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电子技术课程设计基础电子基础教学实验中心2010.9任课教师:CUIT参考书余小平奚大顺电子系统设计——基础篇北京航空航天大学出版社CUIT教学计划(电子、通信、大探)第一次课：基础知识的讲解及题目的分析要求下来查找资料设计单元电路第二次课：PROTEL软件的讲解2个学时，2个学时上机和检查单元电路设计。第三次课：课题单元电路及系统设计(一)第四次课：制PCB板及焊接第五次课：整机安装与调试第六次课：整机安装与调试及验收实验报告撰写在课外进行CUIT教学计划(控制学院)第一次课：基础知识的讲解及题目的分析要求下来查找资料设计单元电路第二次课：PROTEL软件的讲解2个学时，2个学时上机和检查单元电路设计。第三次课：课题单元电路及系统设计(一)第四次课：课题单元电路及系统设计(二)第五次课：制PCB板及焊接第六次课：整机安装与调试第七次课：整机安装与调试及验收第八次课：整机安装与调试及作品验收与答辩实验报告撰写在课外进行CUIT课程设计成绩评定标准及说明：成绩构成：方案选择与电路设计质量20％、作品制作质量30%、课题检查答辩20％、设计报告30％。注意：打分为百分制；缺席一次扣总分10分；一次座位未整理及仪器电源未关扣总分5分。成绩考核办法CUIT1.培养查阅资料的能力。2.培养工艺素质。3.培养市场素质。4.培养团队精神。5.培养综合设计和实践能力。课程目的：CUIT课程设计是电子信息类专业必修的一门技术基础课，是一门理论和实践紧密结合的课程。课程设计是利用基本电子电路原理，设计、制作出合乎要求的电子装置的过程。他是考察学生电子技术基本应用技能、实践创新能力的重要实践过程。主要侧重以下方面：设计内容具有实际意义和应用背景，并考虑到目前教学的基本内容和新技术的应用趋势。学习者综合运用基础知识进行理论设计的能力、创新精神和独立工作能力。1.1电子技术（系统）课程设计的性质和目的第一讲电子电路设计基础CUIT1.2电子技术（系统）设计的基本原则(1)满足系统功能和性能的要求。这是电子电路系统设计时必须满足的基本条件。(2)电路简单，成本低，体积小。系统集成技术是简化系统电路的最好方法。(3)电磁兼容性好。电磁兼容特性是现代电子电路的基本要求。(4)可靠性高、性价比高。(5)系统的集成度高、节能。(6)调试简单方便。(7)生产工艺简单。CUIT1.3电子技术系统设计步骤调查研究→方案选择与可行性论证→单元电路设计和元器件选择→生成PCB图→组装与调试→编写设计文档与总结报告CUIT1、明确系统设计任务和要求对设计任务分析，了解性能、指标、内容及要求。这点十分重要，充分理解题目的要求、每项指标的含义，这是完成综合设计和实验的前提。2、制订方案与构筑总体框图对于同一个题目，实现的方案可能是多个，实现的途径和技术路线也可能是多方面的。可以将不同的方案与途径加以对比。从中选择一种方案来实现。选择的原则一般是“相对容易，相对巧妙，性价比高”。1.4电子电路设计的设计方法—自顶向下CUITA．总体方案确定在全面分析电子系统任务书所下达的系统功能、技术指标后，根据已掌握的知识和资料，将总体系统功能合理的分解成若干个子系统（电路单元），并画出各个电路单元框图相互连接而形成的系统原理框图。在进行总体方案设计时，要多思考、多分析、多比较。要从性能稳定、工作可靠、电路简单、成本低、功耗小、调试维修方便等方面，选择出最佳方案。CUIT一旦方案选定，就着手构筑总体框图，将系统分解成若干个模块，明确每个模块的大体内容和任务、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。总体方案与框图十分重要，可以先来构建总体方案与框图，再将总体指标分配给各个模块，指挥与协调各模块的工作，以达到总体项目的完成。B．确定总体框图CUIT3、单元电路设计设计单元电路的一般方法和步骤如下：(1)根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对各单元电路的设计要求，拟定主要单元电路的性能指标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系。(2)拟定好各单元电路的要求后，按信号流程顺序分别设计各单元电路。CUIT（3）选择单元电路的组成形式。一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识，开阔眼界，（4）从已掌握的知识和了解的各种电路中选择一个合适的电路。如确实找不到性能指标完全满足要求的电路时，也可选用与设计要求比较接近的电路，然后调整电路参数。（5）在单元电路的设计中特别要注意保证各功能块协调一致地工作。CUIT此外还要注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到各单元电路的供电电源尽可能统一，以便使整个电子系统简单可靠。另外，尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能。有时找不到完全满足要求的现成电路，可在与设计要求比较接近的某电路基础上适当改进，或自己进行创造性设计。为了使电子系统的体积小，可靠性高，电路单元尽可能用集成电路组成。CUIT为保证单元电路达到功能指标要求，常需计算某些参数。例如放大器电路中各电阻值、放大倍数，振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。一般来说，计算参数应注意以下几点：(1)各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许的范围内，并留有适当的裕量.(2)对于环境温度、交流电网电压等工作条件，计算参数时应按最不利的情况考虑。4、参数计算CUIT（3）涉及元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般按1.5倍左右考虑。（4）对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值。电阻值一般在1M欧姆内选择；非电解电容器一般在100pF～0.47uF选择；电解电容一般在1uF～2000uF范围内选用。（5）在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。CUIT随着计算机的普及和EDA技术的发展，电子电路设计中的实验演变为仿真和实验相结合。