第1章电子产品设计概述

1、第第1章章 电子产品电子产品设计概述设计概述任务一任务一 函数信号发生器的电路设计函数信号发生器的电路设计任务目标任务目标 任务要求任务要求相关知识相关知识任务实施任务实施 任务目标任务目标（1）能够根据电子产品设计的流程，完成函数信号发生器）能够根据电子产品设计的流程，完成函数信号发生器方框图的设计、各个功能单元的设计以及整个电路原理图方框图的设计、各个功能单元的设计以及整个电路原理图的设计，并能进行基本的分析和计算以达到设计指标的要的设计，并能进行基本的分析和计算以达到设计指标的要求。求。（2）能够综合考虑选取电子元器件。）能够综合考虑选取电子元器件。 任务要求任务要求设计函数信号发生器，

2、其技术指标如下：设计函数信号发生器，其技术指标如下：（1）正弦波信号源）正弦波信号源输出频率范围：输出频率范围：200Hz50kHz，分两波段连续可调，分两波段连续可调输出电压范围：输出电压范围：010Vp-p（2）方波信号源）方波信号源输出频率范围：输出频率范围：200Hz50kHz，分两波段连续可调，分两波段连续可调输出电压范围：输出电压范围： 010Vp-p（3）三角波信号源）三角波信号源输出频率范围：输出频率范围：250Hz33kHz，分两波段连续可调，分两波段连续可调输出电压范围：输出电压范围： 010Vp-p 1.1 电子产品设计的概念与特点电子产品设计的概念与特点 1.1.1电子

3、产品设计概述电子产品设计概述 电子产品的设计就是根据课题的要求，以科学理论为依电子产品的设计就是根据课题的要求，以科学理论为依据，知识技能为基础，创新构思，将研究方案予以实现的过据，知识技能为基础，创新构思，将研究方案予以实现的过程。程。 进行电子产品设计，要掌握电子专业知识、要了解市场变进行电子产品设计，要掌握电子专业知识、要了解市场变化，懂得产品造型艺术，对视觉、触觉、安全、使用标准等化，懂得产品造型艺术，对视觉、触觉、安全、使用标准等各方面有详细的了解。各方面有详细的了解。1.1.2电子产品设计的特点电子产品设计的特点 （1）明确目标）明确目标 （2）多种备选方案）多种备选方案（3）制约

4、因素）制约因素1.1.3 电子产品设计的程序电子产品设计的程序 电子产品的设计程序包括方案论证、初步设计、技术设计、电子产品的设计程序包括方案论证、初步设计、技术设计、试制与实验、设计定型五个阶段。试制与实验、设计定型五个阶段。1方案论证方案论证 它是设计的依据和基础。它是设计的依据和基础。2初步设计初步设计 其主要目的是确定设计对象的主要参数，并保证有足够的精其主要目的是确定设计对象的主要参数，并保证有足够的精确度，以便做出完善的设计。确度，以便做出完善的设计。 3技术设计技术设计依据总体方案确定的参数、尺寸，精确地对每一部件、零件依据总体方案确定的参数、尺寸，精确地对每一部件、零件进行设计

5、，确定它们的结构、形状、尺寸、材料、强度、进行设计，确定它们的结构、形状、尺寸、材料、强度、质量等参数。质量等参数。 4试制与实验试制与实验 5设计定型设计定型 1.2 电子产品设计的要求与方法电子产品设计的要求与方法 1.2.1电子产品设计的要求电子产品设计的要求 电子产品在时，应按照安全、可靠、耐用、经济、美观、好电子产品在时，应按照安全、可靠、耐用、经济、美观、好造、易修的要求进行。造、易修的要求进行。1可靠性可靠性 2安全性安全性 3实用性实用性 实用性好是指性能良好，操作、使用与维护方便。在设计时实用性好是指性能良好，操作、使用与维护方便。在设计时应应“形式服从功能形式服从功能”，遵

6、循实用、合理、为消费者着想的原，遵循实用、合理、为消费者着想的原则则。 4工艺性工艺性5标准化标准化在产品设计中，要贯彻执行标准化、通用化、系统化的设计在产品设计中，要贯彻执行标准化、通用化、系统化的设计原则，积极采用国际先进技术标准。原则，积极采用国际先进技术标准。 6延续性延续性 在产品设计中，要尽可能采用原有产品中先进合理的部分及在产品设计中，要尽可能采用原有产品中先进合理的部分及已掌握的生产技术和生产经验。已掌握的生产技术和生产经验。1.2.2电子产品设计的方法电子产品设计的方法 1系统论设计法系统论设计法 系统论设计法系统论设计法是以整体分析及系统观点来解决各种领域中具是以整体分析及

