电子产品设计与制作(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：陈强

出版社：电子工业出版社

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电子产品设计与制作试读：

前言

随着我国高等职业教育改革的深入，人才培养的目标更加明确，课程设置更加体现工作过程和岗位要求，基于工作过程的课程体系正成为高等职业教育课程的主流，编写体现这一改革思想的教材已成为当务之急。

本书作者在编写教材过程中，结合北京市示范性高职院校建设的课程改革契机，在相关岗位能力要求调研的基础上，以“工作任务为线索，实际电子产品为载体，任务实施为导向”作为编写思想，通过7个工作任务，阐述电子产品设计与制作的全过程。从多个角度、全方位地体现高职教育的特色。与同类教材相比，具有以下特点。（1）本教材打破传统的实理脱节、学科本位的教材体系，是一种全新的项目课程教材，它指向以生产一个具体的、具有实际应用价值的产品为目的的工作任务，以此为基础构建项目形式的学习任务，并围绕项目的完成过程展开课程内容。这一结构要求采取项目任务驱动的教学方法，师生双方边教、边学、边做，融理论教学、实践教学、生产、技术服务于一体，目的在于培养学生的职业能力。（2）教材以工作任务为导向，由任务入手引入相关知识和理论。每个任务按照任务目标→

任务要求

相关知识

任务总结

本教材理论内容适当，实用性强，紧密结合学生的职业能力培养目标，使学生通过本课程的学习掌握电子产品的电路设计、电路仿真、PCB设计与制作、电路板的安装与调试及简单故障的排除。通过本教材可提高学生的综合素质与职业能力，为学生职业生涯的发展奠定基础。

本书由陈强主编，胡逸凡、张建新、吕殿基副主编。陈强对本书的编写思路与大纲进行了总体策划，并对全书进行统稿和审稿。其中陈强编写第1、4、5、6、8章，胡逸凡编写第2章，张建新编写第3章，吕殿基编写第7章。

限于编者的水平，书中难免有错误和疏漏之处，敬请广大读者批评指正，以使本教材更趋完美，也更加符合教学需要。

由于Protel软件的原因，本书对电路图中不符合国家标准的图形、单位、符号（例如，二极管用D系列表示，三极管用Q系列表示，电容单位写为uF）等未做改动，以便于读者学习和使用实际的Protel软件。

编者

2010年6月

第1章 电子产品设计概述

本章从电子产品设计的基本概念入手，首先让读者了解电子产品设计的概念、流程、要求、方法，对电子产品设计有一个感性的认识。其次介绍电路设计的基本方法及步骤。由于电子产品设计最终归结为电路的设计，所以我们通过一个设计实例，使读者掌握产品电路的设计方法。

任务一 函数信号发生器的电路设计

任务目标

① 能够根据电子产品的设计流程，完成函数信号发生器方框图的设计、各个功能单元的设计，以及整个电路原理图的设计，并能进行基本的分析和计算，以达到设计指标的要求。

② 能够综合考虑选取电子元器件。任务要求

设计函数信号发生器，其技术指标如下：（1）正弦波信号源

输出频率范围：200Hz～50kHz，分两波段连续可调；

输出电压范围：（0～10）Vp-p。（2）方波信号源

输出频率范围：200Hz～50kHz，分两波段连续可调；

输出电压范围：（0～10）Vp-p。（3）三角波信号源

输出频率范围：250Hz～33kHz，分两波段连续可调；

输出电压范围：（0～10）Vp-p。相关知识

1.1 电子产品设计的概念与特点

设计是一个思维过程，是构思和创造，将设想以最佳方式转化为现实的活动过程。电子产品的设计就是根据课题的要求，以科学理论为依据，知识技能为基础，创新构思，将研究方案予以实现的过程。

进行电子产品设计，不仅要掌握过硬的电子专业知识，还要了解市场变化，懂得产品造型艺术，对视觉、触觉、安全及使用标准等各方面有详细的了解。设计人员应该将对这些方面的考虑与生产过程中的技术要求，包括销售、流通和维修服务等有机地结合起来。1.1.2 电子产品设计的特点

电子产品设计的技术是现代科学技术中发展最快的一门技术。由于电子产品种类繁多、应用广泛、可靠性高、精度高、控制系统复杂，且集知识、技术、信息为一体，所以在设计时应考虑以下几点。（1）明确目标

