现代电子系统设计及案例.ppt

1、2022年8月4日星期四现代电子系统设计及案现代电子系统设计及案例例 1.完成一个电子系统的设计 2.了解电子系统设计的基本理论 3.了解电子系统设计的基本流程 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基本方法课程教学目标 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，又提高了设计和实践课程的有效性。2.充分利用现代化教学手段，让学生完成从理论设计、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整知识体系。3.在教学体系中融入创新能力的培养，激发学生参与的积极性，增

2、强创新能力。课程教学特色一、电子系统概述二、电子系统设计方法和原则 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、电子系统概述一、电子系统概述 电子系统：完成一个特定功能的、完整的电子装置称为电子系统。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：一般包含模拟系统、数字系统、微处理机系统、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、接收信息能力，并根据信息进行分析、判断、决策和控制操作的能力。一般人们将以CPU为核心、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

3、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）测量系统：电量测量、非电量测量系统等。（3）数据处理系统：语音处理、图像处理、雷达信息处理等。（4）通信系统：数字通信、微波通信、卫星通信、短波通信等。（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。消费类产品消费类产品主板主板显卡和网卡七彩虹显卡七彩虹显卡TP-Link网卡网卡通信电子产品车载GPS和悍马汽车电子燃油喷射控制器汽车电子燃油喷射控制器数控钻床和汽车生产线 舰船和战斗机舰船和战斗机数字产品数字产品手机电路手机电路超级芯片数码彩电主板超级芯片数

4、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 System View;MATLAB2.电路级仿真工具 Pspice;Multisim3.PCB设计工具 Power PCB;Protel 4.可编程器件设计工具 Xilinx ISE;Altera QuartusII;Mentor FPGA Advantage5.嵌入式系统开发工具 ARM ADS;Keil ARM/C51 IDE；Altera Nios II IDE；Ti Code Composer Studio ATLABATLAB仿真软件仿真软件-丰富的表现丰富的表现力力ATLABATLAB仿真软件仿真软件-强

5、大的运算能强大的运算能力力MULTISIMMULTISIM仿真软件仿真软件MULTISIMMULTISIM仿真软件仿真软件-直观的线路仿直观的线路仿真真Protel Protel 仿真软件仿真软件-原理图设计原理图设计ProtelProtel 仿真软件仿真软件-多层电路板设计多层电路板设计ilinxilinx仿真软件仿真软件-ISE-ISEilinilin设计软件设计软件-ISE-ISE仿真器仿真器QuartusQuartus仿真软件仿真软件-VHDL-VHDL设计入设计入口口QuartusQuartus仿真软件仿真软件-原理图设计入口原理图设计入口QuartusQuartus仿真软件仿真软件

6、-仿真仿真Mentor FPGA AdvantageARM CodeWarrior集成开发环境 ARM AXD调试器 Ti Code Composer StudioTi Code Composer StudioTi Code Composer Studio电子系统指标：系统功能、规模以及应用场合不同，对系统的要求不同，因此衡量系统的指标不同。常用指标：功能、工作范围、工作环境、供电方式、功耗、体积、重量、容量、精度、灵敏度、稳定度、可靠性、响应速度等。最近几年全国电子设计竞赛的电子系统设计题目如下：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

7、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）低频数字式相位测量仪（C题）简易逻辑分析仪（D题）简易智能电动车（E题）液体点滴速度监控装置（F题）第七届全国大学生电子设计竞赛题目第六届全国大学生电子设计竞赛题目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题目第四届全国大学生电子设计竞赛题目A题 测量放大器B题 数字式工频有效值多用表C题 频率特性测试仪D题 短波调频接收机E题 数字化语音存储与回放系统二、

8、电子系统设计方法和原则二、电子系统设计方法和原则 1.电子系统设计的一般方法自顶向下法（Top to Down）：适用于大型、复杂的系统设计。首先从系统级设计开始，根据系统级所描述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，再根据子系统任务划分各部件，完成部件设计后，最后才是元件级设计。自底向上法（Bottom to Up）：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合适的元件，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&BU Combined）：结合了自顶向下法和自底向上法的优点。为实现设计的可重复使用以及对系统进行模块化设

9、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：根据设计任务、指标要求，分析系统应完成的功能，并将系统按功能分解成若干子系统，分清主次和相互关系，并形成由若干单元功能模块组成的总体方案。注意：对不同的方案，应深入分析比较。对关键部分，还要提出各种具体电路，根据设计要求进行分析比较，从而找出最优方案。需考虑方案的可行性、性能、可靠性、功耗等实际问题。（2）单元电路的设计与选择：在明确每个单元电路的技术指标后，要分析清楚单元电路的工作原理，设计出各单元的电路结构形式。尽量采用学过的或熟悉的单元电路，也要善于通过查阅资料、分析研究一些新型电路，开发利

