智能电子产品设计与制作

本课程的主要任务是通过电子产品的实际制造过程，掌握电子产品设计的一般步骤和方法，从而掌握电子产品设计和制造过程中应掌握的知识和技能。为今后的专业工作打下坚实的基础。课程介绍、课时：64课时作业评价方法：总分=实际工作(50%)、设计报告(30%)、过程评估(20%)、在生产过程中分阶段检查工作，并根据既定计划进行检查。首先，电子系统设计的基本方法。传统的电子系统设计通常通过构建模块来实现，即组件被构建到电路板中，而电路板被构建到电子系统中。系统中常用的“构件”是具有固定功能的标准集成电路，如运算放大器、74/54系列(TTL)、4000/4500系列(CMOS)芯片和一些具有固定功能的大规模集成电路。设计者根据需要选择合适的器件，电路板由器件组成，最终完成系统设计。传统的电子系统设计只能设计电路板，通过设计电路板来实现系统功能。电子系统已经进入数字时代。在计算机、移动通信、VCD、高清电视、军用雷达、医用CT仪器等设备中，由数字技术和数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。进入20世纪90年代，电子设计自动化技术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化。在器件方面，微控制器、可编程逻辑器件等发展迅速。利用EDA工具，采用微控制器和可编程逻辑器件正成为电子系统设计的主流。利用微控制器和可编程逻辑器件通过器件内部设计来实现系统功能是一种基于芯片的设计方法。设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和引脚，将电路板设计的大部分工作放入芯片设计中，通过芯片设计实现电子系统的功能。灵活的内部功能块组合和引脚定义可以大大降低电路设计和电路板设计的工作量和难度，有效增强设计灵活性，提高工作效率。同时，利用微控制器和可编程逻辑器件，设计人员可以在实验室中反复编程来纠正错误，以便尽快开发产品并迅速占领市场。基于芯片的设计可以减少芯片数量，减小系统体积，降低能耗，提高系统性能和可靠性。利用单片机、可编程逻辑器件芯片和EDA软件，可以在实验室完成电子系统的设计和制作。可实现无芯片的EDA公司，专业从事IP模块生产。它还可以实现集成电路设计公司的无生产线运作。可以说，今天的电子系统设计离不开微控制器、可编程逻辑器件和EDA设计工具。2。现代电子系统的设计方法。“自下而上”的设计方法传统的电子系统设计采用“自下而上”的设计方法，设计步骤如图2所示。“自顶向下”的设计方法，现代电子系统设计采用“自顶向下”的设计方法，设计步骤如图6.1.2所示。在“自顶向下”的设计方法中，设计者首先需要对整个系统进行方案设计和功能划分，并绘制一个或几个专用集成电路来实现系统的关键电路。系统和电路设计人员亲自参与这些专用集成电路的设计，完成电路和芯片布局，然后提交给集成电路工厂进行芯片加工，或者使用可编程专用集成电路(如可编程逻辑器件和可编程门阵列)进行现场编程。在“自顶向下”设计中，行为设计决定了电子系统或超大规模集成电路芯片的功能、性能、允许的芯片面积和成本。根据系统或芯片的特点，结构设计将系统或芯片分解为接口清晰、相互关系清晰、尽可能简单的子系统，以获得整体结构。这种结构可以包括信号处理、算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法的状态机等。逻辑设计将结构转化为逻辑图，在设计中尽可能采用规则逻辑结构或被测逻辑单元或信号处理模块。电路设计将逻辑图转化为电路图，通常需要硬件仿真来最终确定逻辑设计的正确性。布局设计将电路图转换成布局。如果使用可编程器件，在为可编程器件开发工具时可以进行编程。“自上而下”的设计方法设计步骤，3。设计划分和步骤，采用“自下而上”的设计方法或“自上而下”的设计方法，整个设计一般可分为四个层次：系统级设计、子系统级设计、组件级设计和组件级设计。对于每个级别，可以采用三个步骤进行考虑。例如，设计一个数字控制系统，进行描述和设计完整的传递函数和逻辑表达式，进行结构描述和设计完整的逻辑图和电路图，进行物理描述和设计确定所使用的元件，进行印刷电路板的设计和安装方法等。