現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及案例

1、25 七月 2022現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及案例 1.完成一個(gè)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.了解電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論 3.了解電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程 4.掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用開(kāi)發(fā)工具 5.掌握電子系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的基本方法課程教學(xué)目標(biāo) 1.將信息類(lèi)各專(zhuān)業(yè)分散的“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)仿真”、“現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等課程有機(jī)結(jié)合，既減少了內(nèi)容的重疊、交叉，又提高了設(shè)計(jì)和實(shí)踐課程的有效性。 2.充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，讓學(xué)生完成從理論設(shè)計(jì)、仿真、加工、焊接、調(diào)試的全過(guò)程，建立電子產(chǎn)品及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的完整知識(shí)體系。 3.在教學(xué)體系中融入創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生參與的積極性，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。課程教學(xué)特

2、色一、電子系統(tǒng)概述二、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和原則 三、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟四、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)六、微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)七、片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容一、電子系統(tǒng)概述 電子系統(tǒng)：完成一個(gè)特定功能的、完整的電子裝置稱(chēng)為電子系統(tǒng)。如出租車(chē)計(jì)價(jià)器、溫度控制系統(tǒng)、航天飛機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等。電子系統(tǒng)組成：一般包含模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)、微處理機(jī)系統(tǒng)、片上系統(tǒng)。電子系統(tǒng)分類(lèi)：可分為非智能型和智能型系統(tǒng)。前者功能簡(jiǎn)單且單一。后者具有記憶、接收信息能力，并根據(jù)信息進(jìn)行分析、判斷、決策和控制操作的能力。一般人們將以CPU為核心、軟硬結(jié)合的電子系統(tǒng)稱(chēng)為智能型系統(tǒng)。電子系統(tǒng)分類(lèi)：根據(jù)電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，有以下幾類(lèi)。（1）測(cè)控系統(tǒng)：相

3、機(jī)快門(mén)系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)、飛行軌道控制系統(tǒng)等。（2）測(cè)量系統(tǒng)：電量測(cè)量、非電量測(cè)量系統(tǒng)等。（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：語(yǔ)音處理、圖像處理、雷達(dá)信息處理等。（4）通信系統(tǒng)：數(shù)字通信、微波通信、衛(wèi)星通信、短波通信等。（5）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：?jiǎn)螜C(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。（6）家電系統(tǒng)：多媒體彩電系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)。消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品主板顯卡和網(wǎng)卡七彩虹顯卡TP-Link網(wǎng)卡通信電子產(chǎn)品車(chē)載GPS和悍馬汽車(chē)電子燃油噴射控制器數(shù)控鉆床和汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn) 艦船和戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)字產(chǎn)品手機(jī)電路超級(jí)芯片數(shù)碼彩電主板嵌入式計(jì)算機(jī)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真工具：1.系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與算法設(shè)計(jì)工具 System View; MATLAB2.電路級(jí)仿真工具 P

4、spice; Multisim3.PCB設(shè)計(jì)工具 Power PCB; Protel 4.可編程器件設(shè)計(jì)工具 Xilinx ISE; Altera QuartusII; Mentor FPGA Advantage5.嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具 ARM ADS; Keil ARM/C51 IDE；Altera Nios II IDE；Ti Code Composer Studio ATLAB仿真軟件-豐富的表現(xiàn)力ATLAB仿真軟件-強(qiáng)大的運(yùn)算能力MULTISIM仿真軟件MULTISIM仿真軟件-直觀的線(xiàn)路仿真Protel 仿真軟件-原理圖設(shè)計(jì)Protel 仿真軟件-多層電路板設(shè)計(jì)ilinx仿真軟件-IS