10、用新型器件。注意：要尽量减少或不用电平转换之类的接口电路，以简化电路结构，降低成本。（3）元器件的选择：一般优先选用集成电路。集成电路的选择：“先粗后细”的选用方法，即先根据主体方案考虑应选用什么功能的集成电路，再进一步考虑其具体性能，然后再根据价格等因素选用型号。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、价格等多方面的要求。阻容元件的选择：根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率、耐压范围是否满足要求。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，注意事项也不同。例如三极管，在选用时应考虑是NPN管

11、还是PNP管，是大功率管还是小功率管，是高频管还是低频管，并注意管子的电流放大倍数、击穿电压、特征频率、静态功耗等是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要根据电路理论公式进行，有的按照工程估算法进行，有的可用典型电路参数或经验数据。选用的元器件参数值最终都必须采用标称值。注意：各元器件的工作电流、工作电压、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工作，达到所要求的性能指标。对于环境温度、其它干扰等工作条件，计算参数时应按最坏的情况考虑。保证电路性能的前提下，尽可能设法降低成本，减少元器件的品种、功耗和体积，并为安装调试创造有利条

12、件。在满足性能指标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，以节省时间和精力。2.电子系统设计的一般原则（1）兼顾技术的先进性和成熟性 系统设计应适应技术发展的潮流，使系统能保持长时间的先进性和实用性。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）安全性、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、稳定和安全。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工作；或因某个模块出现故障而使整个系统瘫痪。（3）实用性和经济性 在满足基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 系统能够支持不同厂

13、商的产品，支持多种协议，并且符合国际标准及相关协议。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。以便在对系统进行升级改造时，不仅可以保护原有资源，还可以降低系统维护、升级的复杂性以及提高效率。（5）易维护性 元器件和部件应尽可能采用通用、成熟产品，使系统易于维护。三、电子系统设计步骤三、电子系统设计步骤1.调查研究：明确设计任务和要求，确定系统功能指标，了解设计关键，完成系统功能示意框图。简言之，就是必须明确做什么，做到什么程度。2.方案选择和可行性论证 要求综合应用所学知识，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

14、行可行性论证，从完成的功能、性能和技术指标的程度、经济性、先进性以及进度等方面进行比较，最后选择一个较好的方案。首先，进行系统功能划分。把系统所要实现的功能分配给若干个单元电路，画出能表示各单元电路功能的整机原理框图。然后，进行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 对各单元电路可能的组成形式进行分析、比较，在确定了单元电路后，就可选择元器件。根据某种原则或已确定好的单元电路部分元件的参数，可以计算其余器件参数和电路参数。4.组装与调试 设计结果的正确性需要验证，需要用仪器进行测试。这样可以发现问题并及时修改，直到所要求的功能和性能指标完全符合要求。5

15、.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指标的确定 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 设计工作的进程记录 原始设计修改部分的说明 实际电路原理图、程序清单等 功能与指标测试结果（注明所使用的仪器型号与规格）系统的操作使用说明 存在的问题及改进措施等四、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

16、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核心，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指标，画出简单框图。确定系统方案：用方框图、流程图或描述语言描述系统方案，画出系统方框图、流程图或算法，如需要画出时序图。数据子系统设计：根据系统方案，选择合适的器件构成数据子系统原理图。根据设计要求对原理图进行时序设计。控制子系统设计：按照规则及要求选择电路构成控制子系统，必要时进行时序设计。设计方法：在整个设计过程中应尽可能多地利用EDA软件，及时

17、地进行逻辑仿真、优化，以保证设计工作优质快速地完成。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则如何？道路多宽？允许几车道行驶？控制灯有几种？通行和禁止的时间是多少？是否需要显示时间？有否有行人穿行指示？有无连网要求？明确以上问题，将设计要求具体化，也就明确了设计系统的逻辑功能。双向六车道，只有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。车辆控制灯有直行（）、左拐（）和右拐（）三个绿灯、黄灯以及红灯。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。黄灯持续时间2秒。

18、行人过马路需提出申请，且只在车辆直行时才响应行人的请求，行人在申请得到响应后方可穿越，穿越时间为60秒。警察有权随时指定系统停在某个状态，确保某个方向的车辆畅通。暂不考虑连网要求。控制器定时器行人请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意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步细化为描述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：南北向的直行和各路右拐；南北向的左拐和各路右拐；东西向直行和各路

