【硬件】嵌入式电子设计基础之模拟电路实践

本文主要是介绍【硬件】嵌入式电子设计基础之模拟电路实践，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

电子技术是一门实践性非常强的学科，学习电子元器件基础知识和设计技能，最终为的是把具备一定功能的电路板制作出来，解决科研、生产、生活中的实际问题。

本篇文章从实际的电子产品出发，让您能够初步体验电子产品的硬件设计过程，并了解常见的硬件模块参考设计。

文章目录

电路设计的一般过程

设计直流稳压电源

多媒体音箱设计与制作

前置放大器（小信号放大器）

功率放大器

分频器

丰富多彩的振荡器

信号的调理

RC电路

微分与积分器

无源滤波器

振荡器的应用

闪光灰太狼

施密特触发器

射频振荡器

电路设计的一般过程

电路设计的一般过程由上图可以看出主要分为六步。

需求（功能）规划：电路设计具有很强的目的性，为了解决科研、生产、生活中的实际问题而工作。在进行具体设计前需要对电路将要实现的功能、完成的任务进行规划，或者叫做需求分析。比如要制作一个USB充电器，它要实现的功能是：将220V AC转换成5V DC,从USB口输出，提供充电电流。
系统框图：系统框图是对需求规划的进一步设计，将描述功能的文字、参数等内容归纳成一些方框图，并用一些表示信号流向的箭头表达系统的在功能模块间的信号流向。如下图（a）绘制了USB充电器的系统框图。在掌握了一定的电路结构后，就可以对这个系统框图进行细化，如下图（b）。
电路图原理设计：凭经验规划出来的系统框图，每一个框都代表着一些具体器件的电气连接，在电路图设计阶段，就是要利用所掌握的电路知识和技巧把具体的电路图给设计出来。还是以充电器为例，下图是根据系统框图设计的原理图。Altium Designer即可进行原理图设计，按行业标准进行绘制，遵循分模块以及标注关键参数等规范，使原理图更加美观，清晰。
电路制作与调试：电路设计完成之后，可以先通过Mulrisim仿真进行初步验证，然后通过面包板、焊万用板等方法对设计进行实践，从中找到不足的地方，通过调整元器件参数、修改电气连接、调整电路结构等方式进行改进。这一阶段尤其重要，电路图虽然设计出来了，但是或多或少会存在一些问题，这些问题往往只有在实际调试过程中才会发现。发现问题就要对电路图进行修改后再调试，多次反复这个过程直到电路实现正常功能为止。
PCB设计及制作：使用Altium Designer等PCB设计软件把原理图设计成印刷电路板（PCB），需要确定电路板的尺寸和形状，规划元器件布局，最后实施布线。布局规划和布线这两步还由很多的注意事项与规范。最后进行PCB与结构干涉等相关检查后，可将gerber交给工厂将PCB生产出来。
元器件焊装及检验：拿到工厂生产出来的PCB，进行必要检测之后可将元器件焊接上去。如果要制作的电路板数量比较大，还要借助专业的焊接设备进行焊装。焊装完成之后，对电路板进行带电检测，观察各种运行参数是否正常，发现问题还要及时调整。

设计直流稳压电源

220V AC经过变压器->整流桥->滤波电路->稳压电路最后形成了所需的直流稳压电源，实现了220V AC向直流电压的转换，如下图所示。

设计的过程正好与电信号的流向相反：先从最右边的直流电压输出部分开始，向左推导，设计电路。

确定电源输出的电压 $V_{out}$ 、最大电流 $I{out}$ ：设计直流稳压电源最终是为了给负载（电路供电），所以在设计之前就要搞清楚负载到底需要多大的电压和电流。
稳压电路设计：假设负载的工作电压为9V DC,最大电流为850mA，则稳压电路的输出电压 $V_{out}$ 和最大电流 $I{out}$ 可以确定。负载的最大电流没有超过78系列三端稳压所能承受的最大电流，故考虑使用7809三端稳压，其输出端OUT可将电压维持在9V DC。
整流滤波设计：由下图可知，滤波由电解电容C1完成，电容C2、C4可去除一些高频干扰，电解电容C3可在进一步过滤信号的同时储存一些能量，在负载电流突然变大的时释放。由于78系列三端稳压输入端IN电压至少要比输出端OUT高出3V，所以整流滤波之后的直流电压不小于3+9=12V。选择电解电容时需要注意其耐压值不能小于施加在两端电压，否则电解电容极易发生爆炸，滤波电容的容量可以根据电路的功耗大致估计一下。
变压器选择：变压器的次级线圈指的是其交流均方根值，又称RMS,比如上图所示的变压器，次级线圈是9V AC,这里指的是信号RMS=9V。这个9V不是交流信号的峰值，而是峰值的0.7。所以次级线圈电压峰值为9/0.7=12.9V。变压器之后的整流滤波电路输出的直流电压等于交流信号的峰值。