5、Eilin設(shè)計(jì)軟件-ISE仿真器Quartus仿真軟件-VHDL設(shè)計(jì)入口Quartus仿真軟件-原理圖設(shè)計(jì)入口Quartus仿真軟件-仿真Mentor FPGA AdvantageARM CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 ARM AXD調(diào)試器 Ti Code Composer StudioTi Code Composer Studio電子系統(tǒng)指標(biāo)：系統(tǒng)功能、規(guī)模以及應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)系統(tǒng)的要求不同，因此衡量系統(tǒng)的指標(biāo)不同。 常用指標(biāo)：功能、工作范圍、工作環(huán)境、供電方式、功耗、體積、重量、容量、精度、靈敏度、穩(wěn)定度、可靠性、響應(yīng)速度等。最近幾年全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目如下：正弦信號(hào)發(fā)生

6、器（A題）集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀（B題）簡(jiǎn)易頻譜分析儀（C題）單工無(wú)線(xiàn)呼叫系統(tǒng)（D題） 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（E題）數(shù)控直流電流源（F題） 三相正弦波變頻電源（G題）電壓控制LC振蕩器（A題） 寬帶放大器（B題） 低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x（C題） 簡(jiǎn)易邏輯分析儀（D題） 簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車(chē)（E題） 液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置（F題） 第七屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目第六屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目A題 波形發(fā)生器 B題 簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器 C題 自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車(chē)D題 高效率音頻功率放大器 E題 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng) F題 調(diào)頻收音機(jī) 第五屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目第四屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目A題 測(cè)量放大器B

7、題 數(shù)字式工頻有效值多用表C題 頻率特性測(cè)試儀D題 短波調(diào)頻接收機(jī)E題 數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)二、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和原則 1.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法自頂向下法（Top to Down）：適用于大型、復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)開(kāi)始，根據(jù)系統(tǒng)級(jí)所描述的該系統(tǒng)應(yīng)具備的各項(xiàng)功能，將系統(tǒng)化分為單一功能的子系統(tǒng)，再根據(jù)子系統(tǒng)任務(wù)劃分各部件，完成部件設(shè)計(jì)后，最后才是元件級(jí)設(shè)計(jì)。自底向上法（Bottom to Up）：多用于系統(tǒng)的組裝和測(cè)試。根據(jù)要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能要求，從現(xiàn)有的元器件或模塊中選出合適的元件，設(shè)計(jì)各部件，一級(jí)一級(jí)向上設(shè)計(jì)，最后完成整個(gè)系統(tǒng)。組合法（TD&BU Combined）：結(jié)合了

8、自頂向下法和自底向上法的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可重復(fù)使用以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)測(cè)試，現(xiàn)代的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常采用以自頂向下法為主，結(jié)合自底向上法的方法。（1）總體方案的設(shè)計(jì)與選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、指標(biāo)要求，分析系統(tǒng)應(yīng)完成的功能，并將系統(tǒng)按功能分解成若干子系統(tǒng)，分清主次和相互關(guān)系，并形成由若干單元功能模塊組成的總體方案。注意： 對(duì)不同的方案，應(yīng)深入分析比較。對(duì)關(guān)鍵部分，還要提出各種具體電路，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析比較，從而找出最優(yōu)方案。 需考慮方案的可行性、性能、可靠性、功耗等實(shí)際問(wèn)題。（2）單元電路的設(shè)計(jì)與選擇：在明確每個(gè)單元電路的技術(shù)指標(biāo)后，要分析清楚單元電路的工作原理，設(shè)計(jì)出各單元的電路結(jié)構(gòu)形式。盡量

9、采用學(xué)過(guò)的或熟悉的單元電路，也要善于通過(guò)查閱資料、分析研究一些新型電路，開(kāi)發(fā)利用新型器件。注意：要盡量減少或不用電平轉(zhuǎn)換之類(lèi)的接口電路，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低成本。（3）元器件的選擇：一般優(yōu)先選用集成電路。 集成電路的選擇：“先粗后細(xì)”的選用方法，即先根據(jù)主體方案考慮應(yīng)選用什么功能的集成電路，再進(jìn)一步考慮其具體性能，然后再根據(jù)價(jià)格等因素選用型號(hào)。選擇的集成電路不僅要在功能和特性上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，而且要滿(mǎn)足功耗、電壓、溫度、價(jià)格等多方面的要求。 阻容元件的選擇：根據(jù)電路的要求選擇性能和參數(shù)合適的阻容元件，并要注意功耗、容量、頻率、耐壓范圍是否滿(mǎn)足要求。 分立元器件的選擇：包括二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管

