电路系统课件研一上第一章

1、信息的电子化处理在科学技术的发展中占有重要的地位，在各学科的研究与应用开发中，电子信息处理都是不可缺少的基本手段。由于电子技术的不断发展，现代电子系统所采用的技术越来越先进，功能越来越强、结构越来越复杂。因而对电子系统的设计人员提出了更高的要求。作为一个高素质的设计人员应具备扎实的基础知识和开阔的思路，具有发现问题、提出问题、解决问题的能力。本章从系统设计的角度，提出了设计现代电子系统需解决的几个问题，讲述的要点为：zzzz现代电子系统的特征 电子系统的构成与实现电子系统的设计方法与设计流程系统设计人员应具备的素质1.1概述1.1.1 问题的提出人类已进入了信息时代，信息在科学技术的发展中占有

2、重要的地位。由于电子技术和计算机技术的发展，使信息的电子化处理成为可能。在各学科的研究与应用开发中，电子信息处理是不可缺少的基本手段。各种信号（振动、压力、温度、湿度、光、生物电、气体浓度等）都可转换为电信号，并利用电子信息科学的方法对其进行处理。由于电子技术的迅速发展，电子系统的应用领域日益扩大，除了传统的应用领域，如工业自动控制、通信系统、计算机系统、电子测量系统外，医疗电子、信息家电、汽车电子等已成为新的经济增长点。这些应用系统在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。设计高性能、高可靠性的电子系统已成为电子设计人员必须掌握的一门技术，而在设计的过程中，如何缩短设计周期、降低设计成

3、本已成为衡量设计人员能力的标准之一。电子系统指由电子元件或部件组成的，能产生、传输、处理电信号及信息的系统。电子系统的设计可从基本的电子电路、信息处理方法与技术以及设计方法- 1 -三个方面考虑。在电子系统的方案制定之后，必须采用具体的电路和器件实施方案，电路与器件是构成系统的基本要素，基本电路与器件包括了模拟电路、数字电路以及微控制器。电子信息科学与技术、集成电路技术、计算机技术的迅速发展，模拟电子向数字电子、固定的数字硬件向可编程的数字硬件转移，使数字器件及微控制器更受到人们的重视，并导致电子信息系统的实现方法有了重大进展，可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式处理器等新的器件构成系统的

4、方法正逐步取代由分立元件、单元电路组合成信息系统的方法。随着微电子技术、半导体工艺、 ASIC 的发展，采用 ASIC 方式来设计电子系统，可实现高品质、低成本和高可靠性，片上系统（SOC）的实现将进一步推动电子系统设计技术的发展。信息处理方法包括电路理论、信号与系统、数字信号处理、自动控制原理等范畴，信息处理方法的发展，使信号的提取和处理方法有了飞跃的发展。信号处理由模拟的方法发展到数字的方法，时间域、频率域处理等各种新的理论和方法不断涌现，现代的实验方法对各类数据和信息进行处理已逐步取代传统的处理方法。从技术的层面，随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展，使电子与信息产品更多的依赖于计

5、算机，近年来，嵌入式芯片、DSP、SOPC 技术的发展，使信息系统的实现有了更多的选择。此外集成电路设计、网络技术、数码技术等也对电子系统的设计起了推动作用。电子系统的实现与器件的使用与设计工具密切相关。电子信息系统的设计手段和方法，由原先采用的纸和笔设计，在硬件制作完成后再用仪器进行验证，转化为采用电子设计自动化工具，在硬件制作之前进行验证，然后再制作硬件。设计工具包括了模拟电路的设计和分析软件，数字电路和可编程逻辑器件的设计和分析软件，用于微控制器、数字信号处理器件、嵌入式处理器开发的仿真软件和开发系统，印刷电路板设计软件，集成电路设计软件等。在系统的设计过程中使用这些软件将提高系统的设计

6、效率和设计质量。1.1.2 现代电子系统的特征随着信息时代的到来，在传统应用领域中电子产品不断更新，新的应用领域不断开拓，成为新的经济增长点。如工业控制和测量领域包含了集散系统、数据采集系统、测量系统、自动控制系统等电子系统；测量仪器领域包含了示波器、- 2 -信号源、逻辑分析仪、多用表、电源等设备；医疗电子领域包含了 B 超、CT、心脏起博器、心电图仪、心脏监护仪、电子血压计等电子系统；消费类电子产品领域包含了 VCD、DVD 播放机、MP3、HDTV、数字电视、移动电视、PDA、多媒体电脑等。图 1-1 为一个典型的集散系统的框图。一个上位机通过通信的方式向终端发送信息并获取终端发回的信息

7、。每个终端是一个带通信模块的数据采集装置，通过 A/D 转换器采集所需的数据，在上位机的控制下将数据通过通信模块发出。通信可采用有线或无线的方式，有线可采用 RS422、RS485 等总线的方式，无线的可采用电台网络，也可采用 GSM 的短消息通信，或采用无线网络的方式。（a）集散系统的框图传感器信号调理.传感器信号调理（b）终端的框图图 1-1 集散系统图 1-2 的车载导航系统类似于集散系统的设计，车辆管理站为上位机，车载设备为终端。车载设备通过 GPS 获取当前的地理位置信息，通过嵌入式平台提供的电子地图标出当前位置。如在地图上标出目的地址时，可根据道路信息计算出车辆最佳的行驶方案。通过

