电路的设计原理篇1
关键词：电源传输完整性;优选器件;电源评估;平面电容;电源仿真
中图分类号：tn710?34文献标识码：a文章编号：1004?373X（2015）02?0132?05
DesignprocessofhardwarecircuitbasedonpDntheory
RenBing?yu
（GRGBankingequipmentCo.，Ltd.，Guangzhou510663，China）
abstract：Basedonthepowerdeliverynetwork（pDn）theory，thedetaileddesignprocessofhardwarecircuitisdescribed.Differencefromgeneralcircuitdesignmethod，pDndesignprocesscangreatlyimprovethehardwareintegrationandeffectivelyreducethetotalnumberofcomponentsbyestablishmentofpreferredcomponentlist，powerevaluation，planecapacitorconstruction，powersupplysimulationandconstructionofpowerfrequencyimpedancesimulationcurves.thepowersupplyintegrationtestexecutedbyprofessionaltesterprovesthatthehardwarecircuitdesignedbypDncaneffectivelylimittheripple，noiseandotherelectricperformanceparameters，andresistorandcapacitorononeboardcanbedecreasedby30%.theproductscanfullymeethardwarerequirementsoftelecomservers.
Keyword：pDn;ppL;powersupplyevaluation;planecapacitor;powersupplysimulation
0引言
21世纪以来，随着科技地不断发展，电子产品在功能、性能等方面得到了长足的发展。伴随而来的是电子产品系统复杂、加工工艺难度增大、产品成本提升、单板故障率上升等问题，直接影响消费者的正常使用和公司的信誉。
目前单板电源设计的流程通常是确定好主芯片及其他用电芯片的输入输出电压/电流，按照分支派生的方式标示电源架构，汇总出产品所需的总功耗，确定供电芯片的型号和性能参数就开始设计电路中的电源。为了降低设计风险，设计人员通常采用电源芯片供应商推荐的参考电路来设计电源电路，经过简单加工测试验证无问题后即投放市场。这种电源设计方式看似没有重大设计风险，但实际上却存在很多隐患，无法满足精细化设计的要求，会造成极大的设计冗余，导致产品升级换代困难，加大分析电路故障原因的难度，降低了产品实际效率，提高了产品的开发、生产和售后维护成本。本文从科学设计电路的角度出发，引导硬件工程师在充分理解单板芯片的实际电源需求后，通过正确评估电源需求、理清优选阻容器件、优化平面电容和层叠电容等设计方法，设计出高品质、高集成度的优秀电子产品。
1优选阻容器件
在单板开发设计过程中，硬件工程师使用最多的器件就是电容和电阻，电阻主要有限流、分压、调节芯片驱动、限定电平输入输出、调整负载等作用;电容通常应用于隔直、耦合、滤波、稳压、谐振等设计。阻容的器件原理和应用范围很明确，但为了缩短产品的交付进度，设计人员通常在电源设计上采取粗放型理念，对阻容器件的选择缺少必要的科学管控。为保证无开发风险，设计人员大多直接应用芯片器件手册上推荐的环路设计，增加了芯片间冗余设计。这种不规范选取阻容器件的现象会导致板上阻容器件的种类数、器件总数被人为增加，提高了制造、仓储、维修等生产部门的运营难度，同时冗余设计会引起电路设计的不稳定性和不确定性，引入噪声、谐振、串扰、功耗上升等问题。故此，需要设计人员在设计前就必须彻底理清整个单板的系统架构，明确阻容器件的功能，通过电路仿真和实际测试结果来指导正确的硬件电路设计，否则无法正确完成产品开发设计[1]。
为保证电源稳定性，在设计芯片环路的时候都会给留有一定的余量，设计的余量与功耗评估、器件精度、电源仿真都存在关系。实际应用的阻容器件与标称的理论值存在一定偏差，阻容器件标称值与实际值的偏差称为误差，器件允许的偏差范围称为精度。电容精度等级与允许误差对应关系通常为：超稳定级（i类）的介质材料为npo，精度通常为1%;稳定级（Ⅱ类）的介质材料为X7R，精度通常为5%;能用级（Ⅲ类）的介质材料Y5V，精度较低，不建议使用。在考虑通流和功耗的前提下，目前电阻精度主要是1%及5%两种。
在实际设计过程中，建议设计人员选择精度高（1%）的阻容器件。使用高精度的阻容器件可以准确控制硬件电路的功耗、电流、频率、纹波、噪声等电气特性，有效控制单板稳定性。为了降低单板阻容器件的种类数，应该参照以下规则：电阻按照e12原则（10、12、15、18、22、27、33、39、47、56、68、82作为基数）来选择器件，电容按照e3原则（10、22、47作为基数）来选择器件。这些是设计中经常用到的阻容值，以上述阻容值作为基数可以满足电路设计中90%的阻容需求。如果芯片要求特殊阻容值，可以通过串并联的方式实现所需阻容值，可以有效地控制环路的阻抗匹配、驱动调节、纹波控制等电气特性。
选用高精度阻容阻容器件，建立优选阻容器件表ppL，就可以在保证所有单板开发质量的前提下，最大程度约束器件选择的种类数，实现器件编码的归一化，提高单板阻容器件的简洁度。
2电源评估
设计人员选用一个芯片，需要明确芯片最大的应用能力，即芯片管脚最大工作电流和目标工作频率，理清芯片最大动态电流和设计所需的负载频率范围，约束trace走线分布来指导powerrail的设计并选取适合的电容。控制电源稳定性最重要的两个环节就是阻抗匹配和频率响应，设计电路的时候会仿真出一个最优通路的理想电路模型。理想电路要求在电路频率变化范围中走线链路阻抗是固定的，设计出的实际电路也要满足这个特性，要求设计出的阻抗频率特性曲线与理想电路阻抗频率曲线接近，甚至一致。
以某网卡芯片为例，通过查询器件手册得出芯片在不同工作状态下的最大电流如下。
表1某网卡芯片工作状态功耗表
通过表1知道网卡工作在1000mb/s传输速率，从active状态到idle状态时候会产生最大的功耗变化，网卡实际工作中最大的电流变化是从active状态向idle状态切换过程中发生的。网卡在这两个状态之前切换时候产生最大数据量变动，过大的数据量变化会产生额外的工作损耗。从芯片手册上可以得知active状态到idle状态的工作电流变化为570ma，由此可以计算得出网卡在1000mb/slink状态下从active转向idle时的transientCurrent百分比，即动态电流变化率[istep]为570ma。由表1可以看出，该网卡芯片在不同工作状态下的功耗是不同的，相同电平下的工作电流不同。这是由于芯片高速信号传输引起传输线及传输介质产生阻尼效应，内部工作频率提升导致芯片管脚输出功耗上升。信号传输是通过数据线中电平高低变化来实现的，不同电气接口对于高低电平的阈值也是有严格要求的，为保证信号能够在准确的数值下传输，需要确保芯片管脚上的信号在相同或不同的工作状态下都能有稳定的电平输出。这就需要我们充分理解芯片的工作原理及产生功耗的原理后，提供最优的电路来保证整个环路的稳定性[5]。
特征阻抗[Ztarget]可以通过以下公式得到：
[Ztarget=ΔVΔi=Vmax?ΔVrippleimax?Δitransient]（1）
式中[ΔVripple]为电压纹波要求，通常为1%～3%，[Δitransient]为电流有效传输效率，根据电源不同的设计方式和信号工作频率，可以选择10%～90%作为电流传输效率。
芯片都是在不同状态之间进行工作的，管脚不可能一直保持工作在100%的工作状态，这就导致实际输出的电流不会一直处于峰值电流，而是最大值的一部分。对于对工作状态没有约束且工作频率超过100mHz的芯片，对电流传输效率transientCurrent百分比可以选择最大的90%。芯片的最大工作电流可以通过查找器件手册得到，里面详细介绍芯片所有的工作状态及对应的工作电流，得出芯片在不同状态下的最大功耗。在此基础上，联系芯片实际工作中可能出现的状态变迁方式，计算出最大的动态电流变化率，即电流有效传输效率[Δitransient]。