10、、晶閘管等，選擇器件的種類(lèi)不同，注意事項(xiàng)也不同。例如三極管，在選用時(shí)應(yīng)考慮是NPN管還是PNP管，是大功率管還是小功率管，是高頻管還是低頻管，并注意管子的電流放大倍數(shù)、擊穿電壓、特征頻率、靜態(tài)功耗等是否滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)的要求。（4）元器件的參數(shù)計(jì)算：元器件的參數(shù)計(jì)算有的需要根據(jù)電路理論公式進(jìn)行，有的按照工程估算法進(jìn)行，有的可用典型電路參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。選用的元器件參數(shù)值最終都必須采用標(biāo)稱(chēng)值。注意： 各元器件的工作電流、工作電壓、頻率和功耗應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，并保證電路在規(guī)定的條件下正常工作，達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。 對(duì)于環(huán)境溫度、其它干擾等工作條件，計(jì)算參數(shù)時(shí)應(yīng)按最壞的情況考慮。 保證

11、電路性能的前提下，盡可能設(shè)法降低成本，減少元器件的品種、功耗和體積，并為安裝調(diào)試創(chuàng)造有利條件。 在滿(mǎn)足性能指標(biāo)和上述各項(xiàng)要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用現(xiàn)有或容易買(mǎi)到的元器件，以節(jié)省時(shí)間和精力。2.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則（1）兼顧技術(shù)的先進(jìn)性和成熟性 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的潮流，使系統(tǒng)能保持長(zhǎng)時(shí)間的先進(jìn)性和實(shí)用性。同時(shí)要兼顧技術(shù)上的成熟性，以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間。（2）安全性、可靠性和容錯(cuò)性 采用成熟的技術(shù)、元器件和部件，可在一定程度上保證系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定和安全。系統(tǒng)還應(yīng)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性，例如，不會(huì)因人員操作失誤而使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作；或因某個(gè)模塊出現(xiàn)故障而使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。（3）實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性 在滿(mǎn)

12、足基本功能和性能的前提下，系統(tǒng)應(yīng)具有良好的性?xún)r(jià)比。（4）開(kāi)放性和可擴(kuò)展性 系統(tǒng)能夠支持不同廠(chǎng)商的產(chǎn)品，支持多種協(xié)議，并且符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議。除此之外，還應(yīng)包括：子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)對(duì)主系統(tǒng)以及系統(tǒng)對(duì)外部的開(kāi)放。以便在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，不僅可以保護(hù)原有資源，還可以降低系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)的復(fù)雜性以及提高效率。（5）易維護(hù)性 元器件和部件應(yīng)盡可能采用通用、成熟產(chǎn)品，使系統(tǒng)易于維護(hù)。三、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1.調(diào)查研究：明確設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，確定系統(tǒng)功能指標(biāo)，了解設(shè)計(jì)關(guān)鍵，完成系統(tǒng)功能示意框圖。簡(jiǎn)言之，就是必須明確做什么，做到什么程度。2.方案選擇和可行性論證 要求綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，同時(shí)查閱有關(guān)參考資料；

13、要敢于創(chuàng)新，敢于采用新技術(shù)，不斷完善所提的方案；應(yīng)提出幾種方案，對(duì)它們進(jìn)行可行性論證，從完成的功能、性能和技術(shù)指標(biāo)的程度、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性以及進(jìn)度等方面進(jìn)行比較，最后選擇一個(gè)較好的方案。 首先，進(jìn)行系統(tǒng)功能劃分。把系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能分配給若干個(gè)單元電路，畫(huà)出能表示各單元電路功能的整機(jī)原理框圖。 然后，進(jìn)行方案比較和可行性論證。 最后，確定總體方案。3.單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇和元器件選擇 對(duì)各單元電路可能的組成形式進(jìn)行分析、比較，在確定了單元電路后，就可選擇元器件。根據(jù)某種原則或已確定好的單元電路部分元件的參數(shù)，可以計(jì)算其余器件參數(shù)和電路參數(shù)。4.組裝與調(diào)試 設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性需要驗(yàn)證，需要用儀器進(jìn)

