第 4 章电路及接口设计

1第 4 章电路及接口设计

第 4 章电路及接口设计

本章重点： 1 ．掌握电路设计的基本方法 2 ．掌握基本电路的设计

本章难点： 1 ．设计方案选择 2. 电路接口总体设计


4.1 电路的设计方法

4.1.1 选择总体方案

总体方案指：针对所设计的任务、要求和条件，根据已掌握的知识材料，从全局着眼，将总体功能要求合理地分配给若干个单元电路，并画歘能表示各单元功能和总体工作原理的框图。

4.1.2 设计单元电路设计单元电路前必须明确对各单元电路的要求，详细拟定出单元电路的性能指标，注意各单元电路间的配合问题。尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到能使各单元电路采用同意的供电电源，以免造成总体电路复杂、可靠性、经济性均差等缺点。具体设计时，可以选用成熟的先进电路，也可以与设计要求较接近的电路基础上进行适当改进或进行创造性设计。


4.1.3 计算参数


计算电路参数时应注意下列问题：1 ）各元器件的工作电流、电压和功耗等应符合要求，并留有适当裕量。2 ）对于元器件的极限参数必须留有足够裕量，一般应大于额定值的 1.5 倍。3 ）对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最不利的情况考虑。4 ）电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值。5 ）在保证电路达到功能指标要求的前提下，应尽量减少元器件的品种、价格、体积等。

4.1.4 选择元器件1. 集成电路的选择

集成电路常见的封装形式：双列直插式、扁平式和直立式。一般尽可能选用双列直插式。尽量选用“全国集成电路标准化委员提出的优选集成电路系列”中的产品。



2. 电阻器的选择

考虑一下几个方面：1 ）掌握所设计电路对电阻器的特殊要求。2 ）尽量优先选用通用型电阻器及较熟的标称值系列。3 ）根据电路的工作频率要求，选用相应的电阻器。 RX 型线绕式电阻器的分布电容和分布电感均较大，仅适用于工作频率低于 50kHz 的电路中； RH 型合成膜电阻器和 RS 型有机实心电阻器的工作频率在数十兆赫兹左右； RT 型碳膜电阻器的工作频率打 100MHz ； RJ 型金属膜电阻器和 RY 型氧化膜电阻器的工作频率可高达数百兆赫兹。4 ）按照电路对温度稳定性的要求，选择温度系数不同的电阻器。5 ）在高增益前置放大电路中，应选用噪声电动势小的电阻器。 RJ 型、 RX 型电阻器以及 RT 型电阻器均具有较小的噪声电动势。6 ）所选电阻器的额定功率必须大于实际承受功率的两倍。



3. 电容器的选择

考虑一下几个方面：1 ）合理确定电容器精度的要求。2 ）注意所设计电路对电容器绝缘电阻和损耗角正切值的要求。3 ）注意对电容器高频特性的要求。

某些电路中需考虑电容器的耐寒、抗潮、温度系数以及黏滞效应等性能。

4. 电位器的主要参数阻值、精度、额定功率、电阻温度系数、阻值变化规律、噪声、分辨率、噪声、分辨力、绝缘电阻、耐磨寿命、平滑性、零电阻、起动力矩、耐潮性。

根据所设计电路要求确定参数：（ 1 ）选择电位器的结构形式和调节方式电视机以及许多测量仪器中，电源开关和亮度、灵敏度的控制常要求用一个旋钮来实现，可选用带开关的电位器。



（ 2 ）选择电位器的阻值和变化规律电位器的阻值变化规律通常做成三种：直线式、对数式、反对熟式。直线式电位器可用于示波器和电视接收机中控制示波管和显像管的聚焦和亮度。在稳压电源的取样电路中也选用直线式电位器。也可用于晶体管电路中工作点的调节。反对数式电位器阻值在转角较小时变化大，以后逐渐变小。对数式电位器常用在音响设备、收音机及电视接收机中的音量控制。