通过查看器件手册得到芯片管脚的工作频率作为目标频率[Ftarget]，超过[Ftarget]范围的信号都不必要处理。这是因为受到阻抗特性约束，这部分超出[Ftarget]的信号是无效的，故此不会产生损耗。芯片的目标频率通常在器件手册中没有涉及，可以直接向供应商询问。如果厂商无法给出芯片的目标频率可以凭借经验来推测：首先明确芯片消耗电源的模块类型，通过模块类型对比给出不同模块的典型频率，在结合芯片实际工作情况，找出所需要的目标频率[Ftarget]。
通常以i/o电源80mHz，core电源50mHz作为标准基准频率。将[Ftarget]带入计算表格，得出所有需要分析的对象和仿真波形，完成电源评估工作。
3平面电容
经过实际测试，发现每个芯片的i/o管脚都无法按照理论模型构建硬件电路，即直接通过芯片管脚与pCB板上铜箔pad相连接，不会产生任何额外的电气特性。如图1所示，在芯片i/o管脚与pCB相连的地方都会产生寄生电容，当i/o管脚输出高电平时，相连部分上的寄生电容开始放电，如果管脚周围没有补偿电容给管脚寄生电容及时充电，该i/o管脚上电平就会出现跌落。
图1芯片i/o管脚实际等效示意图
芯片厂商通常会在实际封装中添加一部分[Cpkg]用于给寄生电容充电，但是由于容值过小，充电效果并不理想。芯片外部放置的钽电容存在走线过长、层叠干扰及寄生电感的原因，更是难以给芯片i/o管脚上的寄生电容及时充电，所以我们要利用pCB来构建出如图2所示的等效平面电容[Cpcb]。
图2理想pCB平面电容示意图
平面电容是利用pCB叠层的电源层和地层之间构造的电容效用而形成的。这种平面电容的容值通常比较小（pF级），可以用于滤除高速信号产生的高频噪声，同时由于离芯片管脚最近，可以最迅速有效地为芯片管脚上的寄生电容充电。在芯片周围摆放滤波电容不能有效滤除高频噪声的原因就在于即使容值很小的滤波电容也只能滤除100mHz以下的噪声，而对于超过200mHz的噪声就不能有效滤除。以10nF电容为例，按照电容阻抗特征曲线所示，只能有效滤除50mHz左右的噪声。如果再放置pF级的电容会显得冗余，且电容本身的eSR和eSL会引入高频谐振的问题。
综合考虑，建议可以利用平面电容来对管脚寄生电容完成充电和高频滤波[2]。电容频率阻抗曲线如图3所示。
3.1估算平面电容值
平面电容值需要依据芯片管脚和对应传输线上的寄生电容值来完成评估。通过芯片i/o管脚的寄生电容[Cio]以及芯片的i/o管脚数量得出芯片i/o管脚生成的总寄生电容大小。一般情况下，pCB微带层每inch单端传输线（特征匹配阻抗为50Ω）上的寄生电容为3.5pF。以一组32位的传输线为例，传输线走线长度为6inch，管脚寄生电容[Cio]为2pF，可以推算出芯片管脚总寄生电容[Cswl]=（3.5pF/inch×6inch+2pF）×32=736pF。按照设计要求电源的纹波为2%，综上条件就得到了所需要的平面电容[Cp]为36.8nF。
图3电容频率阻抗曲线图
当然，这里还提供了一种简易评估平面电容的方法，即忽略管脚上的寄生电容。同样以上述32位传输线为例，[Cswl]=3.5pF/inch×6inch×32=672pF，电源纹波同样要求为2%，得到平面电容为33.6nF。这样计算得到的[Cp]与理论值存在一定偏差，不是很准确，但管脚上的寄生电容可以通过芯片封装上的[Cpkg]进行部分补偿，可以满足实际应用的补充效果，故此不会产生很大的影响[3]。平面电容的布局由于需要考虑分层和跨层分布，实际上应用的平面电容要比计算得到电容多。根据资料和实际测量，实际布局的平面电容[Ccomp]和理论的平面电容[Cp]二者的比例应该是5～10倍之间，通常选用选取为8，即[Ccomp]=[Cp]×8。由此可以得到芯片实际需要补偿平面电容值为[Ccomp]=36.8nF×8=294.4nF。
3.2构建平面电容
按照上面介绍的方法，通过计算得出芯片管脚需要补偿的电容值，下一步就要确认如何构建平面电容。pCB是由铜皮和绿油组成，pCB板上所有的电源和信号都需要通过铜皮完成布局和传输，故此确认并合理地分布铜皮就能决定如何构建最适宜的平面电容。
如式（1）所示，铜皮的估算方式可以按照业界通用的公式：
[CpCB=e×er×L×wt]（2）
式中：e=0.2249×[10-12]F/inch，[er]=3.8～4.2（FR406材质pCB吸收），L为走线长（inch），w为线宽（inch），t为铜厚。
在设计初期就已经确定了pCB的层叠间距、材质、走线距离、线宽和铜皮厚度等参数，可以根据式（2）评估出实际设计需要铜皮数量，由此构建pCB铜皮布局，即构建平面电容。构建pCB平面电容需要经过电路原理仿真、pCB信号仿真和电源仿真评测后方可落实。电源层和地层必须有效区分，原则上相同电平值的模拟和数字电源也需要单独隔离，数字地和模拟地也需要隔离开。处理高速信号时，需要注意信号参考的电源平面或地平面布局需要尽量精简，电源层平面和地层平面尽可能的靠近并对称均匀布局，形成近似差分耦合电容的布局。这是由于提供给高速信号做参考层的电源平面和地平面在实际应用的时候会附生一个很小的寄生阻抗（大致20mΩ），为保证电平稳定，通过这种紧急对称布局来有效抵消寄生阻抗引起的电平跌落，而且可以有效抵消一部分电源纹波和噪声的干扰[4]。
3.3应用实例
以一片单板为例，首先确定单板上工作时钟频率在100mHz以上的单端信号，以表格的形式列对应的芯片器件名称、接口类型、工作频率以及器件个数，再列出接口的个数、单个接口的负载电容以及接口工作电压，按照列出的信息，参照本文提供式（1）计算出该关键i/o管脚需要补偿的电容值，构建平面电容。以intel82599网卡芯片为例，通过查阅厂家技术手册列出信号对应的电源网表名、电压、纹波等信息，绘制出表2，用于指导下一步设计。
表2某单板的管脚信息表
通过查看芯片手册，得知芯片内部时钟主频为100mHz，可以倍频至2.5GHz，即[Ftarget]为2.5GHz。管脚最大电流为3.5a，应用VCCp的管脚都为高速信号，需要使用highspeed模型分析：电压纹波要求1%，电流传输效率90%。
通过公式（1）所需要的平面电容值为[Cp=（3.5pF/inch×15inch+2pF）×321%=174.4nF]，即可规划出平面补偿电容。通过式（2）得到，[Ztarget=1.1×1%3.5×90%=3.492mΩ]。再使用文中介绍的电源评估方式，绘制出如图4所示的[Ftarget]与[Ztarget]曲线，依靠曲线协助评估出所需要的最优环路。
图4[Ftarget]与[Ztarget]仿真曲线
经过电源评估、构建平面电容和频率阻抗特征曲线后，可以设计符合芯片管脚电气需求的最优电路。如图5所示，通过泰克示波器tDS3012B量测信号噪声发现，采用pDn设计理念优化的电路可以有效抑制噪声。
图5pDn设计前后电路噪声测试结果
4结语
本文通过原理分析和实例讲解来介绍一种基于pDn原理设计硬件电路的方法。pDn可以有效指导硬件工程师在充分掌握芯片实际工作状态信息后，精确地设计电路、优化阻容选型，提升电路开发效率，解决冗余设计造成的干扰问题，提高单板简洁度，提升产品品质。同时，通过pDn原理来指导硬件电路设计的方法，已被爱立信、华为等电信业公司广泛接受、应用和推广。
根据本人实际开发工作验证，通过pDn原理设计电路的方法非常科学，采用pDn原理设计24000pin密集度的服务器单板，可以有效降低阻容器件种类数和总数各30%，降低原材料、加工成本和工艺制程成本12.5RmB/pcs，提升生产直通率0.5%，改动前后的效果十分明显。
本文在以下方面有所创新：
（1）提出pDn设计理念，规范电路设计流程，能有效指导硬件工程师充分理解芯片的技术规格，设计出最优电路;
（2）建立优选器件表，规范阻容器件种类数和总数，提升产品质量和管控水平;
（3）构建平面电容，绘制频率阻抗曲线，指导硬件工程师设计理想硬件电路。
参考文献
[1]王殿超，郑学仁.电路设计中元器件的使用可靠性[J].电子产品可靠性与环境试验，2007，25（5）：8?11.