14、行測(cè)試。這樣可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修改，直到所要求的功能和性能指標(biāo)完全符合要求。5.編寫(xiě)設(shè)計(jì)文檔與總結(jié)報(bào)告（1）設(shè)計(jì)文檔的編寫(xiě) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與技術(shù)指標(biāo)的確定 方案選擇與可行性論證 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇和元器件選擇 參考資料和文獻(xiàn)（2）總結(jié)報(bào)告的撰寫(xiě) 設(shè)計(jì)工作的進(jìn)程記錄 原始設(shè)計(jì)修改部分的說(shuō)明 實(shí)際電路原理圖、程序清單等 功能與指標(biāo)測(cè)試結(jié)果（注明所使用的儀器型號(hào)與規(guī)格） 系統(tǒng)的操作使用說(shuō)明 存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施等四、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)字系統(tǒng)是一個(gè)完成一系列復(fù)雜操作的邏輯單元。它可以是一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)、一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或者是日常生活中用的電子秤，也可以是大系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。1.數(shù)字系統(tǒng)

15、組成 數(shù)據(jù)子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出控制與條件信號(hào)時(shí)鐘外部控制信號(hào) 數(shù)據(jù)子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算和傳輸，主要由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、數(shù)據(jù)選擇器等部件組成。 控制子系統(tǒng)是執(zhí)行算法的核心，具有記憶功能，是時(shí)序系統(tǒng)。2.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟明確設(shè)計(jì)要求：將設(shè)計(jì)要求分解成條目，每一條都應(yīng)是無(wú)二義的。明確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邏輯功能及性能指標(biāo)，畫(huà)出簡(jiǎn)單框圖。確定系統(tǒng)方案：用方框圖、流程圖或描述語(yǔ)言描述系統(tǒng)方案，畫(huà)出系統(tǒng)方框圖、流程圖或算法，如需要畫(huà)出時(shí)序圖。數(shù)據(jù)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)方案，選擇合適的器件構(gòu)成數(shù)據(jù)子系統(tǒng)原理圖。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)原理圖進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)。控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：按照規(guī)則及要求選擇電路構(gòu)成控制子系

16、統(tǒng)，必要時(shí)進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法：在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能多地利用EDA軟件，及時(shí)地進(jìn)行邏輯仿真、優(yōu)化，以保證設(shè)計(jì)工作優(yōu)質(zhì)快速地完成。 3.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 設(shè)計(jì)要求：完成一個(gè)十字路口交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（1）明確設(shè)計(jì)要求 進(jìn)一步明確十字路口車(chē)輛行駛的規(guī)則如何？道路多寬？允許幾車(chē)道行駛？控制燈有幾種？通行和禁止的時(shí)間是多少？是否需要顯示時(shí)間？有否有行人穿行指示？有無(wú)連網(wǎng)要求？ 明確以上問(wèn)題，將設(shè)計(jì)要求具體化，也就明確了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邏輯功能。 雙向六車(chē)道，只有汽車(chē)沒(méi)有自行車(chē)行駛。車(chē)輛直行時(shí)不允許車(chē)輛左拐，允許右拐。另設(shè)左拐時(shí)間。 車(chē)輛控制燈有直行（）、左拐（）和右拐（）三個(gè)綠燈、黃燈以及紅燈。

