產品電路設計范例

作者：杭海梅 單位：蘇州工業職業技術學院

電路設計

當有了產品的排布規劃后，電子工程師開始設計電路。一般可以把電路分為兩個主要的組成部分：基本電路和重要電路?；倦娐钒恍┍粍咏M件和主動組件。被動組件包括電阻、電容、電感、二極管等；主動組件包含專用集成電路（ASIC）,中央處理器（CPU）,控制器（Controller）,內存（Memory）,傳感器（Sensor）,驅動器（driver）,邏輯芯片（LogicIC）,電源芯片（PowerIC）等。重要電路包含前端（AFE）、中央處理器專用集成電路（CPUASIC）、固件內存（FirmwareMemory）、接口（Interface）等。然后將需要要完成的電路分割成多個單元，并畫出一個能表示各個單元功能的原理框圖。在設計過程中，要考慮到可靠、經濟等因素，對每一單元電路進行可行性分析和優缺點分析。

在設計電路的過程中需要注意以下幾點：

（1）詳細擬定單元電路的性能指標以及與前后級之間的關系，分析電路的組成形式。具體制作時，可以模擬成熟的先進電路，也可以進行創新，但都必須保證性能要求。單元電路本身不僅要制作合理，各個單元之間也要互相配合，要注意各個部分的輸入信號、輸出信號以及控制信號之間的關系。

（2）組件的工作電流、電壓、頻率和功耗等參數應能滿足電路指標的要求。

（3）元器件的極限參數必須留有充裕量，一般應大于額定值的1.5倍。

摘要：針對《射頻電路基礎》課程的課堂教學內容，設計了16個學時的基于ADS軟件的實驗教學內容。相關實驗與課堂教學結合緊密、實踐性強，實施后提高了教學效果。

關鍵詞：射頻電路設計；實驗教學；先進設計系統

一、引言

近年來，隨著通信技術和計算機技術的迅猛發展，電子系統的工作頻率越來越高，射頻電路應用廣泛，國內外都嚴重缺乏從事射頻電路設計的專業人才，目前相關課程已經廣泛在國內外高校開設[1]。《射頻電路基礎》是我校在2014年通信工程專業本科培養方案中新開設的針對大三學生的限選課程，開設目的是希望通過傳授射頻電路基礎知識，為學生就業和升學提供一個“新”的方向，同時將本專業的與電路設計相關的教學內容，從《電路分析》關注的低頻領域和《高頻電子線路》關注的高頻領域，擴展到射頻領域的電路設計。本門課程的學時情況是：課堂教學32個學時，實驗教學16個學時。

二、《射頻電路基礎》的課堂教學內容

課堂教學內容分為6章：第1章講主要講述射頻電路設計的背景、射頻頻譜范圍、基本量綱和單位、無源元件的射頻特性。第2章主要講述傳輸線理論，包括等效電路模型、傳輸線方程、特性阻抗和反射系數、典型終端條件等。第3章講述史密斯圓圖，包括阻抗圓圖和導納圓圖、圓圖上的串并聯頻率響應等。第4章講授匹配網絡設計，包括各種匹配方案和匹配網絡中的帶寬問題。第5章講授多端口網絡和散射參量。第6章講授射頻放大器設計，包括射頻放大器的分類、特性指標、直流偏置電路設計、功率關系、匹配電路設計、穩定性判別等內容?？梢钥闯?，本門課程涵蓋了射頻電路設計領域的基礎概念和理論、基本設計原則和方法，課堂教學之外必須設計對應的實驗教學內容以加深學生對課程知識點的掌握，同時實驗教學中需要傳授射頻電路設計工具的使用。