8、通信模块还可与车辆管理站通讯，以获取管理站对车辆的控制信息，而车辆也可将其地理位置、车况信息报告管理站。- 3 -键盘显示通信模块MCUADC多路开关终端上位机终端图 1-2 车载导航系统图 1-3 为典型的数据采集器的框图。数据采集器将传感器采集的电信号经信号调理后，由模数转换器变为数字信号，通过 FIFO 输入到微处理器，并存放在存储器中，由微处理器做进一步的处理，或通过通信接口与其他设备交换数据。图 1-3 数据采集器的框图类似于数据采集器，如在此系统中加入数模转换器，将存储的数字信号转换为模拟信号，就科构成信号回放系统，如采集的为语言信号，则构成了数字录音装置。上述这些系统无不由各种各

9、样的电子部件组成。在这些电子系统中显示了现代电子系统的数字化、智能化、模块化的特征。1数字化根据电子系统应用的场合，可采用不同形式的电子系统，由于数字技术和计算机技术的发展，更多的电子系统采用了数字化的技术。通常，我们以模拟的方式处理信号，随着技术的进步，用模拟方式构成的电子系统有了很多改进，但是鉴于模拟系统固有的特性，其性能只能局限在一定的水平上。可是由于器件和材料的因素，模拟系统在频率响应、信号噪声比、动态范围等方面均无法有很大的改进。环境温度、电源电压等使用条件的变化以及器件的老化将使系统的特性发生变化。 此外，由于器件参数的离散性，使模拟系统调整的工作量加大。数字化系统将模拟信号转换为

10、数字信号，然后进行处理。采用数字化的方式处理模拟信号具有频率响应宽、噪声小、动态范围大的优点。数字系统的特性随- 4 -传感器输入信号调理器ADCFIFO存储器通信接口DSP键盘显示GPS通信模块车辆管理站嵌入式平台键盘显示使用条件的变化而发生的变化很小，而且容易调整，工作可靠性好。由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点，数字技术与数字集成电路(标准逻辑电路、可编程逻辑器件)，微处理器（微控制器、数字信号处理芯片、嵌入式处理器等)的使用己经成为构成现代电子系统的重要标志。2智能化电子系统是采用各种电子元件对信息进行处理的系统。采用的电子元件的不同，电子系统的实现方法也不同，如用模拟器件构成

11、模拟电子系统，在处理信息时采用模拟的方法进行处理。如用数字器件构成数字电子系统，在处理信息时采用数字的方法进行处理。计算机技术的发展，使电子系统的智能化成为可能。这些系统采用微处理器（微控制器、数字信号处理芯片、嵌入式处理器）构成智能系统。而系统的核心部分即各类具有完整的计算机形态的处理器。处理器的嵌入是智能化的必要条件，系统的软件设计能赋予系统智能品质。这类硬件系统具有一定的通用性，而最终产品形态由软件设计决定，因而具有很大的灵活性。智能化电子系统将在一切领域中取代传统的非智能的电子系统。单一的由模拟电路或数字电路实现的电子系统将逐步被淘汰，而采用模拟电路、数字电路以及微控制器、数字信号处理

12、芯片、嵌入式处理器、可编程逻辑器件等多种技术的智能化电子系统将成为主流。3模块化由于电子技术的发展和集成电路技术的发展，许多应用子系统被设计成模块的形式，设计人员不必每个电路或子系统都从头做起，而可直接使用这些模块，极大地提高了系统的设计效率和质量。子系统模块以硬件或软件的形式提供。硬件模块指用硬件设计的子系统产品，它具有一定的系统功能，同时向用户提供此模块的硬件接口标准和相应的软件协议。用户只需了解其接口的设计方法，编制符合其协议的软件程序。如 GPS 模块是用于获得地球地理信息的模块，当设计的系统需要使用经纬度和标准时间信息时，不必研究地理信息产生的具体方法，只需研究系统与此模块的接口电路

13、，以及与此模块进行数据交换的通讯协议。- 5 -软件模块通常指 IP（Intellectual Property 知识产权）核。当设计目标为专用集成电路或用可编程逻辑器件实现时，采用 IP 核设计可以提高设计的速度和质量。IP 核是一种可重复利用的知识产品，由用户、专用 IC 公司或独立的 IP 公司开发而成。IP 核分为软核、硬核和固核三种。具体地说，软核是一种可综合的 HDL（Hardware Description Language 硬件描述语言）描述，硬核为芯片版图，固核为 RT(Register Transfer 寄存器传输)级的 HDL 描述。在采用 IP核设计时，设计人员不必了解

14、 IP 核复杂的内部结构，只需了解 IP 核的功能、性能指标与互连接口，以便根据系统的功能要求选择合适的 IP 核，并将 IP 核相互连接，进行相关的设计。1.2 电子系统的构成1.2.1 电子系统的子系统类型现代电子系统一般由模拟子系统、数字子系统和处理器子系统三大部分组成。图 1-5 是用 MCU 为核心设计的双通道数字化语音存储、回放的系统框图。该系统的要求是对 300Hz3.4kHz 的语音信号进行存储和回放。图 1-5数字化语音存储、回放系统框图在此系统中传感器用于将语音信号变换为电信号，放大器、滤波器用于将信号放大，并滤除不需要的频率成分。多路开关用于切换两路信号使其中的一路信号传

