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电路设计

设计并做出符合技术要求的电路是电路设计者的基本任务。按正规来讲，设计一个产品的程序大概如下：

　　1）确定产品的技术指标和研制计划；

　　　　确定产品的技术指标和研制进度。

　　2）设计科研制样机

　　　　在留有工艺余量的基础上设计并研制样机，制定调试、检验指标及检验方法。

　　3）对样机性能和设计文件审核（设计定型）

　　　 由设计科、工艺科和标准化室参加进行以下工作：

　　　　　对样机性能测试和试验；

　　　　　对样机进行工艺审核并提出改进意见；

　　　　　标准化审核；

　　　　　设计图纸会签。

　　4）工艺科编制工艺文件及工装准备

　　　　　编制从原料进厂到出厂检验的工艺文件；

　　　　　提出批量生产、测试、检验的工装设备；

　　5）小批量试生产

　　　　　按工艺文件小批量试生产，检验设计文件和工艺文件的正确性。

　　6）生产定型

　　　　　工艺文件会签。

　　7）批量投产

　　　　　生产中的问题由工艺解决，必要时与设计会商。

　　8）逐步改进

　　　　　在理想情况下批量生产后就没什么技术问题值得解决，实际则不然，在以下情况下仍需继续改进：

　　　　　设计时考虑不周；

　　　　　系统合理化改进；

　　　　　器件停产；

　　　　　改进能显著降低成本。

　 对于人员不够充裕的地方,但为保证产品质量，就要求设计人员承担起上述责任。

2. 工艺设计

工艺人员的责任是对设计文件进行审核，对不适于批量生产的设计提出修改意见，并根据设计文件编制出整套工艺文件来指导生产。这些文件主要有：

　　* 元器件、原材料采购表

　　　便于计划采购，指定厂家或供应商

　　* 元器件、原材料进厂检验工艺

　　　保证进厂器件质量

　　* 零件、部件、组件的加工、装配、调试工艺

　　　根据批量小的特点，可适当简化。但必须做到脱离设计人员，第三者的可操作性。以下几种文件必不可少：

　　　　> 导线、电缆加工表

　　　　　导线、电缆种类、长度、接插件焊接。

　　　　> 线路板的器件表、器件布局图（丝印图）

　　　　> 线路板调试工艺卡

　　　　　使用设备、连接、测试合格的指标

　　　　> 部件和整机组装

　　　　　配料表、加工顺序、注意事项、检验要求、存放。

　　* 整机组装、调试工艺

　　* 出厂检验工艺

　　* 包装工艺

3. 标准化审查

审查文件是否符合标准化要求只是标准化工作的一部分，为便于生产和管理，还要从以下几方面进行审查：

　　* 自制件可否用标准件或外购件替代；

　　* 自制件有无以前的同类部件可以替代；

　　　　本部门内可替代的直接把原图纸借用即可，不再会签。

　　* 选用的新器件有无以前的同类产品可以替代；

　　　　减少器件种类。

　　以上原则并非一成不变，如新的有比较突出的优点仍可选用，如有可能，老的应用新的替代。

4. 与结构设计协调

按结构要求设计线路板尺寸，与面板有关的线路板应与面板设计、结构设计多次协商。

5. 与软件设计协调

在完成既定功能的前提下，软硬件要统筹考虑，用哪种方法实现合理就用哪种方法实现。

　　开关量的去抖可用硬件加一定时间常数的单稳电路实现，也可用软件加限时来实现。硬件的单稳电路由于R、C的参数离散性时间常数不易作准，且增加成本，而软件只要在一定时间内不计后面脉冲即可。相比之下，软件实现比较合理。

　　传感器的模拟和数字的转换单片机要知道现在处于哪个位置，这可由硬件加转换短路帽连到单片机的一个输入脚来实现，也可由软件在设置菜单上设置来实现。硬件原来有转换短路帽，再加一个也不太麻烦；软件设置的工作量较大，占用程序空间较多。相比之下，硬件实现比较合理。

