電子系統(tǒng)設(shè)計概論

電子系統(tǒng)設(shè)計

馬利

課程主要內(nèi)容電子系統(tǒng)設(shè)計導論常用傳感器及其應用電路模擬系統(tǒng)及其根本單元模擬設(shè)計中的EDA技術(shù)。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計DSP原理及結(jié)構(gòu)單片機應用系統(tǒng)設(shè)計電子系統(tǒng)工程實現(xiàn)中的問題電子系統(tǒng)設(shè)計舉例前言第一章電子系統(tǒng)設(shè)計導論1.1電子系統(tǒng)概述一、電子系統(tǒng)的定義系統(tǒng)：由兩個以上各不相同且互相聯(lián)系、互相制約的單元組成的、在給定環(huán)境下能夠完成一定功能的綜合體。系統(tǒng)的根本特征：在功能與結(jié)構(gòu)上具有綜合性、層次性和復雜性。電子系統(tǒng)：通常將由電子元器件或部件組成的能夠產(chǎn)生、傳輸或處理電信號及信息的客觀實體稱為電子系統(tǒng)。二、電子系統(tǒng)的分類及舉例1、按其功能可分為：

測控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、家電系統(tǒng)2、典型電子系統(tǒng)舉例移動包括發(fā)射機、接收機、微型計算機、音頻及數(shù)字信號處理、 SIM卡等子系統(tǒng)。電池與電源模塊GSM900的子系統(tǒng)傳感器效勞對象DSP與I/O接口無線發(fā)射與接收(RF)微處理器(MPU)與數(shù)據(jù)存儲器3、構(gòu)成電子系統(tǒng)的子系統(tǒng)的根本類型模擬子系統(tǒng)數(shù)字子系統(tǒng)模擬、數(shù)字混合子系統(tǒng)微機子系統(tǒng)DSP〔數(shù)字信號處理〕子系統(tǒng)1.2電子系統(tǒng)的設(shè)計電子系統(tǒng)設(shè)計的根本原那么1.滿足功能要求和技術(shù)指標。2.可靠性高。3.電路盡量簡單,力爭本錢低。4.性能價格比高。5.集成度高。(盡量啟用IC塊或大規(guī)模IC塊)6.電磁兼容性好(抗干擾,抗污染)。7.生產(chǎn)工藝簡單。8.調(diào)試簡易。9.操作簡易。一、電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法1、自頂向下法根據(jù)原始設(shè)計指標或用戶的需求，將系統(tǒng)的功能〔或行為〕全面、準確地描述出來，也即將系統(tǒng)的輸入／輸出關(guān)系全面、準確地描述出來，然后進行子系統(tǒng)級設(shè)計。完成子系統(tǒng)的劃分、定義和互連后，設(shè)計或者選用一些部件去組成實現(xiàn)既定功能的子系統(tǒng)。自頂向下法優(yōu)點必須遵循以下原那么：〔1〕正確性和完備性原那么〔2〕模塊化、結(jié)構(gòu)化原那么〔3〕問題不下放原那么〔4〕高層主導原那么〔5〕直觀性、清晰性原那么2、自底向上法

根據(jù)要實現(xiàn)的系統(tǒng)的各個功能的要求，首先從現(xiàn)有的可用的元件中選出合用的，設(shè)計成一個個的部件，當一個部件不能直接實現(xiàn)系統(tǒng)的某個功能時，就需要設(shè)計由多個部件組成的子系統(tǒng)去實現(xiàn)該功能，上述過程一直進行到系統(tǒng)所要求的全部功能都實現(xiàn)為止。3、以自頂向下方法為主導，齊結(jié)合使用自底向上的方法

近代的系統(tǒng)設(shè)計中，為了實現(xiàn)設(shè)計重用以及對系統(tǒng)進行模塊化測試，通常采用以自頂向下方法為主導，并結(jié)合使用自底向上的方法。這種方法既能保證實現(xiàn)系統(tǒng)化的、清晰易懂的以及可靠性高、可維護性好的設(shè)計，又能減少設(shè)計的重復勞動，提高設(shè)計生產(chǎn)率。二、電子系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟一個完整的電子系統(tǒng)設(shè)計過程，均是由頂層〔系統(tǒng)級〕從行為域出發(fā)，沿Y圖以一種向心式螺旋線行跡逆時針旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈下降一層，直至底層〔元件級〕的設(shè)計全部完成為止。不管在哪一級〔層〕上逆時針轉(zhuǎn)一圈，均要經(jīng)歷3個設(shè)計步驟：〔1〕行為描述與設(shè)計；〔2〕結(jié)構(gòu)描述與設(shè)計；〔3〕物理描述與設(shè)計。

電子系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟

〔1〕行為描述與設(shè)計：系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件或元件諸單元的功能〔常用輸入／輸出關(guān)系來描述〕?！?〕結(jié)構(gòu)描述與設(shè)計：為實現(xiàn)相應功能所用的單元以及單元之間的互連方式。

〔3〕物理描述與設(shè)計：實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的具體形式、技術(shù)與工藝〔包括單元的物理類型、布局的幾何式樣、尺寸、位置和裝配方法等〕。