[2]刘丽娟，杨兵初，倪兰，等.pDn电源地平面去耦电容网络设计[J].中南大学学报：自然科学版，2013（10）：4088?4094.
[3]林文彦.阻抗规格对电路板设计、制造之影响[eB/oL].[2010?09?02].http：///link？url=Rhyy3dKz_Bpn14mggknesieG4zyV4e8lhRxttj?6jDkpdqeVZ0vDe73umxnwwiZwZnt
De5i7DJheGyvRbqwdj6HQqKr6toivCZt4hpxvBQu.
[4]顾艳丽，熊继军，焦新泉.长线传输的阻抗匹配设计[J].国外电子元器件，2008（10）：8?9.
电路的设计原理篇2
【关键词】整车电气原理设计；电源分配设计；接地分配设计；回路匹配设计；压接点设计
【abstract】theschematicisusedtoindicatethevehicleelectricalsystemofthevehiclewiringharnesstoeachelectricalpowerandsignaltransmissionconnectionbetweencircuits.Vehicleelectricalschematicdesign，allrelatedtothevehicle’selectricalfunctionstoachieve，isanimportantbasisfortheanalysisofelectricalcircuits，troubleshootelectricalfaults.
【Keywords】Vehicleelectricalschematicdesign；powerdistributiondesign；Grounddistributiondesign；matchingcircuitdesign；Splicesdesign
0引言
整车电气原理，是整车电气系统的核心，它表明了整车线束系统为实现各用电器的功能，一方面通过导线将电源及用电器连接构成回路，为用电器传导电流，另一方面通过导线回路实现相连接的用电器之间的信号传递，从而使各电器件能够按照操作者的意图正常工作。整车电气原理设计是否合理，直接关系到汽车电器件能否正常工作以及全车的安全性、可靠性、经济性和舒适性，它是整车开发过程中的一个重要环节。
整车电气原理设计的主要内容包括电源分配设计、接地分配设计、回路匹配设计、inLine的选型以及回路压接点设计。
1整车电气原理的设计输入文件
整车电气原理的设计输入阶段，应获得以下文件：①整车配置表；②各电器子系统信息，包括子系统工作原理图、接口定义及负载特性等；③各电器件在汽车上的布置信息。
2整车电气原理设计
2.1电源分配设计
电源分配主要是基于整车各用器的工作原理，在满足各子系统工作原理的前提下，确定采用何种方式给用电器供电，同时对线路保护进行设计。
整车电源类型大致可分为以下三种：①蓄电池直接供电系统（常电或30电）；②点火开关控制的供电系统（iG电或15电）；③发动机起动时卸掉负载的电源（aCC电）。根据车型的电气系统组成情况，给与合理的电源分配。
电源分配设计一般要遵循以下原则：①所有电源回路都需要进行回路保护；②考虑负载的重要等级以及行车安全，对于重要的安全件，需要单独的熔断器来保护，如近光灯回路；③考虑不同系统的功能关联性和失效模式，减少不同系统和功能之间的相互影响；④区分负载类型是扰动负载还是稳态负载；⑤就近原则，靠近负载的实际安装位置分配电源。
电源分配设计的步骤如下：首先，根据整车蓄电池、起动机、发电机的相关参数，以及子系统负载信息，进行电源类型的分配，以及保险丝、继电器的种类及个数确定。然后，结合车内空间、可扩展性、成本、平台化等因素，对电器盒进行选型并确定其个数。一般车型主要有前舱电器盒和仪表板电器盒，外加蓄电池处的前端保险丝盒，有的车型可能会增加后行李箱电器盒。最后，根据就近原则及负载布置信息，进行电器盒内的负载电源分配。如前舱电器盒主要对前舱的电器件进行供电，仪表板电器盒主要对驾驶舱内的电器件进行供电。
2.2接地分配设计
在整车电路中，一般会使用导线与车身、发动机或变速箱连接在一起，这样可以车身、发动机、变速箱实现共地。这种实现接地的做法，称为“搭铁”。
为避免接地导线过长，造成不必要的电压降，一般采用就近接地。另外，接地分配也需要考虑到以下三种接地要求：①发动机eCU、aBS/eSp、epS、SRS等对整车性能及安全影响大，且易受其他用电设备干扰，所以这些件需要单独接地。尤其对于安全气囊系统SRS，其接地点不仅应单设，而且为了确保其安全可靠，最好设计两个及两个以上接地点。其目的是其中一个接地失效，系统可通过另一接地点搭铁，确保系统安全工作。②音箱系统为避免电磁干扰，也要单独接地；弱信号传感器的接地最好独立，接地点最好是在离传感器较近的位置，以保证信号的真实传递。③有些电器件必须共用接地点，以防止不同接地点之间的电位差影响到电器件之间功能的正常实现。
其他电器件可根据具体布置情况相互组合共用接地点。蓄电池负极线、发动机搭铁线等因导线截面较大，因此一定要控制好线长和走向，减小电压降。为增加安全性，发动机、车身一般要单独连到蓄电池负极搭铁。
2.3回路匹配设计
回路匹配设计，主要是根据负载信息，设定熔断器的型号和容量，从而确定匹配的回路线径。
2.3.1负载信息确认
根据收集到的整车子系统信息，确认负载类型、负载电流特性曲线。负载类型、负载电流特性曲线如下图1所示：
2.3.2设定熔断器的型号和容量
熔断器的作用是保护导线，其类型分为快熔型熔断器和慢熔型熔断器。小电流负载和短时间脉冲电流负载，一般选择快熔型熔断器，大电流负载和锁电流负载一般选择慢熔型熔断器。
熔断器的容量设定主要遵循以下原则：一般来说，熔断器负荷电流不超过熔断器额定电流的70%。同时，还要考虑以下因素。①快熔型熔断器容量：需要考虑负载额定电流值、负载类型、环境温度影响、继电器盒类型、暂态电流波形；②慢熔型熔断器容量：需要考虑和区分连续负载、间歇性负载、特殊负载。
2.3.3确定回路线径
根据已确定的熔断器来选择与之匹配的回路线径。此过程要综合考虑回路所在的环境温度、回路导线的容许温度、通电时回路导线的温升以及成捆线束容许电流的折减系数。总的原则是要求发生短路时熔断器的熔断时间短于导线发烟时间。如图2，橙色线代表熔断器的熔断时间，粉色线代表导线的发烟时间，回路导线与熔断器的匹配判定左图是可取的，右图则是不可取的。
2.4inLine选型
inLine即线对线连接器。inLine的选型，需要考虑以下三点：第一，inLine的端子线径压接范围要与所接回路的线径匹配；第二，inLine连接器的孔位数要满足所接回路的总数；第三，回路走向要与inLine所在车上的安装位置匹配，一般采用就近原则。特殊回路如安全气囊系统回路对端子镀层有特殊要求，一般不与其他回路共接同一inLine。
2.5回路压接点设计
整车电气原理回路的压接点设计，需要遵循以下三点：第一，单边回路数最多不超过7根，总回路数最多不超过12根；第二，压接的所有回路中，最小回路线径与总回路线径之比必须大于或等于5%；第三，各回路之间的线径匹配须满足导线的压接工艺要求。
3整车电气原理设计校核验证
整车电气原理需与子系统信息作进一步的校核，并通过以下相关试验进行验证其设计的合理性：①过载试验；②堵转试验；③短路保护试验；④整车配电工作电流测试；⑤供电及接地回路电压降测试；⑥熔断器熔断情况下的功能故障测试；⑦接地不良情况下的功能故障测试；⑧整车搭载耐久试验。
4结束语
整车电气原理，是整车电气系统的核心。整车电气原理设计得合理，才能保证汽车各用电器能按照操作者的意图来实现其功能，也才能保证汽车的安全性、可靠性、经济性以及舒适性。
【参考文献】
[1]李元胜.汽车电路系统设计与multisim仿真[D].青岛大学，2014.