15、送到 A/D 转换器转换为数字信号。这些数字信号被送入 MCU，由 MCU对其进行必要的处理，并存放在存贮器中。可根据信息存储量的要求，选择存储器的容量。当这些信号需要回放时，MCU 将数据从存贮器中取出，送到 D/A 变换器，将数字信号变换为模拟信号，经滤波器、放大器滤波放大后驱动扬声器发出声音。- 6 -DAC输出滤波器输出信号放大器扬声器键盘显示DAC输出滤波器输出信号放大器扬声器输入滤波器输入信号放大器拾音器存储器MCUADC多路开关输入滤波器输入信号放大器拾音器在上述系统中，模拟电路的作用是将经传感器转换得到的微弱的电信号放大，数字电路的作用是将模拟信号数字化及处理器的接口电路，而处

16、理器电路则对数字信号进行存储、回放和处理。1. 模拟子系统模拟子系统的基本作用是对信号进行放大、处理。由于数字技术的发展，很多模拟处理的方法都可用数字的方式进行，但模拟电路在系统中仍占有一定的、无法替代的地位。如在将模拟信号变换为数字信号之前，必须采用模拟电路对通过传感器转换得到的微弱电信号进行放大、滤波处理，才能进行模数转换。又如系统所需的电源也属模拟电路。而在高频信号的处理方面，模拟电路的作用更大，如高频信号的接收和发射等。模拟电路的性能与电源、电路的分布参数（如分布电容、电感），环境温度等因素有关。EDA 工具的采用为设计提供了方便，但由于在设计工具中较多地使用了理想器件、理想参数，因而

17、其结果只能为设计提供参考，最终还需依靠设计者的工作经验。2. 数字子系统从概念上讲，凡是利用数字技术处理和传输信息的电子系统都可以称为数字系统。像其他电子系统一样，数字系统以往是采用传统的器件构成电路板，再由电路板构成电子系统的方法。数字系统最基本的元件是功能固定的标准集成电路，如 74、54 系列（TTL）、CD4000 系列(CMOS)芯片和一些固定功能的大规模集成电路。在设计时，只能根据需要选择合适的器件，几乎没有灵活性可言，构成的电子系统所需的芯片种类多且数量大。可编程逻辑器件（PLD）的应用改变了数字系统的构成方法，PLD包括了 FPGA和CPLD两大类。FPGA的集成度较高，即具有

18、较多的门电路，FPGA采用了反熔丝或静态存储器的编程技术，前者只能一次性编程，不能修改功能，后者可多次编程，但在掉电后编程信息将丢失，所以每次上电必须重新下载数据。 CPLD的集成度较低，采用了E2PROM或Flash Memory的编程技术,可多次编程而且编程的信息可长期保存。在系统编程技术的应用扩展了PLD应用的领域。PLD需用专用的设计软件进行设计，因而使用者必须具有扎实的数字电路知识并掌握设计方法。PLD不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题、而且- 7 -其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格低。由于目前电子产品生命周期相对缩短，相近功能产品的派生设计增多，促使PLD越来

19、越多地取代了ASIC，特别对小批量、多品种的产品，PLD更成为首选。3处理器子系统处理器子系统是指内含处理器的电子系统。它以微控制器、数字信号处理器件、嵌入式处理器为核心，构成针对某一特定功能的系统，因而通常称为专用系统，在这类系统中，微控制器、数字信号处理器件、嵌入式处理器等处理器起着控制和信息处理的功能，而处理器与模拟电路、数字电路相配合构成一个完整的系统。这类系统的设计应注重于接口电路的设计，设计者必须熟悉各类存储器、外围器件的性能和接口连接方式，设计出相应的接口电路。近年来，PLD 在接口电路中得到了广泛的应用，使接口电路的设计更加简洁。带处理器系统的硬件设计具有一定的通用性，其对控制

20、或信息的处理方法可以通过处理器的软件设计来实现，这将增强系统的灵活性，通过编程可采用不同处理方案，以获得不同的效果。对于特殊的使用场合可采用低功耗、微型的设计原则，使其成为携带方便的系统。在以往的电子系统的设计中，通常根据系统的功能要求，配上以微处理器为核心的微处理器系统。由于电子技术的发展，现已逐步转向在一个电子系统中内含微处理器进行系统的信息控制和处理。由于在系统中，微处理器仅作为一个部件，因而将这类系统称为嵌入式系统，对应的处理器称为嵌入式处理器。嵌入式专用系统由于是针对某一特定要求而专门设计的，因而除了在功能方面进行设计外，还可根据要求在体积、功耗等方面进行特殊的设计。1.2.2 电子

21、系统的硬件实现形式一、专用系统专用系统是为特定的功能专门设计的系统。通常是用元器件构成的印刷电路板系统。在设计的产品需求量很大时，其中的某些模块将被设计成专用集成电路（ASIC），然后将这些集成电路应用到系统中去。近年来片上系统（SOC System On Chip）技术的发展，使系统的设计更多地使用专用集成电路子系统，甚至直接用芯片构成一个系统。- 8 -由于专用系统是为特定的功能专门设计的，因而原则上在系统中不存在与此无关的器件或部件，即不存在冗余部分，这将使故障率和硬件成本降至最低。当产品具有相当的数量时，或产品对体积、功耗、重量等有特殊要求时，采用此方法比较合适。专用系统的功能不能随意

22、更改，没有通用性，设计周期较长，所需的资金较大。因此在设计专用系统时，如何缩短设计周期，降低设计成本是设计人员必须考虑的问题。由于技术的发展，很多专用系统在设计时，其硬件设计采用一定的冗余，其功能通过软件编程的方法设定，在系统功能需升级时通过更改软件来实现，这种设计方法已日益受到设计人员的重视。1. 以处理器为核心的专用系统以处理器为核心的专用系统注重于为特定的功能而设计，要求在系统中不存在与此无关的器件或部件，以防止硬件中的冗余部分引起故障率的增加，同时可将硬件成本降至最低。在设计时，必须了解设计项目的最新技术和器件的发展，以使设计的系统具有先进性。而通过软件编程的方法设定功能，以便系统的升

