電子系統(tǒng)設(shè)計概述

電子系統(tǒng)設(shè)計概述第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.電子系統(tǒng)概述復(fù)雜系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的層次性第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.電子系統(tǒng)概述1.1電子系統(tǒng)實例介紹《面向集群應(yīng)用的中央太陽能熱水器控制及管理系統(tǒng)》第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一《面向集群應(yīng)用的中央太陽能熱水器控制及管理系統(tǒng)》系統(tǒng)級設(shè)計用戶需求第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一《面向集群應(yīng)用的中央太陽能熱水器控制及管理系統(tǒng)》1、研發(fā)工程型太陽能熱水系統(tǒng)控制器2、研發(fā)分布監(jiān)測集中管理和控制的通訊技術(shù)3、研發(fā)區(qū)域級集中管理和控制軟件系統(tǒng)4、研發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的企業(yè)級管理與控制系統(tǒng)1、研發(fā)工程型太陽能熱水系統(tǒng)控制器系統(tǒng)級設(shè)計子系統(tǒng)級設(shè)計第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一工程型太陽能熱水系統(tǒng)原理框圖部件級設(shè)計子系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)原理框圖第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一工程型太陽能熱水系統(tǒng)控制器的技術(shù)需求第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一工程型太陽能熱水系統(tǒng)控制器的功能指標(biāo)1.功能需求：◎開機(jī)自檢◎時間顯示：北京時間◎斷電持續(xù)顯示、記憶功能◎水位預(yù)置、水溫預(yù)置◎水位顯示、溫度顯示◎定溫、溫差循環(huán)控制◎自動上水、強(qiáng)制上水◎自動、手動、定時輔助加熱控制◎缺水警報并自動上水◎回水恒溫控制◎漏電保護(hù)◎高溫、低溫（防凍）保護(hù)、防干燒保護(hù)第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2.技術(shù)指標(biāo)：

◎使用電源：220VAC功耗：﹤5W

◎測溫精度：±2℃

◎測溫范圍：0-99℃

◎控溫精度：±2℃

◎水位分檔：五檔

◎控制輸出功率：≥0.5kW

◎輔助加熱控制功率：≥3kW

◎漏電動作電流：≤10mA/0.1S

◎彩色液晶顯示屏低功率﹤0.1W。工程型太陽能熱水系統(tǒng)控制器的技術(shù)指標(biāo)第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一工程型太陽能熱水系統(tǒng)控制器的原理框圖第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一工程型太陽能熱水系統(tǒng)線控器原理框圖第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一MCU電路原理圖第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一電源電路原理圖第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一通信接口電路原理圖第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一電源線載波通信電路原理圖第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一LCD接口及背光控制電路原理圖第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一線控器PCB圖第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.2電子系統(tǒng)設(shè)計的基本原則（1）滿足系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)要求（2）電路簡單（3）電磁兼容好（4）可靠性高（5）系統(tǒng)集成度高（6）調(diào)試簡單方便（7）生產(chǎn)工藝簡單（8）操作簡便（9）性能價格比高第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.3電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法(1)自頂向下法(2)自底向上法(3)以自頂向下方法為主導(dǎo)，結(jié)合使用自底向上的方法第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.4設(shè)計文檔的作用

從設(shè)計步驟一開始，就要同時平行地建立設(shè)計文檔，即將每一步的設(shè)計思想、方案比較與選擇、分析計算結(jié)果、各層次上的最終設(shè)計圖紙等加以記錄，隨后整理編寫成結(jié)構(gòu)化、條理分明、文字簡練的文檔。

作為一個電子系統(tǒng)的設(shè)計人員必須牢記：沒有文檔的設(shè)計是無用的設(shè)計！

第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟一、選題原則：（1）明確設(shè)計任務(wù)，“即做什么？”（最好不能有知識盲點(diǎn)，即要能夠看懂題目的要求。（2）明確系統(tǒng)的功能和指標(biāo)，“即做到什么程度？”（基本要求和發(fā)揮部分，功能指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)）（3）明確是否具有完成設(shè)計所需的元器件、最小系統(tǒng)、開發(fā)工具、測量儀器儀表等條件。（4）充分地分析題目、一經(jīng)選定中途不更改。題目類型：電源類、無線通訊類、儀器儀表類、智能控制類、第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟二、系統(tǒng)方案論證（一）確定設(shè)計的可行性（1）原理的可行性？（2）功能模塊和元器件的可行性？（3）模塊間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?？?）測試的可行性？（5）設(shè)計、制作的可行性？（6）時間的可行性？第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟（二）明確方案的內(nèi)容（1）系統(tǒng)的外部特性①系統(tǒng)具有的主要功能？②引腳數(shù)量及功能？③輸入信號和輸出信號的形式？④輸入信號和輸出信號之間的相互關(guān)系？⑤測量儀器儀表及測量方法？二、系統(tǒng)方案論證第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟

（二）明確方案的內(nèi)容（2）系統(tǒng)的內(nèi)部特性①系統(tǒng)的基本工作原理？②系統(tǒng)的實現(xiàn)方法？（模擬、數(shù)字、混合）③系統(tǒng)原理框圖？硬件結(jié)構(gòu)？④系統(tǒng)的控制流程？軟件結(jié)構(gòu)？⑤子系統(tǒng)、部件之間的關(guān)系？接口？尺寸？安裝方法？二、系統(tǒng)方案論證第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟二、系統(tǒng)方案論證

（二）明確方案的內(nèi)容（3）測量方法和儀器儀表①儀器儀表的種類？②儀器儀表的精度？③測量參數(shù)形式？④測量方法？測試點(diǎn)？⑤測量數(shù)據(jù)記錄和處理？表格形式？數(shù)據(jù)處理工具？第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟三、安裝制作與調(diào)試

（1）安裝制作需要考慮的問題①安裝工具？②元器件選擇與采購？③最小系統(tǒng)的采用？微處理器？PLD?④PCB制作？低頻？高頻？數(shù)字？模擬？數(shù)?；旌?？EMC?⑤子系統(tǒng)、部件安裝制作的順序？第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟三、安裝制作與調(diào)試

（2）調(diào)試需要考慮的問題①調(diào)試參數(shù)？②調(diào)試方法？③調(diào)試需要的儀器儀表?④軟件硬件的協(xié)同？修改軟件？修改硬件?⑤測量數(shù)據(jù)的記錄和處理？第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1.5電子設(shè)計競賽的設(shè)計步驟設(shè)計要求系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案設(shè)計軟硬件功能分配軟件功能模塊MCU/PLD子系統(tǒng)/部件編程與調(diào)試設(shè)計報告電路PCB設(shè)計系統(tǒng)集成調(diào)試設(shè)計報告實物作品設(shè)計總結(jié)報告第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2電子系統(tǒng)設(shè)計實例分析

2.1設(shè)計實例 一、簡易數(shù)控直流電源（一）設(shè)計任務(wù)鍵盤數(shù)控部分輸出電路數(shù)字顯示自制穩(wěn)壓電源+15V-15V+5V~220V簡易數(shù)控直流電源原理框圖第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2電子系統(tǒng)設(shè)計實例分析（二）設(shè)計要求（1）基本要求①輸出電壓：范圍0～＋9.9V，步進(jìn)0.1V，紋波不大于10mV；

②輸出電流：500mA；

③輸出電壓值由數(shù)碼管顯示；

④由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減；

⑤為實現(xiàn)上述各部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，輸出±15V，＋5V。第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2電子系統(tǒng)設(shè)計實例分析（2）發(fā)揮部分

①輸出電壓可預(yù)置在0～9.9V之間的任意一個值；

②用自動掃描代替人工按鍵，實現(xiàn)輸出電壓變化（步進(jìn)0.1V不變）；

③擴(kuò)展輸出電壓種類（比如三角波等）。第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2電子系統(tǒng)設(shè)計實例分析二、直流穩(wěn)定電源

(1997年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題之一)（一）設(shè)計任務(wù)

設(shè)計并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源基本要求：（1）穩(wěn)壓電源在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍＋15%～－20%條件下：

a．輸出電壓可調(diào)范圍為+9V～+12V

b．最大輸出電流為1.5A第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一

c．電壓調(diào)整率≤0.2%（輸入電壓220V變化范圍＋15%～－20%下，空載到滿載）

d．負(fù)載調(diào)整率≤1%（最低輸入電壓下，滿載）

e．紋波電壓（峰-峰值）≤5mV（最低輸入電壓下，滿載）

f．效率≥40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）

g．具有過流及短路保護(hù)功能第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一（2）穩(wěn)流電源在輸入電壓固定為＋12V的條件下：

a．輸出電流：4～20mA可調(diào)

b．負(fù)載調(diào)整率≤1%（輸入電壓＋12V、負(fù)載電阻由200Ω～300Ω變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率）

（3）DC-DC變換器在輸入電壓為+9V～+12V條件下：

a．輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA

b．電壓調(diào)整率≤1%（輸入電壓變化范圍+9V～+12V）

c．負(fù)載調(diào)整率≤1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）

d．紋波電壓（峰-峰值）≤100mV（輸入電壓+9V下，滿載）第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一

發(fā)揮部分

（1）擴(kuò)充功能

a．排除短路故障后，自動恢復(fù)為正常狀態(tài)

b．過熱保護(hù)

c．防止開、關(guān)機(jī)時產(chǎn)生的“過沖”

