1.3　电子电路系统设计基本原则和设计内容

1.3.1　电子电路系统设计的基本原则

电子电路系统设计时应当遵守的基本原则如下。

① 满足系统功能和性能的要求。好的设计必须完全满足设计要求的功能特性和技术指标，这也是电子电路系统设计时必须满足的基本条件。

② 电路简单，成本低，体积小。在满足功能和性能要求的情况下，简单的电路对系统来说不仅是经济的，同时也是可靠的。所以，电路应尽量简单。值得注意的是，系统集成技术是简化系统电路的最好方法。

③ 电磁兼容性好。电磁兼容特性是现代电子电路的基本要求，所以，一个电子系统应当具有良好的电磁兼容特性。实际设计时，设计的结果必须能满足给定的电磁兼容条件，以确保系统正常工作。

④ 可靠性高。电子电路系统的可靠性要求与系统的实际用途、使用环境等因素有关。任何一种工业系统的可靠性计算都是以概率统计为基础的，因此电子电路系统的可靠性只能是一种定性估计，所得到的结果也只是具有统计意义的数值。实际上，电子电路系统可靠性计算方法和计算结果与设计人员的实际经验有相当大的关系，设计人员应当注意积累经验，以提高可靠性设计的水平。

⑤ 系统的集成度高。最大限度地提高集成度，是电子电路系统设计过程中应当遵循的一个重要原则。高集成度的电子电路系统，必然具有电磁兼容性好、可靠性高、制造工艺简单、体积小、质量容易控制以及性价比高等一系列优点。

⑥ 调试简单方便。这要求电子电路设计者在设计电路的同时，必须考虑调试的问题。如果一个电子电路系统不易调试或调试点过多，这个系统的质量是难以保证的。

⑦ 生产工艺简单。生产工艺是电子电路系统设计者应当考虑的一个重要问题，无论是批量产品还是样品，简单的生产工艺对电路的制作与调试来说都是相当重要的一个环节。

⑧ 操作简单方便。操作简便是现代电子电路系统的重要特征，难以操作的系统是没有生命力的。

⑨ 耗电少。

⑩ 性价比高。

通常希望所设计的电子电路能同时符合以上各项要求，但有时会出现相互矛盾的情况。

例如，在设计中有时会遇到这样的情况：如果要想使耗电最少或体积最小，则成本高或可靠性差或操作复杂麻烦。在这种情况下，应当针对实际情况抓住主要矛盾来解决问题。例如，对于用交流电网供电的电子设备，如果电路总的功耗不大，那么功耗的大小不是主要矛盾，而对于用微型电池供电的航天仪表而言，功耗的大小则是主要矛盾之一。

1.3.2　电子电路设计的内容

电子电路设计是对各种技术综合应用的过程。通常，电子电路设计过程包括以下几个方面的内容。

（1）功能和性能指标分析　一般设计题目给出的是系统功能要求、重要技术指标要求。

这些是电子电路系统设计的基本出发点。但仅凭题目所给要求还不能进行设计，设计人员必须对题目的各项要求进行分析，整理出系统和具体电路设计所需的更具体、更详细的功能要求和技术性能指标数据，这些数据才是进行电子电路系统设计的原始依据。同时，通过对设计题目的分析，设计人员可以不定期更深入地了解所要设计的系统的特性。功能和性能指标分析的结果必须与原题目的要求进行对照检查，以防遗漏。

（2）系统设计　系统设计包括初步设计、方案比较和实际设计3部分内容。有了功能和性能指标分析的结果，就可以进行初步的方案设计。方案设计的内容主要是选择实现系统的方法、拟采用的系统结构（如系统功能框图），同时还应考虑实现系统各部分的基本方法。

这时应当提出两种以上方案进行初步对比，如果不能确定，则应当进行关键电路的分析，然后再作比较。方案确定后，系统的总体设计就已完成，这时必须与功能、性能指标分析的结果数据和题目的要求进行核实，以免疏漏。

一个实用课题的理想设计方案不是轻而易举就能获得的，往往需要设计者进行广泛、深入的调查研究，翻阅大量参考资料，并进行反复比较和可行性论证，结合实际工程实践需要，才能最后确定下来。

