有当采样频率大于 2 倍信号频率时，才能实现将采样后的数字信号恢复到原模拟信号时， 信号的原始数据不会因转换而缺失。依据采样定理和实际需要， 来选择一个波形周期内采样点的个数。如果转换器的转换时间为 100s 时，其对模拟

42、信号的处理频率最高为 1000Hz， 而当转换时间 为 10s 时， 其 对 模 拟 信 号 的 处 理 频 率 可 提 高 至10000Hz。如果再提高处理频率就较为困难了， 所以定出的转换速率要在满足定理的同时，符合实际的条件。4.3数模混合注意情况1）在布局时，需要考虑哪些属于模拟部分电路，哪些属于数字电路，两者之间的要分开放置，防止互相干扰。2）电源分离。模拟电源和数字电源通常要分开，以避免相互干扰。如果把数字电源与模拟电源重叠放置，会产生耦合效应，相互干扰。3）地平面要分开:在分离电源的同时，模拟地和数字地也要相应该进行分离，以构成两个相互独立的地平面，保证信号的完整性。第五章 高速

43、电路PCB设计随着集成电路的工作效率和信号的边沿频率不断提高，系统设计复杂性和集成度的大规模提高，以前低速的 PCB 已完全不能满足工业生产日益增长的高速化发展的需要，因此高速PCB设计成为主流。而随着工作频率的不断提高，信号完整性，电磁兼容性，电源完整性都成为了高速PCB设计者必须要重视的问题。，因此设计要求变得异常的复杂。由于对通信质量等需求的要求提升，就不得不提高信号接收、传输、存储和处理的速度，低速PCB设计方法已不再适用于高速PCB设计。本章从理论层面介绍了在高速PCB设计过应该关注的几个关键问题及其解决的办法。5.1高速电路定义及其PCB设计流程5.1.1高速电路定义所谓高速数字电

44、路，指由于信号的高速变化而使得电路中的模拟特性，导线的电感、电容等发生作用的电路。一般认为，果数字逻辑电路的频率达到或者超过 50MHz，而且作在这个频率之上的电路已经占到整个电子系统的 1/3，就称为高速数字电路。但更为准确的是根据信号沿变化的速度来定义的，信号快速变化的上升沿与下降沿引发了传输的非预期结果。因此，常约定如果线传播延时大于数字信号上升时间的一半，为此类信号是高速信号并产生传输线效应，这样的电路就称为高速电路。5.1.2高速PCB设计流程图图2高速PCB设计流程 图3 一般PCB设计流程相比较于低速PCB设计过程（如图3），高速PCB设计（如图2）中进行了原理图仿真以及SI（信

45、号完整性），PI（电源完整性），EMC（电磁兼容性）等的检测，目的是以此检验是否满足预计的信号完整性要求，而Hyper Lynx 是业界应用最为普遍的高速 PCB 仿真工具，包含前仿真（Line Sim）环境、后仿真（Board Sim）环境和多板分析功能。信号完整性分析最常用的有三种模型：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）环境能够从PCB导线和从元件的封装仿真辐射水平。而传统的PCB设计依次要经过电路设计，版图设计，PCB制作等工序，且PCB的性能只能通过一系列仪器来测试，善于使用

46、一些仿真工具将大大方便高速PCB设计者的工作。且为了避免由于PCB设计过程中(如交互布线) 可能引入的错误, 一般在PCB的设计完成后, 都要进行全面的设计规则检查( DRC) , 看看在设计中是否有与规则和约束相冲突的地方, 以保证PCB设计满足信号完整性、可靠性、可测性和可制造性的要求。5.2 高速PCB设计过程中的三个关键问题5.2.1 信号完整性问题5.2.1.1 传输线理论在理想电路中, 信号从驱动端达到接收端没有任何变化。而在现实世界中, 沿着导体到器件腿传输的信号就会产生幅度损失和信号变形, 信号幅度损失(也称衰减) 是由于材料属性引起的。信号变形(也称噪声) 是由于导体的电导性

