电子设计工程师认证师资集训班讲义

电子设计工程师师资暨考评员,北京工业大学电子工程设计中心,2007.10,（实操部分）,培训讲义,第一部分,教学内容、教学方法及教学平台介绍,一.电子工程设计中心介绍,投资总额160万元,1.实验室简况,面积340m2,实验室1：125m2,实验室2：125m2,包括：教学实验室2间共250m2,材料间35m2,准备间55m2,主要设备计算机、单片机仿真器、示波器,电烙铁、万用表、常用工具,信号源、频率计、扫频仪、图示仪,编程器、Q表、通用元件测试仪,（公用设备）,电子工程设计教学模板,（自制设备）,电子工程设计教学调试台,专用元件测试仪,承担课程电子工程设计实训-160学时,电子工程设计实训-260学时,电子工程设计实训-360学时,师资专职教师3人,兼职教师4人,2.实验室建设初衷,解决高等工科院校工程实践训练面临的问题。,实践性教育主要形式：,课程实验、课程设计,工程实践面向工程、面向实际,工程实践面临的问题：,安排难,质量保障难,解决方案借鉴全国大学生电子设计竞赛,组织形式课题小组，3人一组；,命题方式同一内容，统一要求；,题目特点面向工程，面向实际；,解题方法设计、实现、调试，独立完成；,考核内容设计成果、设计报告、答辩；,3.课程建设,内容规划选题、命题,原则：面向工程、面向实际,考虑学生的知识水平和实际能力,便于课堂实施,知识涵盖全面,内容：小型测控系统,涉及电路分析基础、模拟电子电路、数字电子电路、计算机原理、接口技术、计算机程序设计、传感器技术、测量技术、通信电路原理等多门课程学过的知识。,精确定时功能和打印功能扩展,红外线遥控子系统,上、下位机控制子系统,现场总线（CAN）测控节点,无线网络（ZigBee）测控节点,目前具备实施条件的题目为。,题目：闭环温度控制系统,闭环压力控制系统,闭环电机转速控制系统,教学安排,问题如何将工程项目转变为课堂教学任务,内容多、时间长，须服从教学安排,解决方法：,内容安排须与学生的知识积累进程同步,分解设计任务,分阶段实现教学目标,按照教学计划安排教学内容,小型温度测控系统组成框图,执行元件,非电量传感,非电量控制,信号处理,模数转换,数模转换,人机交互,控制驱动,数据处理,PC机上下位机控制,红外或无线遥控,时钟及打印功能,设计任务分解,第一阶段,电子工程设计训练-1（第5学期60学时）,电子工程设计训练-2（第6学期60学时）,电子工程设计训练-3（第6学期60学时）,第二阶段,第三阶段,培养目标：基本技能（工程图绘制、印刷电路板设计、电路板焊接等）和单元电路设计、组装、调试能力培养。,培养目标：系统电路设计、相关程序设计、系统联调能力培养。,培养目标：在系统功能扩充基础上进行的发挥、创新能力培养。,返回,执行元件,非电量传感,非电量控制,信号处理,模数转换,数模转换,人机交互,控制驱动,数据处理,基本闭环温度测控系统组成框图,第一、二阶段设计任务,实时钟电路,微型打印机,电缆,接口电路,PC机,红外线,红外线接收,红外线发射,单片机控制电路,人机交互电路,基本闭环温度测控系统,定时、打印扩展模块,PC机控制子系统,红外线遥控子系统,第三阶段设计任务,操作方式解题、考核,问题：,在分若干个阶段逐步完成系统的设计过程中，如何进行各部分的调试和正确性验证工作。,在三个时段、分若干次完成整个系统的设计时，如何保证设计过程的连续性和设计结果的完整性。,解决方法：,自制教学仪器设备，有针对性地解决教学运行中的具体问题。,电子工程设计训练教学模板：,示教系统,标定平台,作品功能指标检测及性能评价系统,电子工程设计训练教学调试台：,电路模块与电路系统的调试平台,电路模块与电路系统的故障诊断平台,红外线遥控子系统仿真调试软硬件环境：,红外线遥控系统的调试平台,特色,按照设计任务要求通过自己查资料、理论计算和必要的实验独立完成设计方案，培养学生的独立思考习惯与独立工作的能力。,使用基本元器件通过焊接、调试亲手实现设计方案，提高实际动手能力。,通过诊断和排除电路与系统中的故障，培养利用所学知识分析问题、解决问题的能力，积累一定的实践经验。,成绩,实现了一般工程设计任务到实践教学任务的转换。包括教学内容、教学方法、教学运行与管理方式的设计与规划。,2.提供了与课程相适应的个性化的教学保障条件。包括建设教学基地、组建具有工程背景的教师团队、自行研制所有设计题目的调试与仿真的软硬件环境和功能指标评价平台。,3.良好的教学效果和全国大学生电子设计竞赛的优异成绩。,二.电子设计工程师认证的意义,1.提供学生实践能力的客观评价机制,对于已经开展工程实践训练的高等学校，提供易于为第三方所认可的学生实践能力的客观评价机制。,2.推动学校实践教学的改革与建设,推动尚未开展工程实践训练的高等学校加强这方面的教学建设，使已经开展工程实践训练的高等学校这方面的工作更加有序、更加规范。,3.提高科技竞赛水平,引导更多的学生重视并参加工程实践训练，提高理论联系实际的水平和工程实践能力，为参加各类科技竞赛打下基础。,三.实操培训内容及考核方式,1.