7、系统观点来解决各种领域中具体问题的科学方法。在设计时，综合考虑设计对象及与之相体问题的科学方法。在设计时，综合考虑设计对象及与之相关的各个方面的功能分配与协调。关的各个方面的功能分配与协调。 特点特点 ：整体性、目的性、有序性、反馈性和动态性：整体性、目的性、有序性、反馈性和动态性 步骤步骤 ：系统分析、系统设计、系统实施：系统分析、系统设计、系统实施2优化设计法优化设计法 优化设计优化设计是指在各种设计限制条件下，优选设计参数，实现是指在各种设计限制条件下，优选设计参数，实现产品设计优化。产品设计优化。 步骤：步骤：首先要建立优化设计的数学模型，选择适当的优化方首先要建立优化设计的数学模型，

8、选择适当的优化方法；其次要编写优化程序；然后输入必要的数据和设计参数法；其次要编写优化程序；然后输入必要的数据和设计参数初始值，通过计算机求解并输出优化结果。初始值，通过计算机求解并输出优化结果。 3计算机辅助设计法（计算机辅助设计法（CAD） CAD指以计算机软、硬件为依托，以数字化、信息化为特指以计算机软、硬件为依托，以数字化、信息化为特征，计算机参与产品设计的一种现代化的设计方式和手段。征，计算机参与产品设计的一种现代化的设计方式和手段。4模块化设计法模块化设计法模块化设计模块化设计是在产品设计时将产品按功能作用的不同分解为是在产品设计时将产品按功能作用的不同分解为几个不同的模块，模块之

9、间保存相对的独立性，然后将模块几个不同的模块，模块之间保存相对的独立性，然后将模块互相连接起来构成完整的系统。互相连接起来构成完整的系统。 1.3 电路设计的基本内容与方法电路设计的基本内容与方法 1.3.1 电路设计的基本内容电路设计的基本内容电路设计的基本内容主要包括以下几个方面：电路设计的基本内容主要包括以下几个方面： 拟定电路设计的技术条件（任务书）。拟定电路设计的技术条件（任务书）。 选择电源的种类。选择电源的种类。 确定负荷容量（功耗）。确定负荷容量（功耗）。 设计电路原理图、接线图、安装图、装配图。设计电路原理图、接线图、安装图、装配图。 选择电子、电器元件，制定电子元器件明细表

10、。选择电子、电器元件，制定电子元器件明细表。 画出执行元件、控制部件及检测元件总布局图。画出执行元件、控制部件及检测元件总布局图。 设计机壳、面板、印制电路板、接线板以及非标准电器和设计机壳、面板、印制电路板、接线板以及非标准电器和专用安装零件。专用安装零件。 编写设计计算说明书和使用说明书。编写设计计算说明书和使用说明书。 1.3.2 电路设计的基本方法电路设计的基本方法1借鉴设计法借鉴设计法设计者在接到设计任务或确定设计目标后，应结合产品，进设计者在接到设计任务或确定设计目标后，应结合产品，进行调查研究，选取可以借用或借鉴的实用电路。行调查研究，选取可以借用或借鉴的实用电路。2近似设计法近

11、似设计法 在电路设计过程中，由于元件受多方因素的影响，往往采取在电路设计过程中，由于元件受多方因素的影响，往往采取“定性分析、定量估算、实验调整定性分析、定量估算、实验调整”的方法，所以在设计初的方法，所以在设计初期，只需进行粗略计算，帮助近似确定电路参数的取值范期，只需进行粗略计算，帮助近似确定电路参数的取值范围，参数的具体确定借助于实验调整和计算机仿真来完成。围，参数的具体确定借助于实验调整和计算机仿真来完成。 3功能分解、组合设计法功能分解、组合设计法在电路设计中，经常将电子线路按功能划分为多个子模块，在电路设计中，经常将电子线路按功能划分为多个子模块，各模块参照各种具体电路进行设计，然

