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电子电路种类繁多、千差万别，设计一个实际电子电路的方法和步骤也不尽相同，但设计过程中应遵循一些基本原则、方法和步骤，下面简略地对它们进行阐述。 1.电子电路设计的基本原则 １．１ 整体性原则 在设计电子电路时，应当从整体出发，从分析电子电路整体内部各组成元件的关系以及电子电路整体与外部环境之间的关系入手，去揭示与掌握电子电路整体性质，判断电子电路类型，明确所要设计的电子电路应具备哪些功能、相互信号与控制关系如何、参数指标在哪个功能模块实现等，从而确定总体设计方案。 整体原则强调以综合为基础，在综合的控制与指导下，进行分析，并且对分析的结果进行恰当的综合。基本的要点是：（１）电子电路分析必须以综合为目的，以综合为前提。离开了综合的分析是盲目的，不全面的。（２）在以分析为主的过程中往往包含着小的综合。即在对电子电路各部分进行分别考察的过程中，往往也需要有电子电路局部的综合。（３）综合必须以分析为基础。只有对电子电路的分析了解达到一定程度以后，才能进行综合。没有详尽以分析电子电路作基础，综合就是匆忙的、不坚实的，往往带有某种主观臆测的成分。 １．２功能性原则 任何一个复杂的大电子电路系统都可以逐步划分成不同层次的较小的电子电路子系统。电子电路设计一般先将大电子电路系统划分为若干个具有相对独立的功能部分，并将其作为独立电子电路功能模块；再全面分析各模块功能类型及功能要求，考虑如何实现这些技术功能，即采用哪些电路来完成它；然后选用具体的实际电路，选择出合适的元器件，计算元器件参数并设计各单元电路。 １．３臻美性（最优化）原则 臻美性原则是对一个基本达到设计性能指标的电子电路而言，由于元件自身或相互配合、功能模块的相互配合或藕合还存在一些缺陷，使电子电路对信号的传送、处理等方面不尽完美，需要在约束条件的限制下，从电路中每个待调整的元器件或功能模块入手，进行参数分析，分别计算每个优化指标，并根据优化指标的要求，调整元器件或功能模块的参数，直到目标参数满足最优化目标值的要求，完成整个电路的最优化设计。 １．４可靠性与稳定性原则 电子电路是各种电器设备的心脏，它决定着电器设备的功能和用途，尤其是电器设备性能的可靠性更是由其电子电路的可靠性来决定。电路形式及元器件选型等设计工作，设计方案在很大程度上也就决定了可靠性，在电子电路设计时应遵循如下原则：只要能满足系统的性能和功能指标就尽可能地简化电子电路结构；避免片面追求高性能指标和过多的功能；合理划分软硬件功能，贯彻以软代硬的原则，使软件和硬件相辅相成；尽可能用数字电路代替模拟电路。影响电子电路可靠性的因素很多，在发生的时间和程度上的随机性也很大，在设计时，对易遭受不可靠因素干扰的薄弱环节应主动地采取可靠性保障措施，使电子电路遭受不可靠因素干扰时能保持稳定。抗干扰技术和容错设计是变被动为主动的两个重要手段。 １．５性能与价格比原则 在当今竞争激烈的市场中，产品必须具有较短的开发设计周期，以及出色的性能和可靠性。为了占领市场，提高竞争力，所设计的产品应当成本低、性能好、易操作、具有先进性（核心竞争力），在设计要充分考虑电子电路的性能与价格比。 ２.电子电路设计的基本方法 ２．１层次化设计方法 层次化设计方法的基本思想就是分模块、分层次地进行设计描述。电子电路与系统的设计要面向系统级、电路级和物理实现级三个不同的层次。描述系统总功能的设计为顶层设计，描述电路级的设计为中层设计，描述物理实现级中较小单元的设计为底层设计。整个设计过程可理解为从硬件的顶层抽象描述向最底层结构描述的一系列转换过程，直到最后得到可实现的硬件单元描述为止。层次化设计方法比较自由，既可采用自顶向下的设计，也可采用自底向上设计。自顶向下的设计方法就是从设计的总体要求入手，自顶向下地将设计划分为不同的功能子模块，每个模块完成特定的功能。这种设计方法首先确定顶层模块的设计，再进行子模块的详细设计。