电子设计开发基础--课件(共四章)

1、1电子设计开发基础2 课程安排：一、四个阶段：1. 设计方法介绍 2. 虚拟实验 3. 自主实验 4. 实训练习（设计、安装、 调 试、文档整理）二、考核办法： 平时 10% 实验 20% 实训70%3第一章 绪言1.1介绍本课程1.1.1 电子系统的概念：所谓电子系统就是由一组电子元器件和基本电路相互连接作用而形成的电路实体，它能按照特定的控制信号执行所设定的功能。4 举例：光控开关图1-1 光控开关电路RedsRoR1RRR4VesA1Ao2o12cw54UrefVT Vcc+12v照明电源J1J11 VEE-12vU02=6V VT管饱和U02=0 VT管截止Uth5按处理信号的不同分为

2、：1、模拟电子系统-信号变化连续2、数字电子系统-信号离散3、数模混合电子系统1.2 电子系统分类 1.2.1 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。举例见板书格 物 致 新 厚 德 泽 人1.2.2 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。一个复杂的数字电子系统可分

3、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。 举例见板书格 物 致 新 厚 德 泽 人1.2.3 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。举例见板书格 物 致 新 厚 德 泽 人92.1几种设计方法介绍

4、:试凑法（自下而上）和自上而下法。一、传统设计方法（自下而上） ：第二章 数字电子系统设计方法介绍图2-1 数字系统传统设计步骤10二、自上而下设计方法 ：图2-2 数字系统传统设计步骤功能分析总体方案逻辑划分受控电路、受控器电路综合，画原理图1、单片机应用开发：（结构差异大，只掌握外特性和编程使用方法就可以）11图2-3 单片机应用设计步骤2、PLD（Programmable Logic Device）开发应用（结构差异大，只掌握外特性和编程使用方法就可以）12图2-4数字系统PLD开发设计步骤13http:/-周立功（由此处可 以得到用于开发AT89C1051、 AT89C2051之类的软

5、件从 -武汉力源也可以获得microchip公司出品的PIC系列单片机的有关资料-/英文网站，可以得到各系列单片机的详细结构、原理及指令说明142.2 数字系统传统设计方法 2.2.1 设计步骤：一、系统功能要求分析 明确任务，尤其是特殊任务二、总方案确定，逻辑功能划分 究竟采用哪种设计方案，画系统设计原理图三、单元电路设计 把系统分为若干个子系统，每个字系统分为信号处理和控制电路两部分四、综合系统 功能测试，画系统原理图152.3 设计举例：八人智力抢答器1. 基本要求 设计一个智力抢答器，可同时供八人（或八个队）参加比赛，他们的编号分别是0，1，2，3，4，5，6，7各用一个抢答器按钮，按

6、钮的编号与选手的编号同，分别是S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7 。 给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（灭灯）和抢答开始。 一、技术要求：16 抢答器具有锁存数据显示的功能。抢答开始后，若有选手按抢答按钮，编号立即锁存，并在LED上显示出选手的编号，同时扬声器给出声音提示，此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优选选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。172. 扩展功能要求： 抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30s）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计数，并显示时间，技术为零的同时扬声器发出短暂的声响，声音持续0.5s左

7、右。 参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效。选手答题期间定时器停止工作，显示器上显示选手编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。 设定时间无人抢答时，扬声器报警，封锁输入电路，禁止超时抢答，显示“00”。18二、根据技术要求，确定系统框图抢答按钮编码器锁存译码器主持人控制电路报警秒脉冲发生器定时电路显示电路图2-5 抢答器原理框图CTR主体电路扩展电路19三、单元电路设计1. 基本要求 设计一个智力抢答器，可同时供八人（或八个队）参加比赛，他们的编号分别是0，1，2，3，4，5，6，7各用一个抢答器按钮，按钮的编号与选手的编号同，分别是S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7

8、 。 给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（灭灯）和抢答开始。 20 抢答器具有锁存数据显示的功能。抢答开始后，若有选手按抢答按钮，编号立即锁存，并在LED上显示出选手的编号，同时扬声器给出声音提示，此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优选选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 编码电路： A、74LS148引脚图211、抢答器电路设计图2-6 74LS148引脚图B、74LS148真值表（表2-1）输入输出STI0I1I2I3I4I5I6I7YOY1Y2YEX YS111111111111 11011111111111100011111111110100011111101