电源的设计有非常大的学问，这里只是介绍了一个非常普通的直流稳压电源。

多媒体音箱设计与制作

立体声多媒体音箱的系统框图如下。

前置放大器（小信号放大器）

前置放大器（preamplifier）主要负责将MP3播放器输出的微弱音频信号进行电压发大，使之能被功率放大器进行功率放大，继而驱动负载工作。在音响系统中，特别是进行大功率放大时，功率放大器对输入的信号有一定要求，太弱的输入信号功率放大器是不“理睬”的，所以常常在功率放大器之前增加1级或者多级前置放大器，将小信号的幅度放大到合适的范围再由功率放大器进行进一步的能量放大。

前置放大器除对小信号放大外，还常常设计一些额外电路实现音量（电压幅度）、低音（低频增抑）、高音（高频增抑）调节功能。下图是一个由分立器件构建的前置放大器原理。

功率放大器

音源的信号经过前置放大器之后即可进入功率放大器中进行能量提升，以便驱动扬声器工作还原省心信号。在选择功率放大器之前需要考虑一个简单的问题，就是扬声器的功率有多大，或者说想要设计的多媒体音箱要震撼到什么程度。如果想要一个上网聊天，听听音乐那么10W就足够了；想要震撼一点的观赏电影音效，输出功率建议在20W；要想构建一个家庭影院不怕邻居投诉，则可以选择100W；如果要在小区搞一个个人演唱会，则需要具备300W以上的输出功率。

我们一般把10W以下的功率放大器笼统地称之为小功率放大器。下图为使用TDA2008集成芯片构建10W+10W双声道放大器。

分频器

一般地音箱面板上都装有两个或两个以上扬声器，分频器（crossover）的作用就是将功率放大器输出的信号进行以下“分类”，让低频信号进入低频扬声器，让高频信号进入高频扬声器。下图就是一个世界上最简单的分频器。从功率放大器输出的信号进入音箱之后（阴影部分），低频扬声器虽然接收了所有频率成分的信号，但是它只对低频信号敏感，而无法还原高频信号；相反，电容C1与高频扬声器的阻抗形成一个高通滤波器，只允许高于某个频率的信号通过。于是高频信号可以通过电容C1到达高频扬声器被还原，而低频信号将无法通过。

丰富多彩的振荡器

本小节介绍的振荡器利用正反馈，它将输出的信号中某一分取出反馈到输入中，从而使这部分信号得到不断加强，最终形成震荡，颇有火上浇油的意味。振荡器在生活中随处可见。可以笼统地说，只要是“一闪一闪”的或能发出悦耳响声的电子产品都可能含有振荡器。

信号的调理

信号的调理在之前的多媒体音箱设计时已经遇到过了，比如放大器的音量控制就是最简单的信号调理方式：幅度控制。除了幅度控制以外，限幅（限制信号幅度）、钳位（向交流信号加入直流偏置）、倍压（提高电压）等都是电路设计中经常涉及的。

限幅电路（limiter）：限幅电路专门“打压”超过限制幅度的信号。如下图是一个分压器偏置正向限幅的电路。
钳位电路（clamper）：向交流信号增加一个直流电平的电位称为钳位电路。下图为一个负向钳位电路。
倍压电路（voltage multiplier）：顾名思义就是将输入信号的电压加倍输出。下面的电路是一个四倍压的电路。

RC电路

由电阻和电容构成的各种电路，简称RC电路，特别是微分器与积分器，以及高通/低通滤波器在电子系统中都很常见。我们把电阻阻值和电容容量的乘积称为RC时间常数，用希腊字母 $\tau$ 表示（发音 $t\grave{a}o$ ）。则有 $\tau$ =R*C。

微分与积分器

下图是微分器（differen）的典型电路，它是由一支电容和一支电阻组成。当方波进入微分器后，如果 $\tau$ 远小于方波的周期T，就会得到标号为1的极具变化的输出信号；相反如果 $\tau$ 远大于方波的周期T，则得到标号为2所示的缓慢变化的输出信号，此时输出信号形式更接近输入信号，失真相对较小，这样的电路常常用来耦合音频放大器的输出和输入，过滤掉直流（低频部分）。

下图是积分器（integrator）的典型电路，积分器的最大特点是它在一段时间内积累了输入信号的稳定部分（BC段和DE段），从而缓和了输入信号的变化部分。所以，积分器在电路中可以过滤掉交流（高频）部分。

