电子系统设计-第一章 导论1

教 师：徐 金 龙办公室：实验楼539电 话 箱：Q Q: 34875863,电子系统设计,导论 2学时常用传感器及应用 2学时模拟部分（常用集成电路的应用设计） 22学时 数字系统的设计 6学时模数混合电路应用设计 2学时 单片机C语言程序设计基础 12学时系统综合设计部分 6学时电子系统设计实例 4学时习题课和总复习 4学时,课程性质：专业课、限选、考试 学分：4 学时：60,电子系统设计的工艺、可靠性和电磁兼容性等,教学内容及安排,杨刚 周群 电子系统设计与实践 电子工业出版社 2004.1邹彦等 EDA技术与数字系统设计 电子工业出版社 2007.4陈曾平等 电路设计基础与专用系统构成 科学出版社20069 何小艇 电子系统设计 浙江大学出版社2008.1贾立新等 电子系统设计与实践 清华大学出版社 2007.4电子产品世界 /电子电路网 /可编程逻辑器件中文网站 /,主要参考资料：参考书和网站,STC单片机（宏晶科技） /天祥电子 /单片机终结者 /美国国家仪器（NI）有限公司 /广州风标电子技术有限公司 /课程考核： 平时成绩（考勤+作业）：30% 期末成绩（闭卷考试）：70%,主要参考资料：参考书和网站,1.1电子系统概述 当今电子产品的两大特点：1、产品的复杂性加深。根据摩尔定律，IC的复杂性，指IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。 2、产品的上市时间与市场寿命减小，竞争加剧。,第1章 电子系统设计导论,一、系统和电子系统的定义 系统是由两个以上各不相同且相互联系、相互制约的单元组成的，在给定环境下能够完成一定功能的综合体。 单元可以是元件、部件或子系统。一个系统有可能是另一个更大系统的子系统。 电子系统的定义 通常将由电子元器件或部件组成的能够产生、传输、采集或处理电信号及信息的客观实体称之为电子系统。,1.1 电子系统概述,例如：通讯系统、雷达系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等等。 电子系统分为模拟型、数字型和两者兼有的混合型，无论哪种电子系统，它们都是能够完成某一任务的电子设备。通常把规模较小、更能单一的电子系统成为单元电路。实际应用中的电子系统有若干单元电路构成，一般电子系统由输入电路、信息处理、输出电路三大部分组成。,1.1 电子系统概述,三、集中参数系统与分布参数系统 根据实际电路的几何尺寸(d)与其最高工作频率所对应的波长()的关系，可以将电路分为两大类： (1)集总参数电路：满足d条件的电路。 (2)分布参数电路：不满足d条件的电路。,1.1 电子系统概述,电子系统结构层次（构成）,二、电子系统、网络、电路的区别与联系,1、电路也称为网络。研究抽象规律时多用网络一词，讨论具体问题时称为电路。2、一般系统是比网络更复杂、规模更大的组合体。有时一些简单的网络或电路也称之为系统。,三、集中参数系统与分布参数系统 在低频时，物理元件是集中参数元件。这样的电子系统称为集中参数系统。在高频条件下，引线和元件的分布参数必须考虑，简单电路变成了复杂的网络或系统分布参数系统。 一般电路如果不是集中参数电路，都可以归纳为分布参数电路，必须考虑电路元件参数分布性能的电路。 参数的分布性能：指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同，这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。,1.1 电子系统概述,四、电子系统设计的基本原则：满足系统功能和性能指标要求电路简单电磁兼容性好可靠性高系统集成度高调试简单方便生产工艺简单性能价格比高操作简单方便,针对不同的电路设计领域，又有几条特殊原则： 先进性（科研攻关） 可靠性（军工、航天） 实用性（市场产品）,1.1 电子系统概述,1.1 电子系统概述,五、电子系统的设计方法 1、自顶向下（TOP-DOWN） 顶：系统功能 底：最基本的元器件，甚至版图,自顶向下的优点：（1）尽量运用概念（抽象）描述、分析设计对象，不过早地考虑具体电路、元器件和工艺；（2）抓住主要矛盾，不纠缠在具体细节上，控制设计的复杂性；（3）底层修改，不影响顶层。 适用：大型系统设计,1.1 电子系统概述,1.1 电子系统概述,2、自底向上（BOTTOM-UP）,自底向上的缺点： 部件设计在先，设计系统时将受这些部件的限制，影响系统性、易读性、可靠性、可维护性。自底向上的优点： （1）在系统的组装和调试过程中有效； （2）直观，效率较高，可利用前人的设计成果。适用：小型系统设计。,1.1 电子系统概述,自顶向下,自底向上,1.1 电子系统概述,元件级,部件级,子系统级,系统级,3、以自顶向下方法为主导，并相结合自底向上的方法,1.1 电子系统概述,电子系统的设计流程或步骤,电子系统设计的一般步骤：（1）行为描述与设计：描述系统的各项功能、各单元的输入和输出关系、各种技术指标。硬件框图设计软件流程图设计（2）结构描述与设计：描述单元模块间的互连关系。硬件电原理图设计软件源程序设计（3）物理描述与设计：实现结构的具体形式、技术和工艺等。传统的PCB、PLD或VLSI 元器件选型、布局布线、工艺设计,1.2 电子系统设计流程,行为级,结构级,物理级,用户需求变为技术规范与功能描述,实现给定规范与功能的子系统、部件或元件及其互连方式,用一定的材料与工艺实 现结构,元件级,部件级,子系统级,系统级,电子系统设计Y图,1.2 电子系统设计流程,1.2 电子系统设计流程,传统设计步骤：,审题,方案选择与可行性论证,单元电路设计和元器件选择,制作PCB,组装与调试,编写设计文档与总结报告,1.2 电子系统设计流程,传统设计步骤：（1）审题明确设计要求做什么？系统的功能、输入和输出做到何种程度？性能、技术指标弄清设计方法有那些可使用的设计方法？