9、10100001111110101000001111001010000001111100100000001101001000000001100010000000000000123七段显示器的外引线排列图、共阴接法及数字符号显示如图1-7gfabedcpafbgedcp（a）（b）（c）abcdefgp图2-7 共阴七段显示器24B、显示译码器：74LS48图2-8 74LS48引脚图25四、系统综合：1、将上述三部分电路综合，得图2-9所示抢答器电路图2674LS2792、工作原理：1、74LS48的 和74LS148 的 由74LS148的 控制2、74LS279的 由主持人开关控制，由74

10、LS148 的控制3、具体工作过程描述：2728讨论： 图2-9中的“A3=0”时，用 抢答，显示器上显示的是 “0”，如果要显示“8”，怎样修改电路？ 如果将图2-8中的 改为S和 相与后来控制，会出现什么情况？ 锁存电路能否用JK触发器代替，如果能，怎样修改电路？ 29作业：1. 设计一个六人抢答器，要求： 能显示最先抢答人的编号直至主持“清零”。同时封锁其他选手的按键状态。 为主持人设一个开关，控制比赛结果“清零”和比赛“开始”。参考书1、 电子线路设计.实验.测试谢自美主编 华中科技大学出版社2、 全国大学生电子设计竞赛训练教程 黄智伟主编 电子工业出版社3、 全国大学生电子竞赛网站4

11、、实用电子电路基础 刘维恒主编 电子工业出版社5、 现代电子设计与创新 李洋主编 中国电力出版社6、 综合电子电路应用指南 阮祁忠主编 机械工业出版社3031休息一会儿322、定时电路设计设计要求： 抢答器具有定时抢答的功能，且 一次抢答的时间由主持人设定（如30S）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计数，并显示时间，同时扬声器发出短暂的声响，声音持续0.5S左右。 参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。 设定时间无人抢答时，扬声器报警，封锁输入电路，禁止超时抢答，显示“00”。33一、功能分析，

12、确定单元电路设计方案：按设计要求，假设主持人设定答题时间为30S，则定时电路由以下电路组成秒脉冲发生器定时电路显示电路 三十进制的减计数电路 秒脉冲发生电路 译码显示电路图2-10 原理框图二、单元电路设计：1. 三十进制的减计数电路选两片74LS192进行级联构成三十进制的减计数器，先预置30S，主持人一“开始”就开始减计数，输出的结果送入显示器的输入端。34A、74LS192外形及管脚功能35图2-11 74LS192外形及管脚功能图B、74LS192管脚功能介绍见板书加法器：CR=0 =1 CPD=1 74LS192工作波形图Q0Q1Q2Q3CPu1、减法器：CR=0 =1 CPU=1

13、74LS192波形图CPDQ0Q1Q2Q339封锁CPLDD0D1D374 LS192（2）D2151109Q3Q17623Q0Q2BO131411CRCPUCPD540011LDD0D1D374 LS 192（1）D2151109Q3Q17623Q0Q2BO131411CRCPUCPD54000000CP11174LS48ABCD74LS48ABCD1图2-12 三十进制计数器 图2-13译码显示电路402、译码显示电路：与图2-9基本功能中的译码显示电路类同，只是输入端A3A2A1A0由74LS192的输出端Q3Q2Q1Q0控制11A074LS192Q0Q1Q2Q33、秒脉冲电路由NE55

14、5定时器构成的多谐振荡器产生，要求1秒发出一个脉冲，即f=1HzA、555定时器介绍 是一个数模结合器件其结构图如图2-13所示+VccRD55587651234GNDTLOUTRDVR1THVCVCC831地72655k5k5kVcTLTHVRRSG1G2QQ4RTA1+-+-A2（a）（b）图2-14 555定时器内部框图及引脚排列（uI1 ）（uI2 ）UOa、表2-1 555定时器功能表uI1截止11不变不变1截止11导通00放电管T UOuI2输出输入参数选择:要求得到f=1Hz的脉冲，根据多谐振荡器的频率计算公式 若取C=10F R1=15k 则R2=64k （可由56k电阻+33

