PG电子官方网站第1章 电子产品设计概述(2课时)5、优化设计、降低产品成本 产品设计时，在完成所需要的功能、技术指标、满足 稳定可靠前提下，尽量简化结构、降低成本，不追求所谓 的新型号、新技术。在有必要采用性能先进的新产品时， 应该特别注意这个问题。当然，对于不以利润为主要目标 的设计，则另当别论。 6、外形美观，结构轻便 结构、造型应当尽量小巧、轻便、美观，与所用系统 或环境协调。
1.2.3 单元电路之间的级联设计 在完成了单元电路的设计之后，应该仔细考虑单元电 路之间的级联问题，如电气特性的匹配、信号的耦合、时 序配合等。 1、电气特性的匹配 电气特性的相互匹配主要包括阻抗匹配、线性范围匹 配、负载能力匹配和高低电平匹配等。前两种匹配情况是 指模拟电路之间的匹配问题，第四种是数字电路之间的匹 配问题，而第三种是模拟电路和数字电路都要考虑的匹配 问题。从提高放大倍数方面考虑，要求下一级（后级）电 路的输入电阻大、上一级（前级）电路的输出电阻小；而 从改善频率响应方面考虑，则要求下一级电路的输入电阻 要小。因此实际电路设计时，应根据指标要求综合考虑。
（2）阻容耦合方式 阻容耦合方式是将前一级单元电路的输出信号通过电 容和电阻耦合到后一级单元电路的输入端，电路如图所示。 电阻另一端可以接地，也可以接电源，这主要由后一级单 元电路的要求来决定。
阻容耦合方式的特点是：只能让前一级单元电路输出 的交流信号通过并送到下一级单元电路的输入端，而直流 成分被阻隔了。因此，阻容耦合电阻起到“隔直传交”的 作用。这种耦合方式在静态工作时，两个单元电路时相互 独立的，彼此没有影响。
2、功能性仿制 功能性仿制是指设计人员知道某种产品的用途和主要 技术性能，但没有产品的样品，或者有样品而不能或不敢 拆卸，拆卸后可能导致产品的损坏或不能复原而报废，造 成大的损失；或者硬件可见而软件不知，即使结构与硬件 能够做出来，没有软件去驱动而成为一堆无用之物。 （1）没有产品样品时，按照已知产品的功能和技术指标， 推测出它的软硬件组成，确定外形及内部结构，然后进行 相应的设计。 （2）有产品样品，但没有软件资料时，这种情况下，电路 的硬件和结构有据可依，对样品进行测绘和电性能测试， 取得资料和数据，经过一系列分析，推测可能的软件结构 与流程，结合取得的硬件资料，论证合理性与可行性。
电子产品的形成，基本上分为两个阶段：设计与生产。 1.1.1 认识设计对象 电子产品设计，不论是完全自行开发，还是功能仿制， 都要弄清楚你要做的是一个什么样的产品，是以软件为主 还是以硬件为主，产品的使用环境与结构有无特殊要求， 主要难点是什么。 1、完全仿制 完全仿制是指有现成的样品，包括整机、部件和软件 清单。样机的整机和部件可拆卸、可见、可测绘，甚至连 图纸、软件拷贝和技术说明都有，不需要设计人员为弄清 楚它的技术性能而花费很大的功夫。
（1）阻抗匹配问题 阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配， 得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路， 匹配条件是不一样的PG电子官方网站。在纯电阻电路中，当负载电阻等于 激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹 配，否则称为失配。 当激励源内阻抗和负载阻抗含有电 抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须 满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而 符号相反，这种匹配条件称为共扼匹配。 （2）线性匹配问题 为保证输入的信号能够不失真地放大，要求前后级放 大电路在信号的动态范围内都工作在线、新产品开发 新产品开发是指根据市场或者客户的需要，确定产品 的功能和技术指标，对电路、机械结构和软件进行设计。 这些功能和技术指标，可能是根据需要由设计人员自己确 定的，也可能是客户提出的要求。设计人员应当详细了解 产品的功能和技术指标的依据和确切含义，弄清楚合理性 与关键点，对产ห้องสมุดไป่ตู้有了认识，才能进行设计。
