電子產(chǎn)品的系統(tǒng)構(gòu)成及電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

半導(dǎo)體/電子元器件發(fā)展到今天已經(jīng)有幾百種類別、上億種不同的型號，如果不能系統(tǒng)地理解一個(gè)電子產(chǎn)品的構(gòu)成，就很難在新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中根據(jù)系統(tǒng)的要求選用合適的型號。

這里我們就對一個(gè)典型的電子產(chǎn)品做功能的分解，看看它的基本構(gòu)成以及每個(gè)功能模塊的電路要素。

所有電子產(chǎn)品都是用電信號對物理世界進(jìn)行表征和計(jì)算的過程

我們先上升一定的高度來看看 - 所有的電子產(chǎn)品都是用電信號對我們身處的物理世界進(jìn)行表征和計(jì)算的過程：先通過各種傳感器將物理世界的“物”和“事”（變化的物）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，也就表征的過程。模擬信號鏈路以及后續(xù)的數(shù)字信號處理、大數(shù)據(jù)/云計(jì)算/人工智能等都是對獲取的電信號進(jìn)行計(jì)算，提取出有用的信息，以達(dá)到對物理世界的認(rèn)知。通信傳輸、存儲回看（電影、電視）等都是消除掉4維的時(shí)空對人認(rèn)知的限制而已。

我們都知道，電信號里最基本的關(guān)系就是歐姆定律 V（電壓） = I（電流） * R（阻抗）。

歐姆發(fā)現(xiàn)的定律 - 電路中電壓和電流的關(guān)系

下圖是與電路相關(guān)的一些基本知識，相信大家都已經(jīng)有所了解。這些是我們設(shè)計(jì)電路、設(shè)計(jì)PCB的理論基礎(chǔ)，配合對各種器件功能、性能的理解以及電磁場理論的分析，就構(gòu)成了我們硬件工程師設(shè)計(jì)PCB的基本知識體系。

基本電路理論

所以，電路理論最基礎(chǔ)也是最核心的 - 歐姆定律，取決于構(gòu)成電路回路的器件不同 - 電阻、電感、電容導(dǎo)致的阻抗也不一樣，尤其是具有儲能功能的元件電感和電容，它們的阻抗與電信號的頻率也有關(guān)系。

除了從我們習(xí)慣的時(shí)域來處理和理解信號之外，與之相對應(yīng)的頻域也是非常重要的一個(gè)維度，能獲取更多通過時(shí)域手段無法實(shí)現(xiàn)或者實(shí)現(xiàn)難度較大的處理和認(rèn)知。

今天我們越來越多地通過對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化以后在數(shù)字域進(jìn)行更多形式的變換，從更多其它的維度對信號進(jìn)行處理和解析。

下面我們就一個(gè)典型的電子產(chǎn)品系統(tǒng)看一下其主要的構(gòu)成，大致可以分解為下圖中的幾個(gè)部分，很像是我們的器官：

典型電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)構(gòu)成

主處理器/存儲器 - 大腦/記憶單元，用于計(jì)算/存儲

電源 - 胃，為整個(gè)產(chǎn)品的各個(gè)組件提供能源

時(shí)鐘 - 心臟，為整個(gè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的節(jié)拍，驅(qū)動整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行

輸入信號調(diào)理/數(shù)字信號處理 - 很像我們的神經(jīng)系統(tǒng)

傳感器 - 各種感知器官

我們要做的就是將每個(gè)部分有機(jī)地組織在一起，形成一個(gè)可以協(xié)調(diào)工作、能進(jìn)行多任務(wù)處理的系統(tǒng)。

電源部分：

電子產(chǎn)品的供電和電源管理主要構(gòu)成

這部分用于產(chǎn)生電子產(chǎn)品的各個(gè)電路部分需要的能源，它的輸入一般是來自220V的交流供電、通過USB端口的5V直流供電或事先存儲在電池上的能源，源源不斷提供給產(chǎn)品的每一個(gè)電路模塊。每個(gè)模塊對電壓、電流、紋波的要求是不同的，我們需要根據(jù)每個(gè)模塊的要求設(shè)計(jì)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊需要的性能，并做到最小的能量浪費(fèi)（整體轉(zhuǎn)換效率最高）、最低的系統(tǒng)成本。