实操培训基本内容,设计方法,元、器件常识,工程图绘制及印刷电路板设计,电源设计,信号调理电路设计,典型电路模块设计,单片机小系统,单片机系统调试环境,A/D、D/A扩展设计,人机交互设计,系统程序设计、调试,2.实操考核基本内容,范围,模块级别（软硬件）面向电路或程序模块,系统级别（软硬件）面向电路或程序系统,方式,设计、实现,原有指标、功能改动,故障诊断与排除,内容,小型测控系统,电源电路,信号调理电路,单片机小系统,A/D、D/A电路,人机交互电路,例如：,设计电源+3.3V/3A12V/0.5A,修改信号调理电路273uA373uA0-5V,255uA280uA0-5V,修改显示程序无小数点数字显示改为带小数点数字显示。,信号调理电路故障变更电阻、切断电源、切断信号输入或输出。,A/D电路故障切断片选信号、切断读/写信号、数据线错位。,模块级别,修改测试范围0100改为-18+7,信号调理电路、数据处理算法、控制管理软件、显示软件都需要改动,系统故障测温显示不随温度变化或温度失控,系统级别,系统的各个环节都有可能出现问题,四.设计方法,1.主要环节,项目背景为什么要做？,需求分析做什么？,方案设计怎么做（自上而下）？,细节设计怎么做（自下而上）？,具体实现实际去做,细节设计是电子设计的主要环节，细节设计包括硬件和软件的设计。为了方便设计与调试，通常将硬件系统和软件系统分解为若干个功能独立的模块进行设计。,2.电路模块设计,电路模块电路系统中功能相对独立的子系统,独立电路模块功能独立、特性明确、界面清晰，完全可以从系统中独立出来的电路模块。,例如：电源电路,输入交流电压；输出直流电压；输入/输出的连接通过简单的连接端子实现。,信号调理电路,传输特性清楚；前端连接传感器；后端连接A/D输入；界面清晰、连线少。,模块化设计优点,独立设计；独立组装；独立调试。,降低设计、实现的难度，提高电气性能。,电路模块设计方法,分析电路的输入/输出参数，获取电路的传递特性或归纳电路的性能要求。,借鉴经典电路进行设计,来源：个人设计文档；书籍、杂志；互联网；器件应用手册。,再加工：根据电路的功能、指标要求，进行增、删、改，使之适用。,使用新器件自行设计,选用最新器件，参照厂家提供的数据手册（Datasheet)和应用笔记（AplicationNote)中的应用实例，自己设计适用的电路。,电路模块设计注意事项,模块间的相互影响,过载后级负载对前级输出的影响,失配信号源和负载之间的相互影响,过流、过压不同电源系统间的相互影响,干扰模块间不良耦合产生的影响,模块间的互联,非独立模块：设定模块间的界面，明确模块间的连接关系，设计连接方式。,连接器选择：容量满足要求；连接可靠；体积小；插拔方便；价格低。,独立模块：设计连接方式和接口标准，选择适用的连接器。,调试方法,创建调试环境,工作环境供电、信号注入、负载；,测试环境被测信号引出、测试仪器等；,功能检测与参数调整,按照设计要求提出检测要求、设计检测方案；,按照检测方案逐一检测电路的功能并调整电路工作于最佳状态；,记录检测结果,记录检测数据，作为性能、指标的评价依据和后期设计报告的撰写素材；,故障诊断,标定（需要的情况下）,分析标定原理、设计标定方法；,创建标定测试环境（信号源及测试设备）；,按照预设的标定方法进行标定操作，并记录标定结果；,分析故障现象，设计故障诊断预案；,创建测试环境（信号源及测试设备）；,通过测试确定故障位置，分析故障原因；,寻找解决问题的方法，排除故障；,记录故障检测、分析过程，故障产生原因，故障排除方法等；,3.电路系统设计,电路系统设计围绕核心元件或核心模块实现方案的细节设计；,以小型测控系统设计为例,电路系统以元件或模块为核心，由若干电路模块共同组成的完成特定功能的系统；,设计内容,核心电路设计；,数据交换接口设计；,人机交互接口设计；,程序设计；,设计方法,选择系统控制管理核心部件；,确定外围资源配置规模；,系统模块级电路与程序组成设计；,电路与程序模块设计；,调试方法,创建调试环境,设计测试电路,设计调试方法,设计调试程序,设计故障分析预案,第二部分,电路模块设计、组装、调试及故障诊断实例,稳压电源设计与实现,一.基本要求,交流输入：,直流输出：,9V,+5V/1A,14V2,12V/0.5A,安装：独立电路板结构,我们只有工頩电220V50Hz,二.电路方案选择,1.线性稳压电路,特点,利用晶体管进行电压调整,动态响应特性好,纹波、噪声小,电压调整晶体管工作在放大区,功耗大、发热量大,效率低,适用于低压差、小功率的场合,集成线性稳压电路（三端稳压器）,采用带隙（能隙）基准电压电路,温度稳定性好、噪声小,多种保护措施,过流、断路、过热保护,无需其他外围元件,使用方便、无需调整,规格齐全,固定正压,固定负压,可调正压,可调负压,78xx,78Mxx,78Lxx,79xx,79Mxx,79Lxx,LM117,LM137,M和L系列功率不同M功率大,2.