电子产品的系统构成及电路设计要点

半导体/电子元器件发展到今天已经有几百种类别、上亿种不同的型号，如果不能系统地理解一个电子产品的构成，就很难在新的产品设计中根据系统的要求选用合适的型号。

这里我们就对一个典型的电子产品做功能的分解，看看它的基本构成以及每个功能模块的电路要素。

所有电子产品都是用电信号对物理世界进行表征和计算的过程

我们先上升一定的高度来看看 - 所有的电子产品都是用电信号对我们身处的物理世界进行表征和计算的过程：先通过各种传感器将物理世界的“物”和“事”（变化的物）转变为电信号，也就表征的过程。模拟信号链路以及后续的数字信号处理、大数据/云计算/人工智能等都是对获取的电信号进行计算，提取出有用的信息，以达到对物理世界的认知。通信传输、存储回看（电影、电视）等都是消除掉4维的时空对人认知的限制而已。

我们都知道，电信号里最基本的关系就是欧姆定律 V（电压） = I（电流） * R（阻抗）。

欧姆发现的定律 - 电路中电压和电流的关系

下图是与电路相关的一些基本知识，相信大家都已经有所了解。这些是我们设计电路、设计PCB的理论基础，配合对各种器件功能、性能的理解以及电磁场理论的分析，就构成了我们硬件工程师设计PCB的基本知识体系。

基本电路理论

所以，电路理论最基础也是最核心的 - 欧姆定律，取决于构成电路回路的器件不同 - 电阻、电感、电容导致的阻抗也不一样，尤其是具有储能功能的元件电感和电容，它们的阻抗与电信号的频率也有关系。

除了从我们习惯的时域来处理和理解信号之外，与之相对应的频域也是非常重要的一个维度，能获取更多通过时域手段无法实现或者实现难度较大的处理和认知。

今天我们越来越多地通过对模拟信号进行数字化以后在数字域进行更多形式的变换，从更多其它的维度对信号进行处理和解析。

下面我们就一个典型的电子产品系统看一下其主要的构成，大致可以分解为下图中的几个部分，很像是我们的器官：

典型电子产品的设计构成

主处理器/存储器 - 大脑/记忆单元，用于计算/存储

电源 - 胃，为整个产品的各个组件提供能源

时钟 - 心脏，为整个系统提供统一的节拍，驱动整个系统的运行

输入信号调理/数字信号处理 - 很像我们的神经系统

传感器 - 各种感知器官

我们要做的就是将每个部分有机地组织在一起，形成一个可以协调工作、能进行多任务处理的系统。

电源部分：

电子产品的供电和电源管理主要构成

这部分用于产生电子产品的各个电路部分需要的能源，它的输入一般是来自220V的交流供电、通过USB端口的5V直流供电或事先存储在电池上的能源，源源不断提供给产品的每一个电路模块。每个模块对电压、电流、纹波的要求是不同的，我们需要根据每个模块的要求设计电源的拓扑结构以实现每个模块需要的性能，并做到最小的能量浪费（整体转换效率最高）、最低的系统成本。

传感器：

物联网（IoT）中用到的主要传感器

传感器相对应于我们的感知器官，每一种新的传感器的出现都会给我们带来对物理世界一个新维度的认知，比如GPS、照相机、姿态传感器等都让电子产品给我们的生活带来巨大的变化。传感器的输入是物理世界的物理量（光线、位置、温湿度等），其输出为代表这些物理量信息的表征电信号，以通用的接口方式（I2C、SPI等）同处理器进行连接。随着工艺的提高，越来越多的预处理（计算）功能都集成在传感器芯片内了，大大简化了后续链路的复杂度并降低了MCU（大脑）的负荷。

模拟链路 - 幅度的放大/衰减和信号带宽的控制

运算放大器的几种基本配置

模拟信号链路主要是对输入的信号进行“计算”处理，由于表征任何信号的参数主要为两个 - 信号的幅度（强度）以及信号的频率（随时间的变化），因此对于信号的“计算”处理也就是围绕着这两个参数进行的。首先是对幅度的调节 - 放大或缩小，所用的器件就是放大器或衰减器（其放大或缩小的量通常以dB来表示）。因为输入信号的幅度范围可大可小，也就是说其动态范围的大小，设计的电路要满足输入信号在要求的变化范围内都能够达到预期的效果，就要对模拟电路的类型、增益等进行合理的设定。