对要求设计的产品，要分清实现目标的主次因素，抓住主要矛盾，明确首要目标，以便选择有效的设计方法，解决关键问题，设计出好的方案。（2）多种备选方案

设计人员的责任就是对同一目标构思出多种方案，然后通过优化设计的方法，优中选优，确定一个最佳方案，并将其运用到实践中。（3）制约因素

进行方案选定时，肯定会受到多方面条件限制，如物理、化学、数学等方面基本规律的限制；人力、物力、财力等条件的限制；社会和法律因素的限制；民族和人们生活习俗的限制；生产设施和资料来源的限制；发展演化的限制；市场变化的限制等。1.1.3 电子产品设计的程序

电子产品设计的程序包括方案论证、初步设计、技术设计、试制与实验及设计定型五个阶段。

1.方案论证

设计一种产品，其根本目的是满足社会生产和人们的需要。对设计者来说，完成设计的标准就是满足和实现这些需求。调查分析这些要求产生的原因，并考虑在技术上、经济上实现的可能性，这一阶段工作通常称为方案论证。它是设计的依据和基础。

2.初步设计

初步设计又称总体设计，它所依据的性能、规格、用途，通常由用户或双方共同提出。初步设计的主要目的是确定设计对象的主要参数，并保证有足够的精确度，以便做出完善的设计。初步设计的最终结果是确定产品的主要参数值，避免以后重复设计，并使评价指标体系达到最佳状态。

3.技术设计

技术设计是产品设计定型阶段。技术设计依据总体方案确定的参数、尺寸，精确地对每一部件、零件进行设计，确定它们的结构、形状、尺寸、材料、强度及质量等参数。对某些零部件有时也需要做些试验性的验证工作。技术设计的内容一般包括：确定产品总图、部件装配图及主要零部件图；编制零部件明细表；编写设计说明书，指定产品的技术经济指标；对新产品进行技术经济分析。

在技术设计阶段，要完成图纸设计，造出样机，同时要进行一系列静态和动态试验。有关的试验设备、仪器也要在这一阶段完成准备。

4.试制与实验

除了试制样机和部件外，还要进行一系列的工艺设计，其中包括解决技术问题、工艺装备、制订零件加工方法、部件装配及整机装配等，并按规定进行整机的静力试验、动力试验等，以考核产品的规定性能。

5.设计定型

这一阶段要在有关主管部门主持下，经专家鉴定确认产品符合性能要求，图纸齐全、规范，技术文件和试验资料充分，即可办理设计定型手续。实际工作中，一般还要经过小批量生产，通过试用进一步发现问题，进行改善。

1.2 电子产品设计的要求与方法

设计产品关系到众多要素，在设计中处理好它们相互之间的关系，是产品设计的关键所在。电子产品在设计时，应按照安全、可靠、耐用、经济、美观、好造、易修的要求进行。

1.可靠性

可靠性是指产品在规定的条件下，在规定的时间内，不出故障地完成规定功能的概率。产品的寿命取决于产品的可靠性，而产品的可靠性取决于设计中的可靠性。

2.安全性

在设计电子产品时要特别注意安全性设计。世界各国对电气产品有安全性的规定，如美国的UL标准、欧洲的IEC标准等。尤其是出口产品，必须取得进口国的安全认证才能输出。尽管各国对不同电子产品的安全标准规定不同，但为了防止触电、火灾等事故的发生，都对绝缘材料、绝缘距离、认定元器件等有相应的规定。

3.实用性

实用性是产品设计的目的。实用性好是指性能良好，操作、使用与维护方便。在设计时应“形式服从功能”，遵循实用、合理、为消费者着想的原则。

4.工艺性

工艺性是衡量设计质量的重要标志之一。美国专家对机电产品质量进行的分析表明，工艺性不良所造成的缺陷占缺陷总数的20%。因此，产品设计要有良好的工艺性，要尽可能地考虑到加工的方便、制造上的技术水平和生产能力等。

5.标准化

在产品设计中，要贯彻执行标准化、通用化、系统化的设计原则，积极采用国际先进技术标准。这可以简化产品结构和设计，提高零部件的通用性和互换性，节省开发时间，便于产品维修。

6.延续性

在产品设计中，要尽可能采用原有产品中先进合理的部分及已掌握的生产技术和生产经验。这样不仅可以使原有设备得以重复利用、降低产品成本，而且还可以缩短设计时间，加快开发进程。1.2.2 电子产品设计的方法

设计方法是实现预想目标的途径。在电子产品设计中，有很多实用而有效的设计方法，它们都建立在各自的理论基础之上，每种方法都是一门学问，这里只进行简要的说明。

1.系统论设计法

系统论设计法是以整体分析及系统观点来解决各个领域中具体问题的科学方法。系统具有整体性、目的性、有序性、反馈性和动态性等特点。系统论设计法主要分为系统分析、系统设计及系统实施三个步骤，其中系统分析分为总体分析、功能分析、指标分配、方案研究、分析模拟、系统优化及系统综合等。系统论设计法也就是在设计时，综合考虑设计对象及与之相关的各个方面的功能分配与协调。