开关稳压电路（比较复杂）,特点,输入和/或输出电流不连续,动态响应特性差,纹波、噪声大,调整管工作在开关状态,功耗小、发热量小,效率高,适用于高压差、大功率的场合,精密的模拟电路不适用,采用储能元件维持输出电压稳定,电路复杂、外围元件多、对元件要求高,开关稳压电路基本类型及其特点,并联（Boost）型,输出电压不限并反向，输入输出电流均不连续,VoVi（升压），输出电流不连续,串联（Buck）型,Vo1M,测量误差：满刻度1%（0.05V或1）,安装：独立电路板结构,二.传感器,1.激励源,交流/直流,电压/电流,恒定电压/恒定电流,2.输出形式,模拟量/开关量,电压/电流/电抗,平衡输出/非平衡输出,有源/无源,3.特性,灵敏度,线性度,精度,分辨率,飘移,重复性,动态响应,三.传感器信号处理电路,1.滤波,消除、抑制干扰,2.变换,I（电流）V（电压）,电抗电压,3.标准化,放大弱电压转换为05V或420mA,平移使输出信号过0,电抗F（频率）电压,整形将频率输出转换为脉冲信号,四.测温传感器选择,1.集成温度传感器AD592,供电：+4V+30V,温度系数：1uA/oK,0输出：273.2uA,工作温度：-25+105,非线性误差：0.10.5,重复误差：0.1,时飘：0.1/月,AD592输出量为随温度变化的电流，抗干扰能力强，信号调理电路容易实现。,2.铂电阻温度传感器PT1000,供电：无源,温度系数：近似0.003851/,0输出：1000,工作温度：-200+650,铂金属性能非常稳定，制成的温度传感器重复性和长期稳定性非常好，工作温度范围很宽。,铂电阻的温度电阻关系是由一多项式确定的近似线性关系，通常通过查分度表获得温度值。,响应时间：2S30S（与结构有关）,铂电阻的阻值需要用电路变换为电压，电路复杂，为避免自热现象工作电流不能过大。,3.热电偶温度传感器（T型）,供电：无源,温度系数：非线性,0输出：0uV,工作温度：-200+400,热电偶利用2种金属接点的热电效应进行温度测量，工作温度范围宽，抗冲击，相应速度快。,热电偶灵敏度低（几十uV/），易受干扰。,热电偶输出电压与温度变化呈非线性关系，并且测量中需要冷端补偿，信号调理电路构成复杂。,4.集成数字温度传感器DS1820,供电：+3.0V+5.5V,测量精度：0.5,工作温度：-55+125,输出：9bit数字量,一线串行数字接口,0功率待机,DS1820为单片式数字化的测温传感器，无需信号调理电路，无需外围元件，直接输出温度的数字量值。,热电偶灵敏度低，温度与输出为非线性关系，信号调理电路复杂，适合宽温范围测温。,从几种典型的测温传感器特性对比可知：,5.温度传感器对比选择,铂电阻温度与输出非理想线性关系，需作电抗到电压的转换，电路复杂，适合宽温范围测温。,DS1820采用一线串行数字控制，操作过程复杂，初学者不易掌握。,AD592输出电流与温度成线性关系，抗干扰能力强，精度满足设计要求，响应速度快，信号调理电路容易实现。为首选测温传感器。,五.电流/电压转换电路设计,1.AD592特性分析,T(),T=0,T=100,i(uA),i1=273uA,i2=373uA,i2-i1=100uA,1uA/,AD592,电流表,2.变送器特性分析,T=0,T=100,vo=0V,vo=5V,T(),5V/100=0.05V/,V0(V),3.电流电压转换电路方案,电阻取样电路,T=0,T=100,R=1K,+,-,T(),i=273uA,i=373uA,vi,Vi=0.273V,Vi=0.373V,i,Vi(V),运算放大器电流电压转换电路,R,V1,V2,R,i2,i1,i0,V0,i1=0,i2=i0-i1=i0,V1=V2=0,Vo=Ri0,i0=0,Vo=Ri0=0V,i0=100uA,Vo=Ri0=5V,R=50K,T=0,i0=273uA,Vo=13.65V,T=100,i0=373uA,Vo=18.65V,i(uA),V0(V),六.放大与平移电路设计,1.运算放大器电流电压转换电路的平移方案,AD592的恒流补偿电路,T=0,T=100,i1=273uA,i1=373uA,i2=273uA,i2=273uA,i=0uA,i=100uA,i1,i2,i,AD592,273uA恒流源,T(),i(uA),平移后的电流电压转换电路特性,i1,i2,i,R1,50K,R,V1,V2,i2=+V/R1=273uA,V1=V2=0,Vo=50(i1-273)10-3,i=i1-i2=i1-273uA,V0,i1=273uA(0),i1=373uA(100),Vo=0V,Vo=5V,i(uA),V0(V),2.电阻取样电路的平移方案,电阻取样恒压补偿电路,R=1K,+,-,T(),vR,Vi(V),i,vs,T=0,T=100,VR=0.273V,VR=0.373V,Vi=VR+VS=0V,Vi=VR+VS=0.1V,Vs=-0.273V,vi,用同相比例放大电路实现设计要求,1K,0.273V,AD592,vi,V0,R1,Rf,v1,V0(V),Vi(V),V1=Vi,Vo=V1(1+Rf/R1),V1=0V,解得：Rf/R1=49,T=0,T=100,Vo=V1(1+Rf/R1)=0V,V1=0.1V,Vo=0.1(1+Rf/R1)=5V,3.