4.1.5 绘总体电路图绘制电路图需注意：1 ）信号流向，一般从输入端花期，由左至右（由上至下）按信号流向绘出个单元电路，使全图易于阅读和理解。2 ）注意总体电路图的紧凑和协调，做到布局合理、排列均匀、图面清晰。3 ）尽量将总体电路图绘在一张图纸上，而将其余部分按所设计单元电路画在另一张或数张图纸上，并在各图所有断口两端做上标记，以此说明各图纸间电路连线的来龙去脉。



4 ）图中元器件的符号应标准化。5 ）连接线一般画成水平线或垂直线，尽可能较少交叉和拐弯。

4.1.6 电路的组装与调试1. 电子电路的组装需注意一下几点：1 ）所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍，以保证所有元器件均合格2 ）所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确布线和查线。3 ）组装分立元件时应使其标志朝向易于观察的方向，以便于查找和更换。对于有极性的元件，要分清极性4 ）为了便于查线，可根据连接线的不同作用选择不同颜色的导线。习惯是正电源用红线，负电源用蓝线，地线用黑线，信号线用黄线。5 ）连线尽量做到横平竖直。6 ）所有地线必须连接在一起，形成公共地。


2. 电子电路的调试


（ 1 ）调试方法边安装边调试；整个电路全部焊接安装后，实行一次调试。（ 2 ）调试步骤 1 ）通电前检查 2 ）通电观察 3 ）单元电路调试 4 ）整机联调

3.故障诊断方法

静态查找法是用万用表测量元器件引脚电压、测量电阻值、电容漏电以及电路是否有断路或短路情况动态查找法是通过相应的一起、仪表在电路加上适当信号的情况下测量电路的性能指标、元器件的工作状态。为加快查找故障点的速度，提高故障诊断效率，具体操作时间可视不同情况选用“对分”、“分割”、“对比”、“替代”等查找方法。



4.1.7 设计报告的撰写设计报告撰写应包括一下内容：1 ）课题名称。2 ）内容摘要。3 ）设计任务和要求。4 ）总体方案的选择和论证。包括曾考虑过的各种方案框图、简要原理和优缺点以及所选定方案之理由等。5 ）单元电路的设计，参数计算和元器件的选择。6 ）绘出总体电路图及必要的波形图，并说明电路的工作原理。7 ）组装与调试，内容应含：① 使用的主要仪器、仪表。应列出名称、型号、出产厂家及出产年月等。② 测试的数据和波形。③ 组装与调试的方法、技巧和注意事项。④ 调试中出现的故障、原因及诊断与排除方法。8 ）所设计电路的特点以及改进意见。9 ）所用元器件的编号列表。10 ）列出参考文献。 11 ）收获、体会及建议。



4.1.7 电路的抗干扰措施干扰的三要素：1 ）干扰源（噪声源、感应源）。2 ）受感电路（接收电路）。3 ）干扰源与受感电路间的耦合途径。常见的耦合途径有经公共阻抗的寄生耦合、寄生电容耦合、寄生电感耦合、经电磁场的寄生耦合以及波导耦合等。抗干扰的三方面：1 ）消除和抑制干扰源。2 ）切除干扰源与受感电路间的耦合通道。3 ）提高受感电路自身的抗干扰能力。电磁耦合的四种形式：1 ）电场耦合（静电耦合）。2 ）磁场耦合。3 ）电磁场耦合。4 ）经过两个电路间连线的耦合。



1. 电屏蔽电屏蔽既可使恒定电场图改变，也可以使交变电场图发生变化，是抑制寄生电容耦合的影响。电屏蔽常用的材料有紫铜、黄铜、铝及铅锡箔等，这些材料具有以下优点： 1 ）只对电力线起隔离作用，对磁力线无影响。 2 ）便于加工。

