电路设计与制作起步

电路设计与制作起步欢迎进入电路设计与制作的世界。一个有头脑的电路设计者，一套完备的电路仿真与设计软件，一套硬件电路制作所需的仪器、工具和器件是电路设计与制作的3个基本要素。一块制作完成并调试成功的电路板，哪怕其功能很简单也会是电路设计者手中最值得欣赏的成果。学习目标：熟悉电路设计的一般性过程。初步学习电路仿真与设计软件。学习电路板的设计与制作过程。了解电路的调试。1.1电路设计与电路图电路设计前奏电路设计手工绘制电路图电路，就是由若干相互连接、相互作用的基本电子器件组成的具有特定功能的电子系统。一支发光二极管、一个电池和一个开关组成了世界上最简单的电路，如图1-1所示。图1-1世界上最简单的电路虽然图1-1所示的电路只能作为小学生的科技实验，但它却揭示了电路的3个要素——基本器件、相互连接与实现特定功能。图1-1所示的功能很简单，就是在开关S1闭合时，发光二极管DS1发光，反之则熄灭。这样简单的电路也是小学生们设计的成果，如果他们把设计的思路用电路图的形式绘制下来，那么他们就是一名“小电路设计师”了。接下来，我们开始学习电路设计的深入知识。1.1.1电路设计前奏在进行电路设计之前，十分重要的一点就是对电路的功能进行规划。也就是说，先不电路设计与制作·2·2去理会电路的复杂性和电路形式、电子器件的选择等问题，而对电路系统所要完成的功能进行一个详细而清晰的设计。举一个例子，在采集声音信号的过程中，我们只关心低频的声音信号，而高频噪声的存在会影响分析的效果。这时，可以设计一个低通滤波器。该滤波器所要实现的完整功能如下所示：截止频率为1.5kHz。增益为20dB。虽然只有简单的两点功能，但这却是着手进行该电路设计和电路板制作加工的指导思想。如图1-2所示，用方框代表了未来将要设计的电路，而电路的输入输出信号是已知的。这些方框还需要进一步的设计，所以它现在只是一个“黑匣子”。低通滤波器放大器图1-2低通滤波器的功能框图1.1.2电路设计电路设计是一项需要综合思维能力的工作。对于初学者来说，想迅速成为电路设计的高手就必须从一个个基本的、简单的电路入手，对这些电路的原理和电路形式有较好的掌握。这样，在复杂电子系统的电路设计过程中才会做到有的放矢、游刃有余。目前，电路的种类主要有以下3种：模拟电路。数字电路。模数混合电路。模拟电路包括放大器、振荡器、滤波器、信号运算与处理电路、信号发生器等；数字电路包括逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、存储器、可编程逻辑器件、A/D和A/D器件等。但是，单纯使用模拟电路或数字电路的场合已经不多了，比如在单片机、DSP等系统中，有机地集合了数字与模拟器件。典型的例子还有电源电路和电子通信电路，其中由数字IC和电容、电感、电阻等外围器件组成的电路解决了越来越多的工程实际问题。所以，要想成为一名熟练的、有经验的电路设计师，需要经过长时间的电路知识的积累。如果读者感觉个人能力有限，可以选择一块自己感兴趣的领域，比如滤波器或CPLD等的一个方向进行深入而系统的研究，同时兼顾了解其他方面的电路就可以了。一些有经验的老工程师可能对模拟、数字电路很熟悉，原因是模拟电路的发展伴随着他们的成长；此外，年轻一些的设计师们可能对单片机控制电路轻车熟路，因为单片机在20世纪80年代后蓬勃发展；而有一批更年轻的电子设计师，他们很容易就驾驭DSP系统和嵌入式系统，这是因为20世纪90年代后，随着计算机的普及和编程技术的发展，电路的功能被极大地复杂化和可控化，年轻一代对以往电路就是硬件的概念已经不再满足，他们希望能在一块电路设计与制作起步·3·3PCB板上随着人的意志做一些更灵活的事情。从图1-3所示的电子技术的发展史中，不但可以了解各种电路的出现和发展时期，还可以根据个人的喜好，选择研究方向。1904年弗莱明制成了电子二极管1948年美国贝尔实验室发明晶体管1958年Kilby在TI发明了集成电路1960年小规模集成电路时代1966年中规模集成电路时代1969年大规模集成电路时代1975年超大规模集成电路时代、单片机初级阶段1976年低性能单片机阶段1978年高性能单片机阶段1980年DSP雏形1982年16位、32位单片机出现1990年DSP成熟、ARM出现2002年ARM快速发展阶段2000年DSP完善、ARM继续发展2001年DSP普及应用……图1-3电子技术发展史通过对现有的电路种类和形式的介绍，我们在前面提出来的任务可以使用模拟电路的知识加以解决。关于具体的电路知识可参考笔者的另一本书《电子设计从零开始》，其中有较详细和系统的介绍。1.1.3手工绘制电路图在没有学习任何电路设计和绘制的软件之前，要把设计思路记录下来的最好办法就是用笔把思考的过程画下来。即使学会使用电路设计的辅助软件，用笔对系统的模块和电路形式进行初步设计也是一个很好的习惯。通过参考资料并结合自己的思考，我们得到了实现图1-2所示功能的电路，用笔对电路图进行描绘，如图1-4所示。电路设计与制作·4·4图1-4手工绘制的电路图图1-4中，由R1和C1构成了一个低通滤波器，它的截止频率与设计的一致。由U1LM324构成的同相放大器，可以实现20dB增益的功能。我们将会在下面的内容中谈谈如何验证图1-4所示电路的正确性。1.2电路的仿真仿真工具电路仿真电路仿真就是把设计好的电路图通过仿真软件的用户界面“输入”到计算机中，计算机通过分析电路的连接和功能把电路的“输出”通过不同的形式显示出来。更简单地说，如果有图1-4所示的电路图，可以把它“输入”计算机中，通过计算机对电路的连接和器件之间的相互作用进行分析处理后，结合输入信号的波形，在电路的输出端得到输出信号。该信号可以用虚拟的仪器如虚拟示波器来观察。仿真使我们可以不用实际搭接电路也能对电路进行在线分析，这就是仿真的意义所在。1.2.1仿真工具随着计算机在国内的逐渐普及，电子设计自动化软件（EDA软件）在电子行业的应用也越来越广泛，但和发达国家相比，我国的电子设计水平仍然存在着相当大的差距。以下是一些国内最为常用的EDA软件。Protel：Protel是Protel公司在20世纪80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件。