2013电子综合设计课件(正式).ppt

1、任课教师：蒋守光、杨笔锋、王建波,CUIT,1、课程学习参考资料,电子系统设计基础篇 余小平 奚大顺，北京航空航天大学出版社 电子电路设计技术基础篇 钟洪声 崔红铃，电子科技大学出版社 电子系统设计 马建国等，高等教育出版社 电子线路综合设计 谢自美，华中科技大学出版社 全国大学生电子设计竞赛系统设计 黄智伟，北京航空航天大学出版社 电子教材和参考资料（杨笔锋老师教师课件无密码）,一 关于课程,CUIT,2、教 学 计 划 第一次课：基础知识的讲解及题目的分析，学生课 后查找资料进行设计准备 第二次课：PROTEL软件讲解2个学时，2学时上机练习。 第三次课：检查设计并进行题目分析和方案点评。

2、 第四次课：课题单元电路及系统设计(一) 第五次课：课题单元电路及系统设计(二) 第六次课：整机安装与调试 第七次课：整机调整与指标测量及验收 第八次课：整机调整与指标测量及作品验收与答辩 课外进行实验报告撰写,课外制PCB板及焊接,CUIT,课程设计成绩评定标准及说明： 成绩构成：方案选择与电路设计质量20 、作品制作质量30%、课题检查答辩 20 、 设计报告30 。 注意： 打分为百分制；缺席一次扣总分10分，缺席两次以上者成绩不及格处理；一次座位未整理及仪器电源未关扣总分5分。,3、成绩考核办法,CUIT,课程设计是利用基本电子电路原理，设计、制作出合乎要求的具有实用价值的电子装置的过

3、程。是考察学生电子技术基本应用技能、实践创新能力的重要实践过程。主要目的是： 训练电子设计知识综合运用能力；培养科学、系统、全面的综合设计素质；具备中小型电子系统设计能力。 培养查阅资料文献和仿真技术应用的能力。 为后续的毕业实习和毕业设计做好理论知识的储备。 发现和培养电子竞赛优秀人才。,2.1 电子技术（系统）课程设计的性质和目的,二 电子电路设计基础,CUIT,电子系统的分类,数字电子系统,CUIT,电子系统的分类,单片机应用系统,CUIT,电子系统的分类,DSP系统,CUIT,电子系统的分类,嵌入式系统,CUIT,CUIT,电子系统模型简化的GSM900蜂窝移动电话,简化的GSM900

4、蜂窝移动电话子系统组成方框图,ASIC：Application Specific Integrated Circuit,DSP： Digital Signal Processing,CUIT,2.2 电子系统设计的基本原则,满足系统功能和性能的要求。这是电子电路系统设计时必须满足的基本条件。 电路简单，成本低，体积小。系统集成技术是简化系统电路的最好方法。 电磁兼容性好。电磁兼容特性是现代电子电路的基本要求。EMC（Electro Magnetic Compatibility），EMI（ Electro Magnetic Interference ） 可靠性高、性价比高。 系统的集成度高、节能

5、。 调试简单方便。 生产工艺简单。,CUIT,（1）电磁兼容特性是指确保仪器或者系统正常工作时对周围电磁环境和内部电路相互之间电磁作用的限制、要求和特点。（抗干扰能力，干扰源） （2）在电路设计时应注意： 选用电磁兼容特性好的集成电路； 尽量提高系统集成度； 只要条件允许尽量降低系统工作频率； 为系统提供足够功率的电源； 电路布局、布线要合理，做到高低频分开、功率电路与信号电路分开数字电路与模拟电路分开。,电路兼容设计！,CUIT,2.3 电子系统设计步骤,CUIT,1.4 电子电路的基本设计方法,自顶向下设计法,自顶向下的设计方法 自底向上的设计方法 以自顶向下方法为主导，并结合使用自底向上

