电路设计

<strong><font color="#FF0000">贸泽电子 Steven Keeping </font> </strong>

在电路中，时钟的不良设计可能导致整个设计的失败。尽管最简单的时钟分布是最好的，但是在很多应用中，电路板上某些位置的芯片需要同步时钟信号，而在另外一些位置又需要非同步（即不同频率）时钟信号，时钟的分布形成了一个多分支时钟树，给设计带来了巨大的挑战。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-12/wen_zhang_/100009265-31285-c1.p…; alt=“” width="600"></center>

在很多场合有线通信技术并不能满足实际需要，比如在野外恶劣环境中作业。使用无线射频通信芯片构建的通信模块，用单片机作为控制部件，配合一定的外围电路就能很好地进行两地空间区域信号对接，实现自由数据通信，解决了无线通信的技术难题。并且其具有硬件构造简单、维护方便、通信速率高、性能稳定等优点，能在电子通信业得到广泛应用。

本文的控制部件选用AT89C51型单片机。由于这种芯片只有SPI通信接口，而目前常用的单片机都没有这种接口，因此需要对该芯片的通信时序进行模拟，所以在控制器里编程时要严格按照芯片工作时序进行。

<strong>电路原理</strong>
　　
NRF24L01芯片构成的通信模块电路设计

NRF24L01芯片通信模块电路核心器件NRF24L01 配合网络晶振、解耦电容、偏极电阻一起工作构造稳定射频通信模块。该芯片是贴片结构，模块占用空间少，如图1所示。

CAN 总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，以其高性能和高可靠性在自动控制领域得到了广泛的应用。为提高系统的驱动能力，增大通信距离，实际应用中多采用Philips公司的82C250作为CAN控制器与物理总线间的接口，即CAN收发器，以增强对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。为进一步增强抗干扰能力，往往在CAN 控制器与收发器之间设置光电隔离电路。典型的CAN总线接口电路原理如图1所示。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-10/wen_zhang_/100008364-27967-e1.j…; alt=“” width="600"></center><center><i>图1 典型的CAN总线接口电路原理图</i></center>

<strong>1 接口电路设计中的关键问题</strong>

<strong>1.不要忘记在电源输入和输出端加电容滤波</strong>

通常情况，电源的输入和输出端的电信号是不稳定的，直接给负载供电，长期会给负载造成损伤，也会其使工作不稳定。而我们知道，电容对电压有储能滤波的作用。电容里面储存电子荷，进入到电容里面电子荷不断堆积，然后再平稳输出去——平稳输出且无波动，从而负载就能得到一个平稳的源源不断的输入。一个平稳，没有什么波动的电压，能让负载工作更可靠，也不会损伤器件。通过电容给负载供电的电压进行滤波，从经验的角度来讲都是一般大的电解电容配合一个104电容进行滤波。大电容用来滤低频波，小电容用来滤高频波，两个结合使用，效果最理想。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-09/wen_zhang_/100008184-27230-buya…; alt=“” width="600"></center>

嵌入式设计是个庞大的工程，今天就说说硬件电路设计方面的几个注意事项，首先，咱们了解下嵌入式的硬件构架。

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我们知道，CPU是这个系统的灵魂，所有的外围配置都与其相关联，这也突出了嵌入式设计的一个特点硬件可剪裁。在做嵌入式硬件设计中，以下几点需要关注。

<strong> 第一、电源确定</strong>

电源对于嵌入式系统中的作用可以看做是空气对人体的作用，甚至更重要：人呼吸的空气中有氧气、二氧化碳和氮气等但是含量稳定，这就相当于电源系统中各种杂波，我们希望得到纯净和稳定符合要求的电源，但由于各种因素制约，只是我们的梦想。这个要关注两个方面：

a、电压

过去的40年中，MOS器件尺寸的持续缩小一直是促进半导体工业发展的动力。人们可以在越来越小的芯片上实现越来越复杂的功能，并且芯片的价格不断下降，使得各种便携式产品如笔记本电脑、笔迹识别仪、语音识别器等相继问世。这些设备大多依靠电池供电，电池的寿命是有限的，而目前的镍镉电池最多能提供的电能只有 26 W／pound。而且，随着芯片集成度的增加，单位面积上消耗的功率也随之增加，这不得不增加为芯片散热的成本。因而，如文献中所述，电路的已成为电路设计的重要指标。

从已有的研究成果可知，电路中的功率消耗源主要有以下几种：由逻辑转换引起的逻辑门对负载电容充、放电引起的功率消耗；由逻辑门中瞬时短路电流引起的功率消耗；由器件的漏电流引起的消耗，并且每引进一次新的制造技术会导致漏电流20倍的增加，漏电流引起的消耗已经成为功率消耗的主要因素。目前降低功耗的方法主要有：减小电源电压、调整晶体管尺寸、采用并行和流水线的系统结构、利用睡眠模式、采用电路等。其中，能量回收逻辑就是基于绝热计算发展起来的一种低功耗设计技术。这里简单介绍一种使用单相正弦电源时钟的能量回收逻辑，并用这种原理电路设计了一个两位的数字电路，与静态CMOS数字乘法器相比，这种能量回收乘法器能够大大降低功率消耗。

光电二极管是很多光学测量中最常用的传感器类型之一。诸如吸收和发射光谱、色彩测量、浑浊度、气体探测等应用均有赖于光电二极管实现精密光学测量。

光电二极管产生与照射到活动区的光量成比例的电流。大多数测量应用都需要用到跨阻放大器，以便将光电二极管电流转换为输出电压。图1显示电路的原理示意图。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-09/wen_zhang_/100008001-26493-1.pn…; alt=“” width="600"></center><center><i>图1. 简单跨阻放大器电路</i></center>

电子电路的设计是一项非常复杂的系统工程，在设计过程中，由设计者通过对具体数据进行相应的分析，然后提出初步设计方案，再进行相应的修改与调试，不断地对电路的设计进行补充，完善电路设计方案。这个过程是十分复杂而费时的。随着电子设计自动化(EDA)技术的出现，极大的节约了电子电路课程设计的时间，使得电子电路的设计更加简准确、科学。
　　
<strong>1 EDA技术的特点</strong>
　　

HART(可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议)协议允许在传统的模拟4 mA至20 mA电流环路内实现双向1.2 kHz/2.2 kHz FSK (频移键控)调制数字通信。这样可实现传感器/执行器的查询，并且能够在设备安装、监控和维护过程中表现出显著的优势。通过使用便携式辅助器件查询传感器/执行器，HART可为维护人员提供众多便利，但要完全实现HART带来的所有好处，必须将传感器/执行器连接至带支持HART的电流输入或输出的控制系统。本文将重点阐述支持HART的电流输入以及与向余量受限的4 mA至20 mA输入设计中添加HART功能相关的难题。

我们先来看看HART FSK发送电路。图1显示了HART FSK发送电路的一种传统方案，对此电路进行讨论后我们将展示经过改进的电路设计，改进后的电路可节省空间和成本。

下面整理了一份电路设计师指导手册，讲解了五个部分的内容，以供大家参考，共同学习。

第一部分：接地与布线
第二部分：电源返回路径与I/O信号接地
第三部分：板间互连、星形接地及屏蔽
第四部分：安全地以及电线/电缆
第五部分：射频电缆、双绞线与串扰

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文/Peter Wilson
来源：EDN China