[2]吴建刚.目前汽车电路存在的问题与对策[J].汽车电器，2007.
电路的设计原理篇3
关键词：电气；原理图；设计
中图分类号：tm文献标识码：a文章编号：1673-9671-(2012)042-0223-01
电器原理图是用来表明设备的基础原理、各电器元件间的相互工作关系的作用，一般由主电路进行控制、并且执行电路检测与保护电路等组成，这种电气原理是直接体现在电路结构上，并以其相互间的逻辑关系相互作用进行工作，一般在设计电路中会进行详细的分解，电路时通过识别图纸上体现出的各种电路元件以及相互作用的方式是了解电路工作的详细情况的依据。电原理图又可分为整机原理图单元部分电路原理图整机原理图是指所有电路集合在一起的分部电路图。当电力拖动方案和控制方案确定后，就可以进行电气控制原理图的设计。电气控制原理图的设计是电力拖动方案和控制方案的具体化。电气控制原理图的设计没有固定的方法和模式，作为设计人员，应开阔思路，不断总结经验，丰富自己的知识，设计出合理的、性价比高的电气控制原
理图。
1应最大限度地实现生产机械和工艺对控制电路的要求
生产机械和工艺对电气控制系统的要求是电气原理图设计的主要依据，这些要求常常以工作循环图、各部件之间的关系表、检测元件状态表等形式提供，对于有调速要求的场合，把具体的技术指标明确到位。其他元件的起动、转向、制动、照明、保护等要求，应具体问题具体考虑。出现事故时需要有必要的保护及信号预报以及各部分运动要求有一定的配合和联锁关系等。如果已经有类似设备，还应了解现有控制电路的特点以及操作者对它们的反映。这些都是在设计之前应该调查清楚的。
生产工艺要求一般是由机械设计人员提供，可能有时所提供的仅是一般性原则和意见，这时电气设计人员就需要对同类或接近产品进行调查、分析、综合，然后提出具体、详细的要求，征求机械设计人员意见后，作为设计电气控制原理图的依据。
另外，在科学技术飞速发展的今天，对电气控制系统的要求越来越高，而新的电器元件和电气装置，新的控制方法层出不穷，如智能式的断路器、软启动器、变频器等。电气控制系统的先进性是大部分元件发展的体现、更新紧密地联系在一起的，电气设计人员应不断密切关心电机、电器元件、电子技术的新发展，不断收集新产品资料，更新自己的知识，以便更及时应用于控制系统的设计中，使控制系统在技术指标、稳定性、可靠性等方面得到进一步提高。
2在满足控制要求的前提下，控制方案应力求简单、经济
1）尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的电路和环节。2）尽量缩减连接导线的数量和长度。设计电气控制原理图时，应考虑到各元件之间的实际接线特别要注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线，接线是不合理的。3）尽量缩减电器元件的品种、规格和数量。尽可能采用性能优良、价格便宜的新型器件和标准件，同一用途尽可能选用相同型号。
3保证控制电路工作的可靠和安全
为了保证控制电路工作可靠，最主要的是选用可靠的元件，如尽量选用机械和电气寿命长、结构坚实、动作可靠、抗干扰性能好的电器。同时在具体电路设计时应注意以下几点。
3.1正确连接电器元件及触头位置
对一个串联回路，各电器元件或触头位置互换，并不影响其工作原理，但从实际连线上却影响到安全、节省导线等方面的问题。两者工作原理相同，但是采用接法既不安全而且浪费导线。因为同一电器限位开关SQ的常开和常闭辅助触头靠得很近，开关根据不同的情况接在电源的不同位置，限位开关SQ的常开触头和常闭触头是不一样的，在不同的情况下当触头断开产生电弧时很可能在两触头间形成飞弧而造成电源短路。
3.2正确连接电器线圈
在交流控制电路中电压线圈通常不串联使用，即使是两个同型号电压线圈也不能将其进行串联使用，而每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，两个电器动作是不一致的，这就会出现不能同时吸合的现象。如交流接触器Km1先吸合，由于Km1的磁路闭合，线圈的电感显著增加，因而在该线圈上的电压降也相应增大，从而使另一个接触器Km2的线圈电压达不到规定的要求，因此，多个电器并联连接可以避免这一问题。
3.3在控制电路中应避免出现寄生电路
电路控制过程是一个循环的过程，那种意外接通的电路叫寄生电路（或叫假回路）。是一个具有指示灯和热保护的正反向电路。正常工作时，能完成正反向起动、停止和信号指示。但当热继电器FR动作时，电路就出现了寄生电路如图中虚线所示，使正向接触器Kml不能释放，起不了保护作用。
3.4防止电路出现触头竞争现象
电器元件动作时间配合不良会引起冲突，一个复杂的控制电路如果遇到某个不匹配的信号，会将电路从一种状态转换到另一种状态，几个元件在不同的的状态下，电器元件的操作过程是不一样的，总有一定的动作时间，对时序电路来说，就会得到几个不同的输出状态。这种现象称为电路的“竞争”。另外，对于开关电路，由于部分元件会出现延时作用，并且会因开关元件要求，出现逻辑功能输出的可能性，这就为我们称这种现象为“冒险”。“竞争”与“冒险”现象都将造成控制回路不能按要求动作，引起控制失灵。
3.5设计的电路应能适应所在电网情况
根据电网容量的大小，电压、频率的波动范围以及允许的冲击电流数值等决定电动机采用直接起动还是间接起动方式。
4应尽量使操作和维修方便
电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便。能迅速、方便地由一种控制形式转换到另一种控制形式。电控设备应力求维修方便。使用安全，并有隔离电器，以免带电维修。例如设置必要的显示，随时反映系统的运行状态与关键参数，考虑到刀具调整与运动机构修理必要的单机点动、单步及单循环动作，还要考虑必要的照明、易损触头及电器元件的备用等等。
参考文献
[1]电机工程手册编委会.电气工程师手册[K].北京:机械工业出版社,1987.
电路的设计原理篇4
关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02
21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。
一、人才的社会需求情况
目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。
二、专业的培养目标和定位
本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。
三、本科培养方案制定的思路
电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。
四、本科培养方案的改革探索
要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：
1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。
2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如eDa技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。
3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。
五、与省内外专业人才培养的区别
具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：
1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个部级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。
2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、eDa技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSp技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CaD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CaD、CmoS模拟集成电路设计、VLSi设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、memS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、eDa技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。
3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。
参考文献：
[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[a]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.