反相加法电路实现的平移方案,运算放大器实现的反相放大电路,i1,i2,i,R1,Rf,R,V1,V2,V0,Vi,i1=0,i2=i-i1=i,V1=V2=0,i=Vi/R1,Vo=-Rfi=-ViRf/R1,Vi=0.1V,Vo=-ViRf/R1=-5V,Rf/R1=50,Vi=0.273V,Vo=-13.65V,T=0,T=100,Vi=0.373V,Vo=-18.65V,V0(V),Vi(V),运算放大器平移电路方案,i1,i2,i,R1,Rf,R,V1,V2,V0,Vi,i1=0,i2=i+is-i1=i+is,i2=Vi/R1+Vs/R2,R2,Vs,is,若R1=R2,i2=(Vi+Vs)/R1,Vo=-Rfi2=-(Vi+Vs)Rf/R1=-(Vi+Vs)50,Vs=-Vi0=-0.273V,Vi=0.273V,Vo=-050=0V,T=0,T=100,Vi=0.373V,Vo=-0.150=-5V,V0(V),Vi(V),七.信号调理电路设计,AD592+,AD592-,V0,1.恒流补偿原理变送器电路,电路原理图,电路参数计算,稳压电路为恒流补偿电路提供稳定的电压,稳压二极管D1工作电流取3mA,限流电阻,R1取1K,恒流补偿电路提供273uA恒定补偿电流,限流电阻,R2取30K，VR1取5K,增益控制电路控制输出满度电压为5V,电阻,满度输入电流为,R4取47K，VR2取10K,2.恒压补偿原理变送器电路,AD592+,AD592-,V0,电路原理图,电路参数计算,稳压电路为恒压补偿电路提供稳定的电压,稳压二极管D1工作电流取3mA,限流电阻,R1取3K,恒压补偿电路提供3.3V恒定压降,电阻,R2取10K，VR1取5K,增益控制电路控制输出满度电压为5V,电阻,满度输入电压为,R4取39K，VR2取5K,3.反相加法平移原理变送器电路,AD592+,AD592-,V0,电路原理图,电路参数计算,平移电路抵消0取样电压,电阻,R4取10K，VR1取5K,增益控制电路控制输出满度电压为5V,电阻,满度输入电压为,R5取47K，VR2取10K,稳压电路为恒压平移电路提供稳定的电压,稳压二极管D1工作电流取3mA,限流电阻,R3取3K,八.安装结构,信号调理电路,1.滑动变阻器的使用,2.稳压二极管的使用,九.设计要求及注意事项,电路中电阻的阻值需要调整的可以使用滑动变阻器。使用中滑动变阻器应串接电阻，使滑动变阻器单位旋转角度的阻值变化尽量小，以保证调整更精确，并减小各种因素对阻值稳定的影响。,为了获得稳定的电压，可以利用稳压二级管的反向击穿特性设计稳压电路。使用中应注意稳压二极管只有通过一定的电流的情况下，才能获得稳定的电压，应正确计算限流电阻的阻值。,3.电路干扰的抑制,4.模拟/数字电源的区分使用,5.限幅电路设计注意,可以在直流放大电路的负反馈电阻上并接电容来降低交流增益抑制噪声。但是电容不宜太大，否则会延长放大器对于被测信号的响应时间。,模拟电路与数字电路的电源尽量分开，否则会产生不良耦合，干扰模拟测量电路的正常工作。,限幅电路由限幅二极管和限流电阻组成，用于保护后级电路。限流电阻不可以没有，也不可以太大，否则会造成信号衰减，影响测量精度。,十.标定原理与标定方法,1.通过标定解决的问题,使的过程称为调“零”,使的过程称为调“满度”,T=0,T=100,T(),V0(V),2.恒流补偿变送器标定原理与标定方法,V0(V),V0,恒流补偿变送器电路调“零”原理,解决方法：调整VR1，改变is使V0=0-调“零”,i0,i,R,is,R,i1,i2,T(),T=0，i0或理想运放条件不成立，导致V00,恒流补偿变送器电路调“满度”原理,V0(V),V0,T(),解决方法：调整VR2，改变i2在VR2上的压降，使V0=5V-调“满度”,T=100，i2=i100-is=100uA，多种原因导致V05V,i2,R,R,i100,i,is,i1,AD592+,AD592-,V0,恒流补偿变送器电路标定方法,设置T=0，调整VR1阻值，改变补偿电流，使V0=0V,设置T=100，改变IV转换电阻VR2阻值，使V0=5V,以上操作重复23遍，标定工作完成。,is,3.恒压补偿变送器标定原理与方法,恒压补偿变送器电路调“零”原理,T(),i0,Es,V0(V),V0,解决方法：调整VR1，改变i0在VR1上的压降，使Vi发生变化，并且使V0=0-调“零”,T=0，Vi0或其他原因，导致V00,Vi,恒压补偿变送器电路调“满度”原理,T(),V0(V),解决方法：调整VR2，改变放大器增益，使V0=5V-调“满度”,T=100，多种原因导致V05V,V0,i100,Es,Vi,AD592+,AD592-,V0,恒压补偿变送器电路标定方法,设置T=0，调整VR1阻值，改变取样电压，使V0=0V,设置T=100，调整VR2阻值，改变放大器增益，使V0=5V,以上操作重复23遍，标定工作完成。,4.