系统设计讲稿

电子系统设计

电工电子教学实验中心杨拴科一、基本要求二、教学方法三、电子系统概述四、电子系统设计的一般方法与步骤五、电子电路安装六、电子电路调试技术七、电子电路抗干扰八、设计举例电子系统设计一、基本要求综合应用电子技术、计算机技术、传感器技术等课程所学的理论知识来独立完成一项切合工程实际的设计任务。通过一项具体任务锻炼设计、安装、调试电子电路的技能。通过总结交流，培养撰写科技报告、科技论文的能力。二、教学方法选题方案选择（工具、电路结构、性价比等）单元电路设计安装与调试撰写设计与总结报告设计与总结报告的具体要求：

设计题目设计任务（具体要求）方案论证与选择总体原理框图、单元电路图及其参数选择、PCB图等。系统调试方法、步骤，技术指标的测量方法、测量结果，误差分析。收获、体会，并提出进一步提高性能指标的方法或研究方向。三、电子系统概述电子系统电子系统包括：模拟系统、数字系统、数模混合系统。温度控制系统三、电子系统概述（续）2.电子系统设计与实现四、电子系统设计的一般方法与步骤1.方案论证分析题目要求提出多种原理性方案

择优：满足要求容易实现具体方案总体框图（每个框可用一个简单电路实现）例：“数显式交流有功电子电能表”的设计方案1例：“数显式交流有功电子电能表”的设计方案2例：“数显式交流有功电子电能表”的设计方案3四、电子系统设计的一般方法与步骤（续）2.单元电路设计①电路结构选择：明确单元电路的要求，确定单元电路的性能指标；查阅文献、资料，选择与本设计相近的电路结构，修改部分元器件参数以满足设计要求；尽量选择成熟的电路，也可在相关基本电路的基础上设当改进、提高或创新设计。②元器件选择原则考虑性能价格比高的器件。分立与集成器件：一般选择集成电路芯片，但高电压、大电流、高频、宽带等特殊电路仍要选用分立元件。尽量选用功能模块电路。四、电子系统设计的一般方法与步骤（续）2.单元电路设计（续）③电路参数计算（也可通过计算机仿真得到）：器件参数要留有裕量电阻电容要用系列值尽量减少器件种类

3.单元电路之间的级联问题①电气特性的相互匹配：阻抗匹配、线性范围、负载能力、高低电平配合等等。②信号耦合：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合③时序配合：分析单元电路中的时序、画出时序图，确保电路级联后能正常工作。

4.画出总体电路原理图五、电子电路安装按功能模块划分：数字、模拟、大功率、小信号；检测、处理、显示、执行等部件。可测性问题：测试、检修维护方便。散热问题：通风条件、散热片等。电磁兼容问题安装布局的原则：六、电子电路调试技术调试方法：先分块调试，再整体调试。调试内容：静态调试：在无外加信号的条件下，测试各点的电位、高低电平，逻辑关系等。动态调试： 调试信号幅值、相位关系、波形、频率范围、放大倍数及时序逻辑关系等。六、电子电路调试技术3.调试常用仪器

------万用表、示波器、信号发生器、仿真器、直流电源等4.调试步骤：①目测----检查电路②通电观察③静态调试

④

动态调试⑤系统功能及性能指标测试六、电子电路调试技术例如：单片机系统动态调试总线检查、输出接口检查：给端口写55H、AAH，观察每条线上的波形。执行循环程序检查I/O、RAM、A/D、D/A等电路的片选（/SC）、读（/RD）、写（/WR）信号是否满足时序要求RAM、A/D、D/A等电路功能测试

七、电子电路抗干扰常见的干扰源：来自电网的干扰来自地线的干扰来自信号通道的干扰来自空间电磁辐射的干扰数字电路中电源电流的波形uO理想曲线oooiEiEttt

IEH

IEL

UOH

IEL

UOL

IEH实际曲线t

+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3七、电子电路抗干扰2.切断干扰传播路径

：（1）交流电源滤波器七、电子电路抗干扰2.切断干扰传播路径

：（2）许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。其中L为磁珠，也可用100Ω电阻代替。

七、电子电路抗干扰2.切断干扰传播路径

：（3）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离。其中L为磁珠，也可用100Ω电阻代替。七、电子电路抗干扰2.切断干扰传播路径