电路的设计原理篇5
【关键词】电气控制柜；设计；施工
电气控制柜的主要作用是负责配电和线路保护，因此其组成部分主要包含电源和开关两大部分。同时，电气控制柜还肩负着控制功能。在控制功能的结构内部，有断路器、接触器、继电器、pLC、变频器以及接线端等原件。电气控制柜要实现的功能根据不同的需要制定。被控制设备的数量以及被控制设备功率的大小是电气控制柜选择电器元件的依据。根据被控制设备的数量和功率大小选定电气元件之后，将其集中组合在一个电柜中，从而形成了需要的电气控制柜。但是电气控制柜为了保障运行和操作的基本安全，要在设计过程中充分的考虑，尽量做到结构简单，造价经济适用。
1电气控制柜的设计
电气原理图设计和工艺设计是电气控制柜设计的主要组成部分。要想实现电器控制柜的设计与施工，做好电气原理图的设计与工艺设计，对于保障电气控制柜功能的实现，作用至关重要。
1.1子系统电气设计
所谓的电气原理图设计是为了满足机械或者其他生产设备的工艺要求而进行电气控制系统的设计，其主要目的是可以实现机械或是其他生产设备的电气控制。在电气自动化控制系统中，被控机械或是其他生产设备的可用性、先进性以及设备的自动化程度都直接受影响于电气原理图的设计质量。因此，电气原理图设计的好坏，对于电气自动化的实现而言，重要性不言而喻。所以，电气原理图的设计被认为是电气自动化设备可以实现运行的核心组成部分，可以帮助电气自动化控制系统实现合理有效的运行。清楚明白电气控制柜要实现的功能和控制逻辑是设计电气原理图的基础条件。对于十分简单的而控制系统而言，为了能够降低成本，省略编程带来的麻烦，我们尽量不选用pLC进行电气设备的控制，而是用最基本的控制器进行控制。对于比较复杂的包含pLC、继电器、变频器和接触器相互配合的控制系统而言，所控制的设备除了要实现变频之外，还要实现工频，正确分析信号输入和输出的关系是复杂控制系统设计的难点，也是设计的重点，这些要求也是pLC的i/0容量及模块选择、pLC及在主机所允许范围内变频器i/0地址分配和pLC控制程序编写的关键。同时，CpU工作电源、模拟量模块工作电源、输出负载的供电电源以及输入有源开关量信号的接法问题的处理，也是对于pLC复杂控制系统需要正确对待和处理的问题。
对于交直流电气件的选择问题，要在清楚交直流电路的基础上对电气件进行选择定型。如负载是380V的三相感应电动机，在对应电气件的选择上，应该选用380V的交流接触器控制电机。除此之外，电气件在选型时，除了要清楚交直流电路基本原理之外，还要考虑电气件所处环境的条件状况和安装方式。如在冷却条件较差的箱柜内，接触器安装后电流要降低10%～20%使用，才能确保电气件的安全运行。在一般的电气件选择定型时，接触器的型号选择要选择额定电流1.2倍的设备进行安装，才能保证设备运行正常。接触器敞开安装时，电流要允许提高10%～25%的范围，以确保接触器电流突然变大时，保证接触器的安全。在断路器的选择过程中，应尽量选择既有短路保护又有过载保护，同时还具备断相和欠压保护功能的电动机起动器，以对电动机进行控制和保护，这些要求都可以满足断路器最基本的保护特性，同时可以匹配被保护对象的过载特性，实现断路器的安全运行，保证设备在出现异常状况时设备不至于被损坏。
在电气控制柜设计过程中，电气设计的设计原理图是实现控制柜控制功能的基础。首先，清除需要设计的电源的线制。电源线制根据使用范围的不同而不同，在工业和民用设备过程中使用的电气控制柜的电源线制一般都是采用三相五线制，而家用电气或是照明系统一般都是采用单相三线制。三线无限制和单相三线制是电源线制最基本的两种设计方式。在设计原理图时，所有的图形符号、文字符号和回路标号都要按照相关规定进行绘制，避免产生误解。为了后续生产方便，可以让施工工人很清楚的明白图纸的设计原理，电路的设计，需要按照动作顺序和信号自左向右的原则进行绘制。将主电路放在整个线路图的左边，电源线路按照水平线的要求绘制，主电路和电源线路垂直，在两个水平电源线之间绘制控制电路，接地的水平电源线上直接连接耗能元件，在耗能元件和上方水平线之间设计触点，保证设计的通用性和易读性。
1.2子系统工艺设计
对电气控制柜进行合理的工艺设计，是在电气原理图设计完成之后，保证电气控制柜生产和使用的极为重要的环节。所谓工艺设计，其目的是为了简便电气控制柜的生产制造，完成电气设计图设计的各项要求，实现电气控制柜的安装、调试、验收、维护、使用以及后期维修而积累起来的相关技术资料。在工艺设计过程中，各种电气件进行分开布置，可以有效的保障电气件独立顺畅运行。当电气控制柜空间有限，不能实现电气件的分开布置时，要在电气件之间加设绝缘隔板。电气控制柜工艺设计时，为了确保电气控制柜的质量，要充分考虑其防护等级的要求，并根据具体要求进行材质的选择。在食品行业内，对于电气控制柜要求采用不锈钢材质，配线以桥架为热浸锌材质。除以上要求之外，在设计时，还要考虑紧急制动功能，以保证在积极状况下，可以快速紧急制动，停止设备运行。
2电气控制柜的安装调试
电气控制柜的安装过程，要根据安装环境是否存在震动，安装设计要求存在一定的差异。在存在震动的环境中，为了确保电气控制柜的正常运行，要采取防震措施。设备接电线要尽量利用粗、短的线路连接公共接地点。在安装完成调试过程中，要根据电气控制柜的特点，对子系统单独调试后进行联机调试，遵循由简单到复杂、由局部到整体的原则。确保电气控制柜各项性能运能达到设计要求，满足客户的需求。
3结束语
以上内容简单介绍了电气控制柜电气原理图设计和工艺设计需要注意的重要事项和电气控制柜安装调试的基本要求。电气控制柜作为电气自动控制重要的组成部分，要严格按照国家标注和技术规范进行设计和施工，确保其性能稳定，运行正常。
参考文献：
[1]冯银玲.电气控制柜设计与施工探讨[J].城市建设理论研究（电子版），2012（21）.