強調(diào)：設(shè)計過程中必須適時地進行正確性驗證。三、傳統(tǒng)手工設(shè)計步驟1、審題通過審題對給定任務或設(shè)計課題進行具體的分析，以明確所要設(shè)計的系統(tǒng)的功能、性能、技術(shù)指標及要求。2、方案選擇與可行性論證把系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能分配給假設(shè)干個單元電路，并畫出一個能表示各單元功能的整機原理框圖。3、單元電路的設(shè)計、參數(shù)計算和元器件選擇

首先，要對各個單元電路可能的組成形式進行分析、比較。確定單元電路的形式之后，就可選擇元器件；然后根據(jù)某種原那么或依據(jù)先確定好單元電路中局部元件的參數(shù)，再去計算其余的元件參數(shù)和電路參數(shù)〔如放大倍數(shù)、振蕩頻率等〕。單元電路設(shè)計

必須明確對各單元電路的具體要求，詳細擬定出單元電路的性能指標，認真考慮各單元之間的相互關(guān)系，注意前后級單元之間信號的傳遞方式和匹配，盡量少用或者不用電平轉(zhuǎn)換之類的接口電路，并考慮到各單元電路的供電電源盡可能統(tǒng)一。參數(shù)設(shè)計應根據(jù)電路的性能指標要求決定電路元器件的參數(shù)。計算電路參數(shù)時應注意(1)在計算元器件工作電流、電壓和功率等參數(shù)時，應考慮工作條件最不利的情況，并留有適當?shù)挠嗔?。?〕對于元器件的極性參數(shù)必須留有足夠的裕量，一般取1.5~2倍的額定值?！?〕對于電阻、電容的參數(shù)取值，應選計算值附近的標稱值。電阻值一般在1MΩ內(nèi)選擇；非電解電容一般在10uF~0.47uF選擇；電解電容一般在1uF~2000uF范圍內(nèi)選擇?！?〕在保證電路到達功能指標要求的前提下，盡量減少元器件的品種、價格、體積。元器件選擇的原那么應根據(jù)電路處理信號的頻率范圍、環(huán)境溫度、空間大小、本錢上下等諸多因素全面考慮?！?〕一般優(yōu)先選擇集成電路；〔2〕電阻和電容是最常見的器件；〔3〕分立半導體元件的選擇。首先熟悉它們的功能，掌握它們的應用范圍；根據(jù)電路的功能要求和元器件在電路中的工作條件，確定元器件型號。4、組裝與調(diào)試將設(shè)計的系統(tǒng)在面包板上進行組裝，并用儀器進行測試，發(fā)現(xiàn)問題時隨時修改，直到所要求的功能和性能指標全部符合要求為止。5、編寫設(shè)計文檔與總結(jié)報告文檔的具體內(nèi)容：①系統(tǒng)的設(shè)計要求與技術(shù)指標確實定；②方案選擇與可行性論證；③單元電路的設(shè)計、參數(shù)計算和元器件選擇；④參考資料目錄。

總結(jié)報告內(nèi)容應包括：①設(shè)計工作的進程記錄；②原始設(shè)計修改局部的說明；③實際電路圖、實物布置圖、實用程序清單等；④功能與指標測試結(jié)果〔含使用的測試儀器型號與規(guī)格〕；⑤系統(tǒng)的操作使用說明；⑥存在問題及改進方向等。四、電子系統(tǒng)設(shè)計的EDA方法1、用EDA工具設(shè)計電子系統(tǒng)的流程〔P13圖1.9〕2、IT產(chǎn)品的典型開發(fā)流程〔P14圖1.10〕1.3各種電子系統(tǒng)設(shè)計步驟綜述一、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計步驟1、明確設(shè)計要求〔完成系統(tǒng)功能示意框圖〕；2、確定系統(tǒng)方案〔完成系統(tǒng)總體方框圖——將控制器與受控器分開，擬定系統(tǒng)的詳細算法狀態(tài)機〔ASM〕流圖〕；3、受控器設(shè)計；4、控制器設(shè)計；5、工程實現(xiàn)與調(diào)試。二、模擬系統(tǒng)設(shè)計步驟1、任務分析、方案比較、確定總體方案；2、將系統(tǒng)劃分為假設(shè)干相對獨立的功能塊，畫出系統(tǒng)的總體組成框圖；3、以實現(xiàn)各功能塊的集成電路為中心，通過選擇和計算完成各個功能單元外接電路與元件的配置；．

4、單元之間耦合的核算及電路的整體配合與調(diào)整，以得到一個比較切合實際的系統(tǒng)整體電原理圖；5、根據(jù)第3、4步的結(jié)果，重新核算系統(tǒng)的主要指標，檢查是否．滿足要求且留有一定余地；6、畫出系統(tǒng)元器件布置圖和印刷電路板的布線圖，并考慮其測試方案，設(shè)置相關(guān)的測試點。三、以微機〔單片機〕為核心的電子系統(tǒng)的設(shè)計步驟1、確定任務，完成總體設(shè)計①確定系統(tǒng)功能指標，編寫設(shè)計任務書；