：（4）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。

七、电子电路抗干扰2.切断干扰传播路径

：（5）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。

七、电子电路抗干扰2.切断干扰传播路径

：（6）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。七、电子电路抗干扰2.切断干扰传播路径

：（7）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。

七、电子电路抗干扰3.抑制干扰源

：（1）

集成电路芯片的电源对地加0.01~0.1μF无极性电容器以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，图a和图b的效果相差很大，图c比图b的效果更好。图a的布线增大了电容的等效串联电阻，影响了滤波效果。

七、电子电路抗干扰3.抑制干扰源

：（2）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

七、电子电路抗干扰3.抑制干扰源

：（3）在继电器接点两端并接火花抑制电路，减小电火花影响.七、电子电路抗干扰3.抑制干扰源

：（4）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。

七、电子电路抗干扰3.提高敏感器件的抗干扰性能

（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。

（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。

七、电子电路抗干扰3.提高敏感器件的抗干扰性能

（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。

七、电子电路抗干扰3.提高敏感器件的抗干扰性能

（7）信号通道干扰的抑制措施利用双绞线传输信号光电隔离、电磁隔离（8）空间电磁辐射干扰-----------屏蔽八、设计举例1．输入直流电压15V，输出直流电压在0~9.9V，可利用功能键任意设定，步进0.1V；输出电压中的纹波分量不大于20mV；最大输出电流500mA。2．输出电压值由数码管显示。3．扩展输出电压种类，如三角波、方波、正弦波等。（一）简易数控直流电源八、设计举例（一）简易数控直流电源（一）简易数控直流电源输出电路方案讨论（一）简易数控直流电源输出电路方案讨论（一）简易数控直流电源怎样实现UX？UX怎样实现？当n=8时，Ux在-5V~+4.96V之间变化（一）简易数控直流电源（一）简易数控直流电源UX怎样实现？（一）简易数控直流电源数控部分怎样实现？（一）简易数控直流电源数控部分怎样实现？（一）简易数控直流电源数控部分怎样实现？（一）简易数控直流电源数控部分怎样实现？（一）简易数控直流电源八、设计举例1．滤波器的截至频率或中心频率能在00Hz~20kHz设置。2．滤波器应具有低通、高通、带通的滤波特性，过渡带应有80dB/10倍频的变化率（4阶）。3．滤波器的输入电压峰值：0~±2.5V，输出电压：0~±5V，噪声电压小于20mV（二)全功能程控有源滤波器八、设计举例（二)全功能程控有源滤波器利用集成开关电容滤波器MF10可实现开关电容的基本概念八、设计举例（二)全功能程控有源滤波器八、设计举例（二)全功能程控有源滤波器八、设计举例1．测温范围0~150℃。2．用数码管显示温度值，最大误差小于1℃。（三）数字化测温系统八、设计举例（三）数字化测温系统温度传感器AD590当T=273.2K时，It=273.2μA，对应0℃调U1=2.732V时，I1=273.2mA，I1=It，即：I2=0，UO=0V当∆T=1℃时，∆I2=1μA，∆UO=∆I2R2=10mV，即：∆UO=10mV/℃∆U1=1mV/℃∆UO=100mV/℃基准电压源TL431计数法测量频率f——被测信号的频率；N——计数值，脉冲个数；tcp——时基脉冲宽度。计数法测量周期

N——计数器的读数；τ0——时标信号的周期；n——周期倍乘系数。八、设计举例1．4路模拟量输入，输入电压范围0~5V，分辨率8位，转换时间100μS，具有显示（数码管）测量结果（用10进制显示直流电压值或交流电压峰值）的功能。2．1路模拟量输出，用来分别重现4路被采信号的波形（供示波器观测）。（四）单片及数据采集系统（四）单片及数据采集系统数模转换器：ADC0809模数转换器：DAC0832键盘显示控制器：ZLG7289显示器：LED八、设计举例 根据键盘输入的信号频率，输出一个正弦波，正弦波的零点以及正弦波的幅度可分别通过电位器调节。具体要求如下：1．正弦波的频率范围：下限频率为0.1Hz，上限频率暂时不确定，但应尽量提高，并在实验报告中分析影响上限频率的因素和已完成的最大值。2．输出正弦波中不能含有尖峰干扰。3．输出正弦波峰峰值最大为20V、最小为100mV，直流偏移为±2V。4．频率输入为数字量，在10Hz范围内分辨率为0.1Hz；10~100Hz内为1Hz；100~1000Hz内为10Hz。5．扩展输出波形种类，如三角波、方波等，幅度和频率范围自定。（五）低频程控信号源（五）低频程控信号源用数字方式产生正弦波的方法：直接数字合成技术（DDS）1.用程序产生正弦波：先用高级语言（VBorVC等)生成数据表。