23、级和功能的扩展也是可取的设计方法。如图 1-5 所述的语音记录回放系统，可根据系统的功能要求，以微控制器、数字信号处理器件为核心构成专用系统。对于语音处理部分，除了采用图 1-5 所示的 ADC、DAC 之外，还可采用专用的语音芯片。这样，只需要对这些语音芯片配上合适的存贮器和相应的外围电路就能方便地构成系统。因此，在设计以微控制器、数字信号处理器件为核心的专用系统之前必须先了解新的器件，以使设计的系统具有先进性。2. 嵌入式系统嵌入式系统（Embedded Systems）指以嵌入式处理器及外围为核心，执行特定功能的装置，如工业控制、监测设备、甚至工厂操作的装置。嵌入式系统的“嵌入”特性意味

24、着它与其所控制和管理的系统融为一体，是其中的一个有机组成部分和基本构造单元。在硬件设计方面嵌入式系统的设计类似于以处理器为核心的系统，但目前发展的趋势是采用 SOC 嵌入式处理器，将微处理器核心和各类接口单元（如声卡、网卡、智能卡、通信接口等）结合在一起，构成一个电路系统。在软件设计方面，嵌入式操作系统（WinCe、嵌入式 Linux）的应用解决了- 9 -系统软件开发中的很多问题，使设计者可以将精力集中于应用程序的开发。嵌入式系统在信息家电、通信产品、工业控制器、掌上电脑（PDA）等方面得到了广泛的应用。3以 PC 机（或工控板）为平台的专用系统个人微机（PC 机）和工控板的普及使人们对其使

25、用方法极为熟悉，PC 机（或工控板）是以 elX86 为 CPU 的计算机系统，在硬件结构上采用了 PC 机的标准接口（键盘、显示器、并口、串口）和总线（ISA、PCI）槽口的方式连接输入输出设备，而在软件上通过操作系统支持的各种语言（如 C，汇编语言）进行编程。此类设备具有良好的人机界面，如显示器、键盘，为了使这类系统操作更方便，可在键盘上定义各类功能键，也可通过 I/O 接口另外设计用户专用键盘或采用触摸屏技术。由于其良好的人机界面，因而利用其为平台构成专用系统的方法在工业界得到广泛的应用。实现这类系统的方法之一是按系统特定的功能设计 I/O 接口板，通常将系统的数字部分设计在接口板上，而

26、模拟部分（如传感器，信号调理等部分）作为接口板的引伸，安装在 PC 机箱的外部。这样做的好处在于模拟部分可采用单独的模拟电源，使其与数字部分的电源相分离，以获得较好的效果。PC 机目前采用总线为 ISA 总线和 PCI 总线，ISA 总线接口电路较简单，可采用 8 位或 16 位的数据总线，PCI 总线具有比 ISA 总线更快的传输速率，采用 32 位的数据总线，但 PCI 总线的结构较复杂。采用 PC 机（或工控板）为平台的专用系统，除了需设计硬件外，还需编程来控制硬件。与处理器为核心的专用系统相比，其硬件设计的工作量大大减少，较大的工作量为软件编程。这类专用系统的优点是设计的效率高，可靠性

27、好。缺点是：由于系统是在平台上开发的，因而系统中的部件未被全部利用，产品的成本较高。在产品的数量不大时，利用这种方法进行设计有较大的优势。二、虚拟仪器系统采用 PC 机（或工控板）为平台的专用系统比以处理器为核构成的系统更加方便灵活，但毕竟其设计还是针对了某一特定对象的。其设计过程是专一的，因而重复使用的可能性极小。近年来提出的虚拟仪器概念是通用性更强的解决方- 10 -法。以往我们所熟悉的测量仪器都是一个真实的可触摸的物体。在仪器的正面是一个控制面板，上面有许多控制开关、显示仪表，面板上的输入、输出连接端与被测部件相连接。仪器功能的实现由仪器内部的电路完成，电阻、电容、电感、晶体管、运算放大

28、器、数字电路器件甚至微处理器等部件安装在印刷电路板上，相互连接构成特定的仪器功能。因此，可以认为仪器的基本结构就是由控制面板和内部电路所组成。这些仪器通常根据测量要求而专门设计。由于数字电路和计算机技术的发展，现在大多数测量仪器采用微处理器作为主要部件，因而相类似的产品可采用结构较接近的硬件，通过修改软件的方法来改变仪器的性能，从而节省硬件设计的成本。更方便的方法则是在个人微机（PC 机）上，根据测量部件的要求设计 A/D、D/A 及数字 I/O 卡，然后用软件编程的方法来实现测量。用这样的方法设计仪器虽然比原有的方法提高了效率，但仍脱离不了原有的针对具体被测部件进行专门设计的模式。随着计算机

29、技术的发展，计算机日益成为仪器的心脏，虚拟仪器的概念应运而生。顾名思义，虚拟仪器的作用是虚拟真实的仪器，实现传统仪器所能实现的功能。传统仪器自成体系，所有功能均由仪器生产厂家定义，用户无法改变。而虚拟仪器采用了开放式结构，以 A/D、D/A 及数字 I/O 卡实现信号的输入或输出，以通用计算机、DSP 或其他 CPU 处理信号，并以软件来改变系统的功能。因此用户可通过选择硬件配置和编写软件，自己动手来设计测量仪器。虚拟仪器包含了仪器的基本结构，如控制面板，程序框图等。但它通过软件编程在显示屏上显示控制面板，而程序框图则通过接口电路获得数据，根据对仪器功能的要求由软件编程实现数据运算、分析以及结