加法平移变送器标定原理,加法平移变送器电路调“零”原理,T(),V0(V),Es,解决方法：调整VR1，改变is，使V0=0-调“零”,T=0，isi10或其他原因，导致V00,V0,i0,Vi,is,i1,加法平移变送器电路调“满度”原理,T(),V0(V),Es,V0,i100,解决方法：调整VR2，改变放大器增益，使V0=5V-调“满度”,T=100，多种原因导致V05V,AD592+,AD592-,V0,加法平移变送器电路标定方法,设置T=0，调整VR1阻值，改变通过VR1电流，使V0=0V,设置T=100，调整VR2阻值，改变放大器增益，使V0=5V,以上操作重复23遍，标定工作完成。,十一.常见故障及其现象,运算放大器损坏,运算放大器开环,放大器增益控制电阻过小,平移电路未工作,故障原因,平移电路元件选择有误,接+5V保护二极管反接,接地保护二极管反接,保护二极管全部反接,保护电路限流电阻过大,输出不随输入变化,输出接近正或负电源电压,输出达不到满刻度,输出不能到达0点,故障现象,输出不能到达0点,输出总是高于+4.3V,输出总是低于+0.7V,二级管全部烧毁,加载后输出有明显的衰减,运算放大器电源漏接,运算放大器单电源漏接,无输出,输出偏向电源一侧不随输入变化,故障诊断预案举例,测试条件：与温度对应的传感器电流输入,输出不加负载,测试设备：数字多用表直流电压档,示波器,故障现象：输出不随输入变化并且偏向正电源一侧,适用电路：恒流补偿变送器,测试平台：电子工程设计训练调试台,故障诊断环境示例,稳压电源电路板,变送器电路板,调整温度设置,检测电路中的状态变化,故障诊断流程,第三部分,电路系统设计、组装、调试及故障诊断实例（1）1.单片机系统2.系统调试环境,单片机系统应用电路设计与实现,一.基本要求,片选信号：4个,地址信号：4个,安装：独立电路板结构,I/O口线：P3口，P1口,数据总线：AD0AD7,二.单片机选择,1.选择依据,产品性能指标,是否主流产品,2.MCS-51系列单片机,个人知识背景,选择使用过的或熟悉的产品，提高开发效率；,选择性能与设计要求匹配的产品，降低成本；,选择技术成熟、客户群庞大、货源充足的产品；,MCS-51系列单片机有众多性能优异的兼容产品、成熟的开发环境、世界上最大的单片机客户群、高性价比、畅通的供货渠道，是初学者的首选机型。,三.单片机最小系统组成,1.8031最小系统组成,8031是MCS-51系列单片机早期产品之一，其最小系统需要在外部扩展程序存储器，成本高、性能差，现已退出市场。,2.8051最小系统组成,8051也是MCS-51系列单片机早期产品之一，内建一次性可编程只读存储器(PROM)，只需要很少的外围元件即可组成最小系统。现已有内建Flash存储器的兼容产品，8051已经被使用上更为方便的AT89C51等单片机产品所代替。,四.8051系列单片机功能扩展,1.功能扩展框图,P0,P2,WR,RD,INT0,INT1,EA,PSEN,分离电路,译码电路,复位电路,RST,时钟电路,X0,X1,单片机,NC,+5V/GND,显示电路,模数转换电路,数模转换电路,键盘控制电路,模拟量输入,模拟量输出,D0D7,CS,CS,WR,WR,WR,CS,CS,WR,RD,RD,单片机为了完成更加复杂的工作必须进行功能扩展。,2.安装结构,单片机电路,单片机P0口为数据/地址复用端口，为了得到低8位地址，需要设计数据/地址分离电路。,五.数据/地址分离电路设计,六.地址译码电路设计,I/O端口不需要用地址进行访问定位，但仍然需要片选信号进行访问控制，I/O端口访问控制信号的产生方法包括：全地址译码、部分地址译码、地址信号线直接作为I/O选通信号（直接选择）。,全地址译码,全部地址参与译码，产生的控制信号对应唯一地址。,部分地址译码,部分地址参与译码，产生的控制信号对应某一地址区域，而不是唯一地址。,直接选择,直接使用地址线作为读/写访问控制信号线。,1.全地址译码电路设计,3-8译码器（74LS138）性能分析,74LS138,74LS138逻辑功能真值表,74LS133地址信号输入,A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0,1111111111111XXX,F,F,F,8-F,74LS138地址信号输入,3-8译码器,74LS138实现的全地址译码器,E1E2E3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7地址,00100001111111FFF8H,00100110111111FFF9H,00101011011111FFFAH,00101111101111FFFBH,00110011110111FFFCH,00110111111011FFFDH,00111011111101FFFEH,00111111111110FFFFH,1XXXXX11111111-,74LS138输入,74LS138输出,74LS138输出-地址对应表,C1A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4E2E3,011111111100001,F,F,8,片选信号与74LS138实现二次译码设计,在一次译码的基础上进行第二次译码，可得更多的片选信号。