二、值得注意的几个问题

1. 电路设计的软件

　　电路设计软件从TANGO、PROTEL到最近的DXP 几经改进，功能强大了许多。但我认为，只要使用熟练、任何软件都能绘制出不错的产品。也许用惯了，我仍用DOS版的PROTEL绘制原理图和线路板图。但布地网以前用PROTEL2000，现在用DXP。因后来的软件缺线要少得多，且加汉字比较方便。

2. 手工与自动

　　我认为用手工布局、布线要优于自动布局、布线。随着软件的更新，自动布线功能越来越进步，但总不如手工布局合理且可以随时改进。计算机软件是按一定的规律来进行工作，而人能综观全局，能根据不同板型和电路来进行布局和布线。这就像做衣服，批量生产的衣服总有不合适的地方，最合体的衣服仍是量体裁衣，手工制作。一周画出一块比较满意的电路板是可以做到的。

3. 通用与专用

　我们曾经设计过通用的数据采集处理板，通过需求分析，我们认为不可能设计出一种满足各种要求的产品。我们根据不同情况设计了3种板型。只有一种为3个课题共用。在需求不一，安装各异的情况下还是专用好一点。在软硬件模块都有积累的情况下，设计一块板子用不多长时间。

4. 接地

　　以前防雷地、保护地、信号地必须分别布置和连接。

近来的观点是按均压、等电位的原理,将工作地,保护地和防雷地组成一个联合接地网.站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入。

进口传感器的防雷二极管也都直接接到信号地上。

5. 三防

　　一提到电子设备“三防”，人们立刻想到线路板涂三防漆，而且作为主要（如果不是唯一的话）措施来检查。这是对“三防”的片面理解。

“三防”是为提高电子产品在规定气候条件下长期工作或储存时间而采取的措施，是防止“湿热、盐雾、霉菌”对电子产品寿命的影响。

　　线路板三防首要是尽量防止机壳内空气与外面空气交换（不可能做到气密），没涂三防漆的线路板在工作4年多，拆开来看，与新的线路板无什差别。

6. 模块化设计

　　模块化设计的典型是PC104，只要用不同板型栈接起来，就可以完成预定功能。但栈接或插板方式一是检查、测试不便，二是固定也比较麻烦。我想有可能的话自己设计就可达到即节省成本，又方便使用的效果。

　　与上面的硬模块化设计相对，我想提出软模块化设计概念。即对某些通用的功能模块（如单片机、RAM、串口、ADC等）软硬件设计上，在实用中设计、验证、改进、固化，在下次需要时，拿出来稍加变动即可。

三、原理图设计

1. 元器件选择

1.1 普通逻辑器件

* 电源电压范围

　　　　CD系列电压从5V向上扩展，74HC系列由5V向下扩展。

* 输入、输出高低电平

　　　　5V、3V器件混用时需考虑，是否需加拉高电阻。

　　* 因目前的CMOS集成电路输入阻抗较高，可不需考虑过去讲的能驱动几个TTL门的扇出系数。

1.2 运放

* 单电源运放的应用

* 电源电压范围

* 输出电压范围

* 输入电压范围（某些轨到轨器件只是输出轨到轨，输入不见得能轨到轨）

1.3 A/D

* 原理：逐次比较、S-D、双积分

* 接口：并行、SPI

* 分辨率：

1.4 基准电压源

* 输出电压

* 初始精度

* 温度系数

1.5 单片机

　　单片机目前种类繁多，各有特点。我们目前应用的有以下几种：

* 各公司以8051为基础的产品

　　　此类产品价格低廉，如：80C52、AT69C2051、AT89C5X

* 原CYGNAL公司的C8051FXXX系列

　　　速度较快，带FLASH存储器，片内RAM较大、8路12位ADC。

* MSP430系列

　　　16位单片机，低功耗性能比较突出，缺点是外扩并口器件比较困难。

　　* ADmC824（MicroConverter）

AD公司推出的带24位S-D ADC的与8051兼容的单片机，价格较高，适用于要求较高的智能传感器。

2. 低功耗设计

　　功耗降低不止是延长了电池供电的设备的工作时间，关键是降低了机内温升，提高设备的MTBF。据资料介绍，在一定范围内，温度每升高10°C，器件失效率将加倍，即MTBF将下降到原来的二分之一。