2.优化设计法

产品优化设计法是指在各种设计限制条件下，优选设计参数，实现产品优化设计。一项电气产品的设计，总是力图在给的功率、体积及成本等限制条件下寻求最佳效果，取得最优的技术经济指标。在优化设计过程中，首先要建立优化设计的数学模型，选择适当的优化方法；其次要编写优化程序；然后输入必要的数据和设计参数初始值，通过计算机求解并输出优化结果。

3.计算机辅助设计法

计算机辅助设计法（Computer Aided Design，CAD）是指以计算机软、硬件为依托，以数字化、信息化为特征，计算机参与产品设计的一种现代化的设计方式和手段。计算机辅助设计产品具有高效性、科学性及可靠性等常规设计所不具备的优点，它可以对设计对象的有关资料（如数据、图表及公式等）进行自动检索和运算。将人的经验、智慧与计算机的高速运算结合起来，方便地实现优化设计。计算机还可以通过屏幕显示样品设计模型，并进行仿真分析，对多种方案进行模拟、比较，并将最终设计结构绘成图纸，同时输出有关数据。计算机辅助设计还可以借助数据库，利用各种标准化典型结构设计加快设计进度。现在各种电路设计、电路板设计及机械设计等的CAD已广泛应用于产品设计中。

4.模块化设计法

模块化设计法是在产品设计时将产品按功能作用的不同分解为几个不同的模块，模块之间保存相对的独立性，然后将模块互相连接起来构成完整的系统。也可以设计一系列可互换的不同功能的模块，便于选用所需的功能模块与其他部分组成不同的新产品。这样就可以将原来复杂的问题简化、分解，使设计工作能平行开展，缩短设计周期。由于模块功能相对独立，设计中的错误被局限在有限的范围内，有利于调试、查找和纠正问题。同一模块还可以被用于不同的设计中，这使设计的工作量大大减少。

1.3 电路设计的基本内容与方法

电路设计的基本内容主要包括以下几个方面：

① 拟定电路设计的技术条件（任务书）。

② 选择电源的种类。

③ 确定负荷容量（功耗）。

④ 设计电路原理图、接线图、安装图及装配图。

⑤ 选择电子电器元件，制订电子元器件明细表。

⑥ 画出执行元件、控制部件及检测元件总布局图。

⑦ 设计机壳、面板、印制电路板、接线板及非标准电器和专用安装零件。

⑧ 编写设计计算说明书和使用说明书。1.3.2 电路设计的基本方法

1.借鉴设计法

设计者在接到设计任务或确定设计目标后，应结合产品，进行调查研究，了解该行业中此类产品采用电子电路的情况，选取可以借用或借鉴的实用电路。通常存在许多原理和技术上可以借用的电路，设计人员只需对电路做某些改进和元件调整，以适应设计需要。这一过程包括课题分析和方案选取两个阶段。

因此，设计的第一步是将设计任务功能模块化，进行目标分解，将整个电路系统分解为若干个功能模块和功能电路，然后查寻可以借用或借鉴的电路。

虽然电路设计者可以自己设计具体电路，但通常不一定完全需要自己设计。要考虑电路的实用性、时间性和制造成本。借用的电路往往经过实践和时间的考验，因而更有工程价值，这样做可以缩短设计周期。新设计的电路，只有当具有技术先进、性能明显改善和可以降低成本时，才会在工程上被接受。

2.近似设计法

近似设计法是设计电路时的另一种方法。众所周知，理论可以给设计者一个清晰的思路，但理论往往是有条件的，因而具有一定的局限性。在电路设计中，精确的理论计算是不必要的。由于元件受多方因素的影响，在设计电路过程中，往往采取“定性分析、定量估算、实验调整”的方法。所以在设计初期，只需进行粗略计算，帮助近似确定电路参数的取值范围，参数的具体确定需要借助于实验调整和计算机仿真来完成。

3.功能分解、组合设计法

功能分解、组合设计法是设计电子电路的第三种方法。在电路的设计中，经常将电子线路按功能划分为多个子模块，各模块参照各种具体电路进行设计，然后组合成系统进行统调。在由功能电路组合成大系统时，由于子模块之间存在负载效应的影响，会引起子模块电路之间的参数不匹配，从而使电子产品整体性能下降，这在模拟电路中尤为突出，如频率偏移、阻抗不匹配等，甚至会使电路不能正常工作。因此，在由大系统分解为子系统时，不仅要注意功能分解，而且还要合理地分配性能指标。如在设计多级放大器时，前级应具有低噪声的特点，放大倍数也不能太高，而后级则应有较大的放大倍数。