30、果的显示。目前，世界上有许多仪器厂商开发了虚拟仪器程序，并提供相应的硬件平台。美国 National Instruments 公司的 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)软件是一种用于虚拟仪器的软件开发工具。它类似于 C语言开发系统，但采用图形编程语言 (Graphical Language，简写为 G )，以简洁、直观的图标与连线构成程序。由于它采用的是科技人员和工程技术人员熟悉的术语、符号和思维方式，使用图形符号而非文本语言描述编程行为，因此不需要很- 11 -多文本语言的编程经验就可使用 LabVIEW

31、 进行编程。NI 公司还提供各类 IO 卡，通过 A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，通过 D/A 转换器输出相应的模拟信号，通过数字口直接读入数字量、开关量信号或输出数字量、开关量。由于软件（LabVIEW）和硬件（A/D，D/A 及数字接口）的完整结合，可构成具有实际意义的虚拟仪器。虚拟仪器具有构造灵活的优点，可广泛用作测量仪器。仪器的基本性能通过编程来改变。当然，由于 LabVIEW 软件编程灵活，也适宜于对测试仪器的各种方案进行比较。三、基于计算机的自动测量和控制系统电子系统中较大部分用于对各类系统的测量，从中提取信息作进一步的处理，被处理的系统可能是某一电子部件，也可能是某一非电

32、子部件。如生物测量中，可能是一动物对电刺激的响应（脑电、心电、肌电）；在物理学中，可能是对各种物理量（压力、振动）对系统的影响；而在电子学中，可能是对电路性能的测量。采用电子信息处理的方法对各类系统进行分析不仅提高了效果，还增强了处理功能。根据系统测量的要求，应先确定激励信号的形式，如该信号为常用信号可采用通用信号源，如正弦波、方波、三角波、脉冲波；如为特殊信号，则需根据要求制作特殊信号源，如任意波形发生器。这些激励信号加到被测量系统上，就可通过测量仪器在系统的输出端进行测量。在测量的过程中，需根据被测系统的要求不断改变激励信号的形式、幅度、频率以获得系统对此信号的响应，以分析此系统的特性，这

33、一测量过程的操作烦琐，当工作量大、要求精度高时不易操作。自动测量系统指由一个电子系统来实现测量的过程。通过编程控制激励信号的产生，同时在被测系统的输出端将测量的数据读回。实现的方法之一是利用虚拟仪器，即由 D/A 变换器实现激励信号的控制，用 A/D 实现数据的读回，并进行分析。另一个方法是采用带有通信接口的仪器通过微机来控制测量的全过程，要实现上述目的的先决条件是所有的激励信号源和测量仪器必须是数字化的仪器，并带有通信接口，整个测量系统由控制微机通过通信接口进行控制。- 12 -作为激励信号源，其输出部分是 D/A 变换器和功率放大器。通过控制，能调用仪器内部的固定信号模式，如正弦波、方波、

34、三角波，并设定所需的频率和幅度。对于特定的波形，可通过控制微机将波形输入，然后通过通信接口将此波形数据传送到信号源，由信号源产生所需的信号。同样，对于测量仪器，采用内含高速 A/D 的仪器，将被测信号转换为数字信号，这些信号可存储在仪器内，在需要时可以回放，以对信号进行分析。同样，这些信号可通过通信接口传送到计算机作进一步的分析。为测试电源电压对系统的影响，可采用程控电源，通过控制微机控制电源的输出电压和电流，以测量系统在不同的电源电压时的特性。由于采用了专用仪器，可获得高质量的激励信号和精确的测量数据，可构成性能更佳的测量系统。在设计这类系统时，要求设计人员熟悉将仪器连接成系统的通信方式和相

35、应的通信软件。计算机通常能提供的标准接口为 RS-232、USB、EPP，而 IEEE-488接口需用户在计算机上另行增加接口卡。大部分的仪器能提供的接口为 RS-232和 IEEE-488（部分仪器作为选件）。由于 RS-232 接口采用一对一的连接方式，所以只能由一台计算机与一个仪器通信。而 IEEE-488 接口采用总线的方式连接，可构成一个仪器组，最多可由一台计算机与 14 个仪器进行通信。近年来仪器商开发的带 USB 接口和以太网接口的仪器为自动测量和控制提供更好的手段。1.3 电子系统的设计方法与设计流程1.3.1 电子系统的设计方法在电子设计自动化（EDA）工具推出之前，人们采用

36、的是手工的设计方法，采用的工具为纸和笔，在电子系统的设计过程中，有很大部分的工作量是系统的硬件电路设计，相对于软件设计而言，硬件设计更为复杂，软件设计过程中出现的错误，可通过软件调试来逐个发现并予以解决，而硬件设计的错误，通常需要在硬件电路完全制作出来后才能被发现，为修改这些错误，必须重新制作硬件，通常一次修改还不能解决问题，必须经过几次修改才能将硬件电路完全确定下来。这样不仅延长了系统的研制周期，还增加了研制所花费的人力和物力。硬件电路的设计，就是根据电路所需的功能和特性指标要求，确定采用什么样的电路结构、采用什么样的元器件以及电路中各个元器件的具体参数。同时还- 13 -必须根据电原理图得

