电子电路设计的基本方法

    随着科技的发展，电子产品真可谓是层出不穷，而人们对于电子的产品也要求的越来越高，不仅仅是从功能方面，在设计方面也要精细、美观。比如手机，一个越来越轻薄的手机可能它的功能也更多，这其中就要求电子电路设计要越来越精细，那么电路设计有哪些方法呢？

    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、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。

    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。

    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。

    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。

    其基本原理是用曲线拟合和数值逼近简化电路方程。

    ①作图求解原电路方程曲线。设有一个含有多种混合运算的电路数学模型Ｙ＝ｆ（ｘ）（１）在Ｙ有定义的区间内用Ｘ的元素代入方程式（１），并由此作出曲线。

    ②设计简单形式的曲线方程逼近原曲线方程。

    以方程式（１）为基础，在分析该曲线各种要素的基础上设计一条较为简便运算形式的曲线方程去逼近（１）式，经不断修正该方程，使之在误差允许范围内求得简单的曲线方程（２）。ｙ＝ｆ（ｘ）（２）方程式（１）和方程式（２）是两条很接近的曲线，但式（２）比式（１）运算程度简单得多。

    ③误差分析。用Ｘ的元素分别代入方程式（１）和式（２），求解误差，并重复第①、②步，不断修正方程式（２），直到满足误差要求为止，则所求方程式（２）即取代了原方程式（１），由方程式（２）为设计电路。

    在曲线拟合中的曲线方程类型的选择，极大地关系曲线逼近的精度，一般要求作几种曲线方程进行比较，直到误差符合电路设计要求为止。方程中系数修正也要多进行几次，可用确定误差量由计算机求解，直到误差符合要求。

    电子电路设计是一个产品是否能够成功的关键，在电脑刚问世的，其体积是庞大的，而很大一部分就因为要完成它的工作需要用很多的电路来完成，而现在电脑更可以是平板的，而且很轻薄，这就是电路设计方面得到很大提高的一种转变。