电子系统设计基础

第一章电子系统设计基础院校：长治学院系别：电子信息与物理系主讲人：张毅邮箱：qqvirile@163.com联系电话：152345001332023/2/4课程概述讲授24课时（1-12周）实验27课时（第一周开始做）成绩=实验成绩+平时成绩+考勤+考试笔记要做好，实验报告册（电子版）2023/2/41.1电子系统范畴军用电子消费类电子计算机类通信电子汽车电子

工业电子2023/2/4模拟系统与数字系统模数混合系统（绝大多数系统）如空调控制器、电视机、测量仪器、工业控制器、手机电路

纯粹的模拟系统---如简单的放大器纯粹的数字系统---如电子钟2023/2/4消费类产品2023/2/4主板2023/2/4显卡和网卡七彩虹显卡TP-Link网卡2023/2/4通信电子产品2023/2/4车载GPS和悍马2023/2/4汽车电子燃油喷射控制器2023/2/4数控钻床和汽车生产线

2023/2/4舰船和战斗机2023/2/4三运放仪表放大器

2023/2/4数字产品2023/2/4手机电路2023/2/4超级芯片数码彩电主板2023/2/41.2电子系统概念2023/2/42023/2/42023/2/42023/2/42023/2/42023/2/42023/2/41.3电子系统设计步骤确立目标（根据市场调查或者用户需求）系统方案设计（技术方法/单片机、DSP、FPGA、嵌入式方法）理论模型建立与算法设计（算法的有效性与稳定性）硬件设计

信号采集与前端信号处理;逻辑控制单元;输出回路设计软件设计调试（单元调试与系统调试）产品化设计（功能、价钱、外观、节能、操控性）产品认证（节能、电气安全、环保、行业特殊要求、不同国家的专门认证要求）2023/2/4数字系统设计常用的技术方法单片机技术MicrocontrollerUnitDSP技术DigitalSignalProcessor嵌入式系统EmbeddedSystemASIC技术

ApplicationSpecificIntegrationCircuits可编程ASIC技术CPLD/FPGA2023/2/4设计中几个基本概念EDA技术ElectronicDesignAutomaticTechnology开发平台DevelopmentKit仿真技术SimulateTechnologySOC片上系统SystemonChipIP知识产权模块

Intellectual

PropertyEMCElectromagneticCompatibility（电磁兼容性）OEMOriginalEquipmentManufacture(原始设备制造商)

2023/2/4设计与仿真工具可编程器件设计工具

XilinxISE;AlteraQuartusII;MentorFpgaAdvantage系统级设计与算法设计工具SystemView;MATLAB电路级仿真工具

Pspice;MultiSimPCB设计工具PowerPCB;

Protel

嵌入式系统开发工具

ARMADS;

KeilARM/C51IDE；AlteraNiosIIIDE；TiCodeComposerStudio2023/2/4ＭATLAB仿真软件---丰富的表现力2023/2/4ＭATLAB仿真软件---强大的运算能力2023/2/4MUTISIM仿真软件2023/2/4MUTISIM仿真软件---直观的线路仿真2023/2/4Protel仿真软件--原理图设计2023/2/4Protel

仿真软件----多层电路板设计2023/2/4Ｘilinx仿真软件ISE2023/2/4Ｘilin设计软件ISE仿真器2023/2/4QuartusⅡ仿真软件---VHDL设计入口2023/2/4QuartusⅡ仿真软件---原理图设计入口2023/2/4QuartusⅡ仿真软件---仿真2023/2/4MentorFPGAAdvantage2023/2/4ARMCodeWarrior集成开发环境