而在子模块的设计中可以调用库中已有的、成熟的、经典的模块或设计过程中保留下来的成功实例。自底向上的设计方法是自顶向下的设计方法的逆方向。在层次化的设计中所用的模块有两种，一是预先设计好的标准模块，二是根据需要设计的具有特定应用功能的模块。 层次化自顶向下的设计方法可有效地实现设计周期、系统性能和系统成本之间的最佳权衡。对系统级：根据系统所要求的性能指标和设计限制建立系统的方块图，对系统进行行为级描述，并进行系统级模拟验证，然后，将模块进一步划分为多个子模块，如数字电路、模拟电路、ＤＳＰ；对电路级：进行子系统电路原理结构设计，用逻辑综合优化工具生成门级逻辑电路的ＥＤＩＦ网表。根据子系统电路不同类型选择不同软件工具进行设计、仿真、优化，以建立层次化的宏模型库；对物理实现级：物理实现方法的选择由系统设计目标决定，涉及性能、价格和时间等因素。 ２．２渐近式的组合设计方法 应用型电子电路的设计一般都经历如下过程，接到设计任务，一般附有功能与技术指标要求。如果是从头开始设计新电子电路，首先要根据电子电路的作用、需要，提出功能与技术指标要求；根据功能与技术指标的要求提出设计思路，这思路就含有高频、低频模拟电子线路、数字电子线路中的基本单元电路的基本知识，包括基本单元电路的结构、特点、作用、工作条件等；依据设计思路画出组合图，这种图有别于方框图与电路图，是二者的结合，以突出基本单元电路之间的关系为主，注重输入、输出端之间的连接，也可插图画出简明的电子电路，有结构清晰、制图容易、更改方便、原理突出等优点，很适合于边设计边完善的设计方式，即渐近式的组合设计方式。然后进行原理分析使设计不断完善。当设计到整体工作原理可行时，再计算电路各元件的参数或用调试的方式完成整个电路的设计。渐近式的设计过程是在基本单元电路知识掌握之后，根据应用型电子电路的功能要求，较快地设计出组合图。以组合图进行工作原理的分析，简明扼要，更改方便。当设计到整体工作原理可行时，将单元电路代入。代入时还得注意连接点的信号极性、幅度以及电压值之间的衔接。最后可用调试的方式完成整个电路的设计。 ２．３硬件描述语言设计方法 利用数字电路硬件描述语言来设计数字系统是目前最先进的方法，即电子设计自动化（ＥＤＡ）。它可以采用自顶向下的设计方法，从系统行为级的数学模型描述与仿真论证系统的可行性来确定最优秀的方案；它可以采用自顶向下的递阶结构加强结构性，既易于设计调试又便于对问题的查找和解决；它可以采用原理图、硬件描述语言或状态和多种方法输入，并可调用软件系统提供丰富的库元件，生成数字电路并映射到可编程逻辑器件，进行逻辑仿真及实现后的时序仿真，设计者只需根据仿真结果修改电路直到满足设计需要。 设计数字电路系统的一般方法：１）分析课题。充分了解设计要求，明确被设计系统的全部功能、要求及技术指标。熟悉被处理信号与被控制对象的各种参数与特点。２）确定总体设计方案。根据系统逻辑功能画出系统的原理框图，将系统分解。确定贯串不同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系。方框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理。３）绘制单元电路并对单元电路仿真。选择合适的数字器件，用电子ＣＡＤ软件绘出各逻辑单元的逻辑电路图。标注各单元电路输入输出信号的波形。原理图中所用的元件应使用标准标号；电路的排列一般按信号流向由左至右排列；重要的线路放在图的上方，次要线路放在图的下方，主电路放在图的中央位置；当信号通路分开画时，在分开的两端必须作出标记，并指出断开处的引出与引入点。然后利用电子ＣＡＤ软件中的数字电路仿真软件对电路进行仿真测试，以确定电路是否准确无误。４）分析电路。可能设计的单元电路不存在任何问题，但组合起来后系统却不能正常工作，因此，必须充分分析各单元电路，尤其是对控制信号要从逻辑关系、正反极性、时序几个方面进行深入考虑，确保不存在冲突。