产品电路设计范例

作者：杭海梅 单位：苏州工业职业技术学院

电路设计

当有了产品的排布规划后，电子工程师开始设计电路。一般可以把电路分为两个主要的组成部分：基本电路和重要电路。基本电路包含一些被动组件和主动组件。被动组件包括电阻、电容、电感、二极管等；主动组件包含专用集成电路（ASIC）,中央处理器（CPU）,控制器（Controller）,内存（Memory）,传感器（Sensor）,驱动器（driver）,逻辑芯片（LogicIC）,电源芯片（PowerIC）等。重要电路包含前端（AFE）、中央处理器专用集成电路（CPUASIC）、固件内存（FirmwareMemory）、接口（Interface）等。然后将需要要完成的电路分割成多个单元，并画出一个能表示各个单元功能的原理框图。在设计过程中，要考虑到可靠、经济等因素，对每一单元电路进行可行性分析和优缺点分析。

在设计电路的过程中需要注意以下几点：

（1）详细拟定单元电路的性能指标以及与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体制作时，可以模拟成熟的先进电路，也可以进行创新，但都必须保证性能要求。单元电路本身不仅要制作合理，各个单元之间也要互相配合，要注意各个部分的输入信号、输出信号以及控制信号之间的关系。

（2）组件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求。

（3）元器件的极限参数必须留有充裕量，一般应大于额定值的1.5倍。

在当今电子技术行业发展过程中，对高速电路数字设计十分关注，高速数字电路是利用多个电子元件组成的，可以让计算机高速数字电路技术进一步提高，因此在计算机中使用高速数字电路设计技术也就更加普遍。然而，在当前实际的使用中，计算机高速数字电路设计技术存在某些还未解决的问题。比如，抗阻不匹配问题、电源平面间电阻与电感的问题、信号线间距离的问题等。这都导致了计算机高速数字电路设计技术无法正常发挥功效，严重影响使用效率。本文对计算机高速数字电路设计技术及优化措施进行了探究与讨论,希望为有关专业人士带来一定的参考与借鉴。社会主义市场经济的快速发展，使得我国科技水平也在不断提高，很多高新技术的发展更是日新月异，为了在激烈的市场竞争中占据立足之地，电子技术必须紧跟时代步伐，不断创新变革。将计算机技术与电子技术实现有效融合，才有当前的高速数字电路，它能对变化信号中所产生的电容、电感等在电路中实现高效集成，还可将电路中所产生的各类参数根据需求进行及时调整，进而使得计算机高速数字电路系统安全有效运行。在设计计算机高速电路的内容时，应该准确调整各个元件的搭配状况，避免配合出错，进而对电路信号造成不良影响，或是对整个电路系统的安全运行造成严重影响。计算机高速数字电路设计技术的应用过程当中会受到很多影响因素的干扰，所以有必要对计算机高速数字技术应用的可靠性进行提升与优化。本文首先研究了什么是高速数字电路，然后对影响计算机高速数字电路涉及技术的问题进行了详细分析，再提出了优化计算机高速数字电路技术的有效措施，希望可以对当前计算机高速数字电路系统的工作效率提升有所帮助，从而促进电子行业的优化发展（葛敏娜，计算机高速数字电路设计技术研究，信息与电脑(理论版),2016年第2期45-46页）。

1什么是高速数字电路

高速数字电路就是一种根据高速变化的信号，在电路中所产生的包含比如：电感、电容等模拟性质效果的电路。它主要是由分布参数系统与集中参数系统两个系统构成。分布参数系统可被使用高速数字电路设计过程中，分布在熟悉度更靠近该系统对信号时间和其存在的位置对应的特性有关键性作用，因此对信号特性产生影响的关键因素是元器件间的信号长度，此外线路中的信号传输过程也会产生相应的延迟。而集中参数系统在高速数字电路技术中并不适合高速数字电路，而被普遍使用于低速数字电路设计（胡文涛，计算机高速数字电路设计技术点滴谈，数字技术与应用,2015年第12期235页）。

2影响计算机高速数字电路设计技术的问题分析

对电子设计领域来讲，计算机高速数字电路设计技术的发展与研究是其重要突破，也对计算机电子技术的进一步发展优化有重要促进作用。但是，在当前阶段的计算机高速数字电路设计技术发展过程中，仍旧存在很多影响严重的问题，下面重点讨论三个方面的问题（黄一曦，计算机高速数字电路设计技术探讨，山东工业技术,2016年第12期154页）。