在数字系统中，要注意各子模块之间的时钟同步和协调。保证电路满足一定的时序要求，禁止竞争冒险和过渡干扰脉冲出现，以免发生控制失误。控制器一般采用扭环型计数器或微程序控制器实现。

1.4 电路设计的步骤

根据技术指标的要求，弄清楚系统要求的功能，确定采用电路的基本形式，据此对课题的可行性做出估计和判断，确定课题的技术关键和拟解决的问题。1.4.2 总体方案的设计与选择

在对设计任务的各项功能要求、技术指标进行分析后，接下来就可以选择总体方案。

1.选择总体方案的一般过程

总体方案是根据设计任务书提出的任务、要求和性能指标，用具有一定功能的若干单元电路组成一个整体，来实现各项功能，满足设计题目提出的要求和技术指标。

由于符合要求的总体方案不止一个，应当针对任务、要求和条件，查阅有关资料，广开思路，提出若干不同方案，然后仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选优，进行优化设计及可靠性设计。在选择过程中，常用框图表示各种方案的基本原理。框图一般不必画的太细，只要说明基本原理就可以了。但有些关键部分一定要画清楚。必要时需要画出具体电路加以分析。

2.选择方案应注意的几个问题

① 应当针对关系到电路全局的问题，多提些不同的方案。有些关键部分，还要提出各种具体电路。根据设计要求进行分析比较，从而找出最优方案。

② 既要考虑方案的可行性，还要考虑性能、可靠性、成本、功耗和体积等问题。

③ 选定一个满意的方案并非易事，在分析论证和设计过程中需要不断改进和完善，但应尽量避免方案上的重大反复，以免浪费时间和精力。1.4.3 单元电路的设计与选择

在确定总体方案，画出详细框图之后，便可进行单元电路的设计。

① 根据设计要求和总体方案的原理框图，确定对各单元电路的设计要求，必要时应拟定主要单元电路的性能指标。应注意各个单元电路之间的相互配合，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，以简化电路结构、降低成本。

② 拟定出各单元电路的要求，检查无误后方可按一定顺序分别设计每一个单元电路。

③ 设计单元电路的结构形式。一般情况下，应查阅有关资料，从而找到适用的参考电路，也可从几个电路综合得出需要的电路。

④ 选择单元电路的元器件，根据设计要求，调整元件，估算参数。1.4.4 电子元器件的选用

电子产品的制作过程需要各种各样的电子元器件。为了确保产品质量，降低成本，电子元器件的选用是产品生产、制作的关键。如果选用不当将影响各项技术指标的实现，会出现废品、次品。

电路原理图上标明了各元器件的规格、型号及参数，它是电子元器件选用的依据。已经定型的产品，原理图上各元器件是经过设计、研制、试制后投入生产的，一般情况下，选用的元器件是不允许更换的。但对于电子产品的研制者、维修人员来说，由于客观条件等诸多因素的影响，在符合技术要求规范的条件下，可机动灵活地选用元器件。在某些特定情况下，即使有了原理图，但由于有些元器件参数标注不全，如电解电容只标容量不标耐压，在电源电路选择中要重新考虑；产品使用现场条件与技术资料不符，可调整部分元器件以适应实际要求；个别元器件当地买不到，可选用符合要求的元器件代用；在维修过程中发现个别元器件有不尽合理之处，就需要换上合适的元器件。

电子元器件是执行预定功能而不可拆卸分解的电路基本单元。如电阻器、电容器、半导体分立元件、半导体集成电路、微波元器件、继电器、磁性元件、开关、电连接器、滤波器及传感器等。实践证明，在电子设备中元器件失效总数的44%～67%是由于选用不当引起的，而元器件本身质量引起的失效只占33%～46%，见表1-1。因此元器件的选用在电路设计中占有重要地位，设计人员必须高度重视。表1-1 元器件失效原因统计