（1）电路结构与布局正确、合理。 （2）器件参数选取有一定余量，使电路工作范围有一定的 富裕度。 （3）有噪声抑制和抗干扰的措施。 （4）技术指标要留有余地，也就是说产品实有的技术性能 必须优于标称的技术性能指标。 3、设计必须以实验确认 在产品设计完成之后，对设计的电路要进行组装和通 电调试，以检验和修正所设计的电路结构参数，这是保证 产品设计正确性的重要实践环节，是非常有必要的。否则 很难达到预期的结果，主要包括以下四个方面的原因。
（3）负载能力匹配问题 要求前级单元电路能够正常驱动后级单元电路。由于 最后一级电路往往要驱动执行机构，需要有一定的功率输 出。对于驱动能力要求不高时，可以增加一级跟随器；对 于驱动能力要求较高时，可以增加一级集成功率放大器。 而在数字电路中，可以采用达林顿驱动器，也可以采用反 相器或者射极输出器。 （4）高低电平匹配问题 高低电平匹配问题是数字电路中经常遇到的问题。如 高低电平不匹配时，则电路的逻辑功能将被破坏，数字电 路也不可能正常工作，通常采用电平转换电路来解决电平 匹配问题。在TTL集成电路和CMOS集成电路之间连接时， 这个问题就更为突出。
在前面的《电路基础》、《模拟电子技术》、《数字 电子技术》等课程中，通常只是介绍单元电路的组成及原 理、集成电路的管脚及功能等，而一个实用的电子产品通 常是由多个单元电路组成的。因此，在进行电子产品设计 时，不但要考虑系统总体电路的设计，还要考虑到系统各 单元电路的选择、设计以及各电路之间的相互连接匹配。 电子产品的设计没有固定不变的步骤，它往往与设计 者综合应用所学知识的能力、经验等有着密切的关系。常 用电子产品设计通常包括：系统总体方案设计、单元电路 设计、单元电路之间的级联设计、电子元器件的选择、软 件设计、机械设计、电路安装及调试、电路设计方案及电 路参数的优化，最后撰写设计报告。
4、根据条件决定设计 （1）产品设计时，所需要的元器件和材料的来源是否有保 障，采购是否方便，价格能否接受。电子产品设计时，主 要元器件和材料的选用的制约因素是产品来源和价格。根 据产品的技术要求，设计人员可以初步确定可用的元器件 和材料，但是由于技术的发展和市场因素，有些元器件可 能停产了，或者虽然没有停产，但无条件采购，或者采购 周期太长，或者价格太贵，所以，设计人员必须根据可能 的情况去选用元器件和材料。当然，对于特殊需要则另当 别论。 （2）加工有没有难于解决的特殊工艺要求，其工艺所需要 的经费对于设计的产品是否值得。
1.1.2 设计注意事项 1、注意做好方案和解决关键问题 方案设计时，对方案的可行性、关键的技术、关键元 件，要做认真的分析，为开发设计工作提供依据和重点注 意事项。电子产品的设计，特别是大规模的电子产品，如 果方案设计不周密或者有错误，就会造成不应有的人力、 物资、经费、时间的损失。 2、设计稳定可靠的产品 软件、硬件设计，不仅是要实现产品所需要的技术指 标和功能，还必须做到稳定可靠，包括以下四个方面的内 容。
1.2.2 单元电路设计 在系统总体框图确定之后，应该明确总体框图中的每 一个模块的功能及技术指标，在此基础上便可以进行单元 电路的选择与设计。 有时满足某个框图要求的单元电路可能有多个，这时 就需要对各个电路方案进行分析和比较，从中选出电路结 构简单、成本低，而又能满足设计指标要求的电路。在进 行电路选择时，应该尽量选用符合要求的集成电路。 有些集成电路（如单稳态触发器、锁相环电路等）还 需要根据要求对外部电路的参数进行计算，经过调试测试 合格之后，才能使电路达到规定的技术指标要求。