模拟信号调理 - 频域：滤波器（以低通滤波器示例）

表征信号的另一个重要参数是频率，因此对模拟信号的频域处理（也就是滤波器）也是模拟信号链路的一个重要部分，根据我们要提取的信号的频率在输入信号频域中的位置可以分为高通、低通、带通、带阻等等。滤波器的重要指标：带内信号的衰减和波动要尽可能小，带外信号的衰减要尽可能大，抑制度要尽可能高等。实际的电路要综合考虑器件的特性、成本、信号的组成等多种因素，因此实现的方式也有多种 - 贝塞尔、巴特沃斯、切比雪夫、椭圆等，要根据实际的情况选用合适的滤波器方式。

任何电路都不可能只处理其中一个参数而对另一个参数没有影响，因此无论是放大器还是滤波器都会对这两个参数造成影响，只不过主次不同而已。在实际的电路设计中要综合考虑这两者的要求。

设计中可以基于器件的SPICE模型数据进行模拟电路的仿真，以确定你选用的器件构成的电路拓扑是否满足对输入的模拟信号在幅度和频率方面处理的要求。

对模拟电路的仿真我们会在单独的文章中进行讨论。

ADC和DAC

通过ADC从模拟到数字，再通过DAC从数字到模拟的波形变化

模拟链路处理完的信号还是模拟量，要对这些信号进行数字处理（有很多好处），就必须先对这些信号进行量化，也就是模拟/数字转换（ADC）。反过来如果要将数字信号转换到模拟信号，就需要数字/模拟转换（DAC）。因此ADC和DAC是连接模拟电信号世界和数字电信号世界之间的桥梁。

ADC和DAC最重要的几个指标：

分辨率，也就是转换的精度，以bit为单位。分辨率越高，对模拟信号的数字表征也就越逼真，当然成本也就越高，后期的数字化处理需要的资源也就跟着上升。分辨率的选取需要根据待处理信号的性质以及信号本身的信噪比进行选择。

转换率，单位为sps（每秒的采样率）。转化率越高，也就意味着在时域上精度越高，当然成本也就越高。转化率的选取要看被转换的信号的时域变化情况。

SFDR - 无杂波动态范围

接口方式 - 并行、串行

当然还有供电电压、功耗、封装、成本等等指标对于ADC、DAC的选用也非常重要。

数字逻辑

可编程逻辑器件FPGA的内部主要功能

量化的数字信号需要在数字域进行进一步处理，最合适的器件就是可编程逻辑器件（PLD），其中FPGA是目前PLD中的首选器件，全球FPGA器件的供应商主要有：Xilinx、Altera/Intel、Lattice、Microchip（原来的Microsemi）四家，每家的定位不同，在不同产品线上可以选用不同厂家的不同产品系列。

选用FPGA最关心的就是其内部的资源是否够用、合适，比如：

逻辑资源

存储资源

运行速度

可编程IO的数量及支持的协议

是否有定制化的功能模块（硬核处理器、DDR接口、SPI总线、I2C总线）？

当然除了资源以外，支持的IP Core、编译系统是否好用、封装是否合适、供电是否方便等都是选型中要考虑的因素。

处理器/控制器

微处理器是电子产品的中心，通过其外设接口连接各种器件

处理器/控制器乃是电子产品的大脑部位，它通过可编程的软件负责各项任务的协调、同外界的输入、输出、控制等功能。处理器的发展史上有不少经典的架构，比如8位的8051、PIC、AVR等，32位的MIPS、PowerPC、ARM等，目前ARM Cortex 已经成了嵌入式系统中的主流架构，除了处理器/控制器之外，芯片内同时集成了各种存储器管理并内置存储器、外设管理并各种常用的外设接口等等功能，成为了SoC（片上系统）。

微处理器/控制器的主要提供商有ST、NXP、Microchip、TI、ADI、Silicon Labs、瑞萨、英飞凌等等，这些器件厂商都曾拥有自己独特的架构，但目前全部都以Arm为主流，并结合自己的优势进行差异化，定位不同的市场应用。架构的统一给我们的选型带来了便捷，同时开发也变得更加简单，但每个厂商还是有不同的地方需要我们在选型的时候注意比较。

网络通信

各种主流的无线通信系统支持的传输速率和距离

通信的作用是实现不同个体之间基于约定的协议进行的信息传输，从大的类别上可以分为有线通信和无线通信，比如UART、USB、以太网、SPI、I2C等都属于有线通信，WiFi、蓝牙、ZigBee、3G等都属于无线通信。每种通信方式都有优势、局限性以及其特定的协议，因此我们在产品的设计中需要根据功能、性能的需求来选定适当的通信模式。