2.1阻抗不匹配的问题

信号传输线上抗阻是其关键因素，但是在当前阶段计算机高速数字电路设计技术使用过程中，时常出现信号传输位置上的抗阻部匹配的问题，抗阻不匹配会导致反射噪声的产生，反射噪声会对信号的形成产生一定的破坏，导致信号的完整性受到严重影响。

摘要：针对《射频电路基础》课程的课堂教学内容，设计了16个学时的基于ADS软件的实验教学内容。相关实验与课堂教学结合紧密、实践性强，实施后提高了教学效果。

关键词：射频电路设计；实验教学；先进设计系统

一、引言

近年来，随着通信技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的工作频率越来越高，射频电路应用广泛，国内外都严重缺乏从事射频电路设计的专业人才，目前相关课程已经广泛在国内外高校开设[1]。《射频电路基础》是我校在2014年通信工程专业本科培养方案中新开设的针对大三学生的限选课程，开设目的是希望通过传授射频电路基础知识，为学生就业和升学提供一个“新”的方向，同时将本专业的与电路设计相关的教学内容，从《电路分析》关注的低频领域和《高频电子线路》关注的高频领域，扩展到射频领域的电路设计。本门课程的学时情况是：课堂教学32个学时，实验教学16个学时。

二、《射频电路基础》的课堂教学内容

课堂教学内容分为6章：第1章讲主要讲述射频电路设计的背景、射频频谱范围、基本量纲和单位、无源元件的射频特性。第2章主要讲述传输线理论，包括等效电路模型、传输线方程、特性阻抗和反射系数、典型终端条件等。第3章讲述史密斯圆图，包括阻抗圆图和导纳圆图、圆图上的串并联频率响应等。第4章讲授匹配网络设计，包括各种匹配方案和匹配网络中的带宽问题。第5章讲授多端口网络和散射参量。第6章讲授射频放大器设计，包括射频放大器的分类、特性指标、直流偏置电路设计、功率关系、匹配电路设计、稳定性判别等内容。可以看出，本门课程涵盖了射频电路设计领域的基础概念和理论、基本设计原则和方法，课堂教学之外必须设计对应的实验教学内容以加深学生对课程知识点的掌握，同时实验教学中需要传授射频电路设计工具的使用。

三、《射频电路基础》的实验教学设计

一、Multisim在《数字电子技术》课程设计教学中的优势

Multisim开放虚拟电子实验室中提供了大量丰富的虚拟仪器仪表、元件库，不仅为模电、数电、模数混合电路、单片机电路等提供了立体化设计平台，更具有强大的仿真分析功能。学生可以做到边设计边仿真实时观察运行结果验证电路的合理、正确性。且排故和修改电路结构、增减元器件等也只需动动鼠标即可，省时、省力、省材。学生可以无所顾忌大胆尝试用不同型号元器件进行不同方案的设计。提高设计效率同时激发了学生不断探索创新的精神，设计过程充满了挑战和乐趣，从而使设计过程更加科学规范，提高了学生综合分析设计能力。

二、Multisim在《数字电子技术》课程设计教学中的应用

《数字电子技术》课程设计教学通常按教师根据不同设计题目下达主要设计任务、学生收集资料、确定设计方案、设计绘制电路图、电路制作、调试，最后撰写设计报告等步骤进行。通常一个班级会有多个设计题目如数字钟、交通灯、抢答器等。根据设计题目的不同将学生分为不同组，整个教学中以学生自主设计学习为主，以教师给予一定的理论知识与技能辅导为辅。Multisim主要应用在课程设计教师教学辅导和学生学习两方面。

(一)Multisim应用在课程设计教师教学辅导中

主要体现集中教学辅导和按课题不同分组教学辅导。集中教学辅导中教师可以通过某个电路仿真设计案例的动态演示向学生讲解电子产品电路的常规设计方法、电路设计过程及规范绘制电路图的方法并使学生掌握对Multisim软件的使用方法等。按课题不同分组教学辅导主要针对不同课题组学生对指定课题进行小组或个别教学辅导。通过对相关电路仿真案例演示，明确设计任务要求并向学生讲解单元电路功能原理和总电路结构原理、设计思路和方法，以便为学生独立设计提供帮助与参考，使学生对要设计的电子产品有系统性的认识。分组教学环境相对开放与放松，教师可以面对面对学生进行辅导。利用Multisim讲解单元电路时，要突出电路的主要功能原理分析，不用象在课堂教学中讲得那么详细，否则容易束缚学生的思维，应给学生留有充分想象、思考和拓展的空间，使其具有举一反三的能力，教师可以提供参考性的建议。