设计中应注意的一些问题，在设计中采用“自上而下”的设计方法时，必须注意以下几个问题：(1)在设计的每一个层次，必须保证完成的设计能够实现所要求的功能和技术指标。应该注意的是，功能上不应有缺陷，应该有技术指标的空间。(2)注意设计过程中问题的反馈。为解决这一问题，采取了“在这一级解决，从下一级到上一级反馈”的原则。遇到的任何问题都必须在这个层次上解决，而问题不能传递到更低的层次。如果在这一级不能解决，问题必须反馈到上一级并在前一级解决。为了完成一个设计，有一个从下层到上层的反馈和修改过程。(3)功能和技术指标的实现采用子系统和组件的模块化设计。确保每个子系统、组件能完成明确的功能，达到一定的技术指标。输入和输出信号之间的关系应该清晰、直观和清晰。应确保子系统和部件可以在不拉动整个车身的情况下进行修改、调整和更换。(4)软硬件协同设计，充分利用微控制器和可编程逻辑器件的可编程功能，在软硬件利用率之间找到平衡点。软件/硬件协同设计的一般流程如图所示。(3)设计和制作电子作品的步骤，(1)选题。主题的选择应根据以下原则进行：(1)定义设计任务，即“做什么？”。在选择一个话题时，应该注意这个话题不应该有盲点，也就是说，应该理解这个话题的要求。2.明确系统功能和指标，即“到什么程度？”。3、确定是否有完整的设计组件、最小系统、开发工具、测量仪器等条件。选定主题后，要考虑的问题是如何满足主题的要求并完成作品的制作，即需要进行程序演示。方案论证可分为总体实现方案论证、子系统实现方案论证和组件实现方案论证。(1)确定设计的可行性，方案论证中最重要的一点是确定设计的可行性。需要考虑的问题是：(1)该原则的可行性？解决同一个问题的方法有很多，但有些方法不能满足设计要求，所以我们必须重视它们。(2)组件的可行性？例如，使用了哪些设备？微控制器？可编程逻辑器件？你能得到它吗？(3)测试的可行性？有必要的测量仪器吗？(4)设计和生产的可行性？有多难？团队成员能完成吗？只有查阅相关资料，充分讨论、分析和比较，才能确定设计的可行性。在方案设计过程中，应提出几种不同的方案。应在可完成的功能、可实现的技术性能指标、购买部件和材料的可能性和经济性、部件的采用、设计技术的进步和完成等方面进行比较，2)。阐明计划的内容，(1)系统的外部特征系统的主要功能是什么？针的数量？功能？输入信号和输出信号形式(电压？当前？脉搏？等等。)，大小(大小？)和他们之间的关系？输入信号和输出信号之间是什么关系？函数表达式？线性？非线性？测量仪器和方法？(2)系统的内部特征系统的基本工作原理？如何实施该系统？数字化？模拟？数模混合？系统框图？系统的控制流程？系统的硬件结构？系统的软件结构？系统中子系统和组件之间的关系是什么？界面？尺码？安装方法？3、安装、制造和调试，安装、制造和调试是保证设计成功的重要环节。(1)安装和制造时需要考虑以下问题：安装工具？组件选择和购买？采用最低制度？微控制器？可编程逻辑器件？印刷电路板设计和制造？低频？高频？号码？模拟？数模混合？土地？电磁兼容？子系统和组件的安装和制造顺序？(2)调试时要考虑的问题是：调试参数？调试方法？调试所需的仪器和仪表？软件/硬件协作？修改软件？修改硬件？测量数据的记录和处理？在电子设计竞赛中，单片机和可编程逻辑器件作为控制器被广泛使用。其设计过程可分为明确的设计要求、系统设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、系统集成等步骤。设计的第一步是定义设计需求，确定系统功能和性能指标。一般来说，单片机和可编程逻辑器件的最小系统是整个系统的核心。有必要确定最小系统板的功能、输入和输出信号特性等。有必要考虑与信号输入电路、控制电路、显示电路、键盘等电路的接口和信号关系。最小系统板可以在比赛中完成，但接口电路、功率控制电路、模数转换电路、信号调理电路等电路需要自行设计和制造。为了使工作的完整性更好，建议在电路板上设计控制器和外围电路。这部分内容可以在比赛前设计和制作，并在比赛期间根据需要进行修改。软件开发工具需要与选定的硬件相匹配，软件设计需要划分软件功能，以及数学模型、算法、数据结构、子程序等程序模块。需要确定。使用软件开发工具需要在比赛前接受培训。