6、的方法,CUIT,1、明确系统设计任务和要求 对设计任务分析，了解性能、指标、内容及要求。这点十分重要，充分理解题目的要求、每项指标的含义，这是完成综合设计和实验的前提。,2、制订方案与构筑总体框图 对于同一个题目，实现的方案可能是多个，实现的途径和技术路线也可能是多方面的。可以将不同的方案与途径加以对比。从中选择一种方案来实现。 选择的原则一般是“相对容易，相对巧妙，性价比高”。,2.4 电子电路的基本设计方法自顶向下,CUIT,3、单元电路设计 设计单元电路的一般方法和步骤如下： (1) 根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对各单元电路的设计要求，拟定主要单元电路的性能指标、与前后

7、级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系。 (2) 拟定好各单元电路的要求后，按信号流程顺序分别设计各单元电路。,CUIT,（3）选择单元电路的组成形式。一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识，开阔眼界， （4）从已掌握的知识和了解的各种电路中选择一个合适的电路。如确实找不到性能指标完全满足要求的电路时，也可选用与设计要求比较接近的电路，然后调整电路参数。 （5）在单元电路的设计中特别要注意保证各功能块协调一致地工作。,CUIT,此外还要注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到各

8、单元电路的供电电源尽可能统一，以便使整个电子系统简单可靠。另外，尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能。有时找不到完全满足要求的现成电路，可在与设计要求比较接近的某电路基础上适当改进，或自己进行创造性设计。为了使电子系统的体积小，可靠性高，电路单元尽可能用集成电路组成。,CUIT,选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面来考虑。 所谓“需要什么”是指根据具体问题的要求所选择的方案需要什么样的元器件，即每个元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标。 所谓“有什么”是指有哪些元器件，哪些在市场上能买得到，它们的性能如何、价格如何、体积多大等。众所周知，电子元器件的种类繁多，而且不断出

9、现新产品，这就需要用户经常关心元器件的新信息和新动向，多查资料。大量了解各种元器件特性、规格、参数、价格。一般优先选用集成电路。 建议：在保证电路性能的前提下，尽量选用常见的、通用性好的、价格相对低廉、手头有的或容易买到的。,4、器件的选择,CUIT,应该根据器件自身特性和电路要求选择合适的器件。（如工作频率、功率、工作电压等其他指标，可以参阅器件技术手册） 一般情况下，在元、器件选择方面，建议在保证电路性能的前提下，尽量选用常见的、通用性好的、价格相对低廉、手头有的或容易买到的。 尽量采用集成电路和新器件将可起到事半功倍的效果。 一切从实际需求出发，将分壹元件与集成电路巧妙地结合起来，而且尽

10、量应用集成电路，以使系统简化，体积小，可靠性提高。,CUIT, 在元器件应用中，必须注意以下几个方面：,电源电压的范围是多少？是单电源供电还是需要双电源供电？这点十分重要。若不注意，将+3.3 V电源的器件加+5 v，将+5 V器件加+9 V，甚至更高，那器件是必烧无疑。 注意元器件的主要技术指标。不要以为只要是运放就能作放大器、滤波器。例如要求做一个2MHz带宽的放大器， 如果选用LM741，结果无论如何都达不到要求，因为LM741的单位增益带宽积只有1MHz。 元器件互相之间的电平匹配如何？ 元器件的输入阻抗，允许的输入电压、电流范围以及输出驱动负载的能力等等。如音频功放LM386是不能推

11、动0.5W以上的负载。这一方面会涉及器件的安全，另一方面又可能影响到系统的某些指标能否达到。,CUIT,可单电源工作的运放 LM324 ;LM358 ;AD822 ;OP295,运算放大器的使用细节和单电源供电,CUIT,单电源放大电路设计,CUIT,0V输出：多数运放不能输出0V值 LM358 ; LM324 特殊运放可以0V输出。 例如OP295等 满幅输出: 普通运放不能满幅输出 LM324,LM358,AD711 特殊运放能够满幅输出 AD822,POA350,运放的输出幅度和“轨至轨”满幅输出,CUIT,为保证单元电路达到功能指标要求，常需计算某些参数。例如放大器电路中各电阻值、放大