15、k电位器构成）具体电路如图2-13所示b、用555定时器构成多谐振荡器式（2-1）知图2-15 555定时器构成的多谐振荡器4647三、系统综合将以上 1 、2、 3 电路综合，得图2-16抢答器的定时电路48A图2-16 抢答器的定时电路49四、讨论 秒脉冲电路：要求Vo输出波形的f=1Hz，上述电路只是从理论上讲得通，实际中要采用分频法提高精度。如：将上述电路中的C1=0.1uF R1=1.5K R2=6.4K 则Vo可以得到f=1kHz的脉冲， Vo再经过三片74LS192串联分频后就得到高精度的f=1Hz脉冲信号。 如果图2-16中高位的74LS192换成74LS92，级联时进位信号应

16、如何处理？502.2.4 八人智力抢答器之三（报警电路）：一、功能分析：设计要求报警电路要驱动扬声器发出0.5s的响声，即驱动扬声器的电平信号保证有0.5s的延时。二、如图2-17所示，报警电路采用NE555构成多谐振荡器产生方波脉冲作为喇叭的驱动信号， NE555的Rd 引脚受控制信号PR（详见八人智力抢答器之四的时序控制）控制，当PR为高电平（有效电平）时， NE555振荡，产生脉冲的高电平既为电容C1的充电时间，要保证其为0.5s。51三、参数确定：由 式2-1 知 若取C1=10uF R1=15K 则R2=64K 四、报警电路：如图2-17所示 （多谐振荡器）52如图2-17 报警电路

17、（1）53四、讨论：若用采用NE555构成单稳态触发器，也可实现上述功能，具体电路如图2-18所示54如图2-18报警电路（2）55休息一会儿562.2.5 八人智力抢答器之四（时序控制）：一、功能分析：设计要求八人智力抢答器必须具备以下功能 主持人宣布开始时，扬声器发声，抢答器和定时器开始工作。 当参赛选手按抢答器按钮时，扬声器发声，抢答器和定时器停止工作。 当定时器时间 (30s)到无人抢答时，扬声器发声。 由以上分析所知：扬声器的驱动信号PR受定时器电路高位的借位信号BO、 YEX、S控制A、当 BO2 从1-0时，扬声器发声。B、选手按抢答器时，即YEX从1-0时,扬声器发声。C、支持

18、人宣布开始时（S=1）时，扬声器发声。58二、电路设计经以上分析，扬声器驱动信号在上述三种情况下都要发声。则PR的控制电路如图2-19所示，定时器脉冲端CPD和编码器ST的控制电路如图2-20所示59图2-19 PR的控制电路60图2-20 CPD、ST的控制电路61三、系统综合将八人智力抢答器之一（抢答）、之二（定时）、之三（报警）、之四（时序）综合即得整个系统的总电路原理图如图2-21AH:课件图绘图8.vsd图2-21 八人智力抢答器总电路图63第三章 模拟电子系统设计方法3.1 模拟电子系统设计步骤：一、确定总体方案二、设计单元电路三、参数计算四、选择元器件五、电路组装调试六、绘制总电

19、路图64一、确定总体方案：根据设计要求和已掌握的知识将系统按功能合理的划分成若干个子系统（单元电路）65二、设计单元电路明确各单元电路的性能指标注意：1、考虑各单元电路之间的相互联系，注意前后级间信号的传递方式和匹配；2、尽量少用或不用电平转换接口电路；3、尽量使用现成的、成熟的电路。4、尽量使用集成电路。66三、参数计算注意： 1、要满足电路的性能指标，理论参数值不是唯一的，设计时根据元器件的性能、价格、体积、通用性、货源等因素选择。2、在计算元器件工作电流、电压和功耗等参数时，应考虑工作条件最不利的情况，并留有适当余量。3、对于元器件的极限参数必须留有足够的余量，一般取1.52倍的额定值。

20、674、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之内选择，非电解电容一般在100pF0.47F之间选择，电解电容一般在1F2000F之间选用。5、在保证电路达到性能指标的前提下，尽量减少元器件的种类、价格和体积。68四、选择元器件 电子电路的设计就是选择最合适的元器件，并把它们有机地组合起来。在确定电子元件时，应根据电路处理信号的频率范围、环境温度、空间大小、成本高低等诸多因素全面考虑。具体表现为:1、一般优先选择集成电路。由于集成电路体积小、功能强，可使电子电路可靠性增强，安装调试方便，可大大简化电子电路的设计。如随着模拟集成技术的不断发展，适用于各种场合下的集成运