（2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)

a．提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率

b．?dāng)U大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值

（3）改善DC-DC變換器

a．提高效率（在100V、100mA下）

b．提高輸出電壓

（4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2.2設(shè)計實例分析2.2.1方案論證（1）采用中小規(guī)模集成電路的簡易數(shù)控直流電源設(shè)計邏輯選通4011單穩(wěn)消抖4013可預(yù)置加減計數(shù)器40192BCD撥碼盤開關(guān)譯碼顯示4511D/A放大可調(diào)穩(wěn)壓脈沖源4060（8Hz)函數(shù)信號發(fā)生器電源AC220V+5V+15V-15V電壓輸出波形輸出按鍵預(yù)置第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2.2設(shè)計實例分析2.2.1方案論證（2）采用單片機(jī)的簡易數(shù)控直流電源設(shè)計鍵盤顯示單片機(jī)系統(tǒng)D/A放大電壓顯示7107電源AC220V+5V+12V-12V輸出鍵盤顯示接口8279電壓預(yù)置基準(zhǔn)電壓過流保護(hù)第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2.2電子系統(tǒng)設(shè)計選題分析1.4.2頻率特性測試儀(1999年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題之一)

1、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個頻率特性測試系統(tǒng)，包含測試信號源、被測網(wǎng)絡(luò)、檢波及顯示3個部分，如圖所示。第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1·4電子系統(tǒng)設(shè)計選題舉例22、設(shè)計要求(1)基本要求 ①制作幅頻特性測試儀

a、頻率范圍：l00Hz～100kHz；

b、頻率步進(jìn)量：l0Hz；

c、頻率穩(wěn)定度：l0-4；

d、測量精度：5％；

e、能在全頻范圍內(nèi)自動步進(jìn)測量，可手動預(yù)置測量范圍及步進(jìn)頻率值；

f、LED顯示，頻率顯示為5位，電壓顯示為3位，并能打印輸出。第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1·4電子系統(tǒng)設(shè)計選題舉例2、設(shè)計要求

(1)基本要求 ②制作一被測網(wǎng)絡(luò)

a、電路形式：阻容雙T網(wǎng)絡(luò)；

b、中心頻率：5kHz；

c、帶寬：±50Hz；

d、計算出網(wǎng)絡(luò)的幅頻和相頻特性，并繪制相位曲線；

e、用所制作的幅頻特性測試儀測試自制的被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1·4電子系統(tǒng)設(shè)計選題舉例22、設(shè)計要求

(2)發(fā)揮部分①制作相頻特性測試儀

a、頻率范圍：50Hz～l0kHz；

b、相位度數(shù)顯示：相位顯示值3位，另以1位作為符號顯示；

c、測量精度：3°。②用示波器顯示幅頻特性。③在示波器上同時顯示幅頻特性和相頻特性。④其他。第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一1·4電子系統(tǒng)設(shè)計選題舉例23、評分指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)項

目

得分

基本要求

方案設(shè)計與論證、理論計算與分析、電路圖

50

實際完成情況

50發(fā)揮部分

完成第一項

5

完成第二項

15

完成第三項

20第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一（1）控制模塊或芯片的選型：數(shù)字電路、MCU、ARM、DSP、PLD、SOPC、PC等。（2）功能模塊的選型：A/D、D/A、V/F、I/V、V/I、PGA、DC-DC、AC-DC、開關(guān)電容濾波器、射頻通訊模塊、功率放大模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊等。1.確定使用那些功能模塊或單元電路構(gòu)建系統(tǒng)第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一（3）模塊或單元電路的選型例如：微處理器處理數(shù)據(jù)的能力，可用I/O口的數(shù)量和性能，應(yīng)用程序的下載方式，時鐘頻率的典型值，供電電壓和功耗等；又如：A/DD/A的位數(shù)，轉(zhuǎn)換時間，基準(zhǔn)電壓值，控制端口的時序，AD輸出數(shù)據(jù)的形式等。第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一2.確定功能模塊之間的信號傳輸方式模擬信號的直接傳輸（阻抗匹配、耦合方式、電平偏移、抗干擾、CMR等）

模擬信號的間接傳輸（物理隔離、遠(yuǎn)距離傳輸）數(shù)字信號的直接傳輸（延時、正負(fù)邏輯、信號電平、傳輸協(xié)議、傳輸速率、傳輸距離、可靠性傳輸）數(shù)字信號的間接傳輸（物理隔離、遠(yuǎn)距離傳輸）第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期一明確系統(tǒng)端口的數(shù)量和類型

（1）輸入、輸出口的數(shù)量？接口、接插件、PCB

（2）輸入、輸出信號的類型？

模擬、數(shù)字、單端、差分、幅度、頻率、