仿真具有下列优越之处：(1)对电路中只能依据经验来确定的元器件参数，用电路仿真的方法很容易确定，而且电路的参数容易调整。(2)由于设计的电路中可能存在错误，或者在搭接电路时出错，可能损坏元器件，或者在调试中损坏仪器，从而造成经济损失。而电路仿真中也会损坏元器件或仪器，但不会造成经济损失。(3)电路仿真不受工作场地、仪器设备、元器件品种、数量的限制。5、计算机仿真和实验验证CUIT尽管电路仿真有诸多优点，但其仍然不能完全代替实验。对于电路中关键部分或采用新技术、新电路、新器件的部分，一定要进行实验最终确定可行方案。仿真和实验验证要完成以下任务：①检查各元器件的性能、参数、质量能否满足设计要求。②检查各单元电路的功能和指标是否达到设计要求。③检查各个接口电路是否起到应有的作用。④把各单元电路组合起来，检查总体电路的功能、性能是否最佳。CUIT电子系统是指由电子元件和电子单元电路相互连接、相互作用而形成的电路整体，能按特定的控制信号，去执行所设想的功能。(1)模拟电子系统模拟电子系统的主要功能是对模拟信号进行检测、处理、变换和产生。模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定的动态范围内可能任意取值。这些信号可以是电量（如电压、电流等），也可以是来自传感器的非电量（如应变、温度、压力、流量等）。组成模拟电子系统的主要单元电路有放大电路、滤波电路、信号变换电路、驱动电路等。图2.1.1为低频功率扩音系统方框图，它由话筒、音频放大器、扬声器和电源组成。6、模拟、数字电路系统设计要点CUIT话筒放大器喇叭(2)数字电子系统由若干数字电路和逻辑部件组成，处理及传送数字信号的设备称为数字系统。数字信号的特点是不随时间作连续变化。一个复杂的数字电子系统可分解为控制器加若干个子系统。这些子系统完成的逻辑功能比较单一，一般由中、大规模集成电路实现，如存储器、译码器、数据选择器、加法器、比较器、计数器等。数字电子系统中必须要有控制器，控制器的主要功能是来管理各个子系统之间的互相操作，使它们有条不紊地按规定的顺序操作。CUIT控制器子系统1子系统N外部输入操作输出(3)模拟—数字电子混合系统简单地说，包含有模拟电子电路和数字电子电路组成的电子系统称之为混合电子系统。在过程控制和各种仪器仪表中，完成对如温度、压力、流量、速度等物理量的控制、测量、显示等功能，需要模拟—数字混合电子系统来实现。CUIT测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号经放大、滤波，送入模数转换电路，经A/D转换器把电压信号转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理机系统根据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制电力电子电路的电流大小，从而调整水温高低。加热炉温度检测信号处理采样—保持A/D变换计算机控制D/A变换功率控制CUIT(4)数字电子系统设计的一般方法数字系统的规模差异很大，对于比较小的数字系统可采用所谓经典法设计。即根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路图，最后用小规模电路实现。例如目前正迅速普及的ISP（在系统编程）可编程逻辑器件的出现，给数字系统设计带来了革命性的变化。硬件设计变得像软件一样易于修改，且要改变一个设计方案，通过设计工具软件在计算机上数分钟内即可完成。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统的设计周期，而且还根除了对器件单独编程的环节，省去了器件编程设备。CUIT数字电路设计与实现方法小规模数字集成电路采用TTL或者CMOS小规模器件电路复杂,设计周期长小规模数字集成电路+PLDPLD（ProgrammableLogicDevice）FPGA+外围芯片FPGA(FieldProgrammableArray)CUIT数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、被控电路和电源等。数字系统设计首先要做的是明确系统的任务、所要达到的技术性能、精度指标、输入输出设备、应用环境以及有哪些特殊要求等。②确定总体方案明确了系统性能以后，应考虑如何实现这些技术功能，即采用哪种电路来完成它。对于比较简单的系统，可采用中、小规模集成电路实现；对于输入逻辑变量比较多、逻辑表达式比较复杂的系统，可采用大规模可编程逻辑器件完成；对于需要完成复杂的算术运算、进行多路数据采集、处理、控制的系统，可采用单片机系统实现。目前对于处理复杂的数字系统最佳方案是大规模可编程逻辑器件加单片机，这可大大简化设计成本，提高可靠性。①充分分析系统功能要求CUIT③逻辑功能划分一般先将系统划分为信息处理和控制电路两部分；然后根据信息处理电路的功能要求将其分成若干个功能模块。控制电路是整个数字系统的核心，它根据外部输入信号及受其控制的信息处理电路来的状态信号，产生受控电路的控制信号。常用的控制电路有如下三种：移位型控制器、计数型控制器和微处理器控制器；一般根据完成控制对象的复杂程度，可灵活选择控制器形式。④单元电路设计在全面分析各模块功能类型后，应选择出合适的器件并设计出电路。在设计电路时，应充分考虑能否用ASIC器件实现某些逻辑单元电路，这样可大大简化逻辑设计，提高系统的可靠性和减小PCB体积。CUIT⑤系统电路综合在各单元电路模块和控制电路达到预期要求以后，可把各个部分电路连接起来，构成整个电路系统，并对该系统进行功能测试。测试主要包含三部分工作：系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试。若系统有一项不符合要求，则必须修改电路设计。CUIT选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面来考虑。所谓“需要什么”是指根据具体问题的要求所选择的方案需要什么样的元器件，即每个元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标。所谓“有什么”是指有哪些元器件，哪些在市场上能买得到，它们的性能如何、价格如何、体积多大等。众所周知，电子元器件的种类繁多，而且不断出现新产品，这就需要用户经常关心元器件的新信息和新动向，多查资料。大量了解各种元器件特性、规格、参数、价格。一般