37、到对应的印刷电路板。这一过程通常可分为三个阶段，即电路方案的提出，方案的验证，方案的修改。在电子系统设计的早期，这三个阶段全部采用人工的方法解决，其中方案的验证占较大的工作量，这一阶段采用了制作试验电路的方法，这种方法花费大，而且效率低，同时由于在制作试验电路的过程中，对制作工艺考虑不周，更导致了验证的效率低下。由于电子技术的发展，电子系统变得越来越复杂，仅靠手工和简单的工具已无法满足设计的要求，因而利用计算机和相应的设计软件已成为当前常用的设计方法。利用标准的 EDA 工具进行电子系统的设计已成为潮流。随着电子技术的发展，电子系统的体积越做越小，但其复杂程度却大大提高，为了成功地设计一个电子

38、系统，必须采用有效的设计方法，目前大多采用层次化的设计方法，即将一个系统划分为不同的层次，在每个层次定义不同的功能模块，然后再对其进行设计。层次化的设计方法通常可分为 3 种: 1自底向上法(BottomUP)在早期的电子系统中，由于构成电子系统的元器件采用标准器件，设计受到可采用器件的限制，因而在设计时常采用自底向上的设计方法。在采用此方法进行设计时，设计人员必须掌握各种元器件的功能和使用方法，然后根据要设计的目标系统功能的要求，从现有的可用的元件中选出合适的元件，设计成部件模块，当一个部件模块不能直接实现系统的某个功能时，就需要设计由多个部件模块组成的子系统去实现该功能。这样，由部件模块构

39、成子系统，由子系统构成更大的子系统，直至系统所要求的全部功能都实现为止。对于有经验的设计人员此方法的优点是明显的，在设计过程中可以使用经过验证的、成熟的部件模块与子系统，从而可以实现设计重用，减少设计过程中的重复劳动，提高设计效率。其缺点是设计过程中设计人员的思路局限于已有的元件，在实现系统时，即使底层或子系统的功能正常，整个系统的顶层也可能出现系统性的或全局性的问题。2自顶向下法(Top-Down)自顶向下法的设计过程与自底向上法正好相反。该设计方法首先从系统级（顶层）设计开始。先根据用户的需求，将系统的功能(或行为)全面、准确地描述出来，即将系统的输入、输出关系作全面、准确的描述。再根据系

40、统级设计所- 14 -描述的各项功能，将系统划分和定义为能够实现某一功能的相对独立的子系统。并将每个子系统的功能(即输入、输出关系)全面、准确地进行描述，再将子系统相互连接，构成一个完整的系统（即顶层）。在顶层构成后，应对顶层进行验证，在功能、指标完全达到要求，即顶层的设计完成后，再进行子系统级（下一层）设计。子系统的设计目标为设计或者选用功能块去组成具有相应功能的子系统。其设计方法类似于顶层的设计，仅仅是设计的对象为子系统。这样逐级设计，直至最后进行元件级设计，即选用适当的元件去实现有相应功能的模块。自顶向下法要求在整个设计进程中尽量运用抽象的方法描述和分析设计对象，而不要过早地考虑实现该设

41、计的具体电路、元器件和工艺，以便抓住主要矛盾。整个设计从顶层到底层应当由粗略到精细逐步展开。只有当整个设计得到验证与优化后，才考虑采用什么电路、元器件和工艺去实现该设计等具体问题。尤其在复杂的系统中，如过早地纠缠在电路实现方法、采用何种器件和工艺等细节问题上，就无法控制住设计的复杂性。自顶向下法的设计过程是逐级展开的，因而越是低的层次，其设计工作量越大，如高的层次出现偏差，将导致低的层次设计的大量返工。由于在设计过程中能对每个层次的设计进行验证，即检查指标所要求的各项功能是否都实现，是否留有必要的余地，因此保证了递交给下一层的设计目标的正确性。由于采用了层次化的设计，将电路划分为子系统或部件模

42、块，因此每个子系统、部件模块都可设计为功能上相对独立的模块。每个模块均有明确的、可独立完成的功能，而且对某个模块内部进行修改时不影响其与其他模块的连接方法；这样即使在设计过程中某个子系统出现问题，也只需对其内部进行修改，而不会对系统的整体设计产生大的变动。 3以自顶向下方法为主导，并结合使用自底向上的方法(TD&BU Combined)进行一项大型、复杂的系统设计实际上是一个自顶向下，并包括了由底层返回到上层进行修改的多次反复的过程。在层次化的设计中，应妥善解决级与级之间的问题。如在设计的高层出现问题，应将问题解决后再进行下一层的设计。在底层设计中也可能会由于元器件的原因，或上一层设计

43、中的缺陷错误而遇到无法解决的问题，此时应退回上一层，或更上一层，通过修改上一层的设计来解决下- 15 -一层设计中遇到的问题。在现代的电子系统设计中，大量采用了硬件模块和软件模块，模块化的设计有利于设计重用和系统的模块化测试。为了利用这些模块，设计方法也应采用以自顶向下方法为主导，并结合使用自底向上的方法。这种方法既能保证设计的可靠性，又能减少设计的重复劳动，提高设计效率。1.3.2 EDA 工具的应用EDA 技术从20 世纪集成电路问世起(60 年代)，经历了CAD(70 年代)、CAE(80年代)发展阶段，到 90 年代才进入 EDA 阶段。EDA 技术是在计算机工作平台上开发的电子设计系