21、算放大器层出不穷，只要外加极少量的元器件，利用运算放大器就可构成性能良好的放大器。同样，目前我们在进行直流稳压电源设计时，已很少采用分立元器件进行设计了，取而代之的是性能更稳定、工作更可靠、成本更价廉的集成稳压器。 2、电阻器和电容器是两种最常用的元器件，它们的种类很多，性能相差也比较大，应用的场合也不同。因此，对于设计者来说，应该熟悉各种电阻器和电容器的主要性能指标和特点，以便根据电路要求，对元件作出正确的选择。3、分立半导体元件的选择。首先要熟悉它们的功能，掌握它们的应用范围；根据电路的功能要求和元器件在电路中的工作条件，如通过的最大电流、最大反向工作电压、最高工作频率、最大消耗的功率等，

22、确定元器件型号。A、电阻器a、额定功率：共分十个等级，其中常用的有0.05W， 0.125W， 0.25W， 0. 5W， 1W， 2W，b、标称阻值系列表3-1容许误差系列代号标称系列值20%E610 15 22 33 47 6810%E1210 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 825%E2410 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91一般固定式电阻的标称值应符合上表所列数值或上表所列数值乘以10n，其中n为正整数或负整数。体积很小的电阻器的阻值和误差常用色环表示，如

23、图3-1所示。靠近电阻器的一端有4道或5道（精密电阻）色环，其中第1、第2及精密电阻的第3道色环，分别表示其相应位数的数字。倒数第2道色环表示“0”的个数，最后一道色环表示误差，色环代表的数字如下：表3-2色别黑棕红橙黄绿蓝紫 灰白金银本对应数字0123456789倍乘10010110210310410510610710810910-110-2偏差%5%10%20%B、电容器a、电容器的耐压 常用固定式电容器的直流工作电压为：6.3V， 10V， 16V，25V， 40V， 63V， 100V， 160V， 250V， 400V，b、固定电容器容量常按下列规则标印在电容器

24、上。小于10 00pF 的电容，一般只标明数值而省略单位。例如：330表示330pF。10 001 000 000pF之间的电容，采用 F为单位，它以小数标印，或以10乘以10n标印。例如：0.01表示0.01 F，104表示10 104pF=0.1 F，3n9表示3.910-9F即3900pF。电解电容以F为单位标印。3、分立半导体元件的选择。首先要熟悉它们的功能，掌握它们的应用范围；根据电路的功能要求和元器件在电路中的工作条件，如通过的最大电流、最大反向工作电压、最高工作频率、最大消耗的功率等，确定元器件型号。分立元器件包含二极管、三极管、场效应管、光电二极管、晶闸管等根据用途分别选择具体

25、参阅电子元器件的识别77注意：1、一般应优先选择集成电路。2、正确选择电阻器、电容器。 具体参阅电子设备用电阻器、电容器型 号命名方法78五、计算机仿真：利用计算机软件，对各种电子电路进行调试、测量、参数修改，这样提高了设计效果、精确度，也节省了设计费用和设计时间。目前常用的仿真软件：Spice；electronic workbench；multisim。79六、电路组装调试 电子设计要考虑的因素和问题相当多，由于电路在计算机上进行模拟时采用元器件的参数和模型与实际器件有差别，所以对经计算机仿真过的电路，还要进行实际实验。通过实验可以发现问题、解决问题。若性能指标达不到要求，应深入分析问题出在

26、哪些单元或元件上，再对它们重新设计和选择，直到完全满足性能指标为止。 安装测试判断调整再测试，反复进行。有关安装调试方法及步骤参阅综合电子设计与实践第十五章p241243模拟电子系统安装调试。调试中注意：1、凡是使用低端接机壳电子仪器进行测量，仪器的接地端应和放大器的接地端接在一起，否则仪器机壳引入的干扰不仅会使放大器的工作状态发生变化，而且会使测量结果出现误差。2、若使用干电池供电的万用表进行测量，由于表的两个电极是浮动的。所以，可以直接接到测量点之间测量。3、正确使用测量仪器的量程。如用万用表测量二极管的极性81注意：1、总体图应尽量在一张图上，同时注意信号流向。从输入端画起，由左向右或由