2023/2/4ARMAXD调试器

2023/2/42023/2/4TiCodeComposerStudio2023/2/4TiCodeComposerStudio2023/2/41.4电子系统设计方法2023/2/4系统的结构自顶至底有：系统子系统部件（功能模块）单元电路元器件版图2023/2/4系统子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路元、器件版图自顶向下自顶向下设计方法2023/2/4自上而下法的优点尽量运用概念（抽象）描述、分析设计对象，不过早地考虑具体的电路、元器件和工艺概念驱动法抓住主要矛盾，不纠缠在具体细节上，控制设计的复杂性2023/2/4自底向上设计方法系统子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路元、器件版图自顶向上2023/2/4部件设计在先，设计系统时将受这些部件的限制，影响：

系统性易读性可靠性可维护性自底向上的缺点2023/2/4自底向上的优点在系统的组装和调试过程中有效可利用前人的设计成果2023/2/4系统子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路元、器件版图以功能模块为基础的自上而下的设计方法2023/2/4基于IP的系统芯片(SOC)的设计2023/2/42023/2/42023/2/41.5板卡设计与仿真技术板卡设计是指根据所设计的电子线路在具体应用中的约束条件，把电子线路布置在一块线路板或接口卡上，这里的约束包括安装时的几何形状、几何尺寸、电磁兼容性、安全性与可靠性等。印刷电路板(PrintedCircuitBoard-PCB)设计是板卡设计中的主要工作。电路板设计特别费时费力，需要CAD技术的帮助。板卡设计与仿真的软件有：Smartwork、Tango、OrCAD、PCAD、PADS、Protel、EESYSTEM等。其中使用Protel较多，是因为简单、易学、实用。2023/2/4Protel发展历史87、88年由美国ACCELTechnologiesInc推出了第一个应用于电子线路设计软件包——TANGO，这个软件包开创了电子设计自动化（EDA）的先河。1985年诞生dos版Protel1998年Protel98这个32位产品是第一个包含5个核心模块的EDA工具1999年Protel99构成从电路设计到真实板分析的完整体系。2002年ProtelDXP集成了更多工具，使用方便，功能更强大。2003年Protel2004对ProtelDXP进一步完善。2006年AltiumDesigner6.0成功推出，集成了更多工具，使用方便，功能更强大，特别在PCB设计这一块性能大大提高。补充：A.目前中国的电子工程师用得最多的是：protel99se,最新版本AD6是由Altium的300-400个工程师经过6/7年的研发，ProtelDXP是过渡版本，修正版是Protel2004。B.AD6是2005年11月28日发布的（在网站上），它真正进入中国是2006年元旦以后，春节之后在中国正式发行。2023/2/4绘制电路原理图基本流程1.设置图纸大小2.设置设计环境3.放置元件和定义元件属性4.原理图布线5.调整线路6.输出报表7.保存及打印输出文件2023/2/4进入环境设置窗口设置原理图图纸参数设置环境参数加载或卸载系统元件库1、设置原理图编辑器环境2023/2/42、输入或绘制原理图绘制原理图的电气部件

2023/2/4查找元件2023/2/4元件属性设置2023/2/4放置连线2023/2/4电气连接点选择Schmatic选项卡，选择Option选项组中的Auto-Junction复选框2023/2/4放置电源/接地端点

2023/2/4绘制网络标号2023/2/4放置总线(Bus)2023/2/4放置端口2023/2/4放置电路模块

2023/2/4放置原理图图形部件2023/2/4放置说明文字标注和文本框2023/2/4绘制图形2023/2/43、修改和编辑原理图2023/2/4保存原理图2023/2/45、原理图设计规则检查2023/2/4核对和排除错误