在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，获得最佳设计方案。 ５）完成整体设计。在各单元电路完成的基础上，用 电子ＣＡＤ软件将各单元电路连接起来，画出符合软 件要求的整机逻辑电路图。重新审查电路，以消除因某种疏忽造成的错误。６）逻辑仿真。整体电路设计完毕后，再次在仿真软件上对整个试验系统进行逻辑仿真，验证设计。 ２．４最佳化设计方法 对于一些电子电路，比如由集成电路，它们一经制出便很难调整，即便允许少量调整也是很麻烦的，这种类型电路必须事先进行准确设计，设计过程中须将分布参数、有源器件参数的实际频响、终端负载实际反射系数的频响等一起考虑进去。由于这种电子电路设计过程非常复杂，必须采用计算机辅助设计。计算机辅助设计程序一般包括三部分：一是实测数据的数据处理程序；二是网络分析程序；三是网络最佳化分析程序。分析过程中，计算机自动变换参数、自动计算电路响应，当电路响应落入预定公差范围以内时计算机终止，计算机输出电路元件参数及网络的最终响应数据。其具体方法是首先建立目标函数，再进行数据压缩处理，然后进行最佳化处理。目标函数是指待设计网络的某一规定指标的函数表达式。例对一放大器来说，根据设计要求，目标函数可以选取为最大平度增益—频响曲线、最大增益———带宽积、或最小噪声系数，甚至是这几个目标函数的某种线性组合；对一单端对网络来说，目标函数可以是输入反射系数频响曲线。一旦数学模型建立之后，计算机根据最佳化程序每改变一次元件参数值便调用一次模型进行响应计算，将计算结果与预定公差进行比较，如果响应不合格，则再次修改元件值，并再次计算响应。建立目标函数的最终目的是：既要尽量加快计算速度，又要兼备尽量广泛的通用性。 设计电路时，需要将分布参数、有源器件的实测数据考虑进去，这些曲线绝大多数是复杂函数，而且每批器件之间各不相同，即实测量大、复杂，这些数据一般是在计算以前作为实型数组输入至内存，如果输入数据很多，因此计算前有必要对大量数据进行压缩处理。 有了目标函数数学模型以及器件特征化数据，下一步工作是用智能方式使计算机自动修改元件值，以达到最终的性能指标，这一工作由最佳化设计来完成。最佳化是指当一个方程式（网络的指标响应函数）中含有一个或多个自变数时，调整这些自变数以达到设计要求的响应。运用最佳化方法，是因为即使响应函数中只有几个自变量，其响应曲线的情况非常复杂，没有一种万能的方法能解决所有的问题，对于某一指定问题也并非只有一种可行方法。 ２．５数值逼近（简化电路方程）设计方法 在电路设计中时常会遇到给出一个较为复杂的电路方程（数学模型），诸如机电模拟、信号处理、元器件参数补偿等等，往往就是由一个数学模型来设计电子电路。并据其来完成电子电路设计。如果直接根据电路方程的要求来设计电路会相当复杂，且既不利于电路结构，亦不利于系统的可靠性。简化电路方程的方法是在原电路方程基础上用一简单电路方程去逼近，在误差要求范围内用简单，计算机辅助设计程序一般包括三部分：一是实测数据的数据处理程序；二是网络分析程序；三是网络最佳化分析程序。分析过程中，计算机自动变换参数、自动计算电路响应，当电路响应落入预定公差范围以内时计算机终止，计算机输出电路元件参数及网络的最终响应数据。其具体方法是首先建立目标函数，再进行数据压缩处理，然后进行最佳化处理。 目标函数是指待设计网络的某一规定指标的函数表达式。例对一放大器来说，根据设计要求，目标函数可以选取为最大平度增益—— —频响曲线、最大增益———带宽积、或最小噪声系数，甚至是这几个目标函数的某种线性组合；对一单端对网络来说，目标函数可以是输入反射系数频响曲线。一旦数学模型建立之后，计算机根据最佳化程序每改变一次元件参数值便调用一次模型进行响应计算，将计算结果与预定公差进行比较，如果响应不合格，则再次修改元件值，并再次计算响应。建立目标函数的最终目的是：既要尽量加快计算速度，又要兼备尽量广泛的通用性。 