12、后组合成系统进行统各模块参照各种具体电路进行设计，然后组合成系统进行统调。调。 1.4 电路设计的步骤电路设计的步骤 1.4.1课题分析课题分析 根据技术指标的要求，弄清楚系统要求的功能，确定采用电根据技术指标的要求，弄清楚系统要求的功能，确定采用电路的基本形式，据此对课题的可行性作出估计和判断，确定路的基本形式，据此对课题的可行性作出估计和判断，确定课题的技术关键和拟解决的问题课题的技术关键和拟解决的问题。1.4.2总体方案的设计与选择总体方案的设计与选择1选择总体方案的一般过程选择总体方案的一般过程 针对设计任务、要求和条件，查阅有关资料，广开思路，提针对设计任务、要求和条件，查阅有关资料

13、，广开思路，提出若干不同方案，然后仔细分析每个方案的可行性和优缺出若干不同方案，然后仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选优，进行优化设计及可靠性设计。点，加以比较，从中选优，进行优化设计及可靠性设计。 2选择方案的注意事项选择方案的注意事项应当针对关系到电路全局的问题，多提些不同的方案，有应当针对关系到电路全局的问题，多提些不同的方案，有些关键部分，还要提出各种具体电路，根据设计要求进行些关键部分，还要提出各种具体电路，根据设计要求进行分析比较，从而找出最优方案。分析比较，从而找出最优方案。既要考虑方案的可行性，还要考虑性能、可靠性、成本、既要考虑方案的可行性，还要考虑性能、可靠

14、性、成本、功耗和体积等问题。功耗和体积等问题。 在分析论证和设计过程中需要不断改进和完善，但应尽量在分析论证和设计过程中需要不断改进和完善，但应尽量避免方案上的重大反复。避免方案上的重大反复。1.4.3单元电路的设计与选择单元电路的设计与选择 在确定总体方案、画出详细框图之后，便可进行单元电路设在确定总体方案、画出详细框图之后，便可进行单元电路设计。计。 根据设计要求和总体方案的原理框图，确定对各单元电路根据设计要求和总体方案的原理框图，确定对各单元电路的设计要求，必要时应拟定主要单元电路的性能指标。的设计要求，必要时应拟定主要单元电路的性能指标。 拟定出各单元电路的要求，检查无误后方可按一定

15、顺序分拟定出各单元电路的要求，检查无误后方可按一定顺序分别设计每一个单元电路。别设计每一个单元电路。设计单元电路的结构形式。一般情况下，应查阅有关资料，设计单元电路的结构形式。一般情况下，应查阅有关资料，从而找到适用的参考电路，也可从几个电路综合得出需要从而找到适用的参考电路，也可从几个电路综合得出需要的电路。的电路。 选择单元电路的元器件，根据设计要求，调整元件，估算选择单元电路的元器件，根据设计要求，调整元件，估算参数。参数。 1.4.4电子元器件的选用电子元器件的选用 为了确保产品质量，降低成本，电子元器件的选用是产品生为了确保产品质量，降低成本，电子元器件的选用是产品生产、制作的关键。

16、如果选用不当影响各项技术指标的实现，产、制作的关键。如果选用不当影响各项技术指标的实现，将会出废品、次品。将会出废品、次品。 1元器件的选择原则元器件的选择原则 选择经实践证明质量稳定、可靠性高、有良好信誉的生产选择经实践证明质量稳定、可靠性高、有良好信誉的生产厂家的标准器件厂家的标准器件元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足电路设元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足电路设计的要求。计的要求。 在满足性能参数的情况下，应选用低功耗、低热阻、低损在满足性能参数的情况下，应选用低功耗、低热阻、低损耗角、高功率增益、高效益的元器件。耗角、高功率增益、高效益的元器件。 国产元件的优选。首

17、先选择经过认证鉴定的符合国标的元国产元件的优选。首先选择经过认证鉴定的符合国标的元器件，经过使用考验的符合要求的元器件。器件，经过使用考验的符合要求的元器件。进口元器件。国外权威机构的进口元器件。国外权威机构的PPL（优选清单）、（优选清单）、QPL（质量鉴定合格的元器件清单）中的元器件。（质量鉴定合格的元器件清单）中的元器件。2元器件的选用元器件的选用 3优先选用集成电路优先选用集成电路4分立元件依然不可替代分立元件依然不可替代 1.4.5电路的参数计算电路的参数计算 1参数计算的重要性参数计算的重要性2参数计算方法参数计算方法（1）参数计算的基本原则）参数计算的基本原则 电路的分析计算采取