y=A0+Asin(ωt)=A0+Asin(2πf*t)=A0+Asin(2π*t/T)，进行离散化处理后：

y[i]=128+100*sin(2*pai*i*Δt/(N*Δt))=128+100*sin(2*pai*i/N))

其中，N为输出波形一个周期的点数，i=0,1,2,3,…,N-1。Δt为相邻两点间的时间间隔。然后查表输出波形。频率通过改变两点间的延时时间来调整。

2.硬件查表法：将波形表存入EPROM(2716)中，由二进制加法计数器输出地址，对波形表地址进行循环扫描输出表中的波形。硬件查表法可以提高输出波形的频率，但调整频率不方便，只能通过改变计数器的计数脉冲信号的频率来改变频率。

(1)输出波形一个周期由256个点组成，CLOCK的频率决定输出波形的频率。(2)K0、K1、K2用于波形切换，000—正弦波，001—方波，等等。直接数字合成技术（DDS）

DDS是一种新兴的频率合成技术，具有频率分辨率高、频率改变快捷、频率稳定性好等优点。它由全数字电路构成，易于集成，在通信系统的各个领域得到广泛应用，特别适合在移动通信和跳频扩频通信领域使用。基于DDS的信号发生器方案如下图所示：输入24～32bit∑δ相位寄存器M相位锁存器

DAC正弦ROM查找表LPF0.4fcnnnn相位累加8～16bit输出fc系统时钟NDDS的工作原理：首先将正弦波的输出看作为一个围绕相位圆的旋转矢量。相位圆上的每一点均对应输出正弦波形上的一个特定点。矢量围绕相位圆旋转，相应的输出波形也就产生了。矢量旋转一周，对应产生正弦波的一个完整周期。

000…0111…1Mθ上图中相位累加器用于完成矢量绕相位圆的线性运动。相位圆的离散点数由相位累加器的分辨率决定。一个nbit的累加器在相位圆上有2n个点。

δ相位寄存器（M）中的数值表示DAC两次转换（刷新）之间的跳动步长。它指使相位累加器以系统时钟频率每次在相位圆上跳跃M个点。

M是存于δ相位寄存器中的数，fc为时钟频率，n为相位累加器的分辨率，那么围绕相位圆的旋转频率，即系统输出频率fo为：

fo=1/To=1/((2n/M)*Tc)=1/((2n/M)*(1/fc))=(M*fc)/2n此系统的频率分辨率为fc/2n。输出频率取决于存于δ相位寄存器中的数M。

理论上，累加器中的任一个可能的相位均对应ROM查找表中一个特定的值，这就会需要相当大容量的ROM。实际上，可以将相位数据截短，以减小DDS系统对ROM容量的需要。相位截短是一个很重要的概念。例如：24位的相位累加器，只取最高8位用于地址查表。相位分辨率直接影响输出正弦波谱的纯度。如果相位信息截短到16bit，重建正弦波波谱纯度将比非截短时下降96dB。三片74LS373用来锁存由单片机发送来的相位增量，相位增量决定输出波形的频率。相位累加器由三片8位加法器（8fadd）构成，构成一个带反馈的24位加法器。相位锁存器采用三片8D触发器74LS374，用来锁存累加和。在每一个时钟周期，相位累加器把输出数据作为另一路输入数据与从微处理器送来的频率控制字进行连续相加，产生有规律的24位相位地址码，取其结果的高9位作为RAM查询表的地址，然后从RAM中读出相应的幅度值送到DAC。

锁存、求和74LS374输出

D3D2D1D000000000010001000100010010001000010011001100010000000000Cp举例：4相位累加器工作原理。

M=4=0100，由单片机送入δ相位寄存器（74LS373)。

74LS373的输出与相位锁存器（74LS374）的输出相加，结果又作为74LS374的输入，在时钟作用下74LS374锁存累加和送到输出端，在时钟作用下重复以上过程即可输出步进为M的扫描地址，用于波形查表输出。锁相频率合成器

