电路与电子技术-课件 第2章 电子系统

清华大学自动化系2025.08电子电路与微处理器基础叶朝辉FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor2.1电子系统简介2.2现代电子系统的组成2.3现代电子系统设计方法2.4现代电子系统设计原则第2章电子系统232.1.1电子系统定义2.1.2电信号及信息2.1.3电子电路2.1.4电子元件2.1.5电子零部件2.1电子系统简介42.1.1电子系统定义

电子系统是指由若干相互连接、相互作用的电子电路和其它零部件组成，能够产生或处理电信号及信息的完整的装置。52.1.2电信号及信息一、信息、消息与信号信息：人类社会和自然界中需要传送、交换、存储和提取的抽象内容。消息：表示信息的语言、文字、图像、数据等。信号：运载消息的物理量，它们是时间或空间的函数，所携带的消息则体现在它们的变化之中。由于电信号容易产生、传输和控制，也容易实现与其它物理量的相互转换，因此是应用最广泛的信号。6二、电信号电信号：随时间变化的电压或电流，可以用波形或函数表示。数字信号：在时间或数值上均离散的电信号，例如电路的开关信号、脉冲信号等。（a）开关信号

（b）数据采集信号图2-1-1数字信号7二、电信号模拟信号：在时间和数值上均连续的电信号，例如声音、亮度、颜色、温度、压力、流量、心电信号等。（a）温度信号

（b）声音信号

（c）脉搏信号图2-1-2模拟信号82.1.3电子电路电子电路：用于产生或处理电信号。模拟电路(AnalogElectronicCircuit)：用于产生或处理模拟信号，其最基本的处理为放大，此外还有滤波、运算、信号产生电路等。数字电路(DigitalElectronicCircuit)：用于产生或处理数字信号，其最基本的处理为逻辑运算，此外还有数学运算，以及计数、存储等。信号转换电路：用于实现模拟信号与数字信号之间的相互转换。模-数转换电路或模-数转换器(AnalogtoDigitalConverter，简称为A/D或者ADC)：实现模拟信号到数字信号之间的转换。数-模转换电路或数-模转换器(DigitaltoAnalogConverter，简称为D/A或者DAC)：实现数字信号到模拟信号之间的转换。92.1.4电子元件

常用的电子元件包括电阻、电容、电感、半导体器件，而半导体器件主要包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。

集成电路（IntegratedCircuit，简称IC）：采用一定的制造工艺，将电子元件、电阻、电容等组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上（直径约为3-10mm），然后加上外部封装和引脚所构成的器件。102.1.4电子元件微处理器：单片集成电路，主要由数字电路组成，通常具有信息处理、存储等功能。片上系统SoC(SystemonChip)：在一块半导体上集成了多种功能的电路，一个芯片即可以组成一个电子系统，也称为系统级芯片。分立元件：非集成电路的电子元件。硬件：电子元件及其组成的电子电路。软件：微处理器或SoC中的微处理器中运行的程序通常称为。112.1.5电子零部件电子零部件：传感器（例如麦克风、摄像头、温度传感器等）；执行器（例如扬声器、蜂鸣器、电机、阀门等）；显示器（例如液晶屏、数码管等）；键盘和按键；有线或无线通信信号的发射或接收装置、信号传输线；电子产品的外壳等。122.2.1现代电子器件的特点2.2.2现代电子系统的组成2.2现代电子系统的组成132.2.1现代电子器件的特点

现代集成电路的集成度越来越高，功能越来越强，例如多核微处理器、片上系统等。142.2.2现代电子系统的组成图2-2-1现代电子系统的组成现代电子系统通常以微处理器和SoC为核心组成。一、组成

电子系统的功能是产生或者处理电信号，包括信号提取、信号处理、信号输出三部分。15二、举例1.石油声波测井信号采集和处理系统图2-2-2石油声波测井信号采集和处理系统的功能和组成162.智能家居安防报警系统图2-2-4安防报警模块组成图2-2-5无线网关组成172.3.1电子系统设计概述2.3.2现代电子系统设计方法和流程2.3.3现代电子系统设计举例2.3现代电子系统设计方法182.3.1电子系统设计概述一、需要考虑的因素功能和性能：设计时首先要考虑其功能和性能是否能满足要求。成本和外观：电子系统都有一定的成本，有不同的外观，在设计时也需要考虑。时间：完成电子系统设计可能有设计时间要求，即要求在一定时间内完成，在设计时也需要考虑。19二、电子系统设计类型

电子系统设计根据设计目标分为确定型设计和创新型设计，根据性能要求又分为原型设计和产品设计。确定型设计与创新型设计原型设计与产品设计（1）原型设计

（2）产品设计图2-3-1脉搏测量仪原型系统202.3.2现代电子系统设计方法和流程一、确定型设计1.原型设计流程 1）需求分析 2）功能划分 3）软硬件功能划分 4）方案设计 5）软硬件详细设计 6）软硬件单独仿真和验证 7）软硬件联合验证212.产品设计流程

产品设计的除了第4步外，其余6个步骤与原型设计的相同，此外还需增加3个步骤。产品设计的步骤4至10如下所示： 4）方案设计 5）软硬件详细设计 6）软硬件单独仿真和验证 7）软硬件联合验证 8）系统制作 9）系统测试 10）产品制作22与确定型设计相比，创新型设计的流程多了一个步骤，即第一步：1）创意酝酿：根据知识和经验，并经过调查分析，确定待设计系统的功能、性能以及时间等其他条件限制。

其余步骤与确定型设计相同。

创新型设计也分为原型设计和产品设计，这两种设计步骤的区别与确定型设计中的两种设计步骤的区别相同。232.3.3现代电子系统设计举例设计内容：确定型脉搏仪原型。设计目的：该设计为课程实验项目。一、需求分析1.功能：测量人体脉搏，显示脉搏次数和脉搏信号。2.性能：1）供电电源：+/-15V，或者+/-5V2）测量脉搏范围及精度：大于30次/分钟且小于180次/分钟，即约为0.5次/秒(赫兹，Hz)至3次/秒，精度为2%（即错误率小于等于2%）。24二、功能划分脉搏信号获取脉搏信号处理脉搏信号显示图2-3-2脉搏仪系统功能框图25三、软硬件功能划分

脉搏仪硬件主要功能：传感器采集脉搏信号、模拟电路和A/D处理脉搏信号、显示器显示脉搏次数和信号；

微处理器软件主要功能：脉搏次数计算和波形分析。四、

方案设计

该设计为课程实验项目，只需要完成原型设计，因此可以选用易于快速实现的硬件和软件。1.通过调查选择集成了红外发光二极管、红外接收管和信号放大电路的脉搏传感器模块；

2．模拟电路选择：采用放大电路和滤波电路。3．通过调查选择内部集成了A/D转换器的SoC微处理器或。26五、软硬件详细设计详细设计硬件电路，画出原理图，计算性能参数；详细设计软件步骤，画出流程图，编写程序。七、软硬件联合验证

最后将硬件连接起来，让软件和硬件同时工作，来验证硬件和软件的整体功能和性能，若满足要求则设计结束，否则需要修改设计，直至满足要求。六、软硬件单独仿真和验证

模拟电路部分可以用Multisim仿真软件进行仿真和验证，程序可以采用厂商提供