18、电路的分析计算采取“定性分析、定量估算、实验调整定性分析、定量估算、实验调整”的的原原则。则。（2）理论公式计算法）理论公式计算法 （3）工程经验公式计算法）工程经验公式计算法 工程经验公式是工程经验公式是考虑了各种主、客观因素的影响，并在长期考虑了各种主、客观因素的影响，并在长期的生产实践中总结出来的符合实际的行之有效的计算公式，的生产实践中总结出来的符合实际的行之有效的计算公式，计算简单、方便、准确。计算简单、方便、准确。 1.4.6总电路图的设计总电路图的设计总电路图是进行实验和印制电路板设计的主要依据，也是进总电路图是进行实验和印制电路板设计的主要依据，也是进行生产、调试、维修的依据，

19、因此，画好一张总电路图非常行生产、调试、维修的依据，因此，画好一张总电路图非常重要。重要。1.4.7审图审图先从全局出发，检查总体方案是否合适，有无问题，再检先从全局出发，检查总体方案是否合适，有无问题，再检查各单元电路的原理是否正确，电路形式是否合适。查各单元电路的原理是否正确，电路形式是否合适。 检查各单元电路之间的电平、时序等配合有无问题。检查各单元电路之间的电平、时序等配合有无问题。 检查电路中有无繁琐之处，是否可以化简。检查电路中有无繁琐之处，是否可以化简。 根据图中所标出的各种元器件的型号、参数等，验算能否根据图中所标出的各种元器件的型号、参数等，验算能否达到指标要求，有无一定的裕

20、量。达到指标要求，有无一定的裕量。 要特别指出元件应工作在额定范围内，以免实验时损坏。要特别指出元件应工作在额定范围内，以免实验时损坏。解决发现的所有问题，并请人复查一遍。解决发现的所有问题，并请人复查一遍。1.4.8产品设计报告产品设计报告 产品开发设计制作完成之后，通常要求提供产品设计报告和产品开发设计制作完成之后，通常要求提供产品设计报告和样机。下表列出了设计报告的内容，供读者参考。样机。下表列出了设计报告的内容，供读者参考。 课题的任务与要求课题的任务与要求设计题目任务与要求设计题目任务与要求系统概述系统概述提出几种设计方案；提出几种设计方案；方案比较，对选取的方案进行可行性分析；方案

21、比较，对选取的方案进行可行性分析；列出系统框图，介绍设计思路、工作原理列出系统框图，介绍设计思路、工作原理单元电路单元电路设计与分析设计与分析介绍各单元电路的工作原理，技术指标；介绍各单元电路的工作原理，技术指标；参数计算，元件选择，提出元件采购计划；参数计算，元件选择，提出元件采购计划；如用如用EDA软件设计，应列出程序清单和仿真波形等软件设计，应列出程序清单和仿真波形等安装调试安装调试与数据处理与数据处理列出测试仪器仪表名称、型号，记录测量数据及波列出测试仪器仪表名称、型号，记录测量数据及波形；形；分析安装调试过程中的技术问题，找出原因，提出分析安装调试过程中的技术问题，找出原因，提出改进

22、方案改进方案结束语结束语总结设计制作的结论性意见，收获体会，对存在问总结设计制作的结论性意见，收获体会，对存在问题，提出改进方案；致谢辞题，提出改进方案；致谢辞附录附录总电路图、元件表、参考文件总电路图、元件表、参考文件子任务一子任务一 正弦波产生电路的设计正弦波产生电路的设计 根据任务要求，我们要设计的函数信号发生器应该由正弦根据任务要求，我们要设计的函数信号发生器应该由正弦波、方波、三角波信号发生器、放大输出及直流稳压电源组波、方波、三角波信号发生器、放大输出及直流稳压电源组成，如图成，如图1-1所示。所示。 正弦波方波三角波放大器输出图1-1 函数信号发生器系统框图直流稳压电源12V（1

23、）工作原理）工作原理正弦波产生电路是在放大电路的基础上加上正反馈网络而产正弦波产生电路是在放大电路的基础上加上正反馈网络而产生一定频率和幅度的正弦波，其框图如图生一定频率和幅度的正弦波，其框图如图1-2所示。所示。 如果反馈电压如果反馈电压Uf与原输入信号与原输入信号Ui 完全相等，则即使无外输入完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号。这种现象叫自信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号。这种现象叫自激振荡。激振荡。 自激振荡的条件是：自激振荡的条件是：产生正弦波振荡的条件是：产生正弦波振荡的条件是： ifUU1uuAF振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈

24、振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求强一些，即要求 。既然。既然 ，起振后就要产生，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。波输出。 此外，可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放此外，可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。大电

25、路的增益，从而达到稳幅的目的。因此，因此，正弦波产生电路包括放大电路、正反馈网络、选频网正弦波产生电路包括放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路组成。络和稳幅电路组成。 1uuAF1uuAF（2）RC桥式正弦波振荡器桥式正弦波振荡器 RC振荡电路用来产生几十振荡电路用来产生几十kHz以下的低频正弦信号。通常采以下的低频正弦信号。通常采用用RC桥式振荡电路。桥式振荡电路。 RC电路串、并联为正反馈与选频网络电路串、并联为正反馈与选频网络Rf 、R1组成稳幅电路。组成稳幅电路。在在0=1/RC时，经时，经RC选频网络组成正反馈，产生振荡，振选频网络组成正反馈，产生振荡，振荡频率为荡频率为f0 =

26、1/ 2RC。起振时，要求放大倍数。起振时，要求放大倍数Au=1+Rf /R1略大于略大于3，达到稳定平衡状态时，达到稳定平衡状态时Rf减小至使减小至使Au=3。即。即Rf /R1略大于略大于2。（3）电路设计）电路设计 采用图采用图1-3的电路为基本结构，然后确定选频网络的电路为基本结构，然后确定选频网络RC的参数的参数和稳幅电路元件的阻值，以及集成运放的型号。设计的电路和稳幅电路元件的阻值，以及集成运放的型号。设计的电路如图如图1-4所示。所示。选频网络选频网络 正弦波振荡器的设计要求是输出频率范围：正弦波振荡器的设计要求是输出频率范围：200Hz50kHz，分两波段连续可调。由于要求输出

27、频率连，分两波段连续可调。由于要求输出频率连续可调，所以续可调，所以RC选频网络中应包括可调元件，一般情况选频网络中应包括可调元件，一般情况下，采用波段开关切换电容的方式实现频段的粗调，在每一下，采用波段开关切换电容的方式实现频段的粗调，在每一频段内用双联电位器完成本波段内频率的细调。频段内用双联电位器完成本波段内频率的细调。 双联电位器双联电位器W1、W2（50k）和）和R1、R2（1.5k）的串）的串联完成频率的细调。串联联完成频率的细调。串联R1、R2是防止双联电位器调到是防止双联电位器调到0时使电路工作异常。时使电路工作异常。 电阻电阻R1、R2选用精度为选用精度为1%的电阻；双联电位

28、器的中的两的电阻；双联电位器的中的两个电位器调节时的阻值偏差不能太大；电容个电位器调节时的阻值偏差不能太大；电容C1、C3、C2、C4 的误差不能超过的误差不能超过5%。若不能满足上述要求，会产生失真。若不能满足上述要求，会产生失真的正弦波。的正弦波。稳幅电路稳幅电路 由由VD1、VD2和和W3组成。当输出幅度增加时，二极管的组成。当输出幅度增加时，二极管的动态内阻减小，使动态内阻减小，使VD1或或VD2的和的和W3串联的电阻减小，相串联的电阻减小，相当于图当于图1-3中中Rf的减小，输出幅度下降，达到稳幅的目的的减小，输出幅度下降，达到稳幅的目的。 为了保证电路起振，应使即为了保证电路起振，

29、应使即R4 /R3略大于略大于2，电路中，电路中R4选选2.2 k，R3选选1k。 用作振荡器的运放，其振荡频率最好在运放频率参数的用作振荡器的运放，其振荡频率最好在运放频率参数的1/10较为可靠。这里选用采用频带宽度为较为可靠。这里选用采用频带宽度为3MHz的四运放的四运放TL074。子任务二子任务二 方波产生电路的设计方波产生电路的设计 产生方波的方法很多，最简单的方法是采用过零比较器。将产生方波的方法很多，最简单的方法是采用过零比较器。将正弦波产生电路输出的正弦波经过零比较器即可得到同频的正弦波产生电路输出的正弦波经过零比较器即可得到同频的方波，如图方波，如图1-5所示。所示。 工作原理：工作原理： 当当ui0 运放处于负饱和态，输出电压运放处于负饱和态，输出电压uO=uO