（3）原理电路设计　系统设计的结果提出了具体设计方案，确定了系统的基本结构，那么，接下来的工作就是进行各部分功能电路以及分电路连接的具体设计。这时要注意局部电路对全系统的影响，要考虑是否易于实现、是否易于检测以及性价比等问题，因此，设计人员平时要注意电路资料的积累。

（4）可靠性设计　电子电路系统的可靠性指标，是根据电子电路系统的使用条件和功能要求提出的，具有极强的针对性和目的性。任何一个电子电路系统的可靠性指标和设计要求，都只能针对一定的条件和目的，脱离具体条件谈可靠性是没有任何意义的。不讲条件和目的，一味地提高系统可靠性，其结果只能是设计出一个难以实现或成本极高的电子电路系统。

可靠性设计包括三个方面：一是系统可靠性指标设计；二是系统本身可靠性必须满足设计要求；三是系统对错误的容忍程度，即容错能力。

实际上，可靠性设计在系统设计时已经有所体现，系统的方案设计和电路设计中必须考虑可靠性因素（如器件的选择、电路连接方式的选择等）。可靠性设计应当对全系统的可靠性进行核实计算。

（5）电磁兼容特性设计　电磁兼容设计实际也体现在系统和电路的设计过程中。系统的各种电磁特性指标是系统电磁设计的基本依据，而电路的工作条件则是电磁兼容设计的基本内容。

电磁兼容设计要解决两方面的问题，一是提出合理的系统电磁兼容条件，二是如何使系统能满足电磁兼容条件的要求。电子电路电磁兼容设计的任务是对电子电路系统的电磁特性（特别是电磁耦合特性）进行分析、计算，再根据分析、计算的结果来确定系统电磁兼容结构和特性。

要提高电子电路电磁兼容特性，在电路设计时应注意：

• 选择电磁兼容特性好的集成电路。
• 尽量使关键电路数字化。
• 尽量提高系统集成度。
• 只要条件允许，尽量降低系统频率。
• 为系统提供足够功率的电源。
• 电路布线合理，做到高低频分开、功率电路与信号电路分开、数字电路与模拟电路分开、远距离传输信号使用电隔离技术等。

（6）调试方案设计　电子电路系统设计的另一个重要内容是设计一个合理的调试方案。调试方案的目的是为设计人员提供一个有序、合理、迅速的系统调试方法，使设计人员在系统实际调试前就对调试的全过程有个清楚的认识，明确要调试的项目、目的、应达到的技术指标、可能发生的问题和现象、处理问题的方法、系统各部分调试时所需要的仪器设备等。

调试方案设计还应当包括测试结果记录的格式设计，测试结果记录格式必须能明确地反映系统所实现的各项功能特性和达到的各项技术指标。

1.3.3　电路设计的一般过程

电子电路的一般设计方法和步骤如图1-8所示。由于电子电路种类繁多，千差万别，设计方法和步骤也因情况不同而异，因而图1-8所示的设计步骤有时需要交叉进行，甚至会出现反复。电子电路设计的方法和步骤不是一成不变的，设计者要根据实际情况灵活掌握。

（1）选择总体方案　设计电路的第一步就是选择总体方案。总体方案是用具有一定功能的若干单元电路构成一个整体，以满足课题题目所提出的要求和性能指标，实现各项功能。选择方案就是按照系统总的要求，把电路划分成若干个功能块，得出能表示单元功能的整机原理框图。每个方框是一个单元功能电路，按照系统性能指标要求，规划出各单元功能电路所要完成的任务，确定输出与输入的关系，确定单元电路的结构。

由于符合要求的总体方案往往不止一个，所以应当针对系统提出的任务、要求和条件，进行广泛调查研究，大量查阅参考文献和有关资料，广开思路，要敢于探索，努力创新，提出若干不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，反复比较，争取方案的设计合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。