2.磁屏蔽磁屏蔽既可使恒定磁场图

改变，也可以使交变磁场图发生变化。磁屏蔽常用的材料采用对导磁率大的铁磁材料制成。


4.2 运算放大器电路设计

4.2.1 运算放大器的基本概念运算放大器是一种能模拟数学运算的放大器。欲准确模拟数学运算，放大器必须具备“理想”特性才行。



使用运算放大器的优越性主要表现在：1 ）电路设计简化，组装调试方便。2 ）运算放大器的开环增益很高其组成的放大电路大都工作在较深负反馈的闭环状态，因此，具有负反馈放大器一系列优点。3 ）运算放大器输入阻抗高，失调和漂移都较小。4 ）所构成的放大单元体积小、功耗低、寿命长。运算放大器组成的电路按形式分为反相放大器、同相放大器和差动放大器；按输入信号性质分为直流放大器和交流放大器。

1.加法、减法器

1

1 2

1 2

0, 0

....

nf

b biiS f

f a a an

a a a a an a

s s s

U I

RU U

R nR

I I I I

U U U U U U

R R R

1

1 1

1( )

( )

a b

nb o

ai bis f

n nf

o bi aii is

U U

U UI U nU

R R

RU U U

R



2. 积分、微分器

1 1o c C sU U I dt U dt

C RC s

o R c

dUU RI RI RC

dt



4.2.2 高性能放大电路1. 高输入阻抗反相放大器



右图所示，电路输入阻抗设计为 60 ，闭环增益为 85倍，等效反馈电阻为 5.1

kk

由上述分析可知， T 型网络接在反馈回路里提高输入阻抗的实质是靠提高外接输入电阻Rs 的阻值， Rs 的进一步增大，使输入失调电流 IOS引起的误差和漂移增大。



2. 高输入阻抗差动放大器





3. 高共模输入差动放大器




4.2.3 电阻电桥放大器


1. 基本桥路放大器


2. 高线性度的桥路放大器


A1:

2 2 1( / ) 3 / 4o RU R R U U

2 1/ 3 /(4 ) 3 /(4 )R o FR R U U R R

A2: 2 ( 3 / 4)R RU U U

A3: 3 3 / 4R RU U U


4.3 集成稳压电源设计

4.3.1 集成稳压电源的性能指标和建议测试方法1. 最大输出电流

稳压电源正常工作情况下输出的最大电流，用 Iomax 表示。一般情况下的工作电流 Io<Iomax 。

2. 输出电压也是稳压器输出电压，用 Uo 表示。下图电路可同时测量 Uo 和 Iomax



3. 纹波电压

指叠加在输出电压 U 上的交流分量。也可用纹波抑制比来表示，其意义是输出端对输入端叠加的交流纹波电压的抑制比。

4. 稳压系数


5. 输出电阻


意义是在输入电压不变的情况下，输出电流的变化引起输出电压的变化。

oo i

o

UR U

I

常数

除以上五项性能指标外，还有其他一些性能指标，如最小输入输出电压差（ Ui-Uo ） min 、最大输入电压 Uimax 、最小输入电压 Uimin 、最大输出电流 Iomax 、最小输出电流 Iomin 、最大允许功率 PM 、温度系数 Tc 等。

