电子设计技术绪论

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一、电子技术及其应用领域1、电子技术的发展
       电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。是20世纪发展的新兴学科：
      1906年电子管的发明翻开了电子技术发展史的第一页，它开创了无线电通讯技术，像收音机、电视机、雷达等现代通讯设备相继问世。习惯，称电子技术为无线电技术。
      1948年晶体管的诞生，因体积小、重量轻、功耗低、寿命长而逐步取代了电子管。
      1958年集成电路的制造，即在一小块硅片上制成包含若干晶体管、阻容元件的电路，使电子技术的发展进入一个新阶段。
      1946年首次用电子管制成的计算机，体积达90m3，重30吨，现在在一个6mm2的芯片上即可实现。
      电子技术与传统学科相交叉，形成许多新的边缘学科，如机械电子学、光电子学、医疗工程电子学等，它们在性能、精度、自动化、智能化等方面都有许多新突破。


2、电子技术的应用领域——无处不在，无处没有
  （1）家电领域：洗衣机、电冰箱、空调、电风扇、微波炉、电视机、收音机、音响、VCD、DVD、玩具等；
  （2）办公自动化领域：打印机、绘图仪、复印机、传真机、电话、手机、考勤机等；
  （3）商业营销领域：电子秤、收款机、条形码阅读器、仓储安监系统、空气调节；
  （4）工业自动化领域：工业过程控制、过程监测、工业控制器、机床控制、机器人、数据采集系统；
  （5）智能仪器仪表：智能化示波器、智能化电压表、智能化扫描仪；
  （6）汽车电子与航空航天电子系统：动力监测系统、自动驾驭系统、通信系统、运行监视器（黑匣子）等。
  （7）军事领域：远程制导、雷达跟踪等等。


二、电子设计领域
    电子系统就是由半导体元器件作为基本构成，由若干相互联接、相互作用的基本组成电路的具有特定功能的电路整体。如：模拟（集成）电路、数字（集成）电路、模拟-数字混合集成电路等。 在许多情况下，电子系统必须与其他物理系统（非电量的检测）相结合，才能构成完整的实用系统。如：VCD系统、炉温控制系统等。

1、模拟电子技术：模拟量、模拟信号、模拟电路
         （1）信号放大电路；
         （2）功率输出电路；
         （3）信号调理电路；
         （4）信号发生电路；
         （5）小功率直流稳压电源；


2、数字电子技术：数字量、数字信号、数字电路
           （1）逻辑门；
           （2）组合逻辑电路；
           （3）时序逻辑电路；
           （4）波形发生与变换电路；

3、模数混合技术：既有模拟信号又有数字信号的混合电路
            （1）555定时器；
            （2）8038多功能函数发生器；
            （3） A/D转换；
            （4）D/A转换；等。


三、电子设计技术的发展
1、从功能固定的电子器件到可编程器件
          传统的电子器件都是功能固定的，如二极管、三极管、集成芯片、电阻、电容等；传统的电子电路设计都是用“固定功能器件加连接线”，连接线包括导线、印制板、面包板、接插件等；设计以“器件”为中心 ：设计者在设计一个电路系统时首先想到的是手头有哪些元器件，市场上能买到哪些元器件，设计思路只能局限在已有的元器件范围内。一般不可能自己构思和制造元器件。单片机及其相关接口电路的出现使电子电路的设计产生了一次飞跃：能通过执行程序获得各种运算功能；能通过写入控制字改变接口芯片功能。使电子电路的设计灵活性得到了极大地提高。高密度、可编程器件的开发应用，使设计者只要拥有一片FPGA/CPLD芯片，应用计算机及其开发软件就可以将设计的电路系统做成专用集成电路芯片(ASIC)，硬件的设计、修改和重构就如同设计软件一样灵活和方便。


2、从传统的电子电路设计方法到EDA技术
    传统的电子电路设计方法是将各种固定功能的集成电路芯片、晶体管、电阻、电容等电子元件，通过引线或印刷电路板的连接构成电路系统。现代电子设计方法以可编程器件为基片，使用计算机，通过软件编程对芯片的结构和数据进行构造，还可以在线仿真、测试和编程下载，称为电子设计自动化(EDA----Electronic Design Automation)技术。电子设计自动化EDA是一门综合技术，是从CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)、CAE(计算机辅助工程)的概念发展起来的。EDA技术是以计算机为工具，通过EDA软件平台，以原理图、状态图、硬件描述语言(HDL)进行电路描述，软件自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合和优化、布局布线、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，将若干电路甚至一个系统制作在一个可编程逻辑器件上。