,A3A2A1A0C1有效地址,00000C1-1FF80H,00010C1-2FF81H,00100C1-3FF82H,00110C1-4FF83H,01000C1-5FF84H,01010C1-6FF85H,01100C1-7FF86H,01110C1-8FF87H,10000C1-9FF88H,10010C1-10FF89H,10100C1-11FF8AH,10110C1-12FF8BH,11000C1-13FF8CH,11010C1-14FF8DH,11100C1-15FF8EH,11110C1-16FF8FH,二次译码地址信号与片选信号地址对应关系,74LS138输出状态仅与部分地址信号输入有关。,地址信号A0-A7并未使用，A8-A11作为后续二次译码的地址信号。,2.部分地址译码电路设计,A15A14A13A12A11A1A0有效,000XXXXY00000H1FFFH,74LS138输入,片选信号,001XXXXY12000H3FFFH,010XXXXY24000H5FFFH,011XXXXY36000H7FFFH,100XXXXY48000H9FFFH,101XXXXY5A000HBFFFH,110XXXXY6C000HDFFFH,111XXXXY7E000HFFFFH,地址信号与片选信号地址范围对应关系,未使用,地址范围,0000H-1FFFH,取值范围,64K存储空间,分为8块,8KByte,片选信号与74LS138实现二次译码设计,A15-A12A11A10A9A8-A0有效512Byte,00000000001FFC1-10000H-01FFH,二次译码地址信号与片选信号地址对应关系,00000010001FFC1-20200H-03FFH,00000100001FFC1-30400H-05FFH,00000110001FFC1-40600H-07FFH,00001000001FFC1-50800H-09FFH,00001010001FFC1-60A00H-0BFFH,00001100001FFC1-70C00H-0DFFH,00001110001FFC1-80E00H-0FFFH,74LS138输入,片选信号,未使用,地址范围,3.直接使用地址信号线作为片选信号的方案,该方案的片选信号与地址之间不是线性关系，使用该方案需要熟练掌握片选信号与地址之间的关系计算。,A15-A12A11-A0有效4KByte,1110000FFFC1E000H-EFFFH,地址信号与片选信号地址对应关系,1101000FFFC2D000H-DFFFH,1011000FFFC3B000H-BFFFH,0111000FFFC47000H-7FFFH,1111000FFF-F000H-FFFFH,74LS138输入,片选信号,未使用,地址范围,A15-A12A11A10A9A8A7-A0有效512Byte,1110000000FFC1-1E000H-E0FFH,C1二次译码地址信号与片选信号地址对应关系,1110000100FFC1-2E100H-E1FFH,1110001000FFC1-3E200H-E2FFH,1110001100FFC1-4E300H-E3FFH,1110010000FFC1-5E400H-E4FFH,1110010100FFC1-6E500H-E5FFH,1110011000FFC1-7E600H-E6FFH,1110011100FFC1-8E700H-E7FFH,74LS138输入,片选信号,未使用,地址范围,七.总线驱动电路设计,74LS245内部电路,单片机所接负载超出其负载能力时需要设计总线驱动电路,八.单片机系统应用电路的设计实例,1.部分地址译码、带有总线驱动电路的系统实例,2.部分地址译码、无总线驱动电路的系统实例,3.直接选通、不要低8位地址和驱动电路的系统实例,单片机应用系统的调试环境,一.单片机应用系统调试环境组成,单片机仿真器,单片机程序集成调试环境,单片机应用目标系统,PC机,单片机程序烧录器,二.单片机应用系统调试硬件环境,1.单片机仿真器,可以人为控制程序运行过程的“单片机”。,普通单片机,严格按照程序指针运行程序,单片机仿真器,PC机,由运行于PC机上的仿真监控程序控制单片机程序运行,仿真器主机,仿真器头,PC机通信线,电源,单片机仿真器,单片机目标系统板,单片机仿真头,电源板,仿真器电源插头,PC机通信电缆插头,2.单片机目标系统调试平台,仿真头与单片机板的连接,仿真头第1引脚,缺口标志,单片机第1引脚,缺口标志,特别提示：,特别提示：,调试系统加电的安全顺序,调试系统包括单片机仿真器和被测电路二个部分，各部分有自己的独立电源，为保证被测电路的安全必须有正确的加电顺序。,仿真器电源,仿真器电源,被测电路电源,被测电路电源,+5V,+12V,-12V,GND,+5V,+12V,-12V,GND,+5V,GND,GND,+5V,错误的加电顺序：仿真器先加电，被测电路后加电。,正确的加电顺序：被测电路先加电，仿真器后加电，。,单片机仿真器,仿真头,单片机仿真器,被测电路,被测电路,仿真头,供电电路,供电电路,3.