44、统软件。在电子系统的设计中常用的 EDA 工具包括了模拟电路设计软件、数字电路设计软件、微处理器的仿真和开发软件、系统设计模拟和仿真工具、印刷电路板及集成电路的设计软件。EDA 技术的范畴包含了电子系统设计和开发的全过程，可分为系统级、电路级和物理级。在系统级、电路级的设计中包括了模拟电路设计、数字电路设计、微处理器系统设计以及模拟和仿真工具。可采用原理图或描述语言编辑器的方法进行设计输入，然后利用 EDA 系统完成综合、仿真、优化等过程。最后生成物理级可以接受的网表。物理级包含印刷电路板、集成电路版图的设计，用来完成设计中的实际物理问题，如印刷电路板或芯片的布局布线等；另外它还能提供对设计结

45、果的电气性能分析，如设计规则检查等。使用 EDA 工具进行设计的过程可分为设计输入，设计验证和设计输出。在设计输入阶段，要求设计者将设计要求输入到计算机中去。为此设计者必须先对需设计的对象进行功能分析，提出解决方案，然后根据 EDA 工具的要求将解决方案输入到计算机中去。在硬件的设计过程中，为了将设计输入到计算机，通常采用电原理图或硬件描述语言描述设计目标，相对于描述语言，电原理图的描述方法需要设计者事先利用纸和笔进行前期设计，在获得完整的电原理图之后才能输入到计算机中，而用硬件描述语言描述设计目标就要抽象得多。与输入方法相对应，编辑器包括图形编辑器和文字编辑器。图形编辑器可用于硬件设计的各个

46、层次。在电路或系统级，图形编辑器用来编辑硬件系统的方框图、原理图等。在物理级，图形编辑器用来编辑印刷电路板版图或表示集成电路工艺加工过程中的几何图形。典型的原理图输入工具至少应- 16 -包括基本单元符号库、原理图的编辑、产生网表 3 个组成部分。基本单元符号库主要包括基本单元的图形符号和仿真模型，在实际应用时，硬件设计者除了采用软件提供的标准单元之外，还需使用原理图编辑器建立自己专用的图形符号以及相应的仿真模型，并加入基本单元符号库中，供下次设计时使用。原理图编辑将电路所需的基本元件相互连接，构成完整的电原理图。此时编辑器必须对电原理图进行检查，以判断其是否符合设计环境的要求，以及输入的电原

47、理图是否存在诸如输入信号无输入源、多个输出信号相连等电路的错误。此后编辑器将产生相应的网表文件，供仿真、设计版图使用。文字编辑器用来编辑系统、系统级设计中各层次的电路或单元电路的硬件描述语言文本。在模拟电路中，所用描述语言通常为 SPICE，在数字系统中的门级、寄存器级以及芯片级，所用的描述语言通常为 VHDL、Verilog-HDL。文字编辑器包括文本的编辑、语法检查和产生网表 3 个组成部分。根据描述对象和采用的描述语言，文字编辑器具有相应的语法检查功能，并能产生对应的网表文件。输入到计算机中的设计将由设计软件检查是否符合设计环境的要求，这部分相当于程序设计中的语法检查。之后设计者可利用设

48、计软件对输入的设计进行功能仿真，将用于测试的信号加到设计对象的输入端，然后观察其输出，以判断设计的正确性。在仿真的过程中应考虑各种可能出现的情况，设计出一套合理的输入数据，通过这些输入数据能检查出系统可能出现的问题。模拟系统的仿真包含电路的工作点，输入输出信号的关系，电路的频率特性，温度、电源电压等外界因素对电路的影响等。数字系统的仿真则检查系统输入与输出信号的逻辑关系，器件的延迟时间对逻辑的影响等。在仿真过程中通常将测试的信号加到设计对象的输入端，然后观察其输出，以判断设计的正确性。在仿真的过程中应根据各种可能出现的情况设计输入数据，以检查系统可能出现的问题。在仿真过程中，不仅要检查系统在正

49、常情况下功能是否正确，还需检查在不正常情况下系统可能出现的问题，以确保实际制作的系统能稳定地工作。设计的最终结果将从计算机输出，电子系统设计的最终形式可能是印刷电路板，也可能是一个可编程逻辑器件，或是一个集成电路，因而最终从计算机输出的设计结果将是印刷电路板的版图，或是可编程逻辑器件的下载文件，或是集成电路的版图。这三种形式的设计流程有所不同。- 17 -图 1-6、1-7、1-8 分别为这三种设计的流程。N电气检查N电气检查YY版图检查版图检查YY图 1-6 印刷电路板设计流程图 1-7 集成电路设计流程- 18 -流片制版印刷电路板布局布线优化集成电路布局布线NN产生网表文件产生网表文件电

50、路图输入电路图输入设计分析设计分析设计输入N逻辑验证Y时序仿真Y图 1-8 可编程逻辑器件设计流程对于印刷电路板的设计过程比较简单，在对设计做仿真之后即可将其转换为网表文件，然后进行印刷电路板的版图设计。对于可编程逻辑器件和集成电路的设计还存在设计的优化和综合问题。优化、综合工具用来把一种硬件描述转换为另一种描述，这里的转换过程通常伴随着设计的某种改进。如数字集成电路的设计过程中，在逻辑门级，可以用逻辑最小化来对布尔表达式进行简化。在寄存器级，优化工具可以用来确定控制序列和数据路径的最优组合。各个层次的综合工具可以将硬件的高层次描述转换为低层次描述，也可以将硬件的行为描述转换为结构描述。利用