傳感器：

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中用到的主要傳感器

傳感器相對應(yīng)于我們的感知器官，每一種新的傳感器的出現(xiàn)都會給我們帶來對物理世界一個(gè)新維度的認(rèn)知，比如GPS、照相機(jī)、姿態(tài)傳感器等都讓電子產(chǎn)品給我們的生活帶來巨大的變化。傳感器的輸入是物理世界的物理量（光線、位置、溫濕度等），其輸出為代表這些物理量信息的表征電信號，以通用的接口方式（I2C、SPI等）同處理器進(jìn)行連接。隨著工藝的提高，越來越多的預(yù)處理（計(jì)算）功能都集成在傳感器芯片內(nèi)了，大大簡化了后續(xù)鏈路的復(fù)雜度并降低了MCU（大腦）的負(fù)荷。

模擬鏈路 - 幅度的放大/衰減和信號帶寬的控制

運(yùn)算放大器的幾種基本配置

模擬信號鏈路主要是對輸入的信號進(jìn)行“計(jì)算”處理，由于表征任何信號的參數(shù)主要為兩個(gè) - 信號的幅度（強(qiáng)度）以及信號的頻率（隨時(shí)間的變化），因此對于信號的“計(jì)算”處理也就是圍繞著這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行的。首先是對幅度的調(diào)節(jié) - 放大或縮小，所用的器件就是放大器或衰減器（其放大或縮小的量通常以dB來表示）。因?yàn)檩斎胄盘柕姆确秶纱罂尚?，也就是說其動態(tài)范圍的大小，設(shè)計(jì)的電路要滿足輸入信號在要求的變化范圍內(nèi)都能夠達(dá)到預(yù)期的效果，就要對模擬電路的類型、增益等進(jìn)行合理的設(shè)定。

模擬信號調(diào)理 - 頻域：濾波器（以低通濾波器示例）

表征信號的另一個(gè)重要參數(shù)是頻率，因此對模擬信號的頻域處理（也就是濾波器）也是模擬信號鏈路的一個(gè)重要部分，根據(jù)我們要提取的信號的頻率在輸入信號頻域中的位置可以分為高通、低通、帶通、帶阻等等。濾波器的重要指標(biāo)：帶內(nèi)信號的衰減和波動要盡可能小，帶外信號的衰減要盡可能大，抑制度要盡可能高等。實(shí)際的電路要綜合考慮器件的特性、成本、信號的組成等多種因素，因此實(shí)現(xiàn)的方式也有多種 - 貝塞爾、巴特沃斯、切比雪夫、橢圓等，要根據(jù)實(shí)際的情況選用合適的濾波器方式。

任何電路都不可能只處理其中一個(gè)參數(shù)而對另一個(gè)參數(shù)沒有影響，因此無論是放大器還是濾波器都會對這兩個(gè)參數(shù)造成影響，只不過主次不同而已。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中要綜合考慮這兩者的要求。

設(shè)計(jì)中可以基于器件的SPICE模型數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬電路的仿真，以確定你選用的器件構(gòu)成的電路拓?fù)涫欠駶M足對輸入的模擬信號在幅度和頻率方面處理的要求。

對模擬電路的仿真我們會在單獨(dú)的文章中進(jìn)行討論。

ADC和DAC

通過ADC從模擬到數(shù)字，再通過DAC從數(shù)字到模擬的波形變化

模擬鏈路處理完的信號還是模擬量，要對這些信號進(jìn)行數(shù)字處理（有很多好處），就必須先對這些信號進(jìn)行量化，也就是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）。反過來如果要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到模擬信號，就需要數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換（DAC）。因此ADC和DAC是連接模擬電信號世界和數(shù)字電信號世界之間的橋梁。