框图应能说明方案的基本原理，应能正确反映系统完成的任务和各组成部分的功能，清楚表示出系统的基本组成和相互关系。

选择方案必须注意下面两个问题。

① 要有全局观点，从全局出发，抓住主要矛盾。因为有时局部电路方案为最优，但系统方案不一定是最佳的。

② 要充分开动脑筋，不仅要考虑方案是否可行，还要考虑怎样保证性能可靠，考虑如何降低成本、降低功耗、减小体积等许多实际的问题。

（2）设计单元电路　单元电路是整机的一部分，只有把单元电路设计好才能提高整体设计水平。设计单元电路的一般方法和步骤如下。

① 根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对各单元电路的设计要求，必要时应详细拟定主要单元电路的性能指标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系。尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑使各单元电路采用统一的供电电源，以简化电路结构，降低成本。

② 拟定好各单元电路的要求后，应全面检查一遍，确定无误后方可按信号流程或从难到易或从易到难的顺序分别设计各单元电路。

③ 选择单元电路的组成形式。一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识、开阔眼界，从已掌握的知识和了解的各种电路中选择一个合适的电路。如确实找不到性能指标完全满足要求的电路，也可选用与设计要求比较接近的电路，然后调整电路参数。

在单元电路的设计中特别要注意保证各功能块协调一致地工作。对于模拟系统，要按照需要采用不同的耦合方式把它们连接起来；对于数字系统，协调工作主要通过控制器来进行，控制器不允许有竞争冒险和过渡干扰脉冲出现，以免发生控制失误。对所选各功能块进行设计时，要根据集成电路的技术要求和功能块应完成的任务，正确计算外围电路的参数。对于数字集成电路要正确处理各功能输入端。

（3）计算参数　为保证单元电路达到功能指标要求，常需计算某些参数。例如放大器电路中各电阻值、放大倍数，振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。

一般来说，计算参数应注意以下几点。

① 各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许的范围内，并留有适当的裕量，以保证电路在规定的条件下能正常工作，达到所要求的性能指标。

② 对于环境温度、交流电网电压等工作条件，计算参数时应按最不利的情况考虑。

③ 涉及元器件的极限参数（如整流桥的耐压）时，必须留有足够的裕量，一般按1.5倍左右考虑。例如，如果实际电路中三极管UCE的最大值为20V，那么挑选三极管时应按U_(BR)CEO≥30V考虑。

④ 电阻值尽可能选在1MΩ以下，一般不应超过10MΩ，其数值应在常用电阻标称值系列之内，并根据具体情况正确选择电阻的品种。

⑤ 非电解电容尽可能在100pF～0.1μF范围内选择，其数值应在常用电容器标称值系列之内，并根据具体情况正确选择电容的品种。

⑥ 在保证电路性能的前提下，尽可能降低成本，减少器件品种，减少元器件的功耗，减小体积，为安装调试创造有利条件。

⑦ 有些参数很难用公式计算确定，需要设计者具备一定的实际经验。如确实无法确定，个别参数可待仿真时再确定。

（4）审图　由于在设计过程中有些问题难免考虑不周全，各种参数计算也可能出错，因此在画出总原理初图并计算参数后，进行审图是很有必要的。审图可以发现原理图中不当或错误之处，能将错误降到最低程度，使仿真阶段少走弯路。尤其是比较复杂的电路，仿真之前一定要进行全面审查，必要时还可请经验丰富的同行共同审查，以发现和解决大部分问题。审图时应注意以下几点。

① 先从全局出发，检查总体方案是否合适，有无问题，是否有更佳方案。

② 检查各单元电路是否正确，电路形式是否合适。

③ 模拟电路各电路之间的耦合方式有无问题，数字电路各单元电路之间的电平、时序等配合有无问题，逻辑关系是否正确，是否存在竞争冒险。

④ 检查电路中有无烦琐之处，是否可以简化。

⑤ 根据图中所标出的各元器件的型号、参数，验算能否达到性能指标，有无恰当的裕量。

⑥ 要特别注意检查电路图中各元器件工作是否安全，是否工作在额定值范围内。

⑦ 解决所发现的全部问题后，若改动较多，应复查一遍。

（5）仿真和实验　电子产品的研制或电子电路的制作都离不开仿真和实验。设计一个具有实用价值的电子电路，需要考虑的因素和问题很多，既要考虑总体方案是否可行，还要考虑各种细节问题。