17、車(chē)輛通行時(shí)間為40秒，由各方向設(shè)置的倒計(jì)時(shí)顯示器顯示，向司機(jī)提示剩余時(shí)間。黃燈持續(xù)時(shí)間2秒。 行人過(guò)馬路需提出申請(qǐng)，且只在車(chē)輛直行時(shí)才響應(yīng)行人的請(qǐng)求，行人在申請(qǐng)得到響應(yīng)后方可穿越，穿越時(shí)間為60秒。 警察有權(quán)隨時(shí)指定系統(tǒng)停在某個(gè)狀態(tài)，確保某個(gè)方向的車(chē)輛暢通。 暫不考慮連網(wǎng)要求。控制器定時(shí)器行人請(qǐng)求指示燈警察控制秒脈沖發(fā)生器 （2）確定系統(tǒng)方案 確定系統(tǒng)方案就是找出實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求的方法。在確定系統(tǒng)方案的過(guò)程中應(yīng)有意識(shí)的把系統(tǒng)分為控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)兩部分。先畫(huà)出簡(jiǎn)單的流程圖，再將簡(jiǎn)單的流程圖逐步細(xì)化為描述系統(tǒng)操作的詳細(xì)流程圖。 由于設(shè)計(jì)要求中規(guī)定車(chē)輛直行時(shí)不允許各路車(chē)輛左拐通行，須另設(shè)左拐時(shí)

18、間。因此可以設(shè)置以下四種車(chē)輛通行方式： 南北向的直行和各路右拐； 南北向的左拐和各路右拐； 東西向直行和各路右拐； 東西向的左拐和各路右拐。 行人請(qǐng)求及警察控制可以認(rèn)為是上述四個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的條件分支，由控制器接受請(qǐng)求并判斷是否響應(yīng)。由于警察控制的優(yōu)先級(jí)最高，所以流程圖中應(yīng)首先判斷警察的控制。行人請(qǐng)求只能在車(chē)輛直行時(shí)響應(yīng)，車(chē)輛左拐時(shí)不允許響應(yīng)行人請(qǐng)求。（3）畫(huà)出工作流程圖（略） 五、模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì) 多數(shù)電子系統(tǒng)一般都同時(shí)使用數(shù)字和模擬兩類(lèi)技術(shù)，兩者互為補(bǔ)充，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)。但對(duì)一個(gè)具體應(yīng)用系統(tǒng)而言，使用技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)有所不同，有的以數(shù)字為主，有的以模擬為主。 假設(shè)一個(gè)電子系統(tǒng)對(duì)獲得的模擬信號(hào)不需要

19、作復(fù)雜處理，也不作遠(yuǎn)距離傳送，最后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也用模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)，在這樣的系統(tǒng)中用模擬技術(shù)處理比較合理。1.模擬系統(tǒng)特點(diǎn) 與數(shù)字電子系統(tǒng)相比，模擬電子系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)。 （1）工作在模擬領(lǐng)域中單元電路的種類(lèi)多。例如，各種傳感器電路、電源電路、放大電路、音響電路、視頻電路，性能各異的振蕩、調(diào)制、解調(diào)等。 （2）要求電路實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能，更要達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)。模擬電路一般要求工作在線(xiàn)性狀態(tài)，因此電路的工作點(diǎn)選擇、工作點(diǎn)的穩(wěn)定，運(yùn)行范圍的線(xiàn)性程度，單元之間的耦合等都很重要。 （3）系統(tǒng)的輸入單元與信號(hào)源之間的匹配、系統(tǒng)的輸出單元與負(fù)載（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之間匹配。模擬系統(tǒng)的輸入單元要考慮輸入阻抗匹配，提高信噪比，