51、EDA 工具的最大优点在于其模拟和仿真技术。它可在电子系统的设计过程中，对系统进行分析，这样就保证了在系统的硬件还未制作出来之前，就可在计算机上检查方案的正确性，并测试其性能。在发现问题时及时进行修改，避免了硬件返工造成的成本提高和工期延长。用 EDA 工具设计的电路往往与实际的电路存在一定的差异，如设计的模拟- 19 -器件下载执行设计、优化N设计分析滤波器与根据此参数实际制作的滤波器的频率响应不相符，又如在数字电路的设计中，实际制作的电路会产生竞争、冒险现象等。究其原因，并非 EDA 工具的问题，而是在使用此工具时，器件模型、电路的寄生参数产生的问题。在大部分的情况下，使用 EDA 工具时

52、所采用的是器件的理想模型，它与实际的器件有一定的差距，以运算放大器为例，在运放的制作过程中，其具体的参数会有一定的偏差，导致了实际使用的运放与 EDA 工具中的运放模型不一致。为了解决此问题，很多厂商发布了具体的参数或建议采用的模型，设计人员在使用 EDA 工具时可根据厂商提供的参数建立正确的器件模型。又如在设计滤波器时，在用 EDA 工具进行设计时，往往采用电阻、电容的标称值进行设计，而在实际使用上述器件时有很大的误差，因此在设计时，应使用实际的器件参数进行设计和仿真。再如在数字电路的设计过程中，器件的速度将影响电路的性能，因此必须在设计时考虑器件的实际速度。此外，在电路的实际制作和测量过程

53、中引起的寄生参数也是导致设计与实际不相符的原因之一。解决此问题相对比较麻烦，必须建立制作或测量过程中产生的寄生参数的模型，然后通过 EDA 软件进行仿真，并找出解决的方法，在印刷电路板和集成电路的制作过程中，必定会产生寄生的电感和电容，在工作频率提高时，此情况更为明显，此时必须对实际的版图进行研究或测量，以提取寄生参数。在测量过程中，此问题同样存在，测量仪器的输入输出特性，如输入输出阻抗、分布电容、电感等都会对电路产生影响。1.3.3 系统设计流程如何将一个系统从需求变为最终的产品，是系统设计人员必须面对的一个问题，采用的方法和步骤不同，其效果也不同。一般而言，系统设计采取如图 1-9所示的步

54、骤。功能与指标的制定系统的规划系统的设计系统的实现系统的测试图 1-9 系统设计的步骤在项目正式设计之前，必须对系统作需求分析和风险评估，对系统的基本功- 20 -系统的总结需求分析和风险评估能、所能达到的目的、目前市场是否存在同类产品、类似产品的功能与价格进行分析，同时对开发此产品所具有的技术条件、最终产品的功能与价格，做一个比较，以判断是否有必要进一步发展此项目。在系统的功能与指标的制定阶段将根据系统的要求来确定系统能实现的功能与具体的指标。在此阶段必须与项目的提出方反复磋商，有些看似简单的问题，在具体实现时会消耗大量的资源，所以必须根据投入与产出来平衡。在系统的规划阶段将根据所具备的资源

55、及条件，规划系统的进度，确定何时需要何种资源及相应的技术支持，并落实。在系统的设计阶段需找出实现系统的功能与指标的具体方法，制定系统的实现方案，对实现的系统画出必要的功能框图。在系统的实现之前必须重视方案的比较、论证及确定。由于此阶段还未具体的实施，因此所找出的的问题可避免方案错误造成的损失。系统的实现，即具体实施方案。此阶段需对电路作必要的计算，画出详细电原理图；如采用处理器还应画出程序流程图。还需根据电原理图画出印刷电路板，设计出完整的程序，并制作具体的电子系统。在系统测试阶段应对完成的系统进行测试，其中包括完整的测试方案的制定和具体的测试，对测试结果的分析。项目总结即建立完整的项目文档，

56、以及此项目的有待改进之处。设计应具有高度的条理性，无论是硬件设计或软件设计都应划分模块，在设计中和文档中直观、清晰地反映设计者的思路。设计文档的组织与表达可使得同一项目组的设计人员之间的交流方便、高效，而且使今后系统的修改、升级和维修大为方便。设计一个电子系统包括了系统的硬件设计和软件设计。在设计的过程中通常采用两种不同的方法：一种方法按照书本所学和手头工具书中的例题设计产品，另一种方法在通晓基本原理的基础上按最新的器件条件、开发工具、技术支持，加工工艺以及相关的技术资料进行系统设计。显然，前一种方法由于借鉴了成功的设计范例，可以少走弯路，对迅速学习与掌握系统设计方法很有好处。然而，由于当时技术水平的限制，原有的设计可能存在某种缺陷，也可能技术本身已落后。因此，在电子技术突飞猛进的今天，要求设计者不断提出新的解决方案，用新的方法解决问题，如果仅靠借鉴原有的- 21 -设计思路，就无法提高系统的设计水平。另一方面，由于技术的进步，新的器件不断涌现，也使设计者无法在书本中找到现成的答案。因此为了提高系统的设计水平就需设计者在通晓基本原理的基础上，不断学习新的设计技术，掌握新的设计工具、了解新器件的使用，按当前最新的开发工具、技术支持、器件条件、加工工艺以及相关的技术资料进行系统设计。只有这样才能设计出新颖的系统。由于系统的功能要求各不相同，因此设计每一