单片机程序烧录器,PC机通信线,单片机程序烧录器,电源,三.单片机应用程序集成调试环境,调用集成调试环境,在欢迎界面上选择“取消”进入集成调试环境,选择并打开要调试的文件,在打开文件界面上选择文件存储路径,注：文件名8个字符以内,在打开文件界面上选择文件名,编译或汇编打开的程序源文件,生成目标代码并装入仿真器,消息窗口提示源程序语法错误,消息窗口提示源程序语法错误,目标代码产生成功的消息提示和符号提示,圆点符号提示,箭头表示程序执行当前位置,程序调试方法,全速运行、单步、跟踪、运行到光标、断点等调试方式,程序运行过程中的可观察项目,通用寄存器和特殊功能寄存器,任意内容的观察窗口,汇编语言调试的参数观察窗口,C语言调试的变量观察窗口,四.单片机程序调试实例,1.调试环境示例,2.部分译码电路输出C1C4信号的测试,汇编语言测试程序,LOOP:MOVDPTR,#0HMOVXA,DPTRMOVDPTR,#2000HMOVXA,DPTRMOVDPTR,#4000HMOVXA,DPTRMOVDPTR,#6000HMOVXA,DPTRSJMPLOOPEND,C语言测试程序,#include#include#defineC1XBYTE0 x0000#defineC2XBYTE0 x2000#defineC3XBYTE0 x4000#defineC4XBYTE0 x6000voidmain(void)while(1)C1=0;C2=0;C3=0;C4=0;,单片机程序调试举例,调试方法：断开译码电路负载，运行测试程序，检查各输出引脚是否有输出，各个输出之间相对位置关系是否正确；,测试设备：单片机仿真器,适用电路：部分地址译码电路,调试平台：电子工程设计训练调试台,调试内容：地址译码电路输出检测,单片机应用系统板,40MHz双踪示波器,C1C4输出波形图,C1,C2,C3,C4,用示波器观察C1C4引脚，应有图示的波形输出。如果没有输出或者彼此关系错乱，都表明电路中存在故障。,电路故障及其现象,74LS138未接电源,74LS138漏接+5V,E1、E2未接地,E3未接高电平,故障原因,地址线顺序接错,A13恒为高电平或漏接,A13恒为低电平,输出全部为低电平,输出全部为低电平,无输出（全部高电平）,无输出（全部高电平）,故障现象,输出顺序混乱,C1、C3无输出,C2、C4无输出,74LS138漏接地线,输出全部为高电平,A14恒为高电平或漏接,A14恒为低电平,C1、C2无输出,C3、C4无输出,A15恒为高电平或漏接,C1C4无输出,故障诊断预案举例,故障一：C1C4无输出,故障二：C2无输出，C1、C3、C4输出正常,3.数据/地址分离电路A1A4信号的测试,汇编语言测试程序,LOOP:MOVDPTR,#55HMOVXDPTR,AMOVDPTR,#0AAHMOVXDPTR,ASJMPLOOPEND,C语言测试程序,#include#includevoidmain(void)while(1)XBYTE0 x0055=0;XBYTE0 x00AA=0;,单片机程序调试举例,调试方法：断开数据/地址分离电路负载，运行测试程序，检查各输出引脚是否有输出，各个输出之间相对位置关系是否正确；,测试设备：单片机仿真器,调试平台：电子工程设计训练调试台,调试内容：数据/地址分离电路输出检测,单片机应用系统板,40MHz双踪示波器,适用电路：部分地址译码电路,A1A4输出波形图,A1,A2,A3,A4,ALE,55,55,55,55,AA,AA,AA,用示波器观察A1A4引脚，ALE信号每作用一次，各引脚的电平都会发生一次翻转。如果没有输出或者波形不像图中描述的那样，表明电路中存在故障。,电路故障及其现象,74LS373未接电源,74LS373漏接+5V,未接ALE或ALE无效,AD0AD3接错,故障原因,AD0AD3漏接,输出全部没有变化,输出全部没有变化,输出全部没有变化,输出关系混乱,故障现象,对应引脚无输出,74LS373漏接地线,输出全部没有变化,故障诊断预案举例,故障一：A1A4无输出,故障二：A2无输出，A1、A3、A4输出正常,4.直接选通电路A1A4信号的测试,汇编语言测试程序,LOOP:MOVDPTR,#0EE00HMOVXDPTR,AMOVDPTR,#0DD00HMOVXDPTR,AMOVDPTR,#0BB00HMOVXDPTR,AMOVDPTR,#07700HMOVXDPTR,ASJMPLOOPEND,C语言测试程序,#include#include#defineC1XBYTE0 xEE00#defineC2XBYTE0 xDD00#defineC3XBYTE0 xBB00#defineC4XBYTE0 x7700voidmain(void)while(1)C1=0;C2=0;C3=0;C4=0;,单片机程序调试举例,调试方法：断开P2口负载，运行测试程序，检查P2口各引脚输出是否正常；,测试设备：单片机仿真器,适用电路：直接选通电路方案,调试平台：电子工程设计训练调试台,调试内容：地址片选信号和地址信号输出检测,单片机应用系统板,40MHz双踪示波器,输出波形图,A1(P2.0),A2(P2.1),A3(P2.2),A4(P2.3),C1(P2.4),C2(P2.5),C3(P2.6),C4(P2.7),77,BB,DD,EE,77,BB,DD,EE,77,BB,DD,EE,WR(P3.6),电路故障及其现象,直接选通电路相对比较简单，出现故障的几率低。