三、《射頻電路基礎》的實驗教學設計

在當今電子技術行業發展過程中，對高速電路數字設計十分關注，高速數字電路是利用多個電子元件組成的，可以讓計算機高速數字電路技術進一步提高，因此在計算機中使用高速數字電路設計技術也就更加普遍。然而，在當前實際的使用中，計算機高速數字電路設計技術存在某些還未解決的問題。比如，抗阻不匹配問題、電源平面間電阻與電感的問題、信號線間距離的問題等。這都導致了計算機高速數字電路設計技術無法正常發揮功效，嚴重影響使用效率。本文對計算機高速數字電路設計技術及優化措施進行了探究與討論,希望為有關專業人士帶來一定的參考與借鑒。社會主義市場經濟的快速發展，使得我國科技水平也在不斷提高，很多高新技術的發展更是日新月異，為了在激烈的市場競爭中占據立足之地，電子技術必須緊跟時代步伐，不斷創新變革。將計算機技術與電子技術實現有效融合，才有當前的高速數字電路，它能對變化信號中所產生的電容、電感等在電路中實現高效集成，還可將電路中所產生的各類參數根據需求進行及時調整，進而使得計算機高速數字電路系統安全有效運行。在設計計算機高速電路的內容時，應該準確調整各個元件的搭配狀況，避免配合出錯，進而對電路信號造成不良影響，或是對整個電路系統的安全運行造成嚴重影響。計算機高速數字電路設計技術的應用過程當中會受到很多影響因素的干擾，所以有必要對計算機高速數字技術應用的可靠性進行提升與優化。本文首先研究了什么是高速數字電路，然后對影響計算機高速數字電路涉及技術的問題進行了詳細分析，再提出了優化計算機高速數字電路技術的有效措施，希望可以對當前計算機高速數字電路系統的工作效率提升有所幫助，從而促進電子行業的優化發展（葛敏娜，計算機高速數字電路設計技術研究，信息與電腦(理論版),2016年第2期45-46頁）。

1什么是高速數字電路

高速數字電路就是一種根據高速變化的信號，在電路中所產生的包含比如：電感、電容等模擬性質效果的電路。它主要是由分布參數系統與集中參數系統兩個系統構成。分布參數系統可被使用高速數字電路設計過程中，分布在熟悉度更靠近該系統對信號時間和其存在的位置對應的特性有關鍵性作用，因此對信號特性產生影響的關鍵因素是元器件間的信號長度，此外線路中的信號傳輸過程也會產生相應的延遲。而集中參數系統在高速數字電路技術中并不適合高速數字電路，而被普遍使用于低速數字電路設計（胡文濤，計算機高速數字電路設計技術點滴談，數字技術與應用,2015年第12期235頁）。

2影響計算機高速數字電路設計技術的問題分析

對電子設計領域來講，計算機高速數字電路設計技術的發展與研究是其重要突破，也對計算機電子技術的進一步發展優化有重要促進作用。但是，在當前階段的計算機高速數字電路設計技術發展過程中，仍舊存在很多影響嚴重的問題，下面重點討論三個方面的問題（黃一曦，計算機高速數字電路設計技術探討，山東工業技術,2016年第12期154頁）。

2.1阻抗不匹配的問題

信號傳輸線上抗阻是其關鍵因素，但是在當前階段計算機高速數字電路設計技術使用過程中，時常出現信號傳輸位置上的抗阻部匹配的問題，抗阻不匹配會導致反射噪聲的產生，反射噪聲會對信號的形成產生一定的破壞，導致信號的完整性受到嚴重影響。

一、Multisim在《數字電子技術》課程設計教學中的優勢

Multisim開放虛擬電子實驗室中提供了大量豐富的虛擬儀器儀表、元件庫，不僅為模電、數電、模數混合電路、單片機電路等提供了立體化設計平臺，更具有強大的仿真分析功能。學生可以做到邊設計邊仿真實時觀察運行結果驗證電路的合理、正確性。且排故和修改電路結構、增減元器件等也只需動動鼠標即可，省時、省力、省材。學生可以無所顧忌大膽嘗試用不同型號元器件進行不同方案的設計。提高設計效率同時激發了學生不斷探索創新的精神，設計過程充滿了挑戰和樂趣，從而使設計過程更加科學規范，提高了學生綜合分析設計能力。

二、Multisim在《數字電子技術》課程設計教學中的應用

《數字電子技術》課程設計教學通常按教師根據不同設計題目下達主要設計任務、學生收集資料、確定設計方案、設計繪制電路圖、電路制作、調試，最后撰寫設計報告等步驟進行。通常一個班級會有多個設計題目如數字鐘、交通燈、搶答器等。根據設計題目的不同將學生分為不同組，整個教學中以學生自主設計學習為主，以教師給予一定的理論知識與技能輔導為輔。Multisim主要應用在課程設計教師教學輔導和學生學習兩方面。

(一)Multisim應用在課程設計教師教學輔導中

主要體現集中教學輔導和按課題不同分組教學輔導。集中教學輔導中教師可以通過某個電路仿真設計案例的動態演示向學生講解電子產品電路的常規設計方法、電路設計過程及規范繪制電路圖的方法并使學生掌握對Multisim軟件的使用方法等。按課題不同分組教學輔導主要針對不同課題組學生對指定課題進行小組或個別教學輔導。通過對相關電路仿真案例演示，明確設計任務要求并向學生講解單元電路功能原理和總電路結構原理、設計思路和方法，以便為學生獨立設計提供幫助與參考，使學生對要設計的電子產品有系統性的認識。分組教學環境相對開放與放松，教師可以面對面對學生進行輔導。利用Multisim講解單元電路時，要突出電路的主要功能原理分析，不用象在課堂教學中講得那么詳細，否則容易束縛學生的思維，應給學生留有充分想象、思考和拓展的空間，使其具有舉一反三的能力，教師可以提供參考性的建議。