电路的设计原理篇6
关键词：电子线路辅助设计；protel；项目化改造
中图分类号：G712文献标识码：B文章编号：1006-5962（2013）02-0047-01
下面我将本门课程的具体课程设计过程进行介绍：
1课程定位
我院电子专业培养的学生所面向的岗位主要是电子产品装接工、制版工或者是调试工，他们的后续晋升岗位主要是电子产品生产技术员、质检员以及电子产品设计初级助理工程师或助理工程师。《电子线路辅助设计》是为设计制作电子产品培养电路板的设计、生产、加工和检验调试等先期相关能力的课程。由于本学院依托大庆油田，所以本着“以大庆精神和铁人精神育人”的原则更注重增强学生克服困难的意识，培养学生分析、解决问题的能力，继承发扬老一辈的光荣传统。
2课程设计
2.1课程标准的制定。电子信息专业课程标准是依据行业、企业专家对本专业所对应的职业岗位群进行的职业能力分析来制定的，我们紧密结合《计算机辅助设计绘图员（电子类）》和《无线电调试工》职业资格中的相关考核要求，确定了本课程的教学内容。
2.2课程拓展。本课程所涉及的知识和能力在学生参加各级各类电子技能大赛中也占有重要地位。我们还依据本门课程申请相关的职业资格鉴定（即计算机辅助设计绘图员（电子类）职业资格证书）。目前我们已经具备了该鉴定的考评资质。
3内容组织
3.1内容设置。
结合学情分析根据课程标准我对课程内容进行了科学的排序，分别针对电子专业和电气专业制定了不同的学习情境，并制定了详细的教学目标和能力要求。针对电子专业本课程的总学时为78学时，每周6学时，设置了两个项目共10个任务，每个任务都设计了教学情境。根据项目任务的内容和进程，选择在多媒体教室和实训机房穿插结合共同完成。多媒体教学部分由教师布置任务、分析任务和演示举例为主，由学生制定实施方案和操作流程并进行汇报；项目实践操作部分，学生在老师的辅助指导下完成操作练习和项目任务，对于学生遇到的困难和问题给予适当引导，尽量由学生独立自主完成任务。
电子专业《电子线路辅助设计课程》教学项目和学时安排：
项目一绘制电路原理图（38学时）：任务1安装卸载protel99Se软件（2学时）；任务2创建数据库和保存管理文档（2学时）；任务3绘制振荡器和积分器原理图（8学时）；任务4绘制甲乙类放大电路原理图（8学时）；任务5创建与绘制原理图元件符号（6学时）；任务6绘制a/D转换电路原理图（12学时）。项目二绘制电路pCB（40学时）：任务1绘制振荡器和积分器pCB（10学时）；任务2绘制单管放大电路的pCB（制作单面板）（12学时）；任务3绘制波形发生器电路的pCB（制作双面板）（12学时）；任务4绘制存储器扩展电路（6学时）。区别于电子专业，电气专业本课程的总学时为56学时，每周4学时，设置了四个教学情境，每个学习情境又设计了具体的操作任务。课程也是在多媒体教室和实训机房穿插结合共同完成。
电气专业《电子线路辅助设计》学习情境和学时规划：
情境一振荡器和积分器的设计（12学时）：任务1安装卸载protel99Se软件（2学时）；任务2创建数据库和保存管理文档（2学时）；任务3绘制振荡器和积分器原理图（6学时）；任务4进行电气规则检查和报表文件的生成（2学时）。情境二继电器控制电路的设计（16学时）：任务1制定原理图设计流程和实施工艺（2学时）；任务2创建管理原理图元件库并熟练绘制元件（4学时）；任务3绘制两级放大电路原理图（2学时）；任务4继电器控制电路的设计（6学时）；任务5创建网络表与电路原理图的输出（2学时）。情境三a/D转换电路的设计（8学时）：任务1分析总线原理图和层次原理图设计方法（2学时）；任务2绘制a/D转换电路的原理图（6学时）。情境四波形发生器电路的设计（20学时）：任务1创建和管理封装库并绘制元件封装（6学时）；任务2绘制振荡器和积分器电路的pCB（4学时）；任务3绘制波形发生器的原理图（4学时）；任务4制作波形发生器电路的pCB（6学时）
3.2教学目标。
根据本课程的教学基本要求，根据教学内容的特点和高职学生的总体认知水平和思维发展水平，制定了知识、能力、情感三位一体的教学目标。（1）知识目标：①掌握protel软件的使用和操作；②掌握protel原理图和pCB图的设计和绘制方法；③学会制作各种报表文件的生成和管理；④掌握元件和封装库的绘制与管理。（2）能力目标：①能够学会规范化的绘制电路原理图和pCB图；②养成严谨的科学作风；③培养学生整体设计能力和操作流程的制定、修改调整和协调操作的能力；④学习新知识、新技术的能力和自主学习、独立学习的能力。（3）情感目标：①培养学生健康积极乐观的学生风貌；②培养学生类比思维，理论联系实际的能力；③培养学生克服困难的精神和解决困难的能力，树立主人翁和独立自主的意识；④培养类比思维，理论联系实际的能力；⑤按照“7S”活动标准要求学生，培养安全环保的意识。
我们采用的教材是高教版的教材另配一本实践指导书。为了保证教学效果，依据理论与实践结合、教材与实际结合、操作与管理结合，教学内容符合现场生产
管理要求等原则，我们也自己编写了适合本专业学生的情境教学教材和学材。教学过程中我们充分利用各种教学资源，包括工艺文件、教学课件、练习题、企业生产视频、国家应用电子资源库等网络资源，可以共享全国关于本门课程和本专业的各种教学资源与前沿资讯。
4教学评价
为更好的考察学生的操作能力和知识运用的情况，考核评价方式我也进行了改革。考试成绩：平时成绩50%（过程考核）+期末考核成绩50%（上机操作）。平时成绩：由各项目任务的评价单总评成绩组成，主要考察任务完成质量，课堂出勤，综合作业，职业操守，学习态度和合作精神等方面。上机考核：设置几个具有中等难度功能全面的电路，设置相应的考核要求，由学生抽签选择自己的考核任务，在规定时间内依照操作规范完成考核任务，教师根据完成情况评分。
参考文献
[1]戴仕弘.职业教育课程教学改革[m].北京：清华大学出版社，2007
电路的设计原理篇7
【关键词】电气原理图；设计方法；实例
继电-接触器控制系统是由按钮、继电器等低压控制电器组成的控制系统，可以实现对电力拖动系统的起动、调速等动作的控制和保护，以满足生产工艺对拖动控制的要求。继电-接触器控制系统具有电路简单、维修方便等许多优点，多年来在各种生产机械的电气控制中获得广泛的应用。由于生产机械的种类繁多，所要求的控制系统也是千变万化、多种多样的。但无论是比较简单的，还是很复杂的控制系统，都是由一些基本环节组合而成。因此本节着重阐明组成这些控制系统的基本规律和典型电路环节。这样，再结合具体的生产工艺要求，就不难掌握控制系统的分析和设计方法。
一、绘制电气原理图的基本要求
电气控制系统是由许多电气元件按照一定要求连接而成，从而实现对某种设备的电气自动控制。为了便于对控制系统进行设计、研究分析、安装调试、使用和维修，需要将电气控制系统中各电气元件及其相互连接关系用国家规定的统一图形符号、文字符号以图的形式表示出来。这种图就是电气控制系统图，其形式主要有电气原理图和电气安装图两种。
安装图是按照电器实际位置和实际接线电路，用给定的符号画出来的，这种电路图便于安装。电气原理图是根据电气设备的工作原理绘制而成，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析电路的工作原理等优点。绘制电气原理图应按GB4728-85、GBtl59-87等规定的标准绘制。如果采用上述标准中未规定的图形符号时，必须加以说明。当标准中给出几种形式时，选择符号应遵循以下原则：
①应尽可能采用优选形式；
②在满足需要的前提下，应尽量采用最简单形式；
③在同一图号的图中使用同一种形式。
根据简单清晰的原则，原理图采用电气元件展开的形式绘制。它包括所有电气元件的导电部件和接线端点，但并不按照电气元件的实际位置来绘制，也不反映电气元件的大小。由于电气原理图具有结构简单、层次分明、适于研究等优点，所以无论在设计部门还是生产现场都得到广泛应用。
控制电路绘制的原则：
①原理图一般分主电路、控制电路、信号电路、照明电路及保护电路等。
②图中所有电器触头，都按没有通电和外力作用时的开闭状态（常态）画出。
③无论主电路还是辅助电路，各元件应按动作顺序从上到下、从左到右依次排列。
④为了突出或区分某些电路、功能等，导线符号、连接线等可采用粗细不同的线条来表示。
⑤原理图中各电气元件和部件在控制电路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。同一电气元件的各个部件可以不画在一起，但必须采用同一文字符号标明。
⑥原理图中有直接电联系的交叉导线连接点，用实心圆点表示；可拆卸或测试点用空心圆点表示；无直接电联系的交叉点则不画圆点。
⑦对非电气控制和人工操作的电器，必须在原理图上用相应的图形符号表示其操作方式。
⑧对于电气控制有关的机、液、气等装置，应用符号绘出简图，以表示其关系。
二、分析设计法及实例设计分析
根据生产工艺要求，利用各种典型的电路环节，直接设计控制电路。这种设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉大量的控制电路，掌握多种典型电路的设计资料，同时具有丰富的设计经验，在设计过程中往往还要经过多次反复地修改、试验，才能使电路符合设计的要求。此方法无固定的设计程序，设计方法简单，容易为初学者掌握。当经验不足时或考虑不周时会影响电路工作的可靠性。
分析设计法，由于是靠经验进行设计的，因而灵活性很大，初步设计出来的电路可能是几个，这时要加以比较分析，才能确定比较合理的设计方案。这种设计方法没有固定模式，通常先用一些典型电路环节拼凑起来实现某些基本要求，而后根据生产工艺要求逐步完善其功能，并加以适当的联锁与保护环节。
我们通过下面一个实际例子来说明电气控制电路的一般设计方法。以龙门刨床（或立车）横梁升降自动控制电路设计，说明分析设计法的设计过程。这种机构无论在机械传动或电力传动控制的设计中都有普遍意义，在立式车床等设备中均采用类似的结构和控制方法。
1）横梁机构对电气控制系统提出的要求：
（1）横梁升降m1，点动控制；
（2）横梁夹紧与放松m2；
（3）横梁夹紧与横梁移动之间必须有一定的操作程序：按上升（下降）移动按钮自动放松横梁上升（下降）到位后松开按钮横梁自动夹紧；