19、右拐；东西向的左拐和各路右拐。行人请求及警察控制可以认为是上述四个状态转换时产生的条件分支，由控制器接受请求并判断是否响应。由于警察控制的优先级最高，所以流程图中应首先判断警察的控制。行人请求只能在车辆直行时响应，车辆左拐时不允许响应行人请求。（3）画出工作流程图（略）五、模拟系统设计 多数电子系统一般都同时使用数字和模拟两类技术，两者互为补充，发挥各自优势。但对一个具体应用系统而言，使用技术的侧重点有所不同，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要作复杂处理，也不作远距离传送，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理比较合理。1.模拟系统特点

20、 与数字电子系统相比，模拟电子系统有以下一些特点。（1）工作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，更要达到规定的指标。模拟电路一般要求工作在线性状态，因此电路的工作点选择、工作点的稳定，运行范围的线性程度，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考虑输入阻抗匹配，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。一般来说模拟系统的调试难度要大

21、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、去耦等对性能指标影响很大。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工作作风和丰富的实际工作经验显得非常重要。（5）人工设计在模拟系统设计中仍起着重要的作用。当前电子系统设计工作的自动化发展很快，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、成本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，它们都可能适用系统设计。划分功能块，设计总框图：根据系统功能、总体

22、指标，按信号流向划分功能块。应考虑指标分配、装配连接合理性等因素。功能电路设计：根据各功能电路的功能和指标，完成功能电路的设计。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，频率特性均衡；音调控制放大器完成音调的调节；功率放大器完成功率输出。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、取样保持电路、多路模拟开关、AD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

23、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要解决两个方面的问题，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，考虑测试方案，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工作状态，对干扰的影响极为敏感。最终设计的模拟系统能否达到预期要求，要经过调试和测量才能得出。模拟系统设计与数字系统设计有很大差别：模拟系统自动化设计工具少，器件种类多，实际因素影响大，其人工设计成分比数字系统大的多，对设计者的知识面和经验要求高。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、

24、高速电路的实现远不可能单由理论设计解决。它们与实际环境、元器件性能、电路结构等有着密切关系。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，设计实现电路结构，如印刷板设计，才能达到设计要求。3.基本单元模拟电路（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、声表面波滤波器等（3）接口电路 A/D转换器、D/A转换器、采样保持电路、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

25、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）设计任务 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。具体要求如下：输出电压 220V之间，调节单位为0.1V；电压稳定度（VO/V）小于0.2，纹波电压小于10mV；输出电流 1A；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；电源应具有输出短路保护和功率器件的过热保护功能。（2）方案论证 方案一：根据任务要求，要求实现输出电压的数字控制和数字显示，考虑利用数模转换器（DAC）和逻辑电路控制常用的线性稳压

26、电源。整流滤波电路调整管保护电路显示单元误差放大逻辑控制DAC输出 逻辑控制部分若采用中小规模器件实现，繁琐而且对可靠性及抗干扰能力会带来一些影响。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基本功能，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输出波形相同，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：设计任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

27、内部都有过流和过热的保护电路。例如W117，额定电流可达1.5A，输出电压的调节范围为1.237V，内部有过热和过流保护电路。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 以微机系统为核心，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任务。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。右侧信号形式有模拟量、数字量、开关量和脉冲量，这四种形式的信号有输入信号也有输出信号。

28、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信与控制，其通道接口被称为相互通道。2003年简易智能电动车（E题）设计任务：设计并制作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。跑道示意图：设计要求：设计并制作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。1 1、基本要求（、基本要求（4040分）分）（1）

29、车从起跑线出发（车体不超起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有13块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。（15分）（2）车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧线到C点（也可脱离圆弧线到达C点）。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。（17分）（3）车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。（8分）（4）电动车完成上述任务后应立即停车，全程行驶时间不能大于90秒

30、，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。2 2、发挥部分、发挥部分(10(10分分)（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库。（3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。（4）其它。设计方案论证：单片机选择：89C51为控制核心，价格低、使用简单、运算速度低、功能单一、如扩展功能需外扩芯片。SPCE061A为控制核心，资源丰富、指令周期短、工作速度快、功耗低、电压低、可编程语音处理，在线下载。电机驱动模块：步进电机，精确调速、控制较复杂、价格不菲。数字电位器调整电动机控制电压，达到调速目的，价格贵。用大功率管构成PWM和H型电机电路，速度快、正反向控制方便。路面黑线探索模块：采用一组探测头对路面信息进行控制。