《电子产品设计复习》PPT课件.ppt

电子系统设计复习,第一章1、电子系统的定义：电子系统是指由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体。2、电子系统结构层次：系统级、子系统级、部件级、元件级,3、电子系统设计的基本原则（1）、满足系统功能和性能指标要求。（2）、电路简单。经济性和可靠性好。可利用集成化技术实现。（3）、电磁兼容性（EMC）好。EMC（ElectroMagneticCompatibility）是电磁兼容性。意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰，也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。（4）、可靠性高。与系统实际用途及使用环境有关。（5）、系统集成度高。集成度高的系统具有电磁兼容性好、可靠性高、制造工艺简单、质量容易控制、性价比高等优点。（6）、调试简单方便。（7）、生产工艺简单。（8）、操作简便。（9）、性价比高。,4、电子系统的设计方法（1）自顶向下的设计方法。在自顶向下的过程中，一个复杂的问题(任务)被分解成若干个较小较简单的问题(子任务)，并且一直继续下去，直到每个小问题(子任务)都简单到能够直接解决(实现)为止。对系统进行划分。（2）自底向上的设计方法自底向上方法与自顶向下方法相反，首先作最低级的决定，其次作较高级的决定，最后建立起整个系统。元件构造部件，部件构造子系统，直至整个系统。（3）以自顶向下为主导，结合使用自底向上的方法。设计重用，充分利用IP(知识产权)核。,第二章、传感器,1、传感器的定义和组成传感器：指能感受被测非电量（如物理量、化学量、生物量等）并能按一定规律将其转换成便于处理与传输的电量（也有少数为其它物理量）的器件或装置。传感器一般由敏感元件、转换元件组成，近代传感器还包含有测量电路和辅助电源。,2、传感器的分类（1）、按被测物理量分温度传感器、湿度传感器、光传感器、压力传感器、位移量传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。（2）、按传感器工作原理分电学式传感器：有电阻式、电容式、电感式、磁电式及电涡流式等。磁学式传感器：利用铁磁物质的一些物理效应制成，主要用于位移、转矩等参数测量。光电式传感器：利用光电器件的光电效应和光学原理制成，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。此处还有电势传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器、生物传感器。,3、传感器的参数（1）静态参数。精确度：表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度。两者之差为绝对误差，绝对误差与被测量真值之比为相对误差。精确度常用等级表示：如0.5级、1.0级表示精确度分别为0.5%和1%。灵敏度与稳定度：灵敏度表示传感器的输出变化量Y与引起此变化的输入变化量X之比。稳定度指在规定条件下，传感器保持其特性恒定不变的能力，通常是对时间而言。分辨率：指传感器的指示装置对相邻两个值有效辨别的能力，即最小检测量。滞后：由于外加输入量的方向（正行程和反行程）不同，传感器对同样的输入值给出不同的输出值，不同输出值之差的绝对值为回程误差（回差或时滞误差）零值误差：表示当输入为零时，传感器输出偏离零位的值。（2）动态参数。时间常数、上升时间、稳定时间、过冲量、频带宽度等。,4、铂热电阻铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的铂热电阻特点是测温范围宽、精度高、稳定性好、抗震、耐压、安装方便等。广泛应用于工业测温，以及制造标准的基准仪。,5、光敏器件定义：能将光能转变为电信号的器件，常用的半导体光敏器件有光敏电阻器、光敏二极管和光敏三极管。,6、光敏电阻器的主要参数1）亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值（一般为1100K）。2）暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值（一般为1100M）。3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63时所需的时间。7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。,7、光敏二极管原理：PN结施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小。当无光线照射时，反向电流很小，即暗电流很小；当有光线照射时，在光线的激发下，光敏二极管内产生大量的“光生载流子”，反向电流增大，即光电流增大。对光线反应有选择性，在特定的光谱范围内才产生光电反应。在特定范围内，对某一波长的光波又有最佳响应，这一波长为峰值波长。不同材料与工艺的光敏二极管，峰值波长不相同。,8、光敏三极管光敏三极管具有两个PN结，其基本原理与光敏二极管相同。由于它把光照后产生的电信号又进行了放大，因此具有更高的灵敏度。正常工作时需加一定的反向电压，这样才能得到较大的光电流与暗电流之比。分为锗管与硅管两种，锗管的灵敏度比硅管高但暗电流较大。应用时光线尽量与元件芯片垂直，以取得最高灵敏度。,9、光耦合器光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。,光电耦合器在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因：（a）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大。据分压原理，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。（b）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。（c）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。（d）光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10s左右，适于对响应速度要求很高的场合。,第五章1、A/D转换器的分类1）积分型（如TLC7135）积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率较低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。