27、上向下按信号的流向一次画出各单元电路，反馈信号与此相反。2、注意总体电路图的紧促和协调，要求布局合理，排列均匀。3、连线一般画成水平线和垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。4、图中元器件的符号应标准化，元件符号旁边应标出型号和参数。七、绘制总电路图82休息一会儿3.2 直流稳压电源设计直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。84一、设计步骤：直流稳压电源有电源变压器、整流滤波电路及稳压电路组成，基本电路如图3-2所示851、电源变压器： 作用 ：降压

28、 根据P2由U2（见图3-2）确定，根据P2查表3-1得效率,通过式3-1)计算P1,进而确定所选变压器的功率。具体使用方法可查阅变压器使用手册-式(3-1) 86表3-1P2（VA）（35）T /2-式（3- 5）89则， RC3050ms-式（3- 6）其中，Vip-p设计要求中的稳压系数SV和Vop-p 确定； Ic取IOMAX； tT/2=10ms（对应f=50Hz）3、稳压电路1）三端稳压器 固定式三端稳压器90 A、正压稳压器：78系列a、外形及引脚功能91图3-3 CW78 外形及引脚图b、典型电路92 B、负压稳压器：79系列93a、外形及引脚功能图3-5（a） CW79 外形

29、及引脚图94b、典型电路 可调式稳压器A、正电压输出 a、外形及引脚图95图3-6 cw317外形及引脚图图3-7 cw337外形及引脚图b、典型电路96图3-8a CW317典型应用其中式()图3-8通常 最大输入、输出差为 35V通常 - 最小输入、输出差为 V 98注意：为保证稳压器在电网波动时仍处于稳压状态，要求式(3-8)99二、设计举例：1、设计以集成稳压电源，使其性能指标达到： UO = +39V，IOMAX =800mA VOp-p5mVSV 3103设计过程见板书图3-9三端集成稳压电路的工作原理101102休息一会儿1033.3信号产生电路一、正弦波发生电路 1、文氏桥电路

30、1042、双T型RC振荡器105二、非正弦波发生器1、方波、三角波发生器图3-5 方波、三角波发生器其中 106-式（3- 9）-式（3- 10）1072、矩形波发生器108三、多种信号发生器1、由分立元器件构成的方波、三角波、正弦波发生器： A、方波三角波参照图3-5 B、 三角波-正弦波变换电路如图3-7所示，利用差分对管的饱和与截止特性变换原理实现。109设计举例：利用分立元件设计一方波、三角波、正弦波发生器，使其频率范围在1Hz10Hz，10Hz100Hz，输出电压方波VP-P=24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P 1V，波形特性 方波tr 30us，三角波 2；正弦波 5；设

31、计过程见板书110图3-8 三角波-方波-正弦波函数发生器2、单片集成函数发生器5G8038(ICL8038)112图3-9 ICL 8038组成的函数发生器113休息一会儿第四章 数模混合系统设计4.1电压-频率转换与频率-电压转换一、电压-频率转换电路（VFC) 将直流电压信号转换成矩形波信号，矩形波的频率与输入的直流电压数值成正比，这种电路也称之为电压振荡电路。1141、电荷式电压-频率转换电路（AD650)115图4-1电荷式电压-频率转换电路1162、AD650引脚图 AD650是一种既可以用作电压/频率转换（VFC），又可用作频率/电压转换（FVC）的高性能单片继承电路芯片。他的最

32、大满度频率达1MHz，能用于低成本，高分辨率的数/模或模/数转换。他的引脚图如图4-5所示图4-3 AD650的引脚图 ADC650的模拟输入部分为一个差分运放，既可以实现电压输入，也可以实现电流输入； ADC650的输出部分采用集电极开路输出方式，可以方便地与TTL、COMS数字电路接口。图4-4 AD650的单极性正电压工作方式电路4.2、A/D转换器一、A/D转换器的主要技术指标（见板书）二、集成A/D转换器分类及比较(见表4-1）121型号TLC5510TLC0831AD7705TLC7135AD605类型并行比较分级型逐次逼近型-型积分型VFC型特点超高速高速性价比高高分辨率高精度高精度低成本高抗干扰低成本高分辨率分辨率61081681616241216816转换时间（ms）几十几十几百几几十几几十几十几百几几十采样率（sps）几十几几十几百几十几几十几几十价格高高中中低低用途举例超高速视频处理视频数据采集数据采集工业处理音频处理数字仪表数字仪表数字仪表简易ADC表4-1三、常用的A/D转换器举例1、ADC0809引脚图图4-5