(二)Multisim應用在學生電路設計學習過程中

1逆向工程技術

逆向工程技術又稱反求工程技術，相對于傳統的正向設計工程，是一種產品設計技術的再現過程，即對某一項目標產品進行逆向分析及研究，推導得出該產品的功能特性、技術指標、組織結構等設計要素，制作出功能相近但又不完全一樣的產品。該技術的特點是能讓設計者快速消化吸收原產品優點的基礎上進行改進和創新設計，從而縮短新產品的研發時間，增強企業的競爭力，目前被廣泛應用到新產品開發和產品改型設計、產品仿制、質量分析檢測等領域。電類生產實習的過程一般是實現完整的產品流程，讓學生從市場調研、資料分析、方案設計、項目實施的全過程，了解企業電子產品的開發設計流程、生產制造工藝、成本控制、檢驗測試等產品階段，從而學習體會電子產品企業規范化、專業化的電子產品設計、開發流程及典型開發團隊中人員角色設置。大部分高校的電類專業生產實習，周期一般是3～5周，在有限的時間內讓學生完成實際產品開發任務的目的幾乎是不可能的;逆向工程技術則可有效地實現這一目標，縮短產品從設計到制造的時間，從而達到實習學生完成實際產品開發任務的目的，提高職業能力。

2典型案例應用介紹

逆向工程技術是一種非常高效的產品設計方法，經實習教研組老師和企業專業技術人員的多次交流和慎重考慮，決定在實習中引進逆向工程技術，方法是將學生按5～6人分為一個項目組，自選一個典型的現有產品作為樣品，直接對樣品進行分析，推導出產品的設計流程，從而制作出新的產品，在項目中每個成員必須承擔一定的實施角色如硬件工程師、測試工程師等，按照產品的規范開展項目管理與工程活動，每個里程碑階段開展產品模式的階段評審(原產品的分析測試階段、新產品的電路設計階段、新產品的實施階段等)，評審由實習指導老師和企業專業技術人員組成評審委員會，根據項目組出現的問題，提出改進和修改意見。在實習中，主要分成兩大部分，一是產品的逆向工程，二是新產品的再設計。

2．1產品的逆向工程

所謂產品的逆向工程技術是在對原有產品的觀察測試后，拆開產品，逐一分析單個零件的組成、功能、裝配尺寸和制造過程。在電類專業生產實習中，考慮到實習目的及效果，以及當前電子行業的整體形勢，中小功率開關電源是一個不錯的選擇，目的是通過典型應用產品(開關電源)的逆向工程，縮短產品的開發設計時間，使學生能在有限的實訓時間內達到熟練掌握實際產品的開發流程，提高工作能力。開關電源的逆向工程中，主要環節有三:一是對原有產品的參數測定及分析;二是對原有產品的PCB板進行反演，還原該產品的電路設計圖;三是原有產品的工藝分析。下面從這三個方面介紹開關電源的逆向過程:(1)原有產品的參數測定和分析。每個項目組的學生從提供的4～5種開關電源中選定要仿制的品牌，確定其參數要求，測試3～5個樣品的輸入輸出等參數，并做好相關的記錄并分析。(2)反演原有產品的PCB板，還原電路設計圖。傳統的PCB反演技術很多，一般分為抄板軟件的輔助反演過程和手工抄板。現存的抄板軟件國內主要有CBR系列、QuickPCB系列和PHOTOSHOP等，該方法仿制PCB板的過程是:給樣本PCB板照相→在抄板軟件中導入樣本PCB板的圖片→根據樣本照片繪制出PCB圖→逆向生成網絡表→把網絡表導入PCB設計軟件中，如Protel、Altiumdesigner→在PCB軟件中完成其它設計過程。對于復雜的電路板如多層電路板，可以考慮借助如上抄板軟件來實現。在實習中，考慮到產品的簡易性及鍛煉學生電路掌握能力，采取手工抄板的方式來反演。手工抄板對學生自身素質要求比較高，要求有較扎實的電路基本功，熟悉各典型單元電路的原理及功能，這樣才能游刃有余地進行抄板。對于電路板上元件較多的電路，首先將實物電路劃分為多個單元模塊，比如對一些稍復雜的電路，一般可劃分為電源模塊、采集模塊、MCU控制模塊及顯示模塊，然后針對各個模塊，找出各模塊中引腳多且起主要作用的元件，以這些元件作為核心，從其引腳開始畫圖，注意有極性元件的標志，拿不準的點用萬用表測量其相連接的元器件。手工抄板過程中一個關鍵點就是要注意單元電路的輸入、輸出端，把握好輸入輸出和核心元件，電路抄板就成功了一半。開關電源電路實物與抄板得到的原理圖對照。該開關電源是基于BP9021A設計的市電驅動型LED照明電源，主要由三個部分組成:整流濾波、恒流調節和變壓器隔離整流輸出。整流部分中的MB6S，恒流調節電路中的BP9021A，輸出部分中的變壓器，以這些元件作為核心元件，從各核心元件的引腳展開作圖，最終把各部分連通起來，實物的PCB抄板就完成了。(3)樣品的工藝分析。在產品的整體設計過程中，工藝設計也是其中重要的一個環節，它涉及產品的方方面面，如產品的結構件設計、元件的安裝工藝、PCB設計工藝等等，在開關電源中:市電輸入端，在PCB板上采用U型槽隔開，增加爬電距離;高壓和低壓部分有較大的安全距離。燈板與底座之間涂上散熱膠，通過螺釘固定，弧形的散熱鰭片加大散熱面積，散熱效率高。