(二)Multisim应用在学生电路设计学习过程中

摘要：机载设备使用了大量的离散量信号，作为各系统开关状态信号，利用机载计算机架构，设计了传统和新型的两种离散量采集电路，并根据系统需求配置驱动软件和数据管理软件。该设计可以大大提升离散量采集的可靠性和鲁棒性。

关键词：机载系统；离散量；采集

1背景

随着现代飞机飞行高度、速度、机动性和适应性的不断提高，外界工作条件的变化也越来越复杂。飞机需要适应外界环境条件的急剧变化，这就要求飞机在急剧变化条件下的高适应性。这不仅增加了机载系统的复杂性，而且对机载产品的可靠性也提出了更高要求[1]。机载产品中的多种设备，比如计算机产品，包括航电计算机、机电管理计算机等，都使用了大量的离散量信号，离散开关量是一种离散的，分立的信号，在飞机中用于设备的轮载信号、各系统开关状态信号（活门、状态阀等），如果离散量信号发送问题，则会大大影响到飞机性能甚至飞行安全。机载设备中离散量信号通常分为三种类型：“地／开”、“电压／地”和“电压／开”，其中电压也分为28V、15V、5V等多种形式[2]，根据实际应用，地／开离散量采集和28V/开离散量采集选用的最多，为机载设备最常用的两种离散量信号。本文着重介绍地／开离散量采集系统的设计。

2系统及硬件设计

在机载设备中，离散量信号从各个子系统而来，汇集到某一个机载设备进行统一采集，并根据不同的系统需求进行不同的缺省状态配置和软件驱动配置。一般的，我们统一各个离散量信号的种类、数量以及指标后，在机载设备中进行归一化设计，尽量采用同样的电路形式，以便后续需求变更及扩展接口时，更容易操作。离散量信号采集系统可以采用传统阻容网络设计或是采用集成离散量处理芯片设计。

2.1传统离散量采集电路设计。在对产品体积重量要求不高的条件下，可以将离散量采集电路以传统模式进行设计，传统模式离散量输入接口电路主要由滤波电路、采样电路、电平转换及门限判断电路、数据锁存电路、逻辑控制电路及自测试电路等组成。滤波电路通过滤波电容滤除输入信号线上叠加的毛刺。采样电路由电阻网络构成，它将接收到的信号转变为一个TTL兼容逻辑电平，同时，也提供一定的过应力保护能力。数据锁存电路提供一个隔离和增强总线驱动能力，利用芯片具有的施密特特性对信号消颤平滑。逻辑控制电路对接收地址总线的指令及使能等信号进行译码控制，按照系统要求进行多组及多路离散量信号的采集。自测试电路按系统要求执行电路采集的自测试功能。根据CPU系统总线宽度的不同，每次可直接向CPU提供多个通道的离散量状态数据，供CPU处理。

1逆向工程技术

逆向工程技术又称反求工程技术，相对于传统的正向设计工程，是一种产品设计技术的再现过程，即对某一项目标产品进行逆向分析及研究，推导得出该产品的功能特性、技术指标、组织结构等设计要素，制作出功能相近但又不完全一样的产品。该技术的特点是能让设计者快速消化吸收原产品优点的基础上进行改进和创新设计，从而缩短新产品的研发时间，增强企业的竞争力，目前被广泛应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域。电类生产实习的过程一般是实现完整的产品流程，让学生从市场调研、资料分析、方案设计、项目实施的全过程，了解企业电子产品的开发设计流程、生产制造工艺、成本控制、检验测试等产品阶段，从而学习体会电子产品企业规范化、专业化的电子产品设计、开发流程及典型开发团队中人员角色设置。大部分高校的电类专业生产实习，周期一般是3～5周，在有限的时间内让学生完成实际产品开发任务的目的几乎是不可能的;逆向工程技术则可有效地实现这一目标，缩短产品从设计到制造的时间，从而达到实习学生完成实际产品开发任务的目的，提高职业能力。

