现代电子系统设计及案例

现代电子系统设计及运用案例主讲：徐荃2021年3月1.完成一个电子系统的设计2.了解电子系统设计的根本实际3.了解电子系统设计的根本流程4.掌握电子系统设计常用开发工具5.掌握电子系统工程设计的根本方法课程教学目的1.将信息类各专业分散的“电子技术课程设计〞、“计算机仿真〞、“现代数字系统设计〞、“嵌入式系统设计〞等课程有机结合，既减少了内容的重叠、交叉，又提高了设计和实际课程的有效性。2.充分利用现代化教学手段，让学生完成从实际设计、仿真、加工、焊接、调试的全过程，建立电子产品及系统开发的完好知识体系。3.在教学体系中融入创新才干的培育，激发学生参与的积极性，加强创新才干。课程教学特征一、电子系统概述二、电子系统设计方法和原那么三、电子系统设计步骤四、数字系统设计五、模拟系统设计六、微机系统设计七、片上系统设计课程教学内容一、电子系统概述电子系统：完成一个特定功能的、完好的电子安装称为电子系统。如出租车计价器、温度控制系统、航天飞机测控系统等。电子系统组成：普通包含模拟系统、数字系统、微处置机系统、片上系统。电子系统分类：可分为非智能型和智能型系统。前者功能简单且单一。后者具有记忆、接纳信息才干，并根据信息进展分析、判别、决策和控制操作的才干。普通人们将以CPU为中心、软硬结合的电子系统称为智能型系统。电子系统分类：根据电子系统实现的功能，有以下几类。〔1〕测控系统：相机快门系统、锅炉控制系统、飞行轨道控制系统等。〔2〕丈量系统：电量丈量、非电量丈量系统等。〔3〕数据处置系统：语音处置、图像处置、雷达信息处置等。〔4〕通讯系统：数字通讯、微波通讯、卫星通讯、短波通讯等。〔5〕计算机系统：单机系统、计算机网络系统等。〔6〕家电系统：多媒体彩电系统、音频系统、报警系统。消费类产品主板显卡和网卡七彩虹显卡TP-Link网卡通讯电子产品车载GPS和悍马汽车电子燃油放射控制器数控钻床和汽车消费线舰船和战斗机数字产品手机电路超级芯片数码彩电主板嵌入式计算机电子系统设计与仿真工具：1.系统级设计与算法设计工具SystemView;MATLAB2.电路级仿真工具Pspice;Multisim3.PCB设计工具PowerPCB;Protel4.可编程器件设计工具XilinxISE;AlteraQuartusII;MentorFPGAAdvantage5.嵌入式系统开发工具ARMADS;KeilARM/C51IDE；AlteraNiosIIIDE；TiCodeComposerStudioＭATLAB仿真软件---丰富的表现力ＭATLAB仿真软件---强大的运算才干MULTISIM仿真软件MULTISIM仿真软件---直观的线路仿真Protel仿真软件--原理图设计Protel仿真软件--多层电路板设计Ｘilinx仿真软件--ISEＸilin设计软件--ISE仿真器QuartusⅡ仿真软件--VHDL设计入口QuartusⅡ仿真软件--原理图设计入口QuartusⅡ仿真软件--仿真MentorFPGAAdvantageARMCodeWarrior集成开发环境ARMAXD调试器TiCodeComposerStudioTiCodeComposerStudio电子系统目的：系统功能、规模以及运用场所不同，对系统的要求不同，因此衡量系统的目的不同。常用目的：功能、任务范围、任务环境、供电方式、功耗、体积、分量、容量、精度、灵敏度、稳定度、可靠性、呼应速度等。最近几年全国电子设计竞赛的电子系统设计标题如下：正弦信号发生器〔A题〕集成运放参数测试仪〔B题〕简易频谱分析仪〔C题〕单工无线呼叫系统〔D题〕悬挂运动控制系统〔E题〕数控直流电流源〔F题〕三相正弦波变频电源〔G题〕电压控制LC振荡器〔A题〕宽带放大器〔B题〕低频数字式相位丈量仪〔C题〕简易逻辑分析仪〔D题〕简易智能电动车〔E题〕液体点滴速度监控安装〔F题〕第七届全国大学生电子设计竞赛标题第六届全国大学生电子设计竞赛标题A题波形发生器B题简易数字存储示波器C题自动往返电动小汽车D题高效率音频功率放大器E题数据采集与传输系统F题调频收音机第五届全国大学生电子设计竞赛标题第四届全国大学生电子设计竞赛标题A题丈量放大器B题数字式工频有效值多用表C题

