現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用專題-副本

1、分 數(shù): _ 任課教師簽字：_ 華北電力大學(xué)研究生結(jié)課作業(yè)學(xué) 年 學(xué) 期： 2015-2016第二學(xué)期名 稱： 現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用專題學(xué) 生 姓 名： 張文正學(xué) 號(hào)： 2132215061提 交 時(shí) 間： 2014年6月20日現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用專題結(jié)課報(bào)告1、現(xiàn)代電子系統(tǒng) 電子系統(tǒng)通常是指有若干相互連接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體。具體而言就是由電子元器件或部件組成的能夠產(chǎn)生、傳輸或處理電信號(hào)及信息的客觀實(shí)體。常提到的控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等都屬于電子系統(tǒng)的范疇。1.1 現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成 電子系統(tǒng)分為模擬型和數(shù)字型或兩者兼而有之的混合型電子系統(tǒng)，無

2、論哪一種形式的電子系統(tǒng)，它們都是能夠完成某種任務(wù)的電子設(shè)備。一般把規(guī)模較，功能單一的稱為單元電路。而功能復(fù)雜，由若干個(gè)單元電路(功能塊)組成規(guī)模較大的電子電路稱為電子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)通常由信息獲?。ㄝ斎腚娐罚?、預(yù)處理、信號(hào)處理、信號(hào)執(zhí)行（輸出電路）、主控模塊、電源模塊六大部分組成（如圖1所示）。圖1 現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成1）獲取信息：包括開關(guān)、傳感器、天線、以及輸入部分，主要通過傳感器或輸入電路，將外界信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與信號(hào)源間的耦合匹配。2）預(yù)處理：主要解決信號(hào)的放大、衰減、濾波、去抖動(dòng)等，即通常所說的“信號(hào)調(diào)理”，經(jīng)預(yù)處理的信號(hào)在幅度和其他諸多方面都比較適合于進(jìn)一步的分析和處理。3）

3、信號(hào)處理：主要完成信號(hào)和信息的采集、分析、計(jì)算、變換、傳輸和決策等，是整個(gè)電路的核心部分。4）信號(hào)執(zhí)行：主要包括處理信號(hào)顯示負(fù)載的驅(qū)動(dòng)及輸出電路等。5） 控制模塊：主要完成對(duì)各部分動(dòng)作的控制，使各部分能協(xié)調(diào)有序地工作。6）電源模塊：是電子系統(tǒng)中必不可少的部分，目前電源基本上都采用標(biāo)準(zhǔn)化電路，有許多成品可供選擇。1.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的特點(diǎn)1）模擬電路在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中占有重要地位數(shù)字電路占主要地位，但模擬電路必不可少。模擬電路和數(shù)字電路并存由于自然界的物理量大多以模擬量的形式存在，所以系統(tǒng)中模擬電路一般必不可少，特別是輸入電路部分、信號(hào)調(diào)理部分和輸出電路部分。數(shù)字化具有諸多優(yōu)點(diǎn)，故數(shù)字電路在電子系統(tǒng)

4、中占有極為重要的地位。從模擬量到數(shù)字量，或從數(shù)字量重新回到模擬量，A/D和D/A轉(zhuǎn)換作為兩者的橋梁已成為電子系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。2）數(shù)字化是大的趨勢(shì)對(duì)于規(guī)模較大的數(shù)字電路，固定的中小規(guī)模器件幾乎已被可編程器件（CPLD和FPGA等）所代替。數(shù)字化是大的趨勢(shì)，永遠(yuǎn)會(huì)朝著這個(gè)方向走。但永遠(yuǎn)不會(huì)代替模電。3）DSP、MCU已經(jīng)成為核心器件微處理技術(shù)和軟件所占的分量越來越重嵌入式系統(tǒng)、微處理器(CPU)成DSP已成為系統(tǒng)中控制和信號(hào)處理的核心。軟件設(shè)計(jì)可使系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、多功能化變得容易實(shí)現(xiàn)，軟件可使硬件簡(jiǎn)化，成本降低。4）軟件化軟、硬件相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)嵌入系統(tǒng)集成器件及相關(guān)的外圍器件構(gòu)成了現(xiàn)代電

5、子系統(tǒng)的硬件環(huán)境。而軟件所占的比重越來越大，VHDL語言用以描述硬件，使之軟件化。1.2 電子系統(tǒng)未來的轉(zhuǎn)移方向1) 分立集成盡量少用分立元件，采用集成電路，盡量少用諸如三極管、二極管、電阻等分立元件。 采用集成電路后，解決了大量的晶體管連接元件的銜接點(diǎn)出現(xiàn)焊接不良、布線錯(cuò)誤的問題，從而提高產(chǎn)品的可靠性。同時(shí)采用集成電路后，可以使產(chǎn)品體積小、重量輕。這符合現(xiàn)代電 子產(chǎn)品在體積、重量方面的要求。2）模擬數(shù)字盡量少用模擬電路，模擬信號(hào)在長距離傳輸和多次加工、放大過程中信號(hào)電流的波形會(huì)改變，使信號(hào)失去一些信息，表現(xiàn)為聲音、圖像失真，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)信號(hào)中斷。數(shù)字信號(hào)形式簡(jiǎn)單，抗干擾能力