1.元器件的选择原则

① 选择经实践证明质量稳定、可靠性高、有良好信誉的生产厂家的标准器件，不能选用淘汰的或劣质的元器件。

② 元器件的技术性能、质量等级及使用条件等指标应满足电路设计的要求。

③ 在满足性能参数的情况下，应选用低功耗、低热阻、低损耗角、高功率增益及高效益的元器件。

④ 国产元器件的优选。首先选择经过认证鉴定的符合国标的元器件，经过使用考验的、符合要求的、有稳定货源的元器件。

⑤ 进口元器件。优选国外权威机构的PPL（优选清单）、QPL（质量鉴定合格的元器件清单）中的元器件；生产过程中经过严格筛选的高可靠元器件。

2.元器件的选用

应优先选择型号优先手册或国外权威机构公布的优选清单PPL中的元件。设计人员应制定准确的采购元器件的技术规范，为保证可靠性要求，规范应明确筛选（含二次筛选）和质量指标一致性检验的措施和方法。同时应按型号规订制定合格的元器件采购清单。必须明确在采购清单中影响元器件的可靠性和质量的因素，如质量等级、环境条件、失效率、技术标准、封装形式、特殊要求（抗静电特性、芯片保护工艺等）及生产厂家等。

采购规范应按规定经审批后方可实施。元器件在产品中的应用确定后，应预计其是否满足电路对元器件可靠性的要求。

3.优先选用集成电路

集成电路具有体积小、成本低、可靠性好、安装调试比较简单等优点，简化了设计，已得到越来越广泛的应用。

4.分立元件依然不可替代

在高频率、高电压、大电流或要求噪声低的特殊场合仍需采用分立元件，如有些功能简单的电路只需用一只三极管就能解决问题。如采用集成电路，反而使设计的电路复杂化，且增加成本，小题大做了。1.4.5 电路的参数计算

在设计电路过程中，常需要计算一些参数。如设计积分电路时，需计算电阻值和电容值，还要估算集成运放的开环电压放大倍数、差模输入电阻、转换速率、输入偏置电流、输入失调电压和输入失调电流及温漂，最后根据计算结果选择元器件。

1.计算参数的重要性

计算参数的具体方法，主要是正确运用已学过的分析方法，搞清电路原理，灵活运用公式进行计算。如实际应用中需要开发一个产品，设计一个电路，去满足一项或几项功能，要计算输出功率、电压、电流等参数及控制时间、方式等，必须进行参数计算，并对元器件的规格、型号、参数及数量进行选择。

2.计算参数的方法（1）参数计算的基本原则

在电路参数的计算中，精确的理论计算往往是不合实际的，由于元器件的离散性及受多方面因素的影响，只需进行粗略计算，确定电路参数的初选数值范围，而参数的准确数值要借助于计算机仿真实验来调整确定。工程实践和产品开发设计制作的经验说明，电路中的分析计算采取“定性分析、定量估算、实验调整”的原则是非常行之有效的。（2）理论公式计算法

理论公式计算仍是初步估算的基本方法之一，各种电路（交直流电路、模拟电路、数字电路及控制电路等）的计算，都是给出已知条件，求出未知条件来进行的，最后经实验调整确定参数。如设计一个分立元件的直流稳压电源，设计任务书给出技术指标如下：输出电压U=6V，输出电流I=200mA，输出电阻R≤0.2Ω，稳压系数S≤ooor0.05，最大输出纹波电压U≤10mV，最大保护动作电流I=300mA。WBBD根据已知条件，借助于已学过的计算公式，可计算出整流滤波电路的参数，调整管的有关参数，确定基准电压及基准放大级的参数，计算出保护电路的参数，最后计算选择各种元器件的规格、型号，经安装实验确定电路。（3）工程经验公式计算法

工程经验公式是考虑了各种主、客观因素的影响，并在长期的生产实践中总结出来的符合实际的行之有效的计算公式，计算简单、方便、准确，省去了一些中间计算环节，大大提高了计算速度。

3.计算参数应注意以下几点

① 各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许范围内，并留有适当裕量，以保证电路在规定的条件下能正常工作，达到所要求的性能指标。

② 对于环境温度、交流电网电压变化等工作条件，计算参数时应按最不利的情况考虑。

③ 涉及元器件的极限参数（如整流桥的耐压）时，必须留有足够的裕量，一般按1.5倍左右考虑。例如，如果实际电路中三极管Uce的最大值为20V，挑选三极管时应按≥30V考虑。

④ 电阻值尽可能选在1MΩ范围内，其数值应在常用电阻标称值系列之内，并根据具体情况正确选择电阻的品种。

⑤ 非电解电容尽可能在100pF～0.1μF范围内选择，其数值应在常用电容器标称值系列之内，并根据具体情况正确选择电容器的品种。

⑥ 在保证电路性能的前提下，尽可能降低成本，减少器件品种，减小元器件的功耗和体积，为安装调试创造有利条件。

⑦ 应将计算确定的各参数标注在电路图的适当位置。

⑧ 设计电路时应尽可能选用中、大规模集成电路，但晶体管电路在设计时仍是最基本的方法，具有不可替代的作用。

⑨ 单元电路的输入电阻和输出电阻。应根据信号源的要求确定前置级电路的输入电阻，或用射极跟随器实现信号源与后级电路的阻抗匹配和转换。1.4.6 总电路图的设计

设计好各个单元电路之后，应画出总电路图。总电路图是进行实验和印制电路板设计的主要依据，也是进行生产、调试及维修的依据，因此，画好一张总电路图非常重要。

画总电路图的一般方法如下：

① 根据信号的流向，通常从输入端或信号端画起，从左到右或从上到下按信号流向依次画出各单元电路。不要将电路画成长窄条，必要时可按信号流向的主通道依次将各单元电路排成类似于“U”的形状，它的开口可以朝左，也可以朝其他方向。