12、倍数，振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。 一般来说，计算参数应注意以下几点： (1) 各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许的范围内，并留有适当的裕量. (2) 对于环境温度、交流电网电压等工作条件，计算参数时应按最不利的情况考虑。,5、参数计算,CUIT,（3） 涉及元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般按1.5倍左右考虑。 （4）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欧姆内选择；非电解电容器一般在100pF0.47uF选择；电解电容一般在1uF2000uF范围内选用。 （5）

13、在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。,CUIT,随着计算机的普及和EDA技术的发展，电子电路设计中的实验演变为仿真和实验相结合。 仿真具有下列优越之处： (1)对电路中只能依据经验来确定的元器件参数，用电路仿真的方法很容易确定，而且电路的参数容易调整。 (2)由于设计的电路中可能存在错误，或者在搭接电路时出错，可能损坏元器件，或者在调试中损坏仪器，从而造成经济损失。而电路仿真中也会损坏元器件或仪器，但不会造成经济损失。 (3)电路仿真不受工作场地、仪器设备、元器件品种、数量的限制。,6、计算机仿真和实验验证,CUIT,常用EDA工具,电路仿真：Orcad、M

14、ultisim、Proteus。 可编程逻辑器件设计：Maxplus II、Quartus II。 PCB设计：Protel、 Altium Designer Release、 PowerPCB、Cadence,CUIT,尽管电路仿真有诸多优点，但其仍然不能完全代替实验。对于电路中关键部分或采用新技术、新电路、新器件的部分，一定要进行实验最终确定可行方案。 仿真和实验验证要完成以下任务： 检查各元器件的性能、参数、质量能否满足设计要求。 检查各单元电路的功能和指标是否达到设计要求。 检查各个接口电路是否起到应有的作用。 把各单元电路组合起来，检查总体电路的功能、性能是否最佳。,CUIT,7、电

15、路图和PCB图的绘制,总体电路图是在总框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印刷电路板设计和维修的依据。目前绘电路图一般是在计算机上利用绘图软件完成。绘制电路图时主要注意以下几点：,（1）总体电路图通常按照信号的流向，从输入端画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路；,（2）注意总体电路图的紧凑和协调，要求布局合理，排列均匀。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。,CUIT,（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。对于相互交叉的线，应在交叉处用圆点标出。 （4）关键信号点必须留出测试点。,CUIT,PCB图的要

16、求,PCB图就是元器件的布局和连线图，基本要求有： 符合电磁兼容规范 布局合理规范 器件物理尺寸匹配良好,CUIT,A、组装、布局 注意器件极性 注意信号之间的相互干扰，连线最短 做好输入、输出和其他必要的关键点标示 布局合理、美观、整齐,8、 电路组装与调试,CUIT,设计电路完成以后要进行电路的安装，一般采用印刷电路板、通用电路板和面包板，在进行安装时注意以下方面：,（1）准备好常用的工具和材料。要将各种各样的电子元器件及结构各异的零部件装配成 （2）所有电子元器件在安装前要全部测试一遍，有条件的还要进行老化，以保证元器件的质量。符合要求的电子产品，一套基本的工具是必不可少的。如烙铁、钳子

17、、改锥、镊子和焊锡。正确使用得心应手的工具，可大大提高工作效率，保证装配质量。,CUIT,（3）有极性的电子元器件安装时其标志最好方向一致，以便于检查和更换。集成电路的方向要保持一致，以便正确布线和查线。,（4）在电路板上组装电路时，为了便于查线，可根据连线的不同作用选择不同颜色的导线。如正电源采用红色线、负电源采用蓝色导线、地线采用黑色导线、信号线采用黄色导线等。,（5）布线要按信号的流向有序连接，连线要做到横平竖直，不允许跨接在集成电路上。另外，选择导线粗细要适中，避免导线与面包板插孔之间接触不良。,（6）印刷电路板的设计原则是性质相同的电路安排在一块板上。例如模拟电路或小信号电路安排在一

18、块板上；大功率电路、高压电路、发射电路单独配置，甚至要安排必要的屏蔽盒、绝缘盒、散热装置等。,CUIT,整个调试过程最好也分层次进行，先单元电路，再模块电路，最后系统联调。按照分配的指标、分解的模块，一部分一部分调试，然后将各模块连接起来总调。 这一阶段，要充分利用电子仪器来观察波形，测量数据，发现问题，解决问题，以达到最终的目标。 通电前检查：连接是否错误 通电检查：加入正常电压，观察电路情况有无异常 单元电路调试：利用信号源或其他实验仪器判断各单元电路的工作状态 整机联调：从最前端到末级进行统调，检查 各级动态信号工作情况，分析是否满足设计 要求。,B、调试,CUIT,常用电子系统常用调试

19、设备及装配工具,CUIT,（1）调试电路的常用仪器, 万用表。它可以测量交直流电压、交直流电流、电阻、电容及半导体二极管和三极管。具有精度高，使用方便，应用广泛等特点。, 示波器。示波器可以对电路中的各点电位进行测量和观察波形，同时可比较任意两点波形的相位关系。示波器具有高的灵敏度、高的交流阻抗、对负载影响小等特点。在使用示波器应注意的是所用示波器的频带一定要大于被测信号的频率。, 信号发生器。因为经常要在加信号的情况下进行测试，则在调试和故障诊断时最好备有信号发生器。如函数发生器，它可产生正弦波、三角波、方波等波形。,CUIT,（2）调试电路前的检查。,电路安装完毕后，不要急于通电，首先要根

20、据电路原理图认真检查电路接线是否正确。主要直观检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，连线有无接触不良，元器件有无漏焊，二极管、三极管和电解电容极性有无错误。查线时最好用数字万用表的蜂鸣器挡来测量。,（3）调试步骤。,对于电子系统的调试一般采用化整为零，分块调试：, 通电观察。在确认电路连接没有错误的情况下，接通电源。电源接通后不要先急于测量数据，而应首先观察有无异常现象，如有无冒烟，是否闻到异常气味，手摸元器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如有异常，应立即关断电源 ，待故障排除后方可重新通电。,CUIT, 分块调试。把电路按功能分成不同的模块，分别对各模块进行调试。通常调试顺序是按

21、照信号的流向进行，这样可把前级测试过的输出作为后一级的输入信号，为最后联调创造条件。分块调试包括静态和动态调试。静态测试是在没有外加信号的条件下测量电路各点电位，通过静态测试可以及时发现已经损坏的元器件或其他故障。动态测试是在信号源的作用下，借助示波器观察各点波形，进行波形分析，测量动态指标。把静态和动态测试的结果与设计的指标加以比较，经深入分析后对电路与参数提出合理的修整。调试电路过程应对测试结果作详尽记录。, 整机联调。各单元电路调试好以后，还要将它们连接成整机进行统调。整机统调主要观察和测量动态特性，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路及参数进行修正，直到整机的

22、性能完全符合设计要求为止。,CUIT,信号寻迹法：逐级检查 对分法：缩小故障范围 分割测试法：切断电路间的相互联系，查找原因 电容器旁路法：用于自激或排查干扰的时候 对比法：相同电路对比 替代法：用已知正常的电路、器件代替怀疑的电路 静态测试法：确定单一故障元件 动态测试法：观察动态工作状况,C、故障诊断与排除方法,CUIT,撰写课程设计的总结报告是对学生写科学论文和科研总结报告的能力训练，通过编写设 计报告，不仅把设计、组装、调试的内容进行全面总结，以提高学生的文字组织表达能力， 而且也把实践内容上升到理论高度。从设计报告中可以反映出设计人员的知识水平和层次。,9、课程设计报告,CUIT,课

23、程设计结束后要在规定的时间内交一份设计总结报告 总结报告的首页包括课题名称、课程设计时间、使用仪器及编号、学生姓名、班级和指导教师等。 设计总结报告内容包括： (1) 课题名称； (2) 内容摘要； (3) 设计指标(要求)； (4) 系统框图； (5) 各单元电路设计、参数计算和元器件选择； (6) 画出完整的电路图，并说明电路的工作原理；,CUIT,(7) 组装调试；包括使用的主要仪器、仪表，调试电 路的方法和技巧、测试的数 据和波形并与计算结果比较分析，调试中出现的故障、原因及排除方法； (8) 实际PCB图或布线图； (9) 电路的特点和方案的优缺点，提出改进意见和展望； (10) 设

24、计结果与数据处理； (11) 列出参考文献； (12) 课程设计报告的设计观点、理论分析、方案结论、计算等必须正确，尽量做到纲目分明、逻辑清楚、内容充实、轻重得当、文字通顺、图样清晰规范。,CUIT,项目总结,验收总结 编写使用说明文件 对照项目认定计划逐一测试 分析成功、失败原因 前景展望、后续工作设想,演讲答辩 选题背景意义 核心问题分析 解决思路方法 理论计算仿真 设计实现测试 得失分析展望,CUIT,电子设计中的器件知识和应用举例,1、常规无源器件：电阻、电容、电感等。 应注意使用功率、工作频率、噪声系数、工作损耗等参数进行选择。,CUIT,传感器传感器基础,传感器（Transduce

25、r/Sensor）： 转换元件、敏感元件,传感器的分类 按被测量分类 温度、压力、位移、加速度、湿度、流量、速度、气体等 按工作原理分类 电阻式、电感式、电容式、热电式、磁电和电磁式、压电式、光电式、光纤等。,CUIT,应变片传感器 结构： 为了在较小的尺寸范围内得到较大的电阻变化量，通常把电阻丝制成栅状的应变敏感元件，即电阻应变片。 特性参数 初始电阻Ro 灵敏系数k 允许工作电流Imax通常丝状片为25 mA 应变极限lim e 温漂,传感器传感器基础,CUIT,应变片传感器 传感器结构,传感器传感器基础,CUIT,应变片传感器 测量对象 压力 扭变 形变 测量电路,传感器传感器基础,CU

26、IT,集成传感器 压力传感器 MPX5010,0 to 10 kPa (0 to 1.45 psi) 0.2 to 4.7 V Output,CUIT,传感器 常用传感器,测量小信号处理电路特点 信号幅度小（10uV/度） 放大器漂移小 放大倍数大,CUIT,传感器 常用传感器,其它测温器件 半导体热敏电阻 正温度系数（PTC） 负温度系数（NTC） 温敏二极管,CUIT,气敏传感器-气敏电阻 有一种煤气泄漏报警器，在瓦斯泄漏后会报警，甚至启动脱排油烟机通风。这种报警器内就是装置了一种气敏电阻。这种半导体在表面吸收了某种自身敏感的气体之后会发生反应，而使自身的电阻值改变。它一般有四个电极，两个

27、为加热电极，另两个为测量电极。气敏电阻根据型号对不同的气体敏感。有的是对汽油，有的是对一氧化碳，有的是对酒精敏感。,传感器 常用传感器,CUIT,一种可燃气体泄露报警器电路图： 可燃气体浓度监测电极之间的电流 门限电压比较器工作 音频报警器工作,CUIT,集成传感器 电压型温度传感器 LM35/45,CUIT,集成传感器 电压型温度传感器 LM35/45,CUIT,集成传感器 电流型温度传感器 AD590,. Linear Current Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1mA/K . Wide Temperature Range

28、. . . . . . . . . . . -55oC to 150 C . Two-Terminal Device Voltage In/Current Out . Wide Power Supply Range . . . . . . . . . . . . . +4V to +30V,CUIT,集成传感器 数字式温度传感器 LM75,CUIT,集成传感器 数字式温度传感器 LM75,CUIT,集成传感器 数字式温度传感器 DS18B20,CUIT,集成传感器 数字式温度传感器 DS18B20,CUIT,数字式温度计电路,电压跟随器驱动电压表，实现数字化显示,CUIT,传感器 常用传感器,

29、霍尔磁电效应传感器 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为:U=KIB/d K：霍尔系数 I： 通过的电流 B：磁感应强度 d：薄片的厚度,CUIT,霍尔器件 霍尔器件几乎是每台计算机中都用的器件，另外在各种精密的工业设备中也有它的身影。它主要