6、強(qiáng)，可以進(jìn)行加密。3）固定器件可編程器件盡量少用固定器件，采用可編程器件提供了一些優(yōu)于固定邏輯器件的重要優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中為客戶提供了更大的靈活性，設(shè)計(jì)反復(fù)只需要簡(jiǎn)單地改變編程文件就可以了，而且設(shè)計(jì)改變的結(jié)果可立即在工作器件中看到等。2 電子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1選題選題要考慮實(shí)用性、先進(jìn)性、可行性等因素，同時(shí)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的成本核算。2.2 方案的論證在進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，要仔細(xì)研究電子系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境因素等，與可以達(dá)到的技術(shù)水平、設(shè)備、資金的擁有量、必要的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、必備的元器件來源以及投入的人力和規(guī)定的完成時(shí)間等條件相比較，在此基礎(chǔ)上確立總體方案的可行性。2.3 總體方案的實(shí)現(xiàn)1）

7、方法：仿真，利用仿真初步判斷系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)先提出的要求，并加以改進(jìn)。2）借鑒：查閱資料，國內(nèi)外專利，打開思路；實(shí)地走訪，了解需求。3）集成創(chuàng)新：集成創(chuàng)新：可以將新的器件融入到設(shè)計(jì)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)所要求的功能。2.4 器件的選擇了解所需芯片的功能、運(yùn)行速度、精度、價(jià)格，當(dāng)然還需要包括使用環(huán)境，合理選擇器件，滿足整體需求。2.5 分塊調(diào)試與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)1）SCH原理圖2）PCB制版3）分塊調(diào)試 A:電源部分 B:CPU部分最小系統(tǒng) C:輸入模塊，輸出串口4）聯(lián)調(diào)5）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)6）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2.6 文件整理及設(shè)計(jì)報(bào)告完成所有工作以后，整理文件并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，詳細(xì)描述所達(dá)到的要求，仍然存在的問題等。3電阻、電容、

8、電感3.1電阻器電阻器是指用電阻材料制成的、有一定結(jié)構(gòu)形式、能在電路中起限制電流通過作用的二端電子元件。1）電阻參數(shù) 電阻器的主要參數(shù)有標(biāo)稱阻值、標(biāo)稱功率、精度、溫漂。常用電阻的組織系列有1%、5%、10%；常用的電阻器功率標(biāo)稱值有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W等；精度有0.1%、0.01%等；溫度漂移1PPM是指溫度變化一度所引起的阻值相對(duì)變化了百萬分之一。2）電阻種類 按材料分，有碳膜電阻、水泥電阻、金屬膜電阻和線繞電阻等不同類型。3.2電容電容（或稱電容量）是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。1）電容參數(shù)電容參數(shù)主要有容值、溫漂。容值包括33uF、77 uF、100 u

9、F、220 uF等系列；電容溫漂很大，世界上最好的電容溫漂是30PPM.2）漏電問題電容介質(zhì)不可能絕對(duì)不導(dǎo)電，當(dāng)電容加上直流電壓時(shí)，電容器會(huì)有漏電流產(chǎn)生。若漏電流太大，電容器就會(huì)發(fā)熱損壞。常用的電解電容容量大、體積小，存在漏電大的問題，用漏電流表示其絕緣性能（與容量成正比）。除電解電容外，其他電容器的漏電流是極小的，用絕緣電阻參數(shù)來表示其絕緣性能。3.3電感電感器具有通直流隔交流的元件。電感器的主要參數(shù)有電感量、允許偏差（精度）、品質(zhì)因數(shù)、分布電容及額定電流等。電感量：也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。電感量的基本單位是亨（H）。允許偏差：是指電感器上標(biāo)稱的電感量與其實(shí)際電

10、感量的允許偏差范圍。品質(zhì)因數(shù)：品質(zhì)因數(shù)也稱Q值，是衡量電感器質(zhì)量的主要參數(shù)，它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小。額定電流：指電感器正常工作時(shí)所允許通過的最大電流值。若工作電流超過額定電流，則電感器就會(huì)因發(fā)熱而使性能參數(shù)發(fā)生改變，甚至還會(huì)因過流而燒毀。4高精度的數(shù)據(jù)采集4.1影響測(cè)量精度的因素1）傳感器2）電路：A/D轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)源、溫漂4.2討論1）A/D選擇 A/D是數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多、性能各異，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先碰到的就是如何選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的問題