它较早在我国获得使用，其普及率也最高，几乎所有的电子公司都要用到它。早期的Protel主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，功能较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低。而现今的Protel已发展到Protel2004，它工作在Windows环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统。它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计、印制电路板自动布线、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户机/服务器）体系结构，同时还兼容一些其他设计软件的文件格式，如OrCAD、PSpice、Excel电路设计与制作起步·5·5等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。想更多地了解Protel2004的软件功能可访问它的站点：。OrCAD：OrCAD是由OrCAD公司于20世纪80年代末推出的EDA软件，它是世界上使用最广泛的EDA软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它。相对于其他EDA软件而言，它的功能也是最强大的。由于OrCAD软件使用了软件狗防盗版，因此在国内它并不普及，知名度也比不上Protel，只有少数的电子设计者在使用它。它进入国内是在计算机刚开始普及的1994年，早在工作于DOS环境下的OrCAD4.0，它就集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能，而且其界面友好、直观，元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，故它在世界上一直是EAD软件中的首选。对OrCAD有兴趣的读者可以去访问它的站点：、。PSpice：PSpice是较早出现的EDA软件之一，是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）是由美国加州大学伯克利分校于1972年开发的电路仿真程序。随后，其版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。目前微机上广泛使用的PSpice是由美国MicroSim公司开发并于1985年首次推出的。SPICE有工业版（Productionversion）和教学版（Evaluationversion）之分。整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑和波形图等几个部分组成，使用时是一个整体，但各个部分各有各的窗口。PSpice发展至今，已被并入OrCAD，成为OrCAD-PSpice，但PSpice仍然单独销售和使用，它的网址与OrCAD公司一样。ElectronicsWorkbench：ElectronicsWorkbench是NI公司的一个电路仿真系列软件。这个系列经历了EWB5.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8的升级过程。EWB5.0相对其他EDA软件而言，是个较小巧的软件，只有16MB；功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真；但它的仿真功能十分强大，可以几乎100％地仿真出真实电路的结果，而且在其桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器和逻辑转换器等工具，其器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入。在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，其工作界面也非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以熟练地使用该软件。对于电子设计工作者来说，EWB是个极好的EDA工具，许多电路无须动用烙铁就可得知其结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，也只需单击鼠标即可。EWB可以作为电学知识的辅助教学软件，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被OrCAD或Protel读取的格式，由于EWB所占硬盘空间小，而且直接复制到别的机器上就可以使用，因此在盗版横行的国内它正以极快的速度在电子行业普及。目前，在NI公司的EWB系列软件中，Multisim8是最高的版本，功能较以前的版本有很大的提高。在本书中，我们主要使用Multisim8来对电路进行仿真。图1-5所示是Multisim8的工作界面，其中分成了工具栏、设计工具箱、电路窗口、电子数据表和状态栏等几部分。电路设计与制作·6·6图1-5Multisim8工作界面WINBOARD、WINDRAFT和IVEX-SPICE：WINDRAFT和WINBOARD是IVEX公司于1994年推出的电原理图绘制与印刷电路板设计软件，由于它们推出的时间较晚，因此一开始就是工作在Windows平台上。它们的文件很小，WINDRAFT和WINBOARD的安装盘都是两张软盘。其中WINDRAFT是用于电原理图绘制，WINBOARD用于印制电路板设计，其界面都直观友好，可以很快就学会操作。它们的功能并不多，WINBOARD设计印制电路板时也只能手工布线，但由于它们的易学易用性，仍有部分电子设计工作者使用。IVEX公司在其后也不断地升级它的软件，对IVEX公司有兴趣或想下载IVEX-SPICE测试版的读者可访问这个站点：。EDA2002：这是一个纯国产的EDA软件，主要应用于电子线路图、印刷电路板和电气工程图的计算机辅助自动化设计。该软件具有完整的绘图、输出、建库、自动化布局布线、设计优化、标准化等功能。它即