（4）横梁升降具有上下行程的限位保护；
（5）横梁夹紧与横梁移动之间及正反向运动之间具有必要的联锁。
2）控制电路设计
（1）设计主电路
m1―横梁移动电机，Kml，Km2控制正反转
m2―横梁夹紧电机，Km3，Km4控制正反转
（2）设计基本控制电路
4个接触器―4个线圈
2只点动按钮，触头不够―Ka1和Ka2进行控制。根据生产对控制系统所要求的操作程序可以设计出图1所示草图。
图1横梁控制电路草图
但它还不能实现在横梁放松后才能自动升降，也不能在横梁夹紧后使夹紧电机自动停止，需要恰当地选择控制过程中的变化参量来实现上述自动控制要求。
（3）选择控制参量、确定控制原则
反映横梁放松的参量，可以有行程参量和时间参量。由于行程参量更加直接反映放松程度，因此采用行程开关进行控制。
SQ1―横梁已经放松
Ki―横梁已经夹紧，选用电流参量
（4）设计联锁保护环节
互锁―Ka1、Ka2，m1正反转；
―Km3、Km4，m1正反转
顺序―SQ1，实现横梁松开与移动的联锁保护。
限位保护―SQ2、SQ3分别实现上、下限位保护
短路保护―FU
三、逻辑设计法及实例设计分析
逻辑设计法，是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、设计电路的。将执行元件需要的工作信号以及主令电器的接通与断开状态看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关系式表达，再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，成为最简“与、或”关系式，用这种方法设计的电路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制电路。但是相对而言逻辑设计法难度较大，不易掌握。
逻辑电路有两种基本类型，对应其设计方法也各不相同。一种是执行元件的输出状态，只与同一时刻控制元件的状态相关。即输出量对输入量无影响，称为组合逻辑电路，其设计方法比较简单，可以作为经验设计法的辅助和补充，用于简单控制电路的设计，进一步节省并合理使用电器元件与触头。其设计步骤为：
①列出控制元件与执行元件的动作状态表；
②根据状态表写出的逻辑代数式；
③利用逻辑代数基本公式化简至最简“与或”式；
④根据简化了的逻辑式绘制控制电路。
另一类逻辑电路被称为时序逻辑电路，即输出量通过反馈作用，对输入状态产生影响。这种逻辑电路设计要设置中间记忆元件，记忆输入信号的变化，以达到各程序两两区分的目的。其设计过程比较复杂，基本步骤如下：
①根据拖动要求，先设计主电路，明确各电动机及执行元件的控制要求，并选择产生控制信号的主令元件和检测元件。
②根据工艺要求作出工作循环图，并列出主令元件、检测元件以及执行元件的状态表，写出各状态特征码。
③为区分所有状态（重复特征码）而增设必要的中间记忆元件（中间继电器）。
④根据已区分的各种状态的特征码，写出各执行元件（输出）与中间继电器、主令元件及检测元件（逻辑变量）间的逻辑关系式。
⑤化简逻辑式，据此绘出相应控制电路。
⑥检查并完善设计电路。
由于这种方法设计难度较大，整个设计过程较复杂，还要涉及一些新概念，在一般常规设计中，很少单独采用。其具体设计过程可参阅专门资料，这里不再作进一步介绍。
参考文献：
[1]朱江.电气原理图识别与智能化设计方法研究[D].湖南大学，2006.
电路的设计原理篇8
关键词：电路仿真；protel；实验教学
中图分类号：tp391文献标识码：a文章编号：1671－7597（2012）0720039-02
随着计算机仿真技术的迅速发展和不断完善，电子线路的设计由原来的人工手段步入电子设计自动化的（eDa）的时代。采用虚拟仿真手段，使电子线路设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、性能分析和测试，直至印刷电路板的自动设计，已成为一种发展的必然趋势。如何将实物实验和理论教学有机结合，一直是个难题。在计算机辅助教学广泛推广的今天，这个问题得到了解决。本人结合多年的教学工作，在这些方面进行了一些探讨，现介绍如下：
1计算机辅助设计
目前，电子设计自动化（eDa）软件呈现多样化，功能越来越强大完善。流行的通用eDa软件主要有oRCaD、ewB、protel等，其中oRCaD仿真技术出现早，功能强大，适合于对复杂电路进行全面的分析优化；ewB电子工作台短小精悍，直观易用；protel综合性好，使用范围最大，普及率高，非常适合作为电路设计和电子线路教学的辅助教学仿真软件。而且，掌握好protel软件的使用，使学生能为将来的学习和工作打下扎实的基础。实践证明，使用protel99Se进行电子线路仿真，使得电子技术实验更加直观，极大的提高教学效果和学生的实验兴趣。
借助计算机辅助设计CaD（computeraideddesign），可将人的创造能力和计算机的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来，在开发工程、产品设计中，有许多复杂的数学分析和数值计算任务，需要提出多种设计方案，并进行综合分析比较与优化，还要给出工程图样及生产管理信息等，这些均可以交给计算机完成。设计人员则可对计算、处理的中间结果做出判断、修改，以便更有效地完成设计工作。计算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。
2protel99Se电路仿真工具
protel99Se是目前非常流行的电子线路eDa软件，它不但在绘制原理图、pCB印刷板布线等方面功能完备，而且它为用户提供了功能强大、使用方便的电路仿真工具。它可以对当前所画的电路原理图进行即时仿真，在设计电路的整个过程中都可以仿真查看和分析其性能指标，能及时发现设计中存在的问题并加以改正，从而更好地完成电路设计任务。还能在电子线路教学仿真实验中，将抽象的理论公式和直观实验观察有机结合，极大的提高教学效果。在protel99Se中，集成了一个功能强大、支持模数混合信号仿真的工具软件Sim99，它同SCH99紧密结合，使得电路设计者能够在电路原理图上直接进行仿真操作，观察电路工作情况，如检查电路中的错误，修改元件的参数值等，观察欲了解的电路节点信号，最终达到理解电路工作原理的目的，设计出性能优越，功能完善的电路原理图。
protel99Se电路仿真软件具有丰富元器件库，包含有各种各样的分立元件和集成电路元件。这些器件库有常用的电阻、电容、二极管、三极管、moS管、单结晶体管、晶振、开关和变压器等分立元器件，同时还有大量的数字器件和其它集成电路器件，如74系列、CmoS系列、运算放大器、比较器和数/模和模/数转换器（aDC，DaC）等。在protel99Se中，使用者可以在图纸的任意位置上放人元器件。元器件的放置方向是任意可调的，其属性是可以编辑的，元器件的属性包括元器件的封装、标号、管脚号定义等只要确定起始点和终止点，protel99Se就会自动地在原理图上连线，连线可以任意角度切换，使得设计者在设计时更加轻松自如。同时该软件具有丰富的信号源，包括基本信号源、直流源、正弦源、脉冲源、指数源、单频调频源、分段线性源，同时还提供了齐全的线性和非线性受控源。具有足够的仿真模型库，这些器件库有常用的电阻、电容、二极管、三极管、moS管、单结晶体管、晶振、开关和变压器等分立元器件，同时还有大量的数字器件和其它集成电路器件，如74系列、CmoS系列、运算放大器、比较器和数/模和模/数转换器（aDC，DaC）等。这些元器件可满足用户的一般需求，同时它还提供了一个开放的库维护环境，用户不但可以方便地修改原有器件模型，而且还可以创建新器件模型，以满足设计与实验的需求。protel99Se还提供了电气法则测试，在原理图全部设计完成后，为了确定原理图的正确无误，可以执行电气法则测试操作。该操作可以测试用户设计的电路是否存在错误，程序自动进入文本编辑器并生成相应的测试错误报表，系统会在原理图中发生错误的位置设置红色符号，提示错误的位置，方便用户进行修改。改正错误后，再进行电气法则测试，直到报告文件中不出现错误的标记，这样我们完成了初步的电路原理图的设计工作。
电路的设计原理篇9
【关键词】altiumDesigner9；仿真；定时控制系统
SimulationapplicationofaltiumDesigner9inproject
YoupengZhaiiXiao-dongHuming
(XuHaiCollege,ChinaUniversityofminingandtechnologyJiangsuXuzhou221008)
【abstract】inordertoadapttochangingelectronicdesigntechnology,improveuserproductivityandreducedifficultyoftheworkofpCBdesign,studythesimulationapplicationofaltiumDesigner9inproject.DesignofavarietyofspecificfunctionspCBoccupiedaveryimportantpositioninengineeringpractice.UsingaltiumDesigner9todesignprincipleandsimulatecangreatlyshortentheprojectcompletiontime,improvethesuccessrateandefficiencyofdesign.Studythetimingcontrolsystemofmine,designschematicoftimingdisplayandsimulate,resultreflecteddesignideatruly.ResearchshowsthatusingthesimulationcanverifythedesignresultduringthedesignofpCB,improvethesuccessrateofdesign.