2．2產品的再設計

摘要：機載設備使用了大量的離散量信號，作為各系統開關狀態信號，利用機載計算機架構，設計了傳統和新型的兩種離散量采集電路，并根據系統需求配置驅動軟件和數據管理軟件。該設計可以大大提升離散量采集的可靠性和魯棒性。

關鍵詞：機載系統；離散量；采集

1背景

隨著現代飛機飛行高度、速度、機動性和適應性的不斷提高，外界工作條件的變化也越來越復雜。飛機需要適應外界環境條件的急劇變化，這就要求飛機在急劇變化條件下的高適應性。這不僅增加了機載系統的復雜性，而且對機載產品的可靠性也提出了更高要求[1]。機載產品中的多種設備，比如計算機產品，包括航電計算機、機電管理計算機等，都使用了大量的離散量信號，離散開關量是一種離散的，分立的信號，在飛機中用于設備的輪載信號、各系統開關狀態信號（活門、狀態閥等），如果離散量信號發送問題，則會大大影響到飛機性能甚至飛行安全。機載設備中離散量信號通常分為三種類型：“地／開”、“電壓／地”和“電壓／開”，其中電壓也分為28V、15V、5V等多種形式[2]，根據實際應用，地／開離散量采集和28V/開離散量采集選用的最多，為機載設備最常用的兩種離散量信號。本文著重介紹地／開離散量采集系統的設計。

2系統及硬件設計

在機載設備中，離散量信號從各個子系統而來，匯集到某一個機載設備進行統一采集，并根據不同的系統需求進行不同的缺省狀態配置和軟件驅動配置。一般的，我們統一各個離散量信號的種類、數量以及指標后，在機載設備中進行歸一化設計，盡量采用同樣的電路形式，以便后續需求變更及擴展接口時，更容易操作。離散量信號采集系統可以采用傳統阻容網絡設計或是采用集成離散量處理芯片設計。

2.1傳統離散量采集電路設計。在對產品體積重量要求不高的條件下，可以將離散量采集電路以傳統模式進行設計，傳統模式離散量輸入接口電路主要由濾波電路、采樣電路、電平轉換及門限判斷電路、數據鎖存電路、邏輯控制電路及自測試電路等組成。濾波電路通過濾波電容濾除輸入信號線上疊加的毛刺。采樣電路由電阻網絡構成，它將接收到的信號轉變為一個TTL兼容邏輯電平，同時，也提供一定的過應力保護能力。數據鎖存電路提供一個隔離和增強總線驅動能力，利用芯片具有的施密特特性對信號消顫平滑。邏輯控制電路對接收地址總線的指令及使能等信號進行譯碼控制，按照系統要求進行多組及多路離散量信號的采集。自測試電路按系統要求執行電路采集的自測試功能。根據CPU系統總線寬度的不同，每次可直接向CPU提供多個通道的離散量狀態數據，供CPU處理。