11、。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越高、價(jià)格越貴。 目前，大多數(shù)測(cè)量裝置的精度值不小于01%0.5%，故A/D轉(zhuǎn)換器的精度取0.05%0。1%即可，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為1011位，加上符號(hào)位，即為1112位。當(dāng)有特殊的應(yīng)用時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器要求更多的位數(shù)，這時(shí)往往可采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案。A/D轉(zhuǎn)換電路的種類很多，例如，逐次逼近型、雙積分型、和差A(yù)D等等。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度低。和差A(yù)D精度高、速度低。2）電壓基準(zhǔn)源理想的電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該具有完美的初始精度，并且在負(fù)載電流、溫度和時(shí)間

12、變化時(shí)電壓保持穩(wěn)定不變。實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員必須在初始電壓精度、電壓溫漂、遲滯以及供出/吸入電流的能力、靜態(tài)電流(即功率消耗)、長期穩(wěn)定性、噪聲和成本等指標(biāo)中進(jìn)行權(quán)衡與折衷。3）溫漂問題為了減小溫漂，采用一些補(bǔ)償措施在一定程度上抵消或減小其輸出的溫漂，一般采用軟件的方法進(jìn)行修正。4）傳輸過程電流信號(hào)遠(yuǎn)傳時(shí)不容易被干擾，但是電壓信號(hào)易受干擾，引起誤差。5）噪聲問題高精度測(cè)量還需要考慮噪聲問題。4.3比例測(cè)量法“以動(dòng)制動(dòng)”，其原則是盡量減少影響測(cè)量精度的器件，常用于測(cè)量壓力、溫度，傳感器一般是電阻器件的情形。5低功耗電子電路設(shè)計(jì)原則5.1 CMOS集成電路的功耗分析CMOS電路中有兩種主要的功耗來

13、源:靜態(tài)功 耗和動(dòng)態(tài)功耗。其中,動(dòng)態(tài)功耗包括短路電流引起的功耗(稱為直流開關(guān)功耗或短路功耗,發(fā)生在躍變過程中雙管同時(shí)導(dǎo)通引起的瞬態(tài)電流而形成的功耗)和負(fù)載電容的功耗(稱為交流開關(guān)功耗,由對(duì)負(fù)載電容充放電電流引起的功耗);靜態(tài)功耗主要是由漏電流引起的功耗。5.2低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則：1）選擇CPU：430系列，電池供電最清潔，但是對(duì)靜電比較敏感，易受到電磁干擾。2）外圍器件：CPU實(shí)際耗電比較小，但是外圍電路需要耗費(fèi)大量電量，比如模擬運(yùn)放、顯示器等，應(yīng)當(dāng)合理選擇外圍器件。3）電源管理硬件，選擇合適的電源供電。4）運(yùn)行管理模式：?jiǎn)纹瑱C(jī)在工作和休眠時(shí)耗電量不同。6波形產(chǎn)生器波形發(fā)

14、生器是一種數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器，在調(diào)試硬件時(shí)，常常需要加入一些信號(hào)，以觀察電路工作是否正常。6.1波形分類波形的種類很多，不同的波形有不同的定義和測(cè)量方法。正弦波形是在時(shí)域中定義的，但其波形失真參數(shù)卻用正弦波形通過傅里葉變換后在頻域中各諧波分量相對(duì)于基波幅度的大小來表示（見失真度測(cè)量）；鋸齒波的非線性是指實(shí)際波形偏離理想直線的程度，速率較低的鋸齒波的非線性可用等間隔精密采樣的方法進(jìn)行測(cè)量；脈沖波形測(cè)量的內(nèi)容較多。6.2波形產(chǎn)生電路分類振蕩器的種類很多，按信號(hào)的波形來分，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。正弦波振蕩器產(chǎn)生的波形非常接近于正弦波或余弦波，且振蕩頻率比較穩(wěn)定；非正弦波振蕩器產(chǎn)生的波形是非

15、正弦的脈沖波形，如方波、矩形波、鋸齒波等。非正弦振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。在正弦波振蕩器中，主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路稱為RC振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz1MHz的低頻信號(hào)。LC振蕩電路，是指用電感L、電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路，用于產(chǎn)生高頻正弦波信號(hào)。晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。這幾種電路，以石英晶體振蕩器的頻率最穩(wěn)定，LC電路次之，RC電路最差。6.3DDS直接數(shù)字合成直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術(shù)，通過控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率、不同波形信號(hào)的一種頻率合成方法。DDS 的基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、正弦ROM 表、D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。直接數(shù)字頻率合成（DDS）是近年來發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)帶寬很大，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短（可小于20 ns），頻率分辨率很高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)可調(diào)，且