47、及其周围环境引起的。传输线理论认为电阻、电容和电导总是沿导体(印制导线) 分布的, 而不是集中的。一个导体(印制导线) 是否要用传输线来模拟, 取决于导体的特性电阻、特性电容和特性电导对信号完整性影响的程度。一般来说, 当导体(印制导线) 比驱动器上升时间的一半还长的时候, 即当互连延时大于1 /2的上升时间时, 就应该把导体作为传输线来处理。5.2.1.2传输线效应5.2.1.2.1反射反射就是在传输线上的回波。信号能量没有全部被负载吸收，有一部分反射回来，在高速PCB中由于传输线理论的存在，当传输线与负载端具有不同的阻抗，也就是说两者阻抗不匹配，这种情况下就会导致反射。反射会导致信号波形发

48、生畸变,如果信号在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。振荡属于欠阻尼状态，而环绕振荡则属于过阻尼状态。反射可以通过阻抗匹配进行消除，常见的匹配方式有源端匹配，终端匹配，戴维南匹配，RC网络匹配，二极管匹配。在设计时，应该具体情况具体分析找到合适的匹配方式有效的减少信号反射。5.2.1.2.2串扰串扰是指能量在两条或多条导线上的耦合。导线中通过交流电流时就会产生磁场，当不同导线的磁场发生相互作用时就会产生串扰。串扰会对系统的时序及信号完整性带来不利影响，并且会降低信号质量及信号的噪声余量。串扰是由电磁耦合形成的，容性耦合产生容性串扰，感性耦合产生感性串扰串扰普遍存在于高速PCB设计中，给系

49、统带来不利的影响。虽然在设计时我们无法避免这种情况的发生，但是我们可以采取一定的措施来减小串扰： (l)不同性质信号之间传输线的并行长度减小；(2) 改变某些线宽和线高；(3)采用介电常数较小的绝缘材质；(4) 减小介质的厚度；(5)高速信号线在满足条件的情况下，加入端接匹配等措施。5.2.1.2.3 过冲与下冲过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲会远远超过元器件电源电压范围，会导致器件的损坏。一般采用缩短布线减少反射以及进行源端匹配等措施消除其影响5.2.1.2.4信号延迟和时序错误延迟是指信号在PCB的导线

50、上以有限的速度从驱动端到接收端的传输时间。信号延时和时序错误表现为信号在逻辑电平的高、低门限之间变化时，保持一段时间信号不跳变。在高速电路中，信号在器件之间的传输时间以及同步时间的缩短、驱动过载、走线过长等都会引起延时问题。5.2.1.2.5多次跨越逻辑电平门限错误信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平门限，从而导致这种错误的发生，它是信号振荡的一种特殊形式，也就是说，信号振荡在逻辑电平门限附件发生，这种错误将导致逻辑功能紊乱。 5.2.2电磁兼容性（EMC）设计问题电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效的进行工作的能力。电磁兼容性主要包括电磁干扰（EMI）和电磁忍受，即过量的

51、电磁辐射和对辐射敏感的程度。电磁干扰包括传导干扰和辐射干扰。许多实例告诉我们，从电子产品的零件、元器件和部件等基础产品上就应该解决好电磁兼容性问题，否则，将PCB板装到系统中发现问题后再去解决蒋耗费大量的成本。所以在产品设计初期就应该要对产品进行合理的电磁兼容性设计。要产生电磁兼容问题必须满足三个条件：1.存在一定的辐射源；2.存在干扰传播途径；3.存在易受干扰的敏感器件，这三个条件缺一不可，所以从这三个方面可较有效的解决电磁兼容性问题，如较好的解决信号完整性问题，考虑电源去耦，阻抗匹配，屏蔽，滤波等方法。同时还要PCB板的结构，工艺等问题进行全面考虑。5.2.3电源完整性设计问题现代数字电路