2）逐次比较型（如TLC0831）逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格较高。,3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称闪烁转换器。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。,2、A/D转换器的主要技术指标1）分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量。分辨率又称精度，通常以数字量的位数来表示。2）转换速率(ConversionRate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。3）量化误差(QuantizingError)由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。4）偏移误差(OffsetError)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。5）满刻度误差(FullScaleError)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6）线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。,3、ADC0809与MCS-51的接口ADC0809内部结构图与外观,ADC0809时序图,ADC0809与8031的接口电路（查询与中断方式）,中断方式连接（查询方式可省）,D触发器构成2分频电路：,MCS-51外部RAM数据读取（写）指令时序,ALE:地址锁存控制信号,PSEN:外部程序存储器读选通信号,RD（WD）:外部RAM读（写）选通信号,P2:高8位地址输出端口,P0:低8位地址输出，数据输入端口,1个状态即1个时钟周期,外部ROM取指令,外部RAM读（写）,送出16位地址（DPTR中）,通过P0口进行外部RAM读（写）操作,MOVXDPTR,A写指令MOVXA,DPTR读指令,4、ADC0809与MCS-51的接口程序设计:1）程序查询方式微处理器向A/D转换器发出启动信号，然后查询转换结束信号，如果转换结束则读入转换结果数据。特点是简单可靠，占用微处理器的时间进行查询，效率低。2）延时等待方式微处理器向A/D转换器发出启动信号，然后根据A/D转换所需时间进行等待，等待结束后则读入转换结果数据。通常等待时间应略大于A/D转换所需时间。占用较多的微处理器的时间，但无需查询端口。3）中断方式微处理器启动A/D转换后可处理其他事情，当A/D转换结束发出中断信号后，微处理器响应中断读入转换结果数据。微处理器与A/D转换器并行工作，效率高。,ADC0809与MCS-51的接口程序设计:A）查询方式MOVDPTR,#0FEF8HP2.0=0,IN0通道MOVA,#00HMOVXDPTR,A启动转换MOVR2,#20HDLY:DJNZR2,DLY延时（约10us）WAIT:JBP3.3,WAIT查询EOCMOVXA,DPTR读转换结果MOV30H,A保存在30H单元,B）延时等待方式ADC0809时钟为500KHz，转换时间约为128usMOVDPTR,#0FEF8HP2.0=0,IN0通道MOVA,#00HMOVXDPTR,A启动转换MOVR2,#48HDLY:DJNZR2,DLY延时（约140us）MOVXA,DPTR读转换结果MOV30H,A保存在30H单元,C）中断方式主程序：MAIN:SETBIT1设INT1为边沿触发SETBEX1允许INT1中断SETBEA打开总中断MOVDPTR,#0FEF8HMOVA,#00HMOVXDPTR,A启动A/D转换.,C）中断方式中断服务程序：INTR1:PUSHDPLPUSHDPHPUSHA保护现场MOVDPTR,#0FEF8HMOVXA,DPTR读转换结果MOV30H,A结果存30HMOVA,#00HMOVXDPTR,A启动下一次转换POPA恢复现场POPDPHPOPDPLRETI,5、D/A转换器概述数模转换是将输入数字信号转换为模拟信号输出的器件，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现这种转换功能的电路叫数模转换器（DAC）。,6、D/A转换器的技术指标1）、分辨率2）、转换精度绝对精度相对精度3）、转换时间（转换速率）4）、线性误差5）、尖峰误差6）、信噪比7）、稳定性,7、DAC08328位单片D/A转换器，具有双输入数据锁存器,单电源：+5V+15VVref:-10V+10V低功耗：20mW；分辨率：8位输出方式:电流,第一节D/A转换器三、DAC0832内部原理框图,第一节D/A转换器三、DAC0832直通工作方式：输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此时提供给DAC的数据，必须来自锁存端口(LE1=LE2=0)。单缓冲工作方式：控制输入寄存器和DAC寄存器同时跟随或锁存数据，或只控制这两个寄存器之一，而另一个接成直通方式。此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。双缓冲工作方式：分别控制输入寄存器和DAC寄存器，此方式适用于多路D/A同时输出的情形：使各路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同时（相同控制信号）打开各DAC寄存器、实现同步转换,EDA设计内容：,七段译码器的设计,计数器的设计,数字钟的设计,交通灯的设计,LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYDECODE7ISPORT(NUM:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);LOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);ENDDECODE7;ARCHITECTUREaOFDECODE7ISBEGINPROCESS(NUM)BEGINCASENUMISWHEN0000=LOUTLOUTLOUTLOUTLOUTLOUTLOUTLOUTLOUTLOUTLOUT=0000000;ENDCASE;ENDPROCESS;ENDa;,三、七段译码器的设计,四、计数器的设计,十进制计数器的VHDL描述LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYC