《电子系统设计与实践》实验教程

肇庆学院光机电一体化综合性实验教学示范中心实验教材之十一

电子系统设计与实践

实验教程

肇庆学院电子信息与机电工程学院编

二00八年九月

内容简介

本教程是与《电子设计制作与调试》、《电子系统设计与实践》相配套的实验

教材。本教程设计开发了一批实验项目，整个教程内容主要分几个模块：综合设

计性实验、SOPC系统设计实验、历届全国大学生电子设计竞赛题目集等。各种

实验的安排由浅入深，学生可根据不同能力层次选择相应的实验项目。

本教程是学生在修完模拟电子技术、数字电子技术、高频电子技术、单片机

原理、可编程逻辑器件等课程后的后继综合性设计性实践课程，是对上述课程内

容的继承和综合。该教程以实验为主，理论辅导为辅，部分实验为自选实验，可

供学生利用课外实验室开放时间进行开放设计性实验，通过自行设计、自己动手

实验，在完成比较复杂的综合实验过程中，加深对课本上理论和概念的理解，培

养独立获取知识的自学能力、解决问题的实践技能和创新设计的综合能力。

本教程可作为高等院校电子信息、电气工程及其自动化等相关专业的电子系

统设计实验教材，也可作为部分课程设计、毕业设计选题参考书。

刖百

随着数字电子技术的高速发展，30年前从未有过的大量学科纷纷出现在高

等教育的课程设置中。如DSP技术、SOC设计、EDA技术、计算机组成与设计、

数字通信、嵌入式系统、工业自动化、硬件描述语言、面向用户的微电子技术、

软件无线电、硬件智能演化技术等等。这其中许多被列为当今的核心科技学科，

自主型科学技术的重心，引领着未来电子技术的发展方向，也预示着前景良好的

就业取向。

本教程采用开放式实验教学模式。所谓开放式实验教学，是指由学生自己根据

实验题目的要求，独立拟定实验设计方案，设计实验电路，完成实验过程，辅导老师

只负责对实验方案进行审查，在实验过程中给予必要的启发与引导，实验完成以后

对实验结果和报告进行评价。实验内容及要求应具有开放性、探索性和创新性，让

学生在“开放的空间”里自由开动脑筋，形成自由学习的氛围。

为了使学生能在这种开放、宽松的实验环境下，充分发挥自己的主观能动性

和聪明才智，将实验做得更好、收获更大，特对教程内容进行大幅增删，按照开

放式实验教程建设的指导思想：加强基础、突出创新、开拓思维、培养能力、提高

素质。大幅压缩验证性实验，保证必要的基础性实验，改造传统实验方法，加强综

合设计性实验，加强基础知识和现代工程技术的融合。构建以“基本技能培养一

综合设计能力培养一创新设计能力培养”三个培养层次的开放式实验教学体系。

在有效地保证大面积学生教学质量的同时，使优秀学生能脱颖而出，使学生创新

能力和实践动手能力得到一定程度的锻炼。

本实验教程具有如下一些特点：

（-）突出强调以学生为主，独立自主地完成实验

每次实验前提供一份实验任务书，学生根据任务书的要求，独立选用设计方

案，独立进行实验操作，灵活安排实验进程，独立对实验结果进行分析评定，最

后独立完成综合实验报告（其格式参照附录A）。在教学方式上表现出以学生独立操

作为主，教师指导为辅，教师只是在学生经过了反复实验、深入思考仍存在疑问

时才给予必要的指点。同时，实验任务有一定的难度和一定的工作量，其模式模

仿电子设计竞赛的格式，一般以三人为一设计小组，实验课题需要学生经过团队

的不懈努力和团队协助才可以很好地完成。因此，课程的整个学习过程是教师帮

助学生形成自己的问题，学生自觉地控制自己的学习行为。

（二）强调实验的设计性与实践探索性

整门实验课程的学习充分体现了实验的设计性与实践探索性。

设计性：学生根据设计任务书的要求，通过自行到图书馆查阅相关文献资料，

通过比较推敲，选定设计方案，并制定相应的实现过程。

实践探索性：学生制定的设计方案是否完全可行、如何对实验现象进行合理

解释，如何对实验效果进行评定，需要学生自己通过严格的实验来探索、检验、

分析和修正，并提出正确的解决方案。特别是，我们要求设计结果实现的系统性

能不要局限于基本要求，尽可能拓展功能，以实现越多功能越好。这就要求学生

必须查阅更多资料并具有更高的实践动手能力。提高了学生的分析问题和解决问

题的能力，又锻炼了学生的实验技能和动手能力。

设计性与实践探索性相结合践行了理论联系实践的教学思想，设计性体现出

理论知识的具体应用，实践探索性体现出通过实践深化对理论知识的理解，既丰

富了学生的理论知识，又培养了学生的创新意识和求真务实的科学精神。

（三）采用指定题目和可选题目相结合的实验模式，提高学生选题的自由度和

兴趣

指定实验题目，是学生必须按照规定的内容去完成实验要求；可选实验模块，

是学生可根据提供的实验模块内容，自主选择感兴趣的实验题目。由于这些实验

全部是综合性、设计性实验，涉及的知识面较广，所以将实验的选择权交给了学生。

对于指定题目的实验，由于设计的内容需要用到规定章节的知识点，一般都限定

了题目方向，学生的思维自由度不高，但可对内容实现的功能进行扩展；对于可

选题目，学生根据自己的特长爱好选择其中1〜2个项目进行研究，设计范畴涉及至IJ:

气压、温度、超声波、位移等检测技术和声光报警、电机控制等控制技术。如音

乐播放器、水塔水位自动控制系统、出租车计价器设计等。然后再进行理论性设

计，并以科技论文的形式撰写实验报告。若有兴趣，还可以在课外进入开放实验室

进行设计制作。这种选择模式打破了“学生为做实验而做实验”的局面，真正做到

“学生想做实验而做实验”的格局，创造出一种严谨、宽松的氛围。

（四）改革实验教学方式，采取了独立自主、分散进行的开放式实验教学模式

由于实验有一定的难度，学生对实验设备和操作技术比较陌生，容易在实验

过程中出错。因此，允许每位学生根据自己的学习生活具体情况安排各自的实验，

实验室对学生开放，这样就使每位学生都有充裕的时间进行实验，而不会因为时

间紧迫胡乱对付完成实验，实验失败的同学可以安排时间重做实验，有浓厚兴趣

的同学可以安排时间尝试创新，如改进和增加新的功能，例如在数字钟设计实验

中，除了必须完成基本的时分秒计时和显示功能外，还可加校时、报时、万年历、

触摸报时、测温度等功能。这样既充分发挥了学生的主观能动性使其能够更好地

完成实验，又充分利用了设备并避免了因实验条件有限对学生实验的影响，从而

保证了实验教学的高质量和良好效果。

总的来说，这种实验模式营造了一种学生独立完成科学实验的学术氛围，有利

于提高学生学习的主动性和自觉性，更利于发挥学生的聪明才智，培养学生的工程

意识和创新能力。

最后要强调的是，本实验教程旨在引路，不会带领同学们掌握更深层次的设

计开发，更高级的设计应用要依靠同学们自己去学习和挖掘。

本教程适合作为电子信息、电气工程及其自动化等专业电子系统设计实验指

导教材。作者相信同学们只要认真、勤奋地实践教程中的内容，就能体会到由实

践而带来的一次又一次的成就感；而成就感是学习过程中的快乐源泉，学习效率

也会因此而提高。

最后感谢肇庆学院省级光机电一体化综合性实验教学示范中心对本教程的资

助，使本教程得以快速编写印刷。

本教程由元泽怀执笔编写，由于作者的水平有限，加上时间紧迫，书中内容

难免有疏忽、不恰当甚至错误的地方，恳请各位同行、老师及同学们不吝指正，

以便修订。

编者

2008年8月

目录

前言...............................................................................I

第1章综合设计性实验..............................................................................1

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第2章SOPC系统设计实验..........................................................................24

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输出实验1—流水灯控制.................................................................24

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X16点阵LED实验......................................................................46

第3章历届全国大学生电子设计竞赛题目集........................................................54

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测量放大器.............................................................................64

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数字化语音存储与回放系统............................................................69

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波形发生器.............................................................................70

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附录A电子系统设计实验报告格式................................................................120

附录BSmartSOPC核心板FPGA引脚分配...........................................................134

参考文献...........................................................................................140

第1章综合设计性实验

本章实验分两部分，第一部分为限选实验题目，主要是结合课堂教学需要而

安排的实验选题；第二部分为自选实验题目，可供期末综合考核选题，或学生进

行实验室开放实验参考选题，供学生利用计划课时外时间进行设计训练。

1.1限选实验题目

1函数发生器设计

一、设计任务：

设计并制作一个函数(波形)发生器。其参考设计电路见下图1-1所示。

二、设计要求：

1.基本要求

(1)能输出频率f=20Hz~2kHz并连续可调的正弦波，三角波和方波。

正弦波：峰-峰值V…弋3V,非线形失真系数yW5%

三角波：Vp“g5V

方波：VP-P«1OV

(2)能输出频率f=20Hz、500Hz并连续可调的锯齿波和矩形波。

锯齿波：V…七3V，负斜率连续可调。

矩形波：V12V,占空比为50%、90%并连续可调。

(3)用±12V电源供电。

2.扩展功能

(1)可通过键盘设定信号输出频率，并加入显示电路，将测试频率结果显示

出来。

(2)能输出扫频波，并要求扫频频率按步进值为10HZ进行扫频测试。

(3)设计图形显示电路，显示输出的函数信号。

★设计提示：采用8038+单片机的设计方案，比较容易实现系统的扩展功能!

图1-1函数信号发生器参考电路图

注：将k置于1,将整个电路分成函数波形发生器部分和锯齿波，矩形波发生器部分；

当开关k打到2位时，ICL8O38输出的是扫频信号。

1数控直流稳压电源设计

一、设计任务：

设计并制作出有一定输出电压范围和功能的数控电源。其原理示意图如下：

图1-2数控直流稳压电源系统组成框图

二、设计要求：

1.基本要求

(2)输出电流：500mA；

(3)输出电压值由数码管显示；

(4)由“+”、“一”两键分别控制输出电压步进增减；

(5)为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V,+5V。

2.发挥部分

(3)扩展输出电压种类(比如三角波等)；

(4)其它功能。

1音频功放器设计

一、设计任务：

设计并制作一音响放大器，要求具有电子混响延时，音调输出控制、卡拉

0K伴唱，对话筒与录音机的输出信号进行扩音。

二、技术指标

额定功率Po^lW(y<3%)；

负载阻抗R.=8Q；

截止频率f,=40Hz,fn=10kHz；

音频控制特性1kHz处增益为OdB,100Hz和10kHz处有上±12dB的调节范

围,AVL=AVHN20dB；

话放级输入灵敏度5mV；

输人阻抗Ri«20Qo

三、设计要求：

1.基本要求

(1)测试结果基本符合技术指标要求；

(2)音响音质基本没有电流声，整体性能较好。

2.扩展功能

(1)提升输出功率，如100W；

(2)增加数字音量控制及指示电路；

(3)增加其它功能。

1数字电压表设计

一、设计任务

设计并制作一3位半数字电压表。

二、技术指标

直流电压测量范围(0-200)V,共分4档：200mV.2V、20V和200V；

测量速度(2~5)次/s任选；

测量误差Y〈土

三、设计要求

1.基本要求：

(1)具有正、负电压极性显示。

(2)小数点显示。

(3)超量程显示。

(4)量程自动转换等。

2.扩展功能：

(1)拓展显示位数，如4位半等。

(2)增加测电流、电阻等功能，将电压表拓展为数字万用表。

频率合成器设计

一、设计任务

已知电源电压V。产±5V,晶振频率为1MHZ,用CC4046设计一频率合成器。

二、技术指标

工作频率范围为100HZ~100KHZ,分为三个频段。

lOOHZ'lKHZ,频率间隔为1OOHZ；

1KHZ~1OKHZ,频率间隔为1KHZ；

lOKHZ"lOOKHZ,频率间隔为lOKHZo

三、设计要求

1.基本要求

(1)设计其组成电路及确定电路各参数。

(2)测量频率合成器的基准频率、工作频率范围、频率间隔。

(3)改变电源电压V。产±12V,重新测量(2)内容。

2.发挥部分

(1)实现频率显示。

(2)采用其它器件或设计方法设计频率合成器。

1多功能数字钟设计

一、设计任务

设计并制作一多功能数字钟

二、设计要求

1.基本要求

(1)能实现基本的计时功能，输入1kHz的时钟，采用24小时制计时，能

在数码管或液晶上正常显示时、分、秒。

(2)时间校正功能；时分均有校时功能。

(3)正点报时功能。当计时器运行到59分49秒开始报时，每鸣叫1s就停

叫1s,共鸣叫6,前5响为低音，频率为750Hz；最后1响为高音，频率为IKHz。

(4)可设定至少2个闹钟时间，当按下闹铃开关时，可在规定时间闹铃，

当开关复位时，闹铃停止。

(5)时钟掉电保持功能，当电源掉电时时钟不停止。

2.发挥部分

(1)增加日历功能，能正确显示年月日星期等。

(2)增加音乐闹钟功能。

(3)按键语音报时功能。

(4)无线遥控时钟功能。

(5)触摸报时功能。

1数字频率计设计

一、设计任务

设计并制作一台数字显示的简易频率计。

二、设计要求

1.基本要求

(1)频率测量

b.测量误差W

(2)周期测量

Z

b.测量误差W

(3)显示及工作方式

十进制数字显示，显示刷新时间1〜10秒连续可调，小数点自动定

位转换。

(4)自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

2.发挥部分

<10s)o

W1%O

(3)脉冲宽度测量

>100us

b.测量误差W1%

★本设计如采用单片机进行设计，应增加外部计数器如74LS393等，可扩大

计数数值，扩大频率测量范围；如采用FPGA+单片机进行设计，利用等精度频率

计设计方法，可扩展发挥部分的功能。见下图卜3。

图1-3等精度频率计系统组成框图

1红外多路遥控器设计及应用

一、设计任务

设计并制作一多路红外遥控器，并将其应用于某一实用控制系统。

二、设计要求

1.基本要求

(1)遥控路数为8路。

(2)可控制受控设备的开、关状态，并且在接收端能判别开、关信号，以

发光二极管的亮、暗表示受控设备的开、关。

(3)工作频率为50kHzo

(4)遥控距离不小于3m。

2.发挥部分

(1)使遥控距离不小于5mo

(2)可控制受控设备的多种状态，如设计成PC机红外遥控器，可应用于多

媒体教室的PC机控制。

1无线多路遥控器设计及应用

一、设计任务

设计并制作一多路无线遥控器，并将其应用于某一实用控制系统。

二、设计要求

1.基本要求

(1)遥控路数为8路。

(2)发射端用数字显示所控的路数和状态类别，接收端用数码管作为被控

对象，使其显示受控对象及其工作状态。

(3)工作频率为lOMHZo

(4)遥控距离不小于5mo

注：本部分不允许采用现成的发射接收模块。

2.发挥部分

(1)使遥控距离不小于10m。

(2)若采用现成的发射接收模块，应可控制受控设备的多种状态，如设计

成无线网络电台等，可通过遥控发射部分的按键控制无线网络电台播放节目或进

行音量调节等操作。

1多功能电子琴设计

一、设计任务

设计并制作一多功能电子琴

二、设计要求

1.基本要求

(1)能够发出1、2、3、4、5、6、7等七个音符。

(2)能播放存储的音乐(至少4首)。

(3)自动选曲。

2.扩展部分

(1)能模拟各种传统乐器如笛子、小号、双簧、风琴等的乐音。

(2)能通过键盘演奏任意提供的乐曲(如“茉莉花”“生日快乐”等)。

(3)显示播放音乐歌词。

1.2自选实验题目(开放性实验)

1温度测量与控制器设计

一、设计任务与要求

设计并制作对某一系统的温度进行测量与控制的电路。电路的要求为：

①被测温度和控制温度均可数字显示。

②测量温度范围为0℃〜120℃,精度为土

③控制温度连续可调，精度为±1℃。

④温度超过额定值时，产生声、光报警信号。

二、总体方案设计

(1)设计思路

①对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度(非电量)转换成电量，

然后采用电子电路实现课题要求。可采用温度传感器，将温度变化转换成相应的

电信号，并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。

②恒温控制，将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压VRRF，用实际测

量值%与VREF进行比较，比较结果(输出状态)自动地控制、调节系统温度。

③报警部分，设定被控温度对应的最大允许值为丁皿，当系统实际温度达到此

对应值T皿时，产生报警信号.

④温度显示部分，采用转换开关控制，可分别显示系统控制温度对应值VREF和

报警温度对应值TE.

(2)原理框图

图1-4温度测量与控制器原理框图

①传感器可采用粕电阻、精密电阻和电位器即组成测量电桥，如下图所示。

电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器的双端输入信号，将信号放大后由低

通滤波器将高频信号滤除。

图1-5传感器电路

②被测温度信号电压加于比较器1与控制温度电压VREF进行比较，比较结果

通过调温控制电路控制执行机构的相应动作，使被控系统升温或降温。

③当控制电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度对

应值Vw,用声、光报警电路发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。

④开关S1可分别键合系统温度、控制温度电压V9和报警温度电压Vw,通

过A/D转换器将模拟量转换成数字量，显示器显示出相应的温度数值。

1音乐彩灯控制器

声控音乐彩灯是音乐声响与彩灯灯光的相互组合，使音乐的旋律伴以亮度、

颜色和图案不断变换的灯光，使人的视觉和听觉结合在一起获得综合的艺术享

受。

一、任务和要求

（1）任务

设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由三路不同控制方法的彩灯所组成，

采用不同颜色的发光二极管作设计实验。

（2）要求

①第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。

②第二路按音量的强弱（信号幅度大小）控制彩灯。强音时，灯的亮度加大，

且灯被点亮的数目增多。

③第三路按音调高低（信号频率高低）控制彩灯.低音时，某一部分灯点亮；高

音时，另一部分灯点亮。

二、总体方案设计

（1）设计思路

根据课题要求，本控制器可分别用三部分电路实现。

①音乐的节奏往往由乐队的鼓点来体现，实质上它是具有一定时间间隔的节

拍脉冲信号。因此，可采用计数、译码驱动构成节拍脉冲信号发生器（或称时间

顺序控制器），使相应的彩灯按节奏点亮和熄灭。

②为实现声音信号强弱的控制，应该将声音信号变成电信号，经过放大、整

流滤波，以信号的平均值驱动彩灯发亮。信号强，则灯的亮度大，且点亮灯的数

目增多。

③为实现高、低音（不同频率信号）对彩灯的控制，采用高、低通有源滤波

器电路。低通滤波器限制高音频信号通过，而高通滤波器限制低音频信号通过，

分频段输出信号，经过放大驱动相应的发光二极管点亮。

（2）控制器原理图

图1-6音乐彩灯控制器原理图

①采用运算放大器或555定时器构成多谐振荡器，产生矩形波信号作为计数

器的时钟脉冲.

②计数器输出经译码器可得多路译码输出信号，再通过驱动器使相应的彩灯

点亮。

③采用动圈式话筒或者扬声器，将声响信号变成电信号输出，并经放大器将

其放大。由于音频信号的频率高于发光元件的响应频率，为使发光有适当的显示

时间，可加入延时电路，减少发光元件闪烁现象。

④人耳听觉范围的信号频率在20Hz〜20kHz,为简单起见，可将音频信号分

成两个不同频段，分别用低、高通滤波器来区分这两段频率信号，然后经驱动电

路使彩灯工作。

1多路防盗报警器设计

一、任务和要求

(1)任务

设计一种防盗报警器，适应仓库、住宅等地防盗报警。

(2)要求

①防盗路数可根据需要任意设定。

②在同一地点(值班室)可监视多处的安全情况，一旦出现偷盗，用指示灯显

示相应的地点，并通