2023/2/46、打印输出原理图文件设置2023/2/4设置2023/2/47、生成与校对SPICEnetlist

执行Design|CreateNetlist命令

2023/2/4

SPICEnetlist比较记录文件

2023/2/48、统计原理图信息2023/2/4

2023/2/4

2023/2/4印刷电路板设计单面板是一面有敷铜，另一面没有敷铜的电路板，它只可在敷铜的一面布线，另一面放置元件。双面板包括顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）两层，两面都有敷铜，均可布线。双面板包括顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）两层，两面都有敷铜，均可布线。多层板是包含了多个工作层面的电路板。除了顶层、底层以外，还包括中间层、内部电源/接地层等。多层电路板包括三层或三层以上，如四层板、六层板等。信号层（SignalLayers）:主要用于放置连接数字或模拟信号的铜膜走线。层电源/接地层（InternalPlane）:主要用于布置电源线及接地线。2023/2/4机械层（MechanicalLayers）：主要用于放置各种指示和说明文字，如电路板尺寸。阻焊层（SolderMask）：Top/BottomSolderMask为顶/底层阻焊层，主要用于丝网漏印版，将不需要焊接的地方涂上阻焊剂。丝印层（Silksreen）:用于印刷标识元件的名称、参数和形状。有Top/BottomOverlay顶/底层丝印层穿透层(MultiLayer)：用于放置所有穿透式焊盘和过孔。

禁止布线层(KeepOut)：用于设置布线范围和电路板尺寸。安全间距(Clearance)是铜线与铜线、铜线与焊盘、焊盘与焊盘、焊盘与过孔之间的最小距离。2023/2/4电原理图只表示电气连接，而PCB是实际元件的物理连接板。2023/2/4安装上元件后，就是实际的电子产品2023/2/4单面板、插入式封装2023/2/4表贴封装2023/2/4图1 单面板与双面板结构图图2 四层板结构图2023/2/4元件封装：元件封装的定义规则为元件类型+焊点距离+元件外形。针脚式元件封装：元件引脚带有针脚形状，在焊接时必须把元件引脚插入焊点导通孔，加上焊锡，通过焊接连接引脚和焊盘。因为针脚式元件的引脚贯穿整个电路板的各个板层，所以在焊点属性设置中，Layer板层属性必须设置位MultiLayer。表面贴片式元件：元件引脚用焊锡粘贴在印制电路板表面板层，因为表面贴片式元件的引脚仅仅作用于电路板单一层面，所以在板层属性设置中，Layer必须指定电路板板层（TopLayer或BottomLayer）。导线：电路板上布置的导线都是铜质的，称为铜膜导线或简称为导线，用于传递各种电流信号。飞线：飞线是虚线，它指示元件焊点之间的连接关系，导线实现飞线的意图。焊盘：焊盘的主要作用是通过引脚来固定元件，每一焊盘对一个引脚，在焊盘部位放置引脚和融化的焊锡，冷却后焊锡凝固从而将元件牢牢固定住。过孔：过孔在多层电路板设计中，它用于连接不同板层间的导线。2023/2/4PCB布局、布线基本原则