例如，用模拟电路实现还是用数字电路实现，或者用模/数混合电路实现；各单元电路的组织形式，各单元电路之间的连接用哪些元器件；各种元器件的性能、参数、价格、体积、封装形式、功耗、货源等。电子元器件品种繁多，性能参数各异，仅普通晶体三极管就有几千种类型，要在众多类型中选用合适的器件着实不易，再加上设计之初往往经验不足，以及一些新的集成电路尤其是大规模或超大规模集成电路的功能较多，内部电路复杂，如果没有实际用过，单凭资料是很难掌握它们的各种用法及使用的具体细节的。因此，设计时考虑问题不周、出现差错是很正常的。对于比较复杂的电子电路，单凭纸上谈兵就能使自己设计的原理图正确无误并能获得较高的性价比，往往是不现实的，所以必须通过仿真和实验来发现问题、解决问题，从而不断完善电路。

随着计算机的普及和EDA 技术的发展，电子电路设计中的实验演变为仿真和实验相结合。电路仿真与传统的电路实验相比较，具有快速、安全、省材等特点，可以大大提高工作效率。仿真具有下列优越之处。

① 对电路中只能依据经验来确定的元器件参数，用电路仿真的方法很容易确定，而且电路的参数容易调整。

② 由于设计的电路中可能存在错误或者在搭接电路时出错，可能损坏元器件或者在调试中损坏仪器，从而造成经济损失。而电路仿真中也会损坏元器件或仪器，但不会造成经济损失。

③ 电路仿真不受工作场地、仪器设备、元器件品种和数量的限制。

④ 在EWB软件下完成的电路文件，可以直接输出至常见的印制电路板排版软件，如Protel、OrCAD和TANGO等，自动排出印制电路板，加速产品的开发速度。

尽管电路仿真有诸多优点，但其仍然不能完全代替实验。仿真的电路与实际的电路仍有一定差距，尤其是模拟电路部分，由于仿真系统中元器件库的参数与实际器件的参数可能不同，可能导致仿真时能实现的电路而实际却不能实现。对于比较成熟的有把握的电路可以只进行仿真，而对于电路中关键部分或采用新技术、新电路、新器件的部分，一定要进行实验。

仿真和实验要完成以下任务。

① 检查各元器件的性能、参数、质量能否满足设计要求。

② 检查各单元电路的功能和指标是否达到设计要求。

③ 检查各个接口电路是否起到应有的作用。

④ 把各单元电路组合起来，检查总体电路的功能，检查总电路的性能是否最佳。

（6）总体电路图的画法　原理电路设计完成后，应画出总体电路图。总体电路图不仅是印制电路板等工艺设计的主要依据，而且在组装、调试和维修时也离不开它。绘制电路图要注意以下几点。

① 布局合理，排列均匀，疏密恰当，图面清晰，美观协调，便于看图，便于对图进行理解和阅读。

② 注意信号的流向，一般从输入端或信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路。一般不要把电路图画成很长的窄条，电路图的长度和宽度比例要比较合适。

③ 绘图时应尽量把总电路画在一张纸上，如果电路比较复杂，需绘制几张图，则应把主电路画在同一张图纸上，而把一些比较独立或次要的部分（如直流稳压电源）画在另外的图纸上，并在图的断口两端做上标记，标出信号从一张图到另一张图的引出点和引入点，以说明各图纸在电路连线之间的关系。

④ 每一个功能单元电路的组件应集中布置在一起，便于显示各单元电路的功能关系。

⑤ 连接线应为直线，连线通常画成水平线或竖线，一般不画斜线。十字连通的交叉线，应在交叉处用圆点标出。连线要尽量短，少折弯。有的连线可用符号表示，如果把各元器件的每一根连线都画出来，容易使人眼花缭乱，用符号表示简洁明了。比如，器件的电源一般只标出电源电压的数值（如+5V、+15V、-12V），地线用符号来表示。