【Keywords】altiumdesigner9;simulate;timingcontrolsystem
1煤矿井下定时控制系统计时显示电路方案的选择
煤矿井下定时控制系统是采矿作业中非常重要的组成部分，关系到各部分协同工作的一致性。计时显示电路是定时控制系统中最基础的部分。实现方案采用脉冲电路、计数电路和显示电路的组合。利用altiumDesigner9对设计电路进行原理图设计，通过仿真功能验证设计结果。
1.1脉冲电路
定时控制系统计时准确的基础是脉冲电路。方案中选用的是晶振分频实现秒脉冲。
1.2计数电路
计数电路由计数器组成，方案选用74ls290实现计数电路，将74ls290接成十进制计数器，计数脉冲从外部接入，计时电路分为小时、分钟、秒三部分。
1.3显示电路
方案选用CD4511译码器和数码管实验显示电路。
2电路仿真及印刷电路板设计
电路实现方案确定好后就要进行印刷电路板设计及电路仿真。
2.1altiumDesigner9介绍
altium于2009年7月推出了protel系列的最新高端版本altiumDesigner9。altiumDesigner9，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。
altiumDesigner是业界首例将设计流程、电路仿真、集成化pCB设计、可编程器件（如FpGa）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行pCB和FpGa设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。
这款最新高端版本altiumDesigner9除了全面继承包括99Se，protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。altiumDesigner9拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FpGa设计功能和SopC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FpGa与pCB设计以及嵌入式设计集成在一起。
电路的设计原理篇10
关键词：电气线路设计课程改革教学方法
运动控制技术是电气工程自动化专业一个重要主线，涵盖了许多课程。电气线路设计是电气自动化设备安装与维修专业高级阶段的一门重要课程，对该门课程进行的教学改革，对学生综合职业能力的培养有着重大的意义。
一、课程教学改革的目的
笔者学院电气自动化设备安装与维修专业高级阶段一直有电气线路设计这门课程，原教学内容包含龙门刨床的工作原理、电气线路设计的原则及按控制要求进行线路设计、绘图等。长期以来，这门课程的教学模式为：老师讲一些龙门刨床工作原理、电气线路设计的原则等知识，然后布置电气线路设计的任务，学生根据控制要求在坐标纸上绘制原理图。在这种教学模式下，学生既要理解龙门刨床的工作原理，又要绘制电气原理图，而无法进行线路安装、调试。因此，电气线路设计这门课程永远停留在纸上谈兵的阶段。造成这种现象的原因主要是：原课程理论知识太多，而且很多知识与电气线路设计无关；原课程没有配套符合企业生产实际的实训设备；原课程无法实现“工学结合”的一体化教学理念。为了将电气线路设计建设成为基于工作过程的一体化课程，打造学生自主学习的平台，我们对课程进行了教学改革。
二、课程改革的流程
1.开展行业企业调研
教师与有关的行业企业广泛接触，了解本专业的人才需求状况、岗位人才能力要求、专业技术发展趋势等。通过问卷调查、走访企业等形式进行调研和收集资料，从而准确定位本专业的人才培养目标。遴选企业实践专家，并邀请其参与课程开发。
2.企业实践专家访谈
邀请实践专家参加实践专家访谈会，协助提取本课程有关的典型工作任务。以企业真实工作任务来设计基于工作过程的学习任务，使学生在“真实”的职业情境中掌握职业能力。
3.建立学习资源包
教师根据实践专家访谈会中提取的典型工作任务，制定教学大纲、编写工作页和教学指导书。
4.学生为主、教师为辅的教学设计
教师制定工作任务书，学生通过资讯、决策、计划、实施、修正、评价等环节实现“做中学，学中做”，教师成为引导学生的组织者。
三、课程改革的内容
电气线路设计是电气自动化专业一门重要的专业课程，掌握电气线路设计方法是高级维修电工应具备的一项基本技能。因此，我们在电气线路设计课程的教学内容和教学过程上作了大胆的调整。
第一，以电气线路设计课程为主线，改进教学方法，更新教学手段，优化教学内容，加强理论与实践一体化教学。
第二，以能力培养为主线，以8种典型工作任务为载体，从电路的设计到线路的安装与调试，重构课程教学内容和教学流程。使学生在完成工作任务的过程中，通过有规律地经历获取信息―制订计划―作出决策―实施计划―过程控制―评价反馈等工作过程，递进式培养理论知识和实践能力，最终实现其隐形的综合职业能力的培养。
第三，为了满足一体化教学，使学生在工作任务中学习、掌握相关知识与维修技能，根据企业“真实”的职业情境制作开发电气实训柜，以满足学生学习的需求。
最后，制作相关教学资料，包括教学大纲、学材（工作页）和教学指导书为教师教学服务。
四、课程改革的特色
1.灵活采用教学方法，实现三种能力的培养
采用“任务驱动”“启发引导”“分组竞赛”等灵活的教学方法和手段，创设专业教学活动的情境，以学生为主体，教师为主导，技能训练为主线，以综合职业能力为培养目标，充分发挥学生主观能动性和创新精神。选择典型工作任务，注重师生互动、教学相长。实现对学生专业能力、方法能力、社会能力的综合培养。
2.工学结合的教学形式
课程教学分为三个阶段：课程教学的前期实行教、学、做一体化；在课程中期，实行课堂和实训室一体化教学；课程教学的后期，安排学生到车间，实行工学结合。在教学中及时引进先进的设计理念，有效地培养学生创新意识和可持续发展能力。加强与企业的“零距离”对接，强调学生“真刀真枪”的岗位训练，有效地培养学生的职业素质与实际工作能力。
3.电气实训柜的制作