一、元件布局基本规则

元件布局的基本过程如下：先规划电路板的尺寸，在确定特殊元件的位置后，根据电路的流程安排各功能单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。在放置功能单元电路的元件时，一般以其核心元件为中心，围绕它布局，元器件应整齐、均匀、紧凑地排列在PCB板上。根据元器件间的连线关系，要适当调整元件的位置，如旋转元件、左右或上下移动元件，使元件之间的连线尽量短些。 元件的布局就像下棋的布局，直接关系到电路板设计的成败。应当从机械结构、散热、电磁干扰、以后布线的方便性等多方面综合考虑。2023/2/41．机械方面（1）确定PCB板尺寸、大小。最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3。实践中也有各种异形板，如环形的操作板，这就要根据实际情况来定。当电路板尺寸大于200×150mm时，应适当增加厚度，或在电路板中增加支撑定位孔。（2）先安排特殊器件，如外部接插件、显示器件，其定位要考虑和其他机械部件的配合。（3）重量超过15g的元器件应当用支架固定，又大又重的元件不宜直接安放到电路板上。（4）电位器、可调电感、线圈、可变电容器等可调元件，布局时应考虑整机结构。如在机内调节，应放在印制板方便调节的地方；如在机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱上的位置相适应。（5）应当留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。（6）位于电路板边缘的器件，离电路板边缘的距离一般不小于2mm。（7）定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装元器件；2023/2/42．散热方面（1）发热元器件应放在印制电路板易于散热的地方，如板子边缘、通风处。竖放的板子，发热元件应放到板子上部，双面板的底层不得放置发热元件。（2）发热量较大的元件，不宜放在印制板上。（3）怕热元件如电解电容、晶振、锗管等，要与发热元件隔开一段距离。（4）发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布；2023/2/43．电磁干扰（1）集成电路的去藕电容要尽量就近安放，一般工作频率在10Mhz以下的用0.1uF电容，10Mhz以上的用0.01uF的电容。（2）某些元件或导线间有较高的电位差，应加大距离，以免放电。带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。（3）易互相干扰的元器件不能靠得太近，输入输出元器件应尽可能远离，避免反馈干扰。（4）高频元器件为减小分布参数，一般就近安放（不规则排列），一般电路（低频电路）应因规则排列，便于装焊。2023/2/44．其它方面（1）按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开；（2）卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路；（3）电源插座要尽量布置在印制板的四周。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔；（4）所有IC元件单边对齐，有极性元件极性标示明确；（5）板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)；（6）贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过；（7）贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致；（8）有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。2023/2/4二、元件布线规则（1）画定布线区域距PCB板边≤1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线；（2）一般将公共地线布置在印制板的边缘，便于与机架（地）相连接。导线与印制板的边缘应留有一定距离。（3）多级电路为防止局部电流而产生地阻抗干扰，各级电路应在一点接地（或尽量集中接地），高频电路（30MHz以上）常采用大面积接地，这时各级的内部元件也应集中一小块区域接地。（4）易受干扰器件和线路可用地线包围。（5）电路中数字地和模拟地要分开，然后在一点接地，以防形成地回路。（6）电源线和地线靠近点，尽量减小围出的面积，以降低电磁干扰。（7）注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线（8）导线间避免近距离平行走长线，这样寄生耦合较大。双面印制线避免平行，最好垂直或斜交。（9）输入输出线最好远离，中间可用地线隔开。2023/2/4（10）导线应走平直，不应有急剧的弯曲和出现尖角，应用圆弧或折线过渡。（11）数字回路和模拟回路要分开，避免高频和低频信号的干扰。（12）载流大的导线应宽些，印制板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许载流1安培。一般导线宽度在0.3mm～2.0mm之间。电源线一般取0.5～1.0mm（20mil～40mil）,地线一般取1.0mm(40mil)以上。在可能的情况下，导线尽量宽些。（13）不同网络的走线、焊盘、过孔之间要保持一定距离，一般整个板子可设为0.254mm(10mil)，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2～0.22mm，0.1mm以下是绝对禁止的。2023/2/4

进入PCB编辑环境，初步规划电路板。确定电路板的尺寸，定义电气边界，放置安装定位孔。选择元件面，添加所需要的元件封装库，从中调出所要的元件封装，并放置到刚才定义的电气范围内。手工将元件封装拖放到合适的位置，修改元件标称、参数等说明性符号。根据电路原理图，手工在元件封装的焊盘间连线。适当修改电路板的走线、安装定位孔和边界，确认无误后保存PCB文件。规划电路板手工放置元件、修改属性手动布线添加元件封装库手工布局及确定边界一、手工设计印制电路板手工设计印制电路板指布线等环节由人工完成，一般在设计比较简单的电路时使用。其基本方法如下：印刷电路板设计的一般流程2023/2/4二、自动设计印制电路板

自动设计印制电路板指在设计中适当运用计算机的自动布局、自动布线等自动化功能，减轻人的劳动量。一般用在较复杂的印制电路板设计中，大型系统的印制电路板如果完全靠人工设计几乎不可想象，设计者先手工设计某些关键线路，其它的再由计算机来完成。自动设计印制电路板基本方法如下：2023/2/4进入SCH编辑环境，输入原理图，并生成网络表文件。进入PCB编辑环境，设置好工作环境参数，规划电路板。添加所需的元件封装库，选择元件面，利用前面生成的网络表自动调入所有元件的封装。手工布局或自动布局后