4.3.2 固定式集成稳压电源的设计

三端固定式集成稳压电源最常用的产品为 CW7800 系列和 CW7900 系列，如右图所示。



其中输入端电容 Ci 用以旁路干扰脉冲及改善纹波。输出端所接电容 Co起改善瞬态响应特性、减小高频输出阻抗的作用。



（ 1 ）集成稳压器

稳压器的最大允许电流 Icm<Iomax ，稳压器的输入电压 Ui 的范围为：



（ 2 ）电源变压器通常根据变压器副边输出的功率 Po来选购变压器。对于容性负载。变压器副边的输出电压 U2 与稳压器输入电压 Ui 的关系为：

在稳定范围内， U2越大，稳压器的压差越大，功耗也就越大，一般取

副边输出电流有效值

（ 3 ）整流二极管及滤波电容整流二极管 VD2 的反向击穿电压 URM 应满足：其额定工作电流应满足：

滤波电容 C 的容量估算：



4.3.3 固定式集成稳压电源的扩展应用1. 改变输出电压极性的应用



2. 扩展输出电流电路

当输出电流超过 1.5A 时，可采用外接功率管的办法来扩展电流。如上图，对 CW7800 系列稳压块的外接扩流功率管只能采用 PNP 型管。电阻 R 的阻值由外接功率管 UBE 值和集成稳压块的输出电流 IREG来决定，即



在使用三端固定式集成稳压块时注意：1 ）使用固定式三端集成稳压器时，管脚不能接错，公共端不能悬空。2 ）当稳压器输出使用大电容，且输出电压高于 6V 时，应在输入、输出端跨接保护二极管，以防输入端短路时，输出电容同多稳压器进行放电使稳压器损坏。3 ）目前三端式打功率稳压器一般采用塑封 S-7 型和金属封 F-2 型。加散热器时耗散功率可达 7.5~15W 。4 ）一般固定式集成稳压器的最大输出电压直塞 35~40V 。在使用时，整流电路输出电压的峰值不得超过此值。

4.3.4 可调式集成稳压电源的设计




4.4 电压比较器

4.4.1 过零比较器

当 Ui<UR ，运放输出电压 Uo=+Uom ；当 Ui>UR ，输出电压 Ui=-Uom 。


4.4 电压比较器

4.4.2 单限电压比较器参考电压的比较器称为单限电压比较器0RU


4.4 电压比较器

4.4.3 迟滞比较器

若 Uo=+Uom ，使 Uo变为负值， Ui 必须大于反之 Uo=-Uom 时，使 Uo变为正值， Ui 必须低于

fom

f F

RV U

R R

( )fom

f F

RV U

R R

上阀值电压：

下阀值电压：


4.4 电压比较器


当 U=-U 时，要使输出电压变为正值，输入信号应为：

4.4 电压比较器


4.4 电压比较器

同相端电位：

比较器输出电压 Uo=-Uom 时，要使 Uo变正值，则 V+>V- ，即：

输入信号电压：


4.4 电压比较器

上阀值电压：

比较器输出电压 Uo=Uom 时，要使从 +Uom变负值，则 V+《 V- ，即：fF

i om Rf F f F

RRU U E

R R R R

上阀值电压：2

f F fTH R om

F F

R R RU E U

R R


4.5 V/F 电路设计

用 V/F 转换器代替普通的 A/D ，接口有下列优点：1 ）接口简单、占用计算机资源少；2 ）频率信号输入灵活；3 ）抗干扰性能好；4 ）便于远距离传输。

4.5.1 前向通道中的 V/F转换结构把被测量的物理参数最终转换成与参数成比例的 TTL 电平的频率信号，输入到计算机应用系统，此时的前向通道为数字频率输入通道。

1. 最简信号频率输入通道结构



2. 最简信号频率输入通道结构

3. R 、 L 、 C/F 转换信号频率输入通道结构



4.5.2 V/F转换原理1. 电荷平衡式 V/F 转换器

0C RQ I t 电容 C充入一定量的电荷：由于 max /R INI V R

根据反充电电荷量与充电电荷量相等可得：

0IN

R

VI t T

R

则输出震荡频率：

0

1 1IN

R

f VT I Rt

max 0 /IN RV I t C



2. 积分复原型


4.5.3 V/F转换集成芯片及接口


1. VFC32

一种通用型单片集成化 V/F 转换器，也可做 F/V 转换器。主要性能： 1 ）线性度：在 10kHz ，最高；自傲 100kHz ，最高 2 ）动态范围： 6 个数量级 3 ）电压或电流输入； 4 ）输出与 DTL/TTL/CMOS 电平兼容； 5 ）最高频率可达 0.5MHz（线性度降至）