⑥ 图形符号要标准，图中应加适当的标注。图形符号表示器件的项目或概念。电路图上的中、大规模集成电路器件，一般用方框表示，在方框中标出它的型号，在方框的边线两侧标出每根线的功能名称和引脚号。除中、大规模器件外，其余元器件符号应当标准化。

⑦ 数字电路中的门电路、触发器在总电路原理图中建议用门电路符号、触发器符号来画，而不按接线图形式画。比如，一个CMOS振荡器经四分频后输出的电路如图1-9（a）所示，如果画成图1-9（b）所示的形式则不利于看懂它的工作原理，不便与他人进行交流。由于CMOS集成电路不用的输入端不能悬空，因此要对图1-9（b）中CC4069和CC4013不用的输入端进行处理，否则该图是不正确的。

图1-9　振荡分频器

以上只是总电路图的一般画法，实际情况千差万别，应根据具体情况灵活掌握。

1.3.4　电子电路设计的方法

（1）模拟电路设计的基本方法　无论是民用的还是工程应用的电子产品，大多数是由模拟电路或模/数混合电路组合而成的。模拟装置（设备）一般是由低频电子线路或高频电子线路组合而成的模拟电子系统，如音频功率放大器、模拟示波器等。虽然它们的性能、用途各不相同，但其电路组成部分都是由基本单元电路组成的，电路的基本结构也具有共同的特点。一般来说，模拟装置（设备）都由传感器件、信号放大和变换电路以及驱动、执行机构三部分组成，结构框图如图1-10所示。

图1-10　模拟装置结构框图

传感器件主要是将非电信号转换为电信号。信号放大和变换电路则是对得到的微弱电信号进行放大和变换，再传送到相应的驱动、执行机构。其基本的功能电路有放大器、振荡器、整流器及各种波形产生、变换电路等。驱动、执行机构可输出足够的能量，并根据课题或工程要求，将电能转换成其他形式的能量，完成所需的功能。

对于模拟电子电路的设计方法，从整个系统设计的角度来说，应先根据任务要求，经过可行性的分析、研究后，拿出系统的总体设计方案，画出总体设计结构框图；在确定总体方案后，根据设计的技术要求，选择合适的功能单元电路，然后确定所需要的具体元器件（型号及参数）；最后将元器件及单元电路组合起来，设计出完整的系统电路。需要说明的是，随着科技的进步，集成电路正在迅速发展，线性集成电路（如集成运算放大器）日渐增多，采用模拟线性集成电路组建电路已趋流行。这方面的训练对于初学的设计者来说十分重要。

（2）数字逻辑电路设计的基本方法　数字逻辑电路的设计包括两个方面：基本逻辑功能电路设计和逻辑电路系统设计。这里主要介绍数字逻辑电路系统的设计，即根据设计的要求和指标，将基本逻辑电路组合成逻辑电路系统。

数字逻辑电路通常由四部分组成：输入电路、控制电路、输出电路、电源电路，如图1-11所示。

图1-11　数字逻辑电路组成

输入电路接收被测或受控系统的有关信息并进行必要的变换或处理，以适应控制运算电路的需要。

控制电路则把接收的信息进行逻辑判断和运算，并将结果输送给输出电路。输出电路将得到的结果再做相应的处理即可驱动被测或受控系统了。电源电路的作用是为数字系统的各部分提供工作电压或电流。

对于简单的数字逻辑电路的设计，一般是根据任务的要求，画出逻辑状态真值表，利用各种方法化简，求出最简逻辑表达式，最后画出逻辑电路图。近年来，中、大规模集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。现在设计中更多的是考虑如何利用各种常用的标准集成电路设计出完整的数字逻辑电路系统。在设计中使用中、大规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简洁，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此，在数字电路设计中，应充分考虑这一问题。

数字逻辑电路总体方案设计的基本方法如下。

① 根据总的功能和技术要求，把复杂的逻辑系统分解成若干个单元系统，单元的数目不宜太多，每个单元也不能太复杂，以方便检修。

② 每个单元电路由标准集成电路来组成，选择合适的集成电路及器件，构成单元电路。

③ 考虑各个单元电路间的连接，所有单元电路在时序上应协调一致，满足工作要求，相互间电气特性应匹配，保证电路能正常、协调工作。