一旦出现故障，其原因明确，只有2种情况：信号线漏接或仿真器输出有问题。所以，故障诊断分析及其排除的过程也比较简单。,第四部分,电路系统设计、组装、调试及故障诊断实例（2）1.模/数、数/模电路2.人机交互电路,数/模(D/A)转换电路设计与实现,一.基本要求,输入范围：00H0FFH,安装：独立电路板结构,对应输出：-10V+10V,响应时间：1ms,误差：1%FSR,电源供电：+5V，12V,二.数/模D/A电路选择,1.D/A-数字量模拟量转换电路,数字量DATA,模拟量V,D/A转换器,01101100，10110001，,1.12V，2.68V，,转换控制,模拟量,V,t,数字量,转换控制,2.常用D/A电路的特点,基本原理,电流开关型：用数字切换电流开关，产生与电阻网络权电流对应的电流“和”；,输出方式,与数字量成比例的电流输出/与数字量成比例的电压输出/数字量和参考电压的相乘输出；,脉宽调制型：将数字转换为输出脉冲宽度，用积分器将脉冲宽度转换为与之对应的电压输出；,DAC0832,8位乘算型电流输出的典型产品，具有MCU兼容接口，使用方便，价格低，能满足设计要求。,三.8位D/A转换器DAC0832的接口设计,1.DAC0832工作原理及特性,工作原理,恒流源,Vref,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,Iout1v,Iout2,Rfb,Rfb=R,输出为电流，量值正比于DATA。,最大电流输出,最小电流变化,（1个最低有效位LSB的变化）,电流电压转换电路,单极输出转换电路（输出电压为单一极性）,Rfb=R,Iout1,Iout2,例如：,双极输出转换电路（输出电压可以为正或负极性）,完整双极输出电流电压转换电路,Rfb=R,Iout1,Iout2,2.DAC0832引脚功能及与8051单片机接口设计,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,ILE,Vref,Iout1,Iout2,Rfb,AGND,DGND,VCC,引脚功能,单缓冲接口设计,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,DAC0832,采样,锁存,3.DAC0832的主要技术指标,分辨率-8位,误差-0.2%FSR,电流稳定时间-1微秒,表示单位数字量（1LSB）引起的输出模拟量变化的细微程度（或最小变化值），二进制数字量位数越多分辨率越高。,从数据写入D/A到输出电流达到相应数值的时间,实测输出电流值与理论计算电流值之间的差值,用满量程（FSR）值的百分数表示,4.芯片参数,电源电压（最大）：+17V推荐用+5V,参考电压范围：25V按要求使用,数/模转换电路,四.安装结构,五.使用集成调试环境调试D/A电路模块,1.调试系统组成,单片机仿真器,单片机板,单片机仿真头,电源板,数/模转换板,仿真器电源插头,PC机通信电缆插头,数模数据显示窗口,2.调试环境,调试方法：断开电路负载，运行测试程序，检查各节点信号是否正确。如果有问题，按照故障诊断预案进行诊断分析，并且排除故障。,测试设备：单片机仿真器,调试平台：电子工程设计训练调试台,单片机应用系统板,40MHz双踪示波器,数/模转换电路板,3.汇编语言调试程序,MOVDPTR,#4000HABC:MOVXDPTR,AINCACALLDELAYJMPABCDELAY:MOVR7,#01HJJJ:MOVR6,#20HDJNZR6,$DJNZR7,JJJRETEND,4.C语言调试程序,#include#include#defineC3XBYTE0 x4000#defineTIMER0 x8000voiddelay(void);voidmain(void)unsignedcharx;while(1)+x;C3=x;delay();voiddelay(void)inti;for(i=0;iTIMER;+i);,5.D/A电路模块调试方法,运行D/A测试程序数/模数据显示窗口将有相应数据显示,数据为从00FF顺序递增并不断循环的数值,Rfb=R,Iout1,Iout2,运行D/A测试程序第一级运放正常输出信号波形,Rfb=R,Iout1,Iout2,D/A电路各主要节点正常输出信号波形,根据第二级运放输出信号波形判断故障原因,第二级运放增益低,平移电路未工作,运放漏接一组电源,D/A数据线连接有误,平移电路参数有误,部分节点无信号或全部节点无信号的故障原因,第二级运放无信号输出：连线有误或运放损坏,二级运放皆无信号输出：连线有误或未接电源或运放损坏或D/A电路故障,D/A电路故障辨别,Rfb=R,Iout1,Iout