无源滤波器

滤波器（filter）是一种频率选择电路，它根据电路的参数设计滤除掉某频率段的信号成分。高通滤波器滤除频率在截止频率以下的信号成分（让频率高于截至频率的信号通过）；低通滤波器滤除频率在截至频率以上的信号成分（让频率低于截至频率的信号通过）。

下图为无源高通滤波器（passive high-pass filter，HPF）的典型电路，与微分器的结构是相同的。它的滤波原理很简单，电容具有隔直通交的特性，于是高频信号比低频信号更容易通过高频滤波器。滤波器的截止频率 $f_c=\frac{1}{2\pi RC}$ 。

下图为无源低通滤波器（passive low-pass filter，LPF）的典型电路。它跟积分器的结构相同，当高频信号经过电阻R之后又被电容C导到地线而没有了输出。相反，由于电容C不会导通低频信号，所以可以安然通过低通滤波器。低通滤波器截至频率与高通滤波器算法相同。

带通滤波器由一个HPF+LPF构成，典型电路如下。

振荡器的应用

在振荡过程中，反馈起到了“火上浇油”的作用，增强了输入信号，这样的反馈被称为正反馈（positive feedback），如下图所示，在振荡器（oscillator）中，由正反馈组件从放大器的输出端获取部分信号并将其反馈到放大器的输入端。由于反馈信号与输入信号同相，因此放大器不断循环放大反馈信号从而产生震荡信号。这里需要注意，放大器不可能无限地循环放大振荡信号，当输出的震荡信号达到某个极限值后就不再增大了，这个极限值就是振荡器的稳定震荡状态。

闪光灰太狼

闪光灰太狼实现通电之后两种不同颜色的发光二极管交替闪烁，点亮灰太狼左右脸颊交替闪光。

这里我们使用的是无稳态多谐振荡器（astable multivibrator），其最大的特点就是振荡器的输出在两个稳定状态之间自动切换，一时等于 $V_{cc}$ （高电平），一时等于0（低电平）。而切换的间隔由电路的参数决定，这个时高时低的输出正好形成了矩形波，成为许多数字电路的时钟信号源。下图为振荡器原理以及两个输出点随时间的不同输出波形。

从上图可以看出，两个三极管Q1与Q2交替导通，我们在两个三极管的c极各添加一个负载---发光二极管D1和D2，这两个发光二极管被三极管控制，当三极管饱和时点亮，截至时熄灭。

施密特触发器

双稳态多谐振荡器（multivibrator）具有两个稳定的状态，常常在电子开关、脉冲整形等场合使用。施密特触发器（schmitt trigger）是双稳态多谐振荡器的一种形式，如下图所示，其两个三极管的e极由电阻R5反馈到地中。当输入信号 $V_{in}$ 的幅度小于1V左右时，施密特触发器中Q1截至而Q2饱和，此时输出电压 $V_{out}\approx \frac{R_5}{R_5+R_4}V_{CC}$ ;而输入信号 $V_{in}$ 的幅度超过1V左右时，Q1饱和而Q2截至，此时 $V_{OUT}\approx V_{CC}$ 。施密特触发器就好像一个门限检测电路一样，当输入信号高于一定值时它便输出高电平，否则为低电平。因此它可以把正弦波等信号换成矩形波，或者对一些不漂亮的开关信号进行整形。

射频振荡器

射频振荡器（radio frequency oscillator）常用在无线电和电视的发射器和接收器中，它将直流电源的能量转换为等幅的交流信号（如正弦波，方波等）并应用在数据传输中。有关射频电路及数据传输又独立成为一门学科，在通信专业会有专门的介绍。这里只对几种常见的射频振荡器进行了解。

LC振荡器：LC振荡器（LC oscillator）利用电感器和电容作为正反馈组件实现振荡。下图所示为调谐式振荡器。电阻R1、R2、R3为放大器提供偏置，在三极管c极的负载是L1、C1构成的调谐电路（LC并联电路），其中C1可调，从而可以灵活调节振荡器输出信号的频率。调谐式振荡器输出的频率 $f=\frac{1}{2\pi\sqrt{L1C1}}$ 。

如果正反馈组件中利用的是电容和电阻进行频率选择就成了RC振荡器（RC oscillator）。下图是一个典型的移相式RC振荡器（phase shift oscillator）。输出信号经过三级RC反馈到输入端。由于放大器造成的180°相差，而三级RC电路又带来180°相移，所以反馈信号和输入信号同相，形成震荡。如果取R1=R2=R3=R、C1=C2=C3=C，移相式RC振荡器输出频率为： $f=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{6}}$ 。