52、设计的一个趋势是朝着小型、高速、高密度和轻量化的方向不断攀升。在对高速数字电路的信号完整性的分析中，个重要的内容就是涉及到给数量日益增加的开关器件提供稳定可靠的电源供应。电源完整性是指系统运行过程中电源受影响的情况。对于一个理想的电源来说，其阻抗为零，平面任何一点的点位都是保持恒定的(等于系统供给电压)，然而际的情况并不如此，是存在很大的噪声干扰。在许多实际问题中，系统无法正常工作的主要原因是电源分配系统（PDS）设计不合理导致地弹噪声，同步开关噪声，尤其是在高速PCB设计中，电源分配系统的不合理设常常是导致系统工作不稳定的重要原因。合理的设计电源分配系统是有效减小电源噪声的方法，所以电源分配

53、系统是高速电路PCB设计中应该重点考虑的一个部分，为了尽量减少电源噪声，一般电源分配系统可按下列规则进行设计：1. 电源，地平面之间应具有尽可能小的交流阻抗2. PDS必须为信号提供无干扰的回流通路3. 电源，地平面应同时具备空间电场的屏蔽作用4. 配置足够的，均匀分布的去耦电容5. 在数模混合设计中，应为数字电路和模拟电路分别提供独立的PDS6. 不同的电源，地层应相对隔离，不直接叠压7. 对每一个电路来说，PDS应被视为独立的、相互隔离的，以保证噪声不能通过PDS耦合到其他电路去第六章 电子电路设计软件介绍随着计算机在国内的逐渐普及，EDA(ElectronicDesignAutomati

54、c,电路设计自动化)软件在电路行业的应用也越来越广泛。这些软件包括电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件，这里主讲PADS和OrCAD对原理图和PCB图设计工具的相关介绍。当然了，很多EDA软件已经涵盖了所有功能甚至更多功能。6.1 软件的介绍6.1.1 OrCAD软件简介OrCAD /Capture CIS：它是OrCAD软件包中的共用软件，也是其它两个软件的基础。它是一个功能强大的电路原理图设计软件。除了可以生成各类电路原理图外，与其它电路图绘制软件相比，Capture CIS软件中还有明显特点的元器件信息系统模块CIS(Component Inf

55、ormation System)。该信息系统模块除了可以对元件库中4万多种元器件实施高效的管理以外，还具有ICA(Internet Component Assistant)功能，可以在设计电路图的过程中，通过Internet网上其它元器件数据库中查阅到百万多种元器件，并可以根据绘图需要将它们调入电路图或添加到自己的库文件中；用Capture软件绘制的电路图完成成后，还可以直接调用OrCAD /Pspice软件进行仿真，也可以进入OrCAD /Layout Plus软件进行制板设计；OrCAD /Capture CIS操作界面友好、直观形象、使用方便；操作功能强大、灵活，项目管理科学有效，适应性

56、很强，支持国际上多种标准。 OrCAD / PspiceA/D：这是一个通用电路模拟软件，除了对数字电路和数/模混合电路模拟外，还具有优化设计的功能。该软件中的Probe模块，相当于一台“虚拟示波器”不但可以在模拟结束后显示结果信号波形，而且可以对波形进行各种运算处理，包括提取电路特性参数、分析电路参数与元器件参数的关系，使分析过程更加方便直观。6.1.2 PADS软件的简介 PADS软件是美国Mentor Graphics公司的产品。PADS9.5是一个功能强大、多页的原理图设计输入工具，具有在每页进行快速存取、在线元件编辑、库管理方便简洁等特点，所有这些都为PADS提供了高效的电路板设计环

57、境，提高了由原理图设计链接到PCB制版的转化效率。同时，PADS也是一个复杂的、高速印制电路板设计软件。它具有快速交互布线编辑器(FIRE)，它的这一功能在众多的交互布线模式中独树一帜，由于FIRE采用强大功能的算法，布线完成后很少需要用户修改调整，可以使用户在布线时节省大量时间，提高效率。对表贴元件等细小焊盘间距、对高速布线的约束条件设定、对图形用户界面的定制等方面功能，PADS软件都是无可挑剔的。由于PADS LAYOUT 和 PADS LOGIC两软件运行速度快，加之功能强大，有些简单的操作可以实现复杂的功能、快捷键方便、视窗宽等优点。 6.2基本PCB设计知识通常，硬件电路设计师在设计电路时，都需要遵循一定的步骤。要知道，严格按照步骤进行工作是设计出完美