一些常用的程序，如系统检测、显示驱动、模拟/数字、数字/模拟、接口通信、延时等程序，可以在比赛前进行编程和调试，并在比赛中根据需要进行修改。系统集成完成了软硬件的联合调整和修改。在软硬件调试过程中，需要仔细分析问题。软件设计师和硬件设计师需要有良好的沟通。非线性补偿、数据计算、代码转换等问题。可以通过软件更容易地解决。使用不同的硬件电路，软件编程将完全不同，需要在软件设计和硬件设计之间找到平衡点。2、数字/模拟子系统的设计步骤，数字/模拟子系统的设计过程其步骤大致分为：明确设计要求、确定设计方案和电路设计、调试等步骤。在电子设计竞赛中，数字子系统大多由单片机或大规模可编程逻辑器件实现，但也可以由74/40系列数字集成电路实现。本节讨论的数字子系统基于74/40系列数字集成电路。从第一章的主题分析可以看出，模拟和数字的混合主题占了大多数。模拟子系统也是这项工作的重要组成部分。设计和制造通常包括模拟输入信号、模拟输出信号、接口，1)。清晰的设计要求，(1)对于数字子系统，清晰的设计要求是：子系统的输入和输出？数量？信号形式？模拟？TTL？互补金属氧化物半导体？负载？微控制器？可编程设备？动力驱动？输出电流？时钟？伯尔。冒险比赛？实施设备？(2)对于模拟子系统，设计要求需要明确：输入信号的波形、幅度、频率等参数？输出信号的波形、振幅、频率和其他参数是什么？系统的功能和性能指标是什么？例如增益、频带、宽度、信噪比、失真等？技术指标的准确性和稳定性？测量仪器？调试方法？实施设备？2)。确定设计方案。对于以数字电路为主体的系统，我们的建议是采用单片机或可编程逻辑器件，而不是大量的中小型数字集成电路。中小规模的数字集成电路非常麻烦，并且在制造工作中可靠性差。仿真子系统的设计与所选组件有很大关系。我们的建议如下：a .根据技术性能指标和输入输出信号之间的关系确定系统框图；在子系统中，合理分配技术指标，如增益、噪声、非线性等。将指标分配到框图中的各个模块，技术参数指标应定性和定量。c .注意各功能单元的静态和动态指标、精度和稳定性，充分考虑元件的温度特性、电源电压波动、负载变化、干扰等因素的影响。d .应注意模块间耦合形式、级间阻抗匹配、反馈类型、负载效应、电源内阻、接地电阻、温度等的影响。在系统索引上。即合理选择部件，应尽量选择通用的、新的、熟悉的部件。应注意组件参数的分散，并为设计留出空间。f .参数调试和测试方法、仪器、调试和测试点以及相关数据记录和处理方法应事先确定。5.设计总结报告。设计总结报告的评分项目由六个方面组成：方案设计与论证、理论计算、电路图与设计文件、测试方法与数据、结果分析、设计总结报告的整洁性。设计总结报告应包括以下内容：1 .标题标题标题是所选设计作品的名称2。摘要是设计总结报告的摘要，一般约300字。摘要的内容应包括目的、方法、结果和结论，即应包括设计的主要内容、方法和创新点。像“这篇文章，我们和作者”这样的词不应该出现在摘要中。英文摘要应该与中文相对应。通常使用第三人称和被动形式。在中文摘要之前，添加“摘要”:在英文摘要前加上“摘要”。关键词一般选择3 8个关键词。中文和英文的关键词应该相互对应。中文前缀为“关键词”，英文前缀为“关键词”。3.目录包括设计总结报告的章节标题和附录内容，以及与章节标题和附录内容相对应的页码。(1级)1.1(2级)1 . 1 . 1(3级)(1)(4级)1.(5级)甲(6级)正文是设计总结报告的核心。设计总结报告的主要内容包括：系统设计、单元电路设计、软件设计、系统测试和结论。(1)系统设计在系统设计一章中，主要介绍了系统的设计思路和总体方案的可行性论证，各功能模块的划分和组成，以及系统的工作原理或流程。需要注意的是，在总体方案的可行性论证中，应提出几个(2 3)总体设计方案进行分析比较。总体设计方案的选择应考虑其先进性和实现的可能性。(2)单元电路设计不需要在单元电路设计中比较选择多种方案，只需要介绍每个确定的单元电路的工作原理，分析设计每个单元电路，计算电路中的相关参数应该指出，理论分析和计算是必不可少的。在理论计算中，应注意公式的完备性、参数和单位的匹配以及计算的正确性。请注意计算值和实际选择的元件参数值之间的差异。电路图可以用手或PROTEL或其他软件工具绘制。应注意组件符号、参数标签和绘图页的标准化。如果使用仿真工具进行分析，则可以表达仿真分析结果。