3、EDA技术的特点
（1）采用原理图、状态图和硬件描述语言输入；
（2）库(Library)的引入；
（3）设计文档的管理；
（4）强大的系统建模、电路仿真功能；
（5）具有自主知识产权；
（6）开发技术的标准化；
（7）适用于高效率的自顶向下设计方法；
（8）全方位利用计算机进行自动设计、仿真和测试技术；
（9）对设计者的议案见知识和硬件经验要求低；
（10）高速性能好。


四、电子电路设计的基本问题
（一）电子电路设计方案的选择方法
     对于一个电子设计任务，入手的问题就是规划多种设计方案，并从中选择一种实施方案。对没有经过仔细论证的设计方案盲目下手设计，往往会在设计过程中走弯路，或半途而废，或推倒重来，或达不到预期效果，一般，设计入手时：
       1、认真分析设计要求，找出设计对象主要功能和指标实现的原理和方法；
       2、收集、阅读相关资料；资料掌握越多，越能心中有数；
       3、比较各种现有资料或方案，构思适合自己任务的各种方案，在实现基本任务要求的前提下力争在实现原理、方法、电路、性能上有突破；
       4、权衡各方面的利弊，选择一种最终的实现方案。
      如：方案的优劣、性能可靠性、抗干扰、货源、价格、体积、设计工作量、熟悉程度等。


（二）元器件的选择
       元器件的选择是电子设计的重要问题，传统设计方法一般采用自底向上的设计方法，从单元电路到模块电路再到小系统电路，每一步都是从元器件出发的，没有元器件就没有电路。电子元器件种类繁多，且新产品、新型号层出不穷，对元器件的品种、型号、功能、价格等资料掌握越多，设计的主动权和方向感越强。一般考虑如下因素：
1、根据电路原理选择器件品种；
2、根据电路性能选择器件型号和参数；
3、根据电路应用环境选择器件体积、重量、大小等；
4、根据设计对象的性能和成本要求选择器件档次；
5、尽量使用集成电路，少用分立元件电路。


（三）单元电路之间的级联

       各级单元电路之间级联构成总体电路，级联过程中必须考虑：

       1、电气特性的匹配问题。电气特性主要是指阻抗、线性范围、负载能力、高低电平。其中阻抗和线性范围主要针对模拟电路，高低电平主要针对数字电路，负载能力匹配则数字电路和模拟电路都存在。
       2、常用的连接方式。有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合、接口电路耦合五种方式。


五、电子电路的安装与调试
    电子电路安装布局分电子装置整体布局和电路板上元器件布局。

（一）整体结构布局
整体结构布局是空间布局问题，应从全局出发决定电子装置各部分的空间位置，一般没有固定模式，可以从以下几方面考虑：
1、注意电子装置的重心平衡与稳定；
2、注意发热部件的通风散热；
3、注意发热部件的热干扰；
4、注意电磁干扰对电路正常工作的影响；
5、注意电路板的分块与布置；
6、注意连线的相互影响；
7、操作按钮、调节按钮、指示器、显示器等应安装在装置面板上；
8、注意安装、调试、维护的方便；
9、尽可能注意整体布局的美观。


（二）元器件在电路板上布局
元器件组装在电路板上，其组装方式通常有两种：插接方式和焊接方式。不论哪种组装方式，必须考虑器件在电路板上的结构布局问题，一般有以下原则：
1、首先布置主电路的集成块和晶体管，且按主电路信号流的顺序布置各级的集成块和晶体管；
2、按级就近布置其它元器件(电阻、电容、二极管等) ；
3、第一级输入线与末级输出线、强电流线与弱电流线、高频线与低频线等分开布局，且间距足够以避免相互干扰；
4、合理布置电路公共端，各级的地不直接相连，但又要接到同一公共点，模拟地与数字地相隔离。


（三）电路的调试
电子电路调试是电路设计的关键环节，是理论与实践相结合的关键阶段。电子电路的调试方法分：分块调试和整体调试。
无论分块还是整体调试，电子电路的调试大致分为六步骤：
1、调试准备——检查电路（是否短路、极性是否接反、是否可靠等）；
2、通电观察——是否烧保险、是否冒烟、是否有异味、是否过烫等；
3、静态调试——静态工作点是否正常或合理等；
4、动态调试——输出信号是否符合要求等；
5、指标测试——是否达到设计技术指标等。