② 尽量将总电路图画在一张图样上。如果电路比较复杂，一张图样画不下，应将主电路画在一张图样上，而将一些比较独立或次要的部分（如直流稳压电源）画在另一张或几张图样上，并用适当方式说明各图样之间的关系。

③ 电路中所有连线都要表示清楚，各元器件间的绝大多数连线应在图样上直接画出。连线画成水平线或竖线，一般不画斜线。互相连通的交叉线，应在交叉处用圆点标出。连线要尽量短。电源只标出电压的数值（+5V、+10V、-15V）。电路图的安排要协调、紧凑，疏密得当，布局合理。总之，要清楚明了、美观协调。

④ 电路图中所有中大规模集成电路，通常用框形表示。在框中标出型号、名称和引脚号。符号应标准化。

⑤ 集成电路引脚较多，多余引脚应做适当处理。

⑥ 先画草图，调整好布局和连线后，再画出正式的总电路图。1.4.7 审图

在开发设计过程中可能会有些问题考虑不周，各种计算可能出现错误，所以，在画出总电路图并计算全部参数之后，要进行全面审查。审图应注意以下几点。

① 先从全局出发，检查总体方案是否合适，有无问题，再检查各单元电路的原理是否正确，电路形式是否合适。

② 检查各单元电路之间的电平、时序等配合有无问题。

③ 检查电路中有无烦琐之处，是否可以化简。

④ 根据图中所标出的各种元器件的型号、参数等，验算能否达到指标要求，有无一定的裕量。

⑤ 要特别指出元件应工作在额定范围内，以免实验时损坏。

⑥ 解决发现的所有问题，并请人复查一遍。1.4.8 产品设计报告

产品开发设计制作完成之后，通常要求提供产品设计报告和样机。表1-2列出了设计报告的内容，供读者参考。表1-2 产品设计报告内容续表

任务实施

根据任务要求，要设计的函数信号发生器应该由正弦波、方波、三角波信号发生器、放大器输出及直流稳压电源组成，如图1-1所示。三种波形发生器通过切换开关从公共的放大电路输出相应的波形。直流稳压电源为整个系统供电。图1-1 函数信号发生器系统框图（1）工作原理

正弦波产生电路是在放大电路的基础上加上正反馈网络而产生一定频率和幅度的正弦波，它是各类波形发生器和信号源的核心电路，其框图如图1-2所示。图1-2 正弦波振荡器框图

如果反馈电压U与原输入信号U 完全相等，则即使无外输入信fi号，放大电路输出端也有一个正弦波信号。这种没有外加信号，依靠电路自身条件产生一定频率和幅度的交流信号的现象叫“自激振荡”。

由此可知，放大电路产生自激振荡的条件是

即

所以产生正弦波振荡的条件是

振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求（起振条件）。既然，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。

此外，可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。

因此，产生正弦波的电路包括放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。（2）RC桥式正弦波振荡器

RC正弦波振荡电路结构简单，性能可靠，用来产生几十kHz以下的低频正弦信号。常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和移相式振荡电路。振荡器用RC电路做选频网络，同时采用晶体管或集成运放作为放大器，组成RC振荡器。图1-3所示为RC桥式振荡电路。图1-3 RC桥式正弦振荡器

图1-3中，RC电路串、并联为正反馈与选频网络，R、R组成稳f1幅电路。当ω=1/RC时，经 RC 选频网络组成正反馈，产生振荡，振o荡频率为 f =1/2πRC。起振时，要求放大倍数A=1+R/R略大于3，ouf1达到稳定平衡状态时R减小至使A=3。fu