频率特性测试仪D题

短波调频接纳机E题数字化语音存储与回放系统二、电子系统设计方法和原那么1.电子系统设计的普通方法自顶向下法〔ToptoDown〕：适用于大型、复杂的系统设计。首先从系统级设计开场，根据系统级所描画的该系统应具备的各项功能，将系统化分为单一功能的子系统，再根据子系统义务划分各部件，完成部件设计后，最后才是元件级设计。自底向上法〔BottomtoUp〕：多用于系统的组装和测试。根据要实现系统的各个功能要求，从现有的元器件或模块中选出适宜的元件，设计各部件，一级一级向上设计，最后完成整个系统。组合法〔TD&BUCombined〕：结合了自顶向下法和自底向上法的优点。为实现设计的可反复运用以及对系统进展模块化设计测试，现代的系统设计通常采用以自顶向下法为主，结合自底向上法的方法。〔1〕总体方案的设计与选择：根据设计义务、目的要求，分析系统应完成的功能，并将系统按功能分解成假设干子系统，分清主次和相互关系，并构成由假设干单元功能模块组成的总体方案。留意：对不同的方案，应深化分析比较。对关键部分，还要提出各种详细电路，根据设计要求进展分析比较，从而找出最优方案。需思索方案的可行性、性能、可靠性、功耗等实践问题。〔2〕单元电路的设计与选择：在明确每个单元电路的技术目的后，要分析清楚单元电路的任务原理，设计出各单元的电路构造方式。尽量采用学过的或熟习的单元电路，也要擅长经过查阅资料、分析研讨一些新型电路，开发利用新型器件。留意：要尽量减少或不用电平转换之类的接口电路，以简化电路构造，降低本钱。〔3〕元器件的选择：普通优先选用集成电路。集成电路的选择：“先粗后细〞的选用方法，即先根据主体方案思索应选用什么功能的集成电路，再进一步思索其详细性能，然后再根据价钱等要素选用型号。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗、电压、温度、价钱等多方面的要求。阻容元件的选择：根据电路的要求选择性能和参数适宜的阻容元件，并要留意功耗、容量、频率、耐压范围能否满足要求。分立元器件的选择：包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，选择器件的种类不同，本卷须知也不同。例如三极管，在选用时应思索是NPN管还是PNP管，是大功率管还是小功率管，是高频管还是低频管，并留意管子的电流放大倍数、击穿电压、特征频率、静态功耗等能否满足电路设计的要求。〔4〕元器件的参数计算：元器件的参数计算有的需求根据电路实际公式进展，有的按照工程估算法进展，有的可用典型电路参数或阅历数据。选用的元器件参数值最终都必需采用标称值。留意：各元器件的任务电流、任务电压、频率和功耗应在允许的范围内，并留有适当的余量，并保证电路在规定的条件下正常任务，到达所要求的性能目的。对于环境温度、其它干扰等任务条件，计算参数时应按最坏的情况思索。保证电路性能的前提下，尽能够设法降低本钱，减少元器件的种类、功耗和体积，并为安装调试发明有利条件。在满足性能目的和上述各项要求的前提下，应优先选用现有或容易买到的元器件，以节省时间和精神。2.电子系统设计的普通原那么〔1〕兼顾技术的先进性和成熟性系统设计应顺应技术开展的潮流，使系统能坚持长时间的先进性和适用性。同时要兼顾技术上的成熟性，以缩短开发时间和上市时间。〔2〕平安性、可靠性和容错性采用成熟的技术、元器件和部件，可在一定程度上保证系统的可靠、稳定和平安。