10% 5%

2%

工作温度分两档： -25~+85°C -55~+125°C



环氧树脂双列直插式工作温度： 0~+70°C







2. LMX31 系列 V/F 转换器



当 Vin>Vx 时，起动单脉冲定时器并导通频率输出晶体管和开关电流源，定时周期 t=1.2RtCt ，电流 i向电容 CL充电，使 Vx 上升；当 Vin<Vx 时，电流 i关断，定时器自行复位，同事 CL逐渐通过 RL放电直到 Vin<Vx ，开启下一循环。








4.6 接口设计

4.6.1 接口的分类接口是指计算机系统中一个部件与另一些部件的相互连接，在计算机系统中，绝大多数接口都是以 CPU为连接一方，这些接口按功能不同，可细分为几大类：


4.6 接口设计

4.6.2 电平转换完成 TTL 电平与功能单元电平之间的相互转换。1. TTL-继电器连接

标准的 TTL门，其电流分别为 400mA（高电平时）及 16mA（低电平时）。


4.6 接口设计


4.6 接口设计

2. TTL-MOS连接


4.6 接口设计


3. 光耦合器的应用

4.6 接口设计


4.6 接口设计


4.6 接口设计

4.6.3 七段 LED显示器及其驱动七段 LED显示器有共阴极和共阳极两种接法，均需要适当的驱动器和电阻。最普及的这类器件时 7447共阳极驱动器和 7448共阴极驱动器。


4.6 接口设计


4.6 接口设计

BIC87 系列时集电极开路高压输出且带选通端的 8位驱动器。工作电压为，环境温度为 0~70°C ，采用 20引脚双列直插塑封。10%


4.6 接口设计

4.6.4 点阵式 LED显示器驱动接口点阵式 LED显示器通常由 7 行 5 列共 35 个 LED组成。单个点阵式 LED显示器能够显示各种字母、数字和常用的符号。显示器在 7 条行线与 5 条列线的每个交点上都装有 LED 。 LED 的正极接行线、负极接列线的称为共阳极 LED 点阵显示器； LED 的正极接列引线，负极接行引线的称为共阴极 LED 点阵显示器。


4.6 接口设计

两位 LED 点阵显示器共有 10 列，所以每一列的显示时间是总显示时间的十分之一。动态工作电流是平均工作电流的 10 倍，当每一个 LED 的平均工作电路为 3mA 时，总动态工作电流为 30mA 。即行驱动电流为 30mA ，限流电阻取100 。列驱动电流最大值为行驱动电流的 7 倍即 210mA 。


4.6 接口设计

4.6.5 继电器、接触器的功率接口1. 直流电磁式继电器、接触器功率接口

晶体管 9031 提供 300mA 的驱动电流，电流放大倍数大于 50 ；Vc 电压工作范围： 6~30V ；光电耦合 TIL117传输电流比最小值 50%


4.6 接口设计

2. 交流电磁式接触器的功率接口

双向晶闸管的选择要满足：额定工作电流为交流接触器工作电流的 2~3 倍；额定工作电压为交流接触器线圈工作电压的 2~3 倍。对于中、小型 220V 工作电压的交流接触器，可选 3A600V 的双向晶闸管。


4.6.5 继电器、接触器的功率接口1. 电光、电热型器件

4.6 接口设计

（ 1 ）电光型器件

目前应用最广泛的电光源是白炽灯。

（ 2 ）电热型器件电热型器件是能把电能转换为热能的器件。常用的电热器件有：电阻丝电热器件；多孔玻璃态电热器件；电热膜；硅钼棒电热器件； PTC半导体电热器件。


4.6 接口设计

2. 电光型功率接口


4.6 接口设计

3. 电热型功率接口

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第 4 章 电路及接口设计

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