ADC和DAC最重要的幾個(gè)指標(biāo)：

分辨率，也就是轉(zhuǎn)換的精度，以bit為單位。分辨率越高，對模擬信號的數(shù)字表征也就越逼真，當(dāng)然成本也就越高，后期的數(shù)字化處理需要的資源也就跟著上升。分辨率的選取需要根據(jù)待處理信號的性質(zhì)以及信號本身的信噪比進(jìn)行選擇。

轉(zhuǎn)換率，單位為sps（每秒的采樣率）。轉(zhuǎn)化率越高，也就意味著在時(shí)域上精度越高，當(dāng)然成本也就越高。轉(zhuǎn)化率的選取要看被轉(zhuǎn)換的信號的時(shí)域變化情況。

SFDR - 無雜波動態(tài)范圍

接口方式 - 并行、串行

當(dāng)然還有供電電壓、功耗、封裝、成本等等指標(biāo)對于ADC、DAC的選用也非常重要。

數(shù)字邏輯

可編程邏輯器件FPGA的內(nèi)部主要功能

量化的數(shù)字信號需要在數(shù)字域進(jìn)行進(jìn)一步處理，最合適的器件就是可編程邏輯器件（PLD），其中FPGA是目前PLD中的首選器件，全球FPGA器件的供應(yīng)商主要有：Xilinx、Altera/Intel、Lattice、Microchip（原來的Microsemi）四家，每家的定位不同，在不同產(chǎn)品線上可以選用不同廠家的不同產(chǎn)品系列。

選用FPGA最關(guān)心的就是其內(nèi)部的資源是否夠用、合適，比如：

邏輯資源

存儲資源

運(yùn)行速度

可編程IO的數(shù)量及支持的協(xié)議

是否有定制化的功能模塊（硬核處理器、DDR接口、SPI總線、I2C總線）？

當(dāng)然除了資源以外，支持的IP Core、編譯系統(tǒng)是否好用、封裝是否合適、供電是否方便等都是選型中要考慮的因素。

處理器/控制器

微處理器是電子產(chǎn)品的中心，通過其外設(shè)接口連接各種器件

處理器/控制器乃是電子產(chǎn)品的大腦部位，它通過可編程的軟件負(fù)責(zé)各項(xiàng)任務(wù)的協(xié)調(diào)、同外界的輸入、輸出、控制等功能。處理器的發(fā)展史上有不少經(jīng)典的架構(gòu)，比如8位的8051、PIC、AVR等，32位的MIPS、PowerPC、ARM等，目前ARM Cortex 已經(jīng)成了嵌入式系統(tǒng)中的主流架構(gòu)，除了處理器/控制器之外，芯片內(nèi)同時(shí)集成了各種存儲器管理并內(nèi)置存儲器、外設(shè)管理并各種常用的外設(shè)接口等等功能，成為了SoC（片上系統(tǒng)）。

微處理器/控制器的主要提供商有ST、NXP、Microchip、TI、ADI、Silicon Labs、瑞薩、英飛凌等等，這些器件廠商都曾擁有自己獨(dú)特的架構(gòu)，但目前全部都以Arm為主流，并結(jié)合自己的優(yōu)勢進(jìn)行差異化，定位不同的市場應(yīng)用。架構(gòu)的統(tǒng)一給我們的選型帶來了便捷，同時(shí)開發(fā)也變得更加簡單，但每個(gè)廠商還是有不同的地方需要我們在選型的時(shí)候注意比較。

網(wǎng)絡(luò)通信

各種主流的無線通信系統(tǒng)支持的傳輸速率和距離

通信的作用是實(shí)現(xiàn)不同個(gè)體之間基于約定的協(xié)議進(jìn)行的信息傳輸，從大的類別上可以分為有線通信和無線通信，比如UART、USB、以太網(wǎng)、SPI、I2C等都屬于有線通信，WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、3G等都屬于無線通信。每種通信方式都有優(yōu)勢、局限性以及其特定的協(xié)議，因此我們在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中需要根據(jù)功能、性能的需求來選定適當(dāng)?shù)耐ㄐ拍Ｊ健?/p>