2典型案例应用介绍

逆向工程技术是一种非常高效的产品设计方法，经实习教研组老师和企业专业技术人员的多次交流和慎重考虑，决定在实习中引进逆向工程技术，方法是将学生按5～6人分为一个项目组，自选一个典型的现有产品作为样品，直接对样品进行分析，推导出产品的设计流程，从而制作出新的产品，在项目中每个成员必须承担一定的实施角色如硬件工程师、测试工程师等，按照产品的规范开展项目管理与工程活动，每个里程碑阶段开展产品模式的阶段评审(原产品的分析测试阶段、新产品的电路设计阶段、新产品的实施阶段等)，评审由实习指导老师和企业专业技术人员组成评审委员会，根据项目组出现的问题，提出改进和修改意见。在实习中，主要分成两大部分，一是产品的逆向工程，二是新产品的再设计。

2．1产品的逆向工程

所谓产品的逆向工程技术是在对原有产品的观察测试后，拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能、装配尺寸和制造过程。在电类专业生产实习中，考虑到实习目的及效果，以及当前电子行业的整体形势，中小功率开关电源是一个不错的选择，目的是通过典型应用产品(开关电源)的逆向工程，缩短产品的开发设计时间，使学生能在有限的实训时间内达到熟练掌握实际产品的开发流程，提高工作能力。开关电源的逆向工程中，主要环节有三:一是对原有产品的参数测定及分析;二是对原有产品的PCB板进行反演，还原该产品的电路设计图;三是原有产品的工艺分析。下面从这三个方面介绍开关电源的逆向过程:(1)原有产品的参数测定和分析。每个项目组的学生从提供的4～5种开关电源中选定要仿制的品牌，确定其参数要求，测试3～5个样品的输入输出等参数，并做好相关的记录并分析。(2)反演原有产品的PCB板，还原电路设计图。传统的PCB反演技术很多，一般分为抄板软件的辅助反演过程和手工抄板。现存的抄板软件国内主要有CBR系列、QuickPCB系列和PHOTOSHOP等，该方法仿制PCB板的过程是:给样本PCB板照相→在抄板软件中导入样本PCB板的图片→根据样本照片绘制出PCB图→逆向生成网络表→把网络表导入PCB设计软件中，如Protel、Altiumdesigner→在PCB软件中完成其它设计过程。对于复杂的电路板如多层电路板，可以考虑借助如上抄板软件来实现。在实习中，考虑到产品的简易性及锻炼学生电路掌握能力，采取手工抄板的方式来反演。手工抄板对学生自身素质要求比较高，要求有较扎实的电路基本功，熟悉各典型单元电路的原理及功能，这样才能游刃有余地进行抄板。对于电路板上元件较多的电路，首先将实物电路划分为多个单元模块，比如对一些稍复杂的电路，一般可划分为电源模块、采集模块、MCU控制模块及显示模块，然后针对各个模块，找出各模块中引脚多且起主要作用的元件，以这些元件作为核心，从其引脚开始画图，注意有极性元件的标志，拿不准的点用万用表测量其相连接的元器件。手工抄板过程中一个关键点就是要注意单元电路的输入、输出端，把握好输入输出和核心元件，电路抄板就成功了一半。开关电源电路实物与抄板得到的原理图对照。该开关电源是基于BP9021A设计的市电驱动型LED照明电源，主要由三个部分组成:整流滤波、恒流调节和变压器隔离整流输出。整流部分中的MB6S，恒流调节电路中的BP9021A，输出部分中的变压器，以这些元件作为核心元件，从各核心元件的引脚展开作图，最终把各部分连通起来，实物的PCB抄板就完成了。(3)样品的工艺分析。在产品的整体设计过程中，工艺设计也是其中重要的一个环节，它涉及产品的方方面面，如产品的结构件设计、元件的安装工艺、PCB设计工艺等等，在开关电源中:市电输入端，在PCB板上采用U型槽隔开，增加爬电距离;高压和低压部分有较大的安全距离。灯板与底座之间涂上散热胶，通过螺钉固定，弧形的散热鳍片加大散热面积，散热效率高。

2．2产品的再设计

摘要：本文阐述了基于ARM架构的i.MX287设计的一种新型汽车监控终端系统，移植并构建了嵌入式的Linux系统，在Ubuntu环境下进行底层驱动程序和应用程序设计，通过交叉编译生成目标文件，然后烧写到目标板上运行。该系统具有数字化、小型化、易于编程和调试、运行稳定等特点。本文详细介绍了该系统硬件设计、软件驱动、应用程序的基本原理及具体实现方案和最终测试结果。该终端系统通过了高低温、潮湿、震荡、电磁兼容等环境试验，运行平稳无故障出现，显示了良好的工作性能和环境适应能力。