在设计时，应使A略大于3，即R/R略大于2。若A远大于3时，uf1u因振幅的增长使放大器工作到非线性区域，波形将产生严重的非线性失真；若A小于3时，则不起振。u

在负反馈回路中采用负温度系数的热敏电阻R构成稳幅电路，当fu增加时，I增大、R 减小、负反馈加强，使u下降达到稳幅的目的。offo（3）电路的设计

本电路的设计实际上就是以图1-3所示的电路为基本结构，然后确定选频网络RC的参数和稳幅电路元件的阻值，以及集成运放的型号。设计的电路如图1-4所示。

① 选频网络：正弦波振荡器的设计要求是输出频率范围：200Hz～50kHz，分两波段连续可调。由于要求输出频率连续可调，所以 RC 选频网络中应包括可调元件。一般情况下，采用波段开关切换电容的方式实现频段的粗调，在每一频段内用双联电位器完成本波段内频率的细调。这里用波段开关S、S对选频网络中的电容C、121C（2200pF）和C、C（0.022uF）进行切换实现频率粗调。用双联324电位器 W、W（50kΩ）和 R、R（1.5kΩ）的串联完成频率的细1212调。串联R、R是防止双联电位器调到0Ω时使电路工作异常。12图1-4 正弦波发生器

选频网络中要求电阻R、R选用精度为1%的电阻；双联电位器12中的两个电位器在调节时的阻值偏差不能太大；电容C、C、C、132C的误差不能超过5%。若不能满足上述要求，会产生失真的正弦4波。

② 稳幅电路：稳幅电路由VD、VD和W组成。当输出幅度增123加时，二极管的动态内阻减小，使VD或VD和W串联的电阻减小，123相当于图1-3中R的减小，输出幅度下降，达到稳幅的目的。f

为了保证电路起振，应使即R/R略大于2，电路中R选2.2 kΩ，434R选1kΩ。3

用做振荡器的运放，其振荡频率最好在运放频率参数的1/10较为可靠。这里选用频带宽度为3MHz的四运放TL074。子任务二 方波产生电路的设计

方波产生的方法很多，最简单的方法是采用过零比较器。将正弦波产生电路输出的正弦波经过零比较器即可得到同频的方波，如图1-5所示。图1-5 方波发生器

过零比较器的原理是：将输入电压u与0比较，当u>0时，运放处ii于负饱和态，输出电压u=u（u为低电平）；当u<0时，运放处于ooLoLi正饱和态，输出电压u=u（u为高电平）。由于当u=0时输出电ooHoHi压发生翻转，称“过零电压比较器”，波形如图1-6所示。图1-6 过零比较器输入、输出波形图

当输出低电平时，若无稳压管VD、VD，则U等于负电源电34OL压（-12V）；同理输出的高电平U等于正电源电压（+12V）。由于OH加入两个4.3V稳压管，则总有一个稳压管处于稳压，另一个处于导通状态，使方波输出电压范围是-5V～+5V。p-pp-p子任务三 三角波产生电路的设计

三角波产生电路的基本结构如图1-7所示。集成运放U及其周围1R1～R4、VD构成电压比较器，集成运放U及其周围元件R、C、RZ25构成积分器。图1-7 三角波产生电路

集成运放U及其周围元件R、C、R构成积分器，输出为三角波，25输出电压为

三角波的频率为

三角波的幅度为

根据图1-7，设计一个三角波电路，输出频率范围：250Hz～33kHz，分两波段连续可调，输出电压范围（0～10）Vp-p。电路如图1-8所示。根据式（1-3）、式（1-4）分别确定电路中的参数。由（1-3）式可得

取R=39kΩ，则R+W=39 kΩ，取R=20 kΩ，W为50 kΩ的电78535位器，平衡电阻R=R//（R+W）≈20kΩ。6785

根据1-4式，三角波的频率为：f=（R+W）/4R（R+W）85796C，将代入得5

取R=3kΩ，电位器W为50 kΩ，切换电容C=2200pF，965C=0.022μF。6图1-8 实际设计的三角波电路子任务四 输出电路的设计

输出电路采用LM358或LM833（15MHz带宽）组成的电压跟随器，如图1-9所示。调节W4可改变信号幅度。图1-9 输出电路子任务五 直流稳压电源的设计

直流稳压电源用于给集成运放供电，由于集成运放在工作时的电压为±12V，所以选用三端稳压块的型号为LM7812和LM7912。根据经验值，LM7812的输入端电压应为（15～20）V左右为宜，LM7912的输入端电压应为（-20～-15）V为宜，所以选用双15V输出的变压器。整流管选用1N4007即可满足要求。设计的电路如图1-10所示。图1-10 直流稳压电源任务总结

本任务首先介绍电子产品设计的基本概念、电路设计的内容及基本步骤，然后通过函数信号发生器的设计，使学生根据所学的知识按照电路设计的步骤进行设计。

思考与练习

1.1 什么是设计?设计电子产品包括哪些内容?

1.2 电子产品设计有哪些方法?

1.3 电路设计的方法有哪些?各自特点是什么?

1.4 简述电路设计的基本步骤。

1.5 怎样画总体电路图?

1.6 试设计一个正弦波发生器，要求其输出频率为10kHz，画出电路，标出元器件参数。

1.7 试设计一个三角波发生器，要求其输出频率为5kHz，画出电路，标出元器件参数。

第2章 电子产品设计电路的仿真

为了确保设计电路的成功，消除潜在的设计缺陷，就必须在理论设计完成后，通过电路仿真验证其正确性及可行性，并找出设计的缺陷。由于现实世界中的某些效应，包括串扰、电子噪声及线路噪声等，要在仿真中对它们进行建模十分困难，所以仿真不会替代原型开发。

任务二 函数信号发生器的电路仿真

任务目标

能够正确操作计算机及相应的仿真软件对函数信号发生器电路进行模拟仿真，测量电路的主要参数，分析评价仿真结果，完成电路原理图的修改、定稿。任务要求

① 用Proteus软件仿真产生正弦波的电路，并进行波形测试及参数的调整。

② 用Proteus软件仿真产生方波的电路，并进行波形测试。

③ 用Proteus软件仿真产生三角波的电路，并进行波形测试及参数的调整。

④ 用Proteus软件仿真稳压电源电路。相关知识

2.1 Proteus ISIS电路仿真软件概述

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点如下。

① 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、2RS-232动态仿真、IC调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

② 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列，以及各种外围芯片。

③ 提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步及设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量及寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil uVision2等软件。

④ 具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。2.1.2 Proteus ISIS的运行环境

Proteus ISIS可运行于Windows 98/Me/2000/XP及更高的操作系统，其对PC机的配置要求不高，一般的配置就能满足要求。本书中的实验所用版本为Proteus 7.4，仿真过程中该软件运行流畅，反应迅速，所用的机器的配置如下。

CPU：1.5GHz；

RAM：256MB；

硬盘：40GB；

操作系统：Windows XP。

2.2 Proteus ISIS工作界面简介

单击“开始”菜单，在“程序”组中选Proteus 7 Professional程序，如图2-1所示。Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图2-2所示。包括标题栏、菜单栏、标准工具栏、模式选择工具栏、元件列表、方向工具栏、仿真按钮、预览窗口和原理图编辑窗口。图2-1 从“开始”菜单启动Proteus图2-2 Proteus ISIS的工作界面2.2.1 主菜单

主菜单包含了Proteus的所有命令操作，按功能分有12组菜单项，如图2-3所示。通过选择主菜单上的菜单项就可以实现相应的功能，下面只介绍本书所用到的工具。图2-3 Proteus ISIS的主菜单

1.File菜单

该菜单项主要是进行文件的操作和管理，包括以下菜单命令。

New Design是新建设计命令，该命令运行时将打开一个对话框，根据需要选择新建设计的模板，如图2-4所示。

Open Design命令是打开一个已经存在的设计。Save Design为保存设计。Save Design As…是另存为。Save Design As Template是保存为模板命令。

Print为打印命令，运行该命令时打开打印设计对话框，可以设置打印范围、缩放比、页面设置等内容，如图2-5所示。

Print Setup命令为打印设置，运行该命令打开打印设置对话框，可以设置打印机的属性和纸张，如图2-6所示。图2-4 新建设计对话框图2-5 打印设计对话框图2-6 打印设置对话框

2.View菜单

该菜单包括的命令有：Redraw为刷新显示内容命令；Grid为栅格打开和关闭切换命令；Snap设置捕捉栅格的间距命令；Pan为视图移动命令；Zoom为视图的缩放命令。

3.Edit菜单

该菜单包括的命令有：Undo是撤销命令；Redo是恢复命令；Cut to clipboard是剪切到剪贴板命令；Copy to clipboard是复制到剪贴板命令；Paste from clipboard为从剪贴板中粘贴等。

4.Tool菜单

该菜单包括的命令有：Real Time Annotation为实时标注；Wire Auto Router为自动布线；Properties Assignment Tools为属性设置工具；Global Annotation为全局标注；Bill of Material为材料清单等等。

5.Design菜单

该菜单包含的命令有：Edit Design Properties为编辑设计属性命令；Edit Sheet Properties为编辑当前页面属性；New Sheet为新建页面；Remove Sheet为删除页面；Next Sheet为下一页命令；Goto Sheet为跳转某一页等。

6.System菜单

该菜单包括的命令有：Set Sheet Size为设置图纸大小，如图2-7所示；Set Text Editor为设置文本编辑选项，如图2-8所示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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