锁相频率合成器原理框图锁相频率合成器的原理框图如左图所示。其基准频率通常由相对频稳度为的晶体振荡器产生，经M倍分频后提供适当的基准频率。虚线框中的电路是频率合成器的核心部分--锁相环，它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。系统输出信号的频率为

fo=(N/M)fi。改变分频比N或M，可方便地获得大量离散频率的输出信号。

八、设计举例设计制作一台电阻器、电容器和电感器参数测试仪，具体要求如下：1．测量范围：电阻100Ω~1MΩ；电容100pF~10000pF；电感100μH~10mH。2．测量精度±5%。3．用4位数码管显示测量值，并用发光二极管分别指示所测元件的类别和单位。（六）简易RLC参数测试仪（六）简易RLC参数测试仪电路参数——电阻、电容、电感是电路的三种基本参数，也是描述网络和系统的重要参数。由于分布参数的影响，实际的电阻、电容、电感的等效电路如图所示。

a)电阻器b)电感器c)电容器

电路参数的数字化测量通常是把被测参数转换成直流电压或频率后进行测量。（六）简易RLC参数测试仪（六）简易RLC参数测试仪比例运算器法测量电阻（六）简易RLC参数测试仪积分运算器法测量电阻积分运算法测量电阻（六）简易RLC参数测试仪恒流法测量电容用恒流源I对电容C充电，经过T时间后充电电荷Q=I•T，此时电容两端的电压U=Q/C，显然只要I和T已知，测出电压U便可按C=I•T/U计算出的电容值。恒流源向C充电，同时时标脉冲CP经与门进入计数器。当Uc值大于UR时（比较器同相输入端的电压，图中未画出），比较器输出零电平，停止计数。这时显示的数据就是与电容值成正比的测量结果。即（六）简易RLC参数测试仪

比较法测量电容图中电路的上半部分为一典型的比例恒流源。R1为量程电阻，调整恒流的大小。当S合上一次，即对被测电容清零，量程电流I向Cx充电。A1输出由低变高，同时向MCU申请中断，MCU立即响应中断，启动定时计数器计数。当电容Cx电压Ucx>E2（4V），A2输出由高变低，此时设MCU读定时计数器的计数值，并计算出被测电容的值。

（六）简易RLC参数测试仪比较法测量电容（六）简易RLC参数测试仪时间常数法测量电感在t＝０时合上开关，电感i中电流将按指数曲线上升，其最大值为I。从右图中可看出，在开始阶段变化曲线和t＝０时刻的切线基本重合。令I’<<I，I’与i交点的横坐标为ΔＴ，从图中可知

只要先测出电感线圈的直流电阻，并已知U便可计算出I，或者保证每次测量回路的直流电阻相等，使得到的I为定值，则由测定的ΔＴ即可求得τ，从而算出L＝τR。

八、设计举例设计一个测量桥路输出信号的测量放大器，测量电路与放大器之间有2米长的连接线，具体要求如下：1．最大输出电压为±10V，非线性误差<0.5%；2．差模放大倍数Aud=1~1000，可程控，步长为1；3．在输入共模电压±7.5V范围内，共模抑制比KCMR>105；4．通频带0~10Hz，输出端噪声电压的峰峰值小于0.01V；5．直流电压放大器的差模输入电阻>2MΩ。（七）测量放大器（七）测量放大器测量放大器

F124/F224/F324系列引脚图

三运放测量放大器

AD522型单片集成测量放大器

AD522用于测量电桥的电路

AD522管脚功能程控放大器

可编程增益放大器的原理图可编程增益放大器集成芯片AD526

AD526原理图

AD526管脚图数模转换电路程控增益衰减电路程控增益放大电路八、设计举例设计一个能测量单相工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数的测试系统。具体要求如下：1．测量功能与测量范围（1）交流电压：0~300V，（2）交流电流：0~5A，（3）有功功率1.5kV，（4）无功功率和功率因数的范围待定。2．测量精度：交流电压和电流的测量误差小于1%。3．设置功能键选择测量功能。说明