系统还应具有较强的容错性，例如，不会因人员操作失误而使整个系统无法任务；或因某个模块出现缺点而使整个系统瘫痪。〔3〕适用性和经济性在满足根本功能和性能的前提下，系统应具有良好的性价比。〔4〕开放性和可扩展性系统可以支持不同厂商的产品，支持多种协议，并且符合国际规范及相关协议。除此之外，还应包括：子系统之间、子系统对主系统以及系统对外部的开放。以便在对系统进展晋级改造时，不仅可以维护原有资源，还可以降低系统维护、晋级的复杂性以及提高效率。〔5〕易维护性元器件和部件应尽能够采用通用、成熟产品，使系统易于维护。三、电子系统设计步骤1.调查研讨：明确设计义务和要求，确定系统功能目的，了解设计关键，完成系统功能表示框图。简言之，就是必需明确做什么，做到什么程度。2.方案选择和可行性论证要求综合运用所学知识，同时查阅有关参考资料；要敢于创新，敢于采用新技术，不断完善所提的方案；应提出几种方案，对它们进展可行性论证，从完成的功能、性能和技术目的的程度、经济性、先进性以及进度等方面进展比较，最后选择一个较好的方案。首先，进展系统功能划分。把系统所要实现的功能分配给假设干个单元电路，画出能表示各单元电路功能的整机原理框图。然后，进展方案比较和可行性论证。最后，确定总体方案。3.单元电路设计、参数选择和元器件选择对各单元电路能够的组成方式进展分析、比较，在确定了单元电路后，就可选择元器件。根据某种原那么或已确定好的单元电路部分元件的参数，可以计算其他器件参数和电路参数。4.组装与调试设计结果的正确性需求验证，需求用仪器进展测试。这样可以发现问题并及时修正，直到所要求的功能和性能目的完全符合要求。5.编写设计文档与总结报告〔1〕设计文档的编写系统的设计要求与技术目的确实定方案选择与可行性论证单元电路设计、参数选择和元器件选择参考资料和文献〔2〕总结报告的撰写设计任务的进程记录原始设计修正部分的阐明实践电路原理图、程序清单等功能与目的测试结果〔注明所运用的仪器型号与规格〕系统的操作运用阐明存在的问题及改良措施等四、数字系统设计数字系统是一个完成一系列复杂操作的逻辑单元。它可以是一台数字计算机、一个自动控制系统、一个数据采集系统或者是日常生活中用的电子秤，也可以是大系统中的子系统。1.数字系统组成数据子系统控制子系统数据输入数据输出控制与条件信号时钟外部控制信号数据子系统主要完成数据的采集、存储、运算和传输，主要由存储器、运算器、数据选择器等部件组成。控制子系统是执行算法的中心，具有记忆功能，是时序系统。2.数字系统设计步骤明确设计要求：将设计要求分解成条目，每一条都应是无二义的。明确设计系统的逻辑功能及性能目的，画出简单框图。确定系统方案：用方框图、流程图或描画言语描画系统方案，画出系统方框图、流程图或算法，如需求画出时序图。数据子系统设计：根据系统方案，选择适宜的器件构成数据子系统原理图。根据设计要求对原理图进展时序设计。控制子系统设计：按照规那么及要求选择电路构成控制子系统，必要时进展时序设计。设计方法：在整个设计过程中应尽能够多地利用EDA软件，及时地进展逻辑仿真、优化，以保证设计任务优质快速地完成。3.数字系统设计举例设计要求：完成一个十字路口交通灯控制系统的设计。〔1〕明确设计要求进一步明确十字路口车辆行驶的规那么如何？道路多宽？允许几车道行驶？控制灯有几种？通行和制止的时间是多少？能否需求显示时间？有否有行人穿行指示？有无连网要求？明确以上问题，将设计要求详细化，也就明确了设计系统的逻辑功能。①双向六车道，只需汽车没有自行车行驶。车辆直行时不允许车辆左拐，允许右拐。另设左拐时间。②车辆控制灯有直行〔↑〕、左拐〔←〕和右拐〔→〕三个绿灯、黄灯以及红灯。③车辆通行时间为40秒，由各方向设置的倒计时显示器显示，向司机提示剩余时间。黄灯继续时间2秒。