设计电路时，需要将分布参数、有源器件的实测数据考虑进去，这些曲线绝大多数是复杂函数，而且每批器件之间各不相同，即实测量大、复杂，这些数据一般是在计算以前作为实型数组输入至内存，如果输入数据很多，因此计算前有必要对大量数据进行压缩处理。 有了目标函数数学模型以及器件特征化数据，下一步工作是用智能方式使计算机自动修改元件值，以达到最终的性能指标，这一工作由最佳化设计来完成。最佳化是指当一个方程式（网络的指标响应函数）中含有一个或多个自变数时，调整这些自变数以达到设计要求的响应。运用最佳化方法，是因为即使响应函数中只有几个自变量，其响应曲线的情况非常复杂，没有一种万能的方法能解决所有的问题，对于某一指定问题也并非只有一种可行方法。 ２．５ 数值逼近 （ 简化电路方程 ） 设计方法 在电路设计中时常会遇到给出一个较为复杂的 电路方程 （ 数学模型 ） ， 诸如机电模拟、 信号处理、 元 器件参数补偿等等 ， 往往就是由一个数学模型来设 计电子电路。 并据其来完成电子电路设计。 如果直接 根据电路方程的要求来设计电路会相当复杂 ， 且既 不利于电路结构 ， 亦不利于系统的可靠性。 简化电路方程的方法是在原电路方程基础上用 一简单电路方程去逼近 ， 在误差要求范围内用简单 电路代替原来复杂的电路 ， 达到简化电路设计目的。 ３电子电路设计的基本步骤 一般首先根据电子电路的设计任务，进行总体 方案选择；然后对组成系统的单元电路进行设计、参数计算、元器件的确定和实验调试；最后绘出用于指导工程的电路图。 ３．１分析设计课题，明确功能要求 在接到设计课题后，应对题目进行认真的阅读、 理解，判断题目类型，明确所要设计的电路应具备哪些功能、相互信号与控制关系如何、参数指标在哪个功能模块实现等。画出功能框图。根据用户要求或生产实际提出设计要求。包括功能、技术参数等，使设计课题具体化。 ３．２确定核心功能器件及总体设计方案 功能要求明确后，应对比多种方法与思路，综合 考虑成本、难度、器件的易采购性、方便合理性等因素，根据系统功能画出系统的原理框图，将系统分解。确定贯串不同方框间各种信号的关系。方框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理。必要时多设计几个方案，以便从众多方案中优选出最佳实施方案。 ３．３ 功能单元电路的设计与优选 在进行单元电路设计时，必须明确对各单元电路的具体要求，详细拟定出单元电路的性能指标，认真考虑各单元之间的相互联系，注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并应使各单元电路的供电电源尽可能地统一，以便使整个电子系统简单可靠。另外，应尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能。如果找不到完全满足要求的现成电路，则在与设计要求比较接近的电路基础上适当改进，或自己进行创造性设计。为使电子系统的体积小、可靠性高，单元电路尽可能使用集成电路组成。 ３．４初步行成整体设计 在各单元电路完成的基础上，将各单元电路连接起来，画出要求的整机电路图。重新审查电路，以消除因某种疏忽造成的错误。 ３．５电路试制 在整机电路图完成的基础上，制作出印刷电路板，在器件安装到印刷电路板上之前，对所选用的器件进行测试，将各种器件安装到印刷电路板上，完成样品制作。安装时各种器件最好通过插座与电路板连接，便于器件不小心损坏后进行更换。在焊接过程中注意不要出现挂锡或虚焊。 ３．６电路调试及定型 在制作出样品后，应整机或与控制机构连接进行全系统的测试、联调，及时发现问题并解决。测试主要包含三部分的工作：系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试。若这三部分的测试有一项不符合要求，则必须修改电路设计。最终使样机达到设计要求，经专家等专业技术人员鉴定后，电子电路即可定型。测试的有关技术参数要进行记录 |
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