摘要：本文闡述了基于ARM架構的i.MX287設計的一種新型汽車監控終端系統，移植并構建了嵌入式的Linux系統，在Ubuntu環境下進行底層驅動程序和應用程序設計，通過交叉編譯生成目標文件，然后燒寫到目標板上運行。該系統具有數字化、小型化、易于編程和調試、運行穩定等特點。本文詳細介紹了該系統硬件設計、軟件驅動、應用程序的基本原理及具體實現方案和最終測試結果。該終端系統通過了高低溫、潮濕、震蕩、電磁兼容等環境試驗，運行平穩無故障出現，顯示了良好的工作性能和環境適應能力。

關鍵詞：i.MX287；汽車監控終端；Linux驅動；內核

1概述

近年來各家車企紛紛在自家量產車型上配置車載終端，期望實現對車輛的遠程監控，以便及時掌握車輛的故障情況和運行狀態，對于單個用戶來說通過手機APP就可以查看這些信息，國家對此也出臺了相應的管理規定[1]，但是對于多種不同廠家不同型號的車輛管理起來就顯得捉襟見肘了，另外對于一些沒有配置車載終端的車型也很難統一遠程調度管理。為了滿足這種需求，本文設計實現了一種新型的汽車監控終端系統，可以無縫銜接各類車型。

2系統硬件設計

2.1系統整體設計。監控終端采用明遠智睿公司的MYZR-IMX28-CB142核心板，CPU為NXP的i.MX287，主頻454MHz，內存128MBDDR2-400存儲128MBNandFlash，郵票孔結構，搭載自研的底板，擴展了各種功能模塊，底板上采用中科微電子的ATGM332D-5N導航定位模塊來獲取GPS、北斗等衛星導航系統的衛星信號，實現聯合定位、導航與授時；采用廣和通公司的NL668無線通訊模塊實現車聯網；采用免驅的USB攝像頭獲取車內圖像信息[2]；通過OBD轉接線連接車輛的CAN總線；通過GPIO外接DS18B20溫度傳感器感知車內實時溫度[3]；通過GPIO外接MQ2煙霧氣敏傳感器感知車內有害氣體濃度[4]；另外底板上預留了一路RS232調試串口、一路RS485工業總線、一路百兆以太網RJ45口。系統總體結構組成框圖如圖1所示。限于篇幅，下面僅對底板上電源電路、定位模塊電路、網口電路、CAN總線保護電路的設計進行說明。

2.2電源電路設計。首先電源來源，對于乘用車可以直接從點煙器處取電，對于試驗車可以從底盤供電線纜處取電。電路設計支持9~50V寬電壓輸入，通過高效率的DC/DC變壓器UW2405D-20W，轉成5V直流穩壓為終端設備供電，再通過RT8010將5V降壓到3.3V輸出，電路設計如圖2所示。

摘要：

分析電動汽車恒流恒壓充電法、三段式充電法和脈沖式充電法的缺點，設計一種電動汽車自適應快速直流充電系統。電動汽車充電模塊功率變換系統采用模塊化結構，由18只3kW的小模塊并聯而成，各功率模塊由內部單片機進行控制，再由計算機主機統一通過串口控制。測試結果表明，系統能夠根據檢測到的電池組充電狀態，自適應調整充電電流的大小及脈寬，發揮電池最大接收電流的能力，達到快速充電的目的。

關鍵詞：

電動汽車；自適應；快速充電；模塊化；電流脈寬

0引言

隨著石化能源的日益減少以及價格的不斷上漲，新能源電動汽車由于其零排放、耗能低等優異特點，倍受各方關注。然而電動汽車電池的快速充電一直是阻礙其發展的瓶頸。目前對電動汽車電池的充電方式有：1）恒流恒壓充電法，先以恒定電流充電到額定值，然后改為恒定電壓，完成剩余的充電過程；2）三段式充電法，先以恒定電流充電到額定電壓，然后改為恒定電壓充電到額定的電流值，最后改為涓流充電到結束；3）脈沖式充電法，用固定寬度的脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充固定時間，再以固定寬度的脈沖電流對電池充電，如此反復循環，直到充滿。以上三種充電方式存在共同的缺點是充電的電流不能太大，因而充電的速度不快［12］。電動汽車自適應快速直流充電系統則能夠在電動汽車充電之前，對電動汽車的電池組狀態進行檢測，利用單片機控制充電系統的充電電流大小及電流的脈寬進行充電，并實時檢測充電狀態，及時調整充電電流的大小及充電電流的脈寬，自適應發揮電池最大接收電流的能力，從而達到對電動汽車快速充電的目的［35］。

1系統總體設計