④行人过马路需提出恳求，且只在车辆直行时才呼应行人的恳求，行人在恳求得到呼应后方可穿越，穿越时间为60秒。⑤警察有权随时指定系统停在某个形状，确保某个方向的车辆畅通。⑥暂不思索连网要求。控制器定时器行人恳求指示灯警察控制秒脉冲发生器〔2〕确定系统方案确定系统方案就是找出实现上述设计要求的方法。在确定系统方案的过程中应有认识的把系统分为控制子系统和数据子系统两部分。先画出简单的流程图，再将简单的流程图逐渐细化为描画系统操作的详细流程图。由于设计要求中规定车辆直行时不允许各路车辆左拐通行，须另设左拐时间。因此可以设置以下四种车辆通行方式：①南北向的直行和各路右拐；②南北向的左拐和各路右拐；③东西向直行和各路右拐；④东西向的左拐和各路右拐。行人恳求及警察控制可以以为是上述四个形状转换时产生的条件分支，由控制器接受恳求并判别能否呼应。由于警察控制的优先级最高，所以流程图中应首先判别警察的控制。行人恳求只能在车辆直行时呼应，车辆左拐时不允许呼应行人恳求。〔3〕画出任务流程图〔略〕五、模拟系统设计多数电子系统普通都同时运用数字和模拟两类技术，两者互为补充，发扬各自优势。但对一个详细运用系统而言，运用技术的偏重点有所不同，有的以数字为主，有的以模拟为主。假设一个电子系统对获得的模拟信号不需求作复杂处置，也不作远间隔传送，最后的执行机构也用模拟信号驱动，在这样的系统中用模拟技术处置比较合理。1.模拟系统特点与数字电子系统相比，模拟电子系统有以下一些特点。〔1〕任务在模拟领域中单元电路的种类多。例如，各种传感器电路、电源电路、放大电路、音响电路、视频电路，性能各异的振荡、调制、解调等。〔2〕要求电路实现规定的功能，更要到达规定的目的。模拟电路普通要求任务在线性形状，因此电路的任务点选择、任务点的稳定，运转范围的线性程度，单元之间的耦合等都很重要。〔3〕系统的输入单元与信号源之间的匹配、系统的输出单元与负载〔执行机构〕之间匹配。模拟系统的输入单元要思索输入阻抗匹配，提高信噪比，抑制各种干扰和噪声。输出单元与负载的匹配，且输出最大功率和提高效率等。〔4〕调试电路的难度。普通来说模拟系统的调试难度要大于数字系统的调试难度，特别是对于高频系统或高精度的微弱信号系统难度更大。这类系统中的元器件布置、连线、接地、供电、去耦等对性能目的影响很大。要想完成模拟系统的设计，除了设计正确外，设计人员具备细致的任务作风和丰富的实践任务阅历显得非常重要。〔5〕人工设计在模拟系统设计中仍起着重要的作用。当前电子系统设计任务的自动化开展很快，但主要在数字领域，而模拟系统的自动化设计进展比较缓慢。2.模拟系统设计步骤总体方案设计：对系统功能、性能、体积、本钱等多方面作权衡比较，确定方案。有分立器件、功能级集成电路、系统级集成电路，直至ASIC电路，它们都能够适用系统设计。划分功能块，设计总框图：根据系统功能、总体目的，按信号流向划分功能块。应思索目的分配、装配衔接合理性等要素。功能电路设计：根据各功能电路的功能和目的，完胜利能电路的设计。设计功能电路时应首选集成电路，计算该集成电路外部电路的参数。例如，扩音系统的设计。可划分成前置放大器、音调控制放大器和功率放大器。前置放大器完成对输入信号的匹配，频率特性平衡；音调控制放大器完成音调的调理；功率放大器完胜利率输出。在功能块设计时，应将扩音系统总增益分配到各单元增益设计中。例如，数据采集系统的前向通道设计。通常划分为输入放大器、滤波器、取样／坚持电路、多路模拟开关、A／D转换器等，每个功能块是根据每个单元完成一个特定功能划分。在采集系统的前向通道设计中，要把总误差合理地分配到各功能块。系统原理图设计：系统原理图的设计需求处理两个方面的问题，单元电路之间的耦合和整体电路的配合。设计印刷电路板布线图，思索测试方案，设置测试点：由于模拟系统的特殊性，元件布置和印刷电路板布线显得更为重要。