关键词：i.MX287；汽车监控终端；Linux驱动；内核

1概述

近年来各家车企纷纷在自家量产车型上配置车载终端，期望实现对车辆的远程监控，以便及时掌握车辆的故障情况和运行状态，对于单个用户来说通过手机APP就可以查看这些信息，国家对此也出台了相应的管理规定[1]，但是对于多种不同厂家不同型号的车辆管理起来就显得捉襟见肘了，另外对于一些没有配置车载终端的车型也很难统一远程调度管理。为了满足这种需求，本文设计实现了一种新型的汽车监控终端系统，可以无缝衔接各类车型。

2系统硬件设计

2.1系统整体设计。监控终端采用明远智睿公司的MYZR-IMX28-CB142核心板，CPU为NXP的i.MX287，主频454MHz，内存128MBDDR2-400存储128MBNandFlash，邮票孔结构，搭载自研的底板，扩展了各种功能模块，底板上采用中科微电子的ATGM332D-5N导航定位模块来获取GPS、北斗等卫星导航系统的卫星信号，实现联合定位、导航与授时；采用广和通公司的NL668无线通讯模块实现车联网；采用免驱的USB摄像头获取车内图像信息[2]；通过OBD转接线连接车辆的CAN总线；通过GPIO外接DS18B20温度传感器感知车内实时温度[3]；通过GPIO外接MQ2烟雾气敏传感器感知车内有害气体浓度[4]；另外底板上预留了一路RS232调试串口、一路RS485工业总线、一路百兆以太网RJ45口。系统总体结构组成框图如图1所示。限于篇幅，下面仅对底板上电源电路、定位模块电路、网口电路、CAN总线保护电路的设计进行说明。

2.2电源电路设计。首先电源来源，对于乘用车可以直接从点烟器处取电，对于试验车可以从底盘供电线缆处取电。电路设计支持9~50V宽电压输入，通过高效率的DC/DC变压器UW2405D-20W，转成5V直流稳压为终端设备供电，再通过RT8010将5V降压到3.3V输出，电路设计如图2所示。

【摘要】针对地方应用型高校通信工程专业实验教学中出现的设备昂贵、更新换代慢等问题，建设以电路设计、信号处理、工程实践与虚拟现实平台为内容的虚拟仿真实验室。虚拟仿真实验室的教学内容更加丰富，学生能够充分发挥学习的主观能动性，在虚拟实验环境中完成专业知识的学习和专业技能的训练，教学效果较好。

【关键词】地方高校；虚拟仿真；实验室建设；通信工程

0引言

培养地方经济和社会发展所需的德才兼备的人才，是地方应用型本科高校人才培养的主要目标。近年来，信息与通信技术（InformationandCommunicationsTechnology，ICT）在全球范围内快速发展。我国新一代信息技术的发展、智慧城市的建设和工业信息化的发展等，对我国ICT人才提出了数量和质量上的双重要求。为响应国家战略，满足地方区域发展需求，常州工学院立足培养地方ICT行业急需的应用型本科人才，大力开展通信工程专业虚拟仿真实验室建设。在将前沿信息技术与专业课程、人才培养方案相结合，充实课堂教学，更新学生知识结构，培养学生综合素质等方面，发挥了重要的促进作用。

1通信工程专业实验教学现存问题分析

通信工程专业是ICT领域的主干专业，课程体系的实践性与应用性要求强。地方应用型高校通信工程专业的人才培养目标是培养具有较好的专业基础知识和技能，具备良好的专业实践和创新能力的高素质人才。笔者通过调研，结合教学经验对地方应用型高校通信工程专业实验教学现存问题进行了总结。

（1）实验与实践教学设备技术含量高，购置及维护成本高。通信工程专业实验室的低频通用设备仪器包括稳压电源、信号源、扫频仪、万用表、示波器等，这类仪器设备已完全国产化，价格适中，质量优良，配套服务完善，高校一般都可以较为轻松地完成该类仪器设备的购置、维护及更新。但电子信息产业发展迅猛，微波、毫米波频率的卫星通信技术在世界范围内迅速发展，价格高昂、国产化程度不高的甚高频、射频及微波设备，如频谱分析仪、网络分析仪、信号源等价格较高，地方高校通常难以满足搭建综合测试平台，以及组建综合射频实验室设备的需求，通信工程专业的实验教学面临硬件不足的现实问题。