比较各种方法的：先进性、性价比、可行性了解设计关键决定指标的关键：难点、重点（工作量大）,1.2 电子系统设计流程,传统设计步骤：（2）方案选择与可行性论证根据设计任务、指标要求分析系统应完成的功能，并将系统按功能分解成若干子系统，分清主次和相互的关系，形成若干单元功能模块组成的总体方案。对几个方案进行比较和论证，择优选取。选择的原则一般是“相对容易，相对巧妙，性价比高”。（3）单元电路设计和元器件选择根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对各单元电路的设计要求，拟定主要单元电路的性能指标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系，按信号流程顺序分别设计各单元电路。,1.2 电子系统设计流程,传统设计步骤：（3）单元电路设计和元器件选择选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面来考虑。 所谓“需要什么”是指根据具体问题的要求所选择的方案需要什么样的元器件，即每个元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标。 所谓“有什么”是指有哪些元器件，哪些在市场上能买得到，它们的性能如何、价格如何、体积多大等。 应该根据器件自身特性和电路要求选择合适的器件。 尽量采用集成电路和新器件将可起到事半功倍的效果。,1.2 电子系统设计流程,传统设计步骤：（3）单元电路设计和元器件选择 元器件的参数计算 计算机仿真和实验验证（4）制作PCB 电路图的绘制 生成PCB图 制作PCB（5）组装与调试（6）编写设计文档与总结报告,1.2 电子系统设计流程,传统设计步骤：（6）编写设计文档与总结报告编写设计文档 具体内容与以上设计过程是相呼应的。系统的设计要求与技术指标的确定；方案选择与可行性论证；单元电路设计、参数计算和元器件选择；参考文献。编写总结报告设计工作的进程记录；原始设计修改部分的说明；实际电路原理图、程序清单等；功能与指标测试结果(注明所使用的仪器型号与规格)；系统的操作使用说明；存在的问题及改进措施等。,这些设计文档有什么作用呢？,1.2 电子系统设计流程,设计文档（包括总结报告）的作用（1）重要性技术总结汇报交流生产文件评价依据,（2）内容设计思想设计过程设计结果改进设想,（3）要求概念准确数据完整条理清晰突出创新,以下是各种电子系统设计的流程。,一、以模拟器件为核心的电子系统设计流程,1.2 电子系统设计流程,二、以标准数字集成电路为核心的电子系统设计流程,1.2 电子系统设计流程,三、以PLD为核心的电子系统设计流程,1.2 电子系统设计流程,四、以ASIC为核心的电子系统设计流程,1.2 电子系统设计流程,数字ASIC的设计流程,为特定用户或特定电子系统制作的集成电路。,模拟ASIC的设计流程,1.2 电子系统设计流程,模拟集成电路的设计比数字集成电路的设计要复杂得多，这是因为模拟集成电路设计的特殊性决定的，即模拟集成电路的层次不如数字集成电路清楚，性能指标复杂，拓扑结构层出不穷，电路性能对器件尺寸、工艺及系统的串扰非常敏感。,五、以MPU和MCU为核心的电子系统设计流程 以微处理器（MPU）和微控制器（MPU，又称单片机）为核心的电子系统，具有结构简单、修改方便、通用性强的突出优点，适合于系统比较复杂、时序状态比较多的应用场合，设计流程如下：1. 确定任务，完成总体设计确定系统功能指标，编写设计任务书；确定系统实现的硬件与软件子系统划分，分别画出硬件与软件子系统框图。2. 硬件、软件设计与调试3. 系统总调、性能测定,1.2 电子系统设计流程,六、以SOC/SOPC为核心的电子系统设计流程1.SOC/SOPC SOC(System-on-a-Chip) （片上系统）是指以嵌入式系统为核心，以IP复用技术为基础，集软硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。 SOPC（System-on-a-Programmable-Chip），即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。它是SOC与可编程技术想结合的产物，是一种特殊的嵌入式系统。 首先SOPC是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能； 其次，SOPC是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,1.2 电子系统设计流程,六、以SOC/SOPC为核心的电子系统设计流程 SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核； 具有小容量片内高速RAM资源； 丰富的IP核资源可供选择； 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和FPGA编程接口； 可能包含部分可编程模拟电路； 单芯片、低功耗、微封装。,1.2 电子系统设计流程,以SOC/SOPC为核心的软/硬协同设计流程图,1.2 电子系统设计流程,系统集成设计,2.SOC/SOPC系统设计方法 （1）软/硬件协同设计理论 （2）IP核生成及复用技术 IP核（Intellectual Property core）是一种预先设计好、已通过验证、具有某种特定功能、可以被重复使用的IC模块。 IP内核可以在不同的硬件描述级实现，由此产生了三类IP内核：软核、固核和硬核。 软核：用VHDL等硬件描述语言描述的功能块，但是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。灵活性大。基于功能描述,1.2 电子系统设计流程,2.SOC/SOPC系统设计方法硬核：提供设计阶段最终阶段产品掩模。以经过完全的布局布线的网表形式提供，这种硬核既具有可预见性，同时还可以针对特定工艺或购买商进行