例如，有用输入信号很小，小到微伏级，且各单元电路大都处于线性任务形状，对干扰的影响极为敏感。最终设计的模拟系统能否到达预期要求，要经过调试和丈量才干得出。模拟系统设计与数字系统设计有很大差别：①模拟系统自动化设计工具少，器件种类多，实践要素影响大，其人工设计成分比数字系统大的多，对设计者的知识面和阅历要求高。②由于客观环境的影响，模拟电路、特别是小信号、高精度电路以及高频、高速电路的实现远不能够单由实际设计处理。它们与实践环境、元器件性能、电路构造等有着亲密关系。因此在设计模拟系统时，不单单是设计电路，还要选用正确的元器件，设计实现电路构造，如印刷板设计，才干到达设计要求。3.根本单元模拟电路〔1〕放大器集成运算放大器、数据放大器、可编程数据放大器、隔离放大器等〔2〕滤波器有源滤波器、无源滤波器、高通滤波器、低通滤波器、LC滤波器、螺旋滤波器、声外表波滤波器等〔3〕接口电路A/D转换器、D/A转换器、采样坚持电路、传感器电路、稳压电源等〔4〕电源电路模拟线性稳压电源、数控稳压电源、数控稳流电源、开关稳压电源等〔5〕波形发生与变换电路波形发生电路：正弦波振荡电路、非正弦波振荡电路、石英晶体振荡电路波形变换电路：正弦波变方波、方波变三角波、三角波变方波、三角波变正弦波、三角波变锯齿波等4.模拟系统设计举例〔1〕设计义务设计一个输出电压可调的数控直流电压源，数码管显示输出值。详细要求如下：①输出电压2～20V之间，调理单位为0.1V；②电压稳定度〔△VO/V〕小于0.2％，纹波电压小于10mV；③输出电流1A；④输出电压值由数码管显示，设置“＋〞、“—〞键分别控制输出电压步进增减；⑤电源应具有输出短路维护和功率器件的过热维护功能。〔2〕方案论证方案一：根据义务要求，要务虚现输出电压的数字控制和数字显示，思索利用数模转换器〔DAC〕和逻辑电路控制常用的线性稳压电源。整流滤波电路调整管维护电路显示单元误差放大逻辑控制DAC输出逻辑控制部分假设采用中小规模器件实现，繁琐而且对可靠性及抗干扰才干会带来一些影响。逻辑控制电路可以采用单片机，便于系统的功能扩展。方案二：DAC可以很方便地实现程控电源的根本功能，DAC输入的数字量可以由拨盘开关设定或用单片机控制。可加功率放大电路，满足系统要求。方案二的输出部分不再用传统的调整管。由于功放输出的波形与DAC输出波形一样，因此该系统可以很容易地实现具有功率输出的信号发生器。显示单元功率放大数字量控制DAC输出方案三：设计义务中提出的输出电压、电流值不大，输出电压可调范围不宽，因此直接选用集成三端稳压器，这类芯片内部都有过流和过热的维护电路。例如W117，额定电流可达1.5A，输出电压的调理范围为1.2～37V，内部有过热和过流维护电路。所以采用这种芯片为主体组成所要求的系统比较合理。六、微机系统设计1.微机系统组成以微机系统为中心，以人机通道、前向通道、后向通道和相互通道为桥梁，完成对被控对象的测控义务。微机主要是由CPU、ROM和RAM等部分组成，是微机的主要组成部分。微型计算机接口接口其他微机系统外部设备外部设备接口相互通道人机通道后向通道前向通道人机通道一侧的外部设备包括打印机、显示器、键盘以及软、硬盘等。右侧信号方式有模拟量、数字量、开关量和脉冲量，这四种方式的信号有输入信号也有输出信号。由模拟量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量传感器以及相应的接口组成输入通道，也称为前向通道。输出通道产生相应的控制量：模拟量输出、数字量输出、开关量输出和脉冲量输出，输出通道也被称为后向通道。在较大规模的测控系统中，各微型计算机之间实现相互之间的通讯与控制，其通道接口被称为相互通道。2003年简易智能电动车〔E题〕设计义务：设计并制造一个简单智能电动车，在涂有5cm宽黑色边线、2cm宽黑色引导线的白纸铺成的跑道上行驶。跑道表示图