20、抑制各種干擾和噪聲。輸出單元與負(fù)載的匹配，且輸出最大功率和提高效率等。 （4）調(diào)試電路的難度。一般來(lái)說(shuō)模擬系統(tǒng)的調(diào)試難度要大于數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)試難度，特別是對(duì)于高頻系統(tǒng)或高精度的微弱信號(hào)系統(tǒng)難度更大。這類(lèi)系統(tǒng)中的元器件布置、連線(xiàn)、接地、供電、去耦等對(duì)性能指標(biāo)影響很大。要想完成模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了設(shè)計(jì)正確外，設(shè)計(jì)人員具備細(xì)致的工作作風(fēng)和豐富的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)顯得非常重要。 （5）人工設(shè)計(jì)在模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍起著重要的作用。當(dāng)前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化發(fā)展很快，但主要在數(shù)字領(lǐng)域，而模擬系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)進(jìn)展比較緩慢。2.模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟總體方案設(shè)計(jì)：對(duì)系統(tǒng)功能、性能、體積、成本等多方面作權(quán)衡比較，確定方案。有

21、分立器件、功能級(jí)集成電路、系統(tǒng)級(jí)集成電路，直至ASIC電路，它們都可能適用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。劃分功能塊，設(shè)計(jì)總框圖：根據(jù)系統(tǒng)功能、總體指標(biāo)，按信號(hào)流向劃分功能塊。應(yīng)考慮指標(biāo)分配、裝配連接合理性等因素。功能電路設(shè)計(jì)：根據(jù)各功能電路的功能和指標(biāo)，完成功能電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)功能電路時(shí)應(yīng)首選集成電路，計(jì)算該集成電路外部電路的參數(shù)。 例如，擴(kuò)音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。可劃分成前置放大器、音調(diào)控制放大器和功率放大器。前置放大器完成對(duì)輸入信號(hào)的匹配，頻率特性均衡；音調(diào)控制放大器完成音調(diào)的調(diào)節(jié)；功率放大器完成功率輸出。在功能塊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將擴(kuò)音系統(tǒng)總增益分配到各單元增益設(shè)計(jì)中。 例如，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前向通道設(shè)計(jì)。通常劃分為輸入放大器

22、、濾波器、取樣保持電路、多路模擬開(kāi)關(guān)、AD轉(zhuǎn)換器等，每個(gè)功能塊是根據(jù)每個(gè)單元完成一個(gè)特定功能劃分。在采集系統(tǒng)的前向通道設(shè)計(jì)中，要把總誤差合理地分配到各功能塊。 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)：系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)需要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題，單元電路之間的耦合和整體電路的配合。 設(shè)計(jì)印刷電路板布線(xiàn)圖，考慮測(cè)試方案，設(shè)置測(cè)試點(diǎn)：由于模擬系統(tǒng)的特殊性，元件布置和印刷電路板布線(xiàn)顯得更為重要。例如，有用輸入信號(hào)很小，小到微伏級(jí)，且各單元電路大都處于線(xiàn)性工作狀態(tài)，對(duì)干擾的影響極為敏感。最終設(shè)計(jì)的模擬系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期要求，要經(jīng)過(guò)調(diào)試和測(cè)量才能得出。模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大差別： 模擬系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具少，器件種類(lèi)多，實(shí)際因

23、素影響大，其人工設(shè)計(jì)成分比數(shù)字系統(tǒng)大的多，對(duì)設(shè)計(jì)者的知識(shí)面和經(jīng)驗(yàn)要求高。 由于客觀環(huán)境的影響，模擬電路、特別是小信號(hào)、高精度電路以及高頻、高速電路的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)不可能單由理論設(shè)計(jì)解決。它們與實(shí)際環(huán)境、元器件性能、電路結(jié)構(gòu)等有著密切關(guān)系。因此在設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)時(shí)，不單單是設(shè)計(jì)電路，還要選用正確的元器件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)，如印刷板設(shè)計(jì)，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 3.基本單元模擬電路（1）放大器 集成運(yùn)算放大器、數(shù)據(jù)放大器、可編程數(shù)據(jù)放大器、隔離放 大器等（2）濾波器 有源濾波器、無(wú)源濾波器、高通濾波器、低通濾波器、LC濾波器、螺旋濾波器、聲表面波濾波器等（3）接口電路 A/D轉(zhuǎn)換器、 D/A轉(zhuǎn)換器、采樣保持電路、