在进行电路参数计算时，应该注意以下几点： （1）如果没有特殊要求，模拟集成电路和数字集成电路应 该尽量选用通用集成电路。这样既可以保证货源，又降低 了成本。不要盲目追求高性能、高指标。 （2）电路元器件的工作电压、电流、频率和功耗等都应该 符合电路要求，并留有一定的富裕度。对于半导体器件来 说，一般按照大于额定值的1.5倍来选择，以保证电路能 够安全可靠的工作。 （3）计算电路参数时，应该考虑最不利的工作环境，如最 高温度与最低温度，电网电压波动的变化范围对电路工作 的不利影响等。 （4）电阻的阻值和100pF~0.1μF范围内的非电解电容的容 量，应选择计算值附近的标称值。
（1）在设计的参数计算中，某些参数的计算非常复杂，或 者方程式难解，必须作一个假定或者近似处理，才能计算 出结果，如此一来计算出来的数据必然存在误差。 （2）元器件制造的局限性，使得取值有间隔，计算出来的 数值和元件的标称值不尽相同，只能取相近标称值的元器 件代用，这样也会带来误差。 （3）元器件本身的误差和离散值（同一标称值下的实际值 不同）很大，也会造成误差，这在电容元件中特别突出。 （4）设计人员的规划和计算，难免有遗漏和错误。 这些因素都会造成偏离理想的设计。因此，必须经过 实验来检验设计的结果，调整和确定各元器件的参数值， 并对元器件的误差提出要求，以满足设计容限的要求。
2、信号的耦合 单元电路之间的耦合方式主要有：直接耦合、阻容耦 合、变压器耦合和光电耦合四种。 （1）直接耦合方式 直接耦合方式是将前一级单元电路的输出信号直接 （或通过电阻）送到后一级单元电路的输入端。这种耦合 方式虽然结构比较简单，但是在静态工作时，两个单元电 路之间存在相互影响。因此，在电路设计时，这个问题需 要加以考虑。
1.2.1 系统总体方案设计 系统的总体方案设计是具体实施产品设计的第一步， 其主要任务包括以下四个方面。 1、确定系统的功能关系 （1）数学模型与方框图 在数学模型的基础上，画出系统总体框图，确定各个 框图需要完成的功能及技术指标。不能建立数学模型的， 也应该画出总体框图，并加以说明。对于模拟电路，还应 该进行误差分配。 （2）确定输入、输出关系 系统设计首先要确定系统及各组成部分的输入状态和 输出要求（对于模拟电路，还应该有精度要求），以便确 定输入、输出接口（包括机械和电路）。
2、确定中间环节的功能与关系 确定中间各功能模块之间的电压、电流、相位、频率 等的匹配关系，并确定精度要求。 3、确定稳定性与传输系数 每个功能模块对信号的分解、综合、放大、衰减、判 断等处理，都需要设计相应的电路来实现，对于闭环电路， 要计算其稳定性与传输系数；对于开环电路，要计算其增 益量。 4、综合考虑软件与硬件的关系 合理分配软件、硬件的任务，考虑它们的速度、控制 与通信的关系，接口方式（串、并联，电平或脉冲，中断 或查询等），尽量避免任何一方面的困难。
在进行单元电路的选择与设计时，还需要注意各个单 元电路之间应该协调一致的工作。对于模拟系统，根据需 要选择合适的耦合方式进行连接，功率放大器件还应该考 虑与负载的匹配问题。对于数字系统，主要考虑控制电路 的设计，这是因为在数字系统中主要是通过控制电路协调 各部分电路工作的。因此，控制电路不允许出现竞争与冒 险现象，否则控制电路会出现控制错误，使电路不能正常 工作。同时还应该注意CMOS电路和TTL电路之间的电平 配合问题，有时还需要加入接口电路。 为了保证单元电路能够达到设计指标要求，还需要对 某些电路进行参数计算和元器件选择。如放大电路中的各 个电阻值和放大倍数的计算、振荡电路中的电阻、电容、 振荡频率的计算等。