2.1 选择低功耗器件

　　用CMOS器件代替TTL器件；

　　新的线性稳压芯片空载电流小于7X系列电路。

2.2 降低单片机工作频率

　　单片机功耗与工作频率成正比，在满足功能的情况下尽量降低晶体频率。

2.3 软件低功耗方式的运用

　　在外部中断能启动的单片机中在某些情况下可用软件低功耗方式。

2.4 用开关DC-DC芯片代替线性稳压电路

* 电源效率

开关DC-DC芯片电路的效率大概在80%左右，线性稳压电路的效率按12V稳到5V计算，效率只有5/12，即42%以下。

* 纹波干扰不用担心

　　　在线路板布局比较合理的情况下，DC-DC芯片稳压电路的输出波纹电压在100mV之内，满足数字电路的要求。

　　　对线性电路而言，线性电路的电源抑制比都在60db以上，即电源干扰在0.1mV以下，可满足一般要求。采取特殊措施后，干扰会更小。

　　　PC机都是开关电源，机内插板的模拟电路很多。

2.5 间歇工作方式的电源控制

　　用时钟电路定时启动（打开）工作电源。

　　工作结束前给时钟电路设置闹钟时间为下次开机时间后关闭电源。

3. 提高线性电路温度稳定性的方法

　　以前用温度补偿电路来消除温度变化对电路的影响，不但电路复杂，调整起来也特别麻烦。

* 软件测温补偿

　　　REF02 基准源的温度系数为10ppm/°C，根据其温度电压输出可校正到0.7ppm/°C。

* 高精度元件自校

　　　用高温度稳定性的元件作为基准，以消除其后的放大、转换、电源电路的随温度、时间的变化。

4. 软件校准代替电位器调整

　　由于阻容元件、电压基准的离散性，电路的转换不可能是理想的。以前是用更换器件数值或用电位器来调整，例如可用一个电位器来调整电路的放大倍数，用另一个电位器调整零点。这样不但调整麻烦（需反复调整），要达到预期效果可能两个电位器不解决问题。

　　软件校准是在输入端加上精确测量的电压，读出ADC转换后的值，在上下限附近作两次，即可计算出放大倍数（K）和零点偏移（A）。

5. 空余管脚处理

教科书和芯片资料都把不允许（输入）空余管脚悬空作为一个原则。实际工作中我们也遇到了违反这一原则而发生问题。原因是由于静电积累，可能产生我们预料不到的结果。建议按以下原则处理：

* 单一的输入管脚接地；

* 比较器、运放的输入管脚分别接电源和地；

　　以上原则推广到线路设计上即应注意：在任何情况下不允许输入线悬空。即在所有输入端加到地或电源的电阻，电阻的阻值以不影响电路性能为准。

6. 上电时控制电路状态的考虑

　　在有控制电机或电磁阀电路应注意这类问题。即在上电时单片机复位和初始化之前尚未正常工作时，不能使控制电路产生不应有的动作。

7. 电磁兼容设计

* 外部进线加RC电路，阻止对外串扰和外部干扰；

* 电感器件要加D、R、C消反压干扰电路；

* 电流变动较大的部分要与控制部分加隔离措施（电源、控制）；

* 模拟电源和数字电源之间要加RC滤波；

* 电源到地适当加滤波电容，不见得每个芯片两个；

* ADC 芯片的模拟输入端加滤波电容。

8. 运行指示灯

有单片机的电路建议加运行指示灯，调试时可作为调试工具，工作时可指示工作状态。

9. 原理图检查

　　原理图设计是电路设计的基础，原理图错误只能在初样试验中纠正。原理图检查要注意以下几点：

* 电路功能的实现；

* 逻辑关系的核对；

* 信号幅度的校验；

* 空余管脚的确认。

10. 元件库设计

　　某些新的器件现有元件库中可能没有，这就需要我们自己造。造原理图元件要注意以下几点

　　* 仔细阅读原厂资料，了解器件性能和管脚介绍；

　　* 不用的输出管脚可以不画，以减小图面面积，如以后可能用到的不在此例；

　　* 管脚排列应以功能（如AD0~7）为准，便于查看；

　　* 确定元件封装；

　　* 校核管脚号的正确性；