24、傳感器電路、穩(wěn)壓電源等（4）電源電路 模擬線(xiàn)性穩(wěn)壓電源、數(shù)控穩(wěn)壓電源、數(shù)控穩(wěn)流電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源等（5）波形發(fā)生與變換電路波形發(fā)生電路：正弦波振蕩電路、非正弦波振蕩電路、石英晶體振蕩電路波形變換電路：正弦波變方波、方波變?nèi)遣ā⑷遣ㄗ兎讲?、三角波變正弦波、三角波變鋸齒波等4.模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例（1）設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓可調(diào)的數(shù)控直流電壓源，數(shù)碼管顯示輸出值。具體要求如下： 輸出電壓 220V之間，調(diào)節(jié)單位為0.1V； 電壓穩(wěn)定度（VO/V）小于0.2，紋波電壓小于10mV； 輸出電流 1A； 輸出電壓值由數(shù)碼管顯示，設(shè)置“”、“”鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減； 電源應(yīng)具有輸出短路保護(hù)和功率

25、器件的過(guò)熱保護(hù)功能。 （2）方案論證 方案一：根據(jù)任務(wù)要求，要求實(shí)現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字控制和數(shù)字顯示，考慮利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和邏輯電路控制常用的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。整流濾波電路調(diào)整管保護(hù)電路顯示單元誤差放大邏輯控制DAC輸出 邏輯控制部分若采用中小規(guī)模器件實(shí)現(xiàn)，繁瑣而且對(duì)可靠性及抗干擾能力會(huì)帶來(lái)一些影響。邏輯控制電路可以采用單片機(jī)，便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。 方案二： DAC可以很方便地實(shí)現(xiàn)程控電源的基本功能，DAC輸入的數(shù)字量可以由撥盤(pán)開(kāi)關(guān)設(shè)定或用單片機(jī)控制?？杉庸β史糯箅娐罚瑵M(mǎn)足系統(tǒng)要求。方案二的輸出部分不再用傳統(tǒng)的調(diào)整管。由于功放輸出的波形與DAC輸出波形相同，因此該系統(tǒng)可以很容易地實(shí)現(xiàn)具有功率輸

26、出的信號(hào)發(fā)生器。顯示單元功率放大數(shù)字量控制DAC輸出 方案三：設(shè)計(jì)任務(wù)中提出的輸出電壓、電流值不大，輸出電壓可調(diào)范圍不寬，因此直接選用集成三端穩(wěn)壓器，這類(lèi)芯片內(nèi)部都有過(guò)流和過(guò)熱的保護(hù)電路。例如W117，額定電流可達(dá)1.5A，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為1.237V，內(nèi)部有過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)電路。所以采用這種芯片為主體組成所要求的系統(tǒng)比較合理。六、微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.微機(jī)系統(tǒng)組成 以微機(jī)系統(tǒng)為核心，以人機(jī)通道、前向通道、后向通道和相互通道為橋梁，完成對(duì)被控對(duì)象的測(cè)控任務(wù)。微機(jī)主要是由CPU、ROM和RAM等部分組成，是微機(jī)的主要組成部分。微型計(jì)算機(jī)接口接口其他微機(jī)系統(tǒng)外部設(shè)備外部設(shè)備接口相互通道人機(jī)通道后向通道前向通道 人機(jī)通道一側(cè)的外部設(shè)備包括打印機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)以及軟、硬盤(pán)等。 右側(cè)信號(hào)形式有模擬量、數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量和脈沖量，這四種形式的信號(hào)有輸入信號(hào)也有輸出信號(hào)。 由模擬量傳感器、數(shù)字量傳感器、開(kāi)關(guān)量傳感器和脈沖量傳感器以及相應(yīng)的接口組成輸入通道，也稱(chēng)為前向通道。 輸出通道產(chǎn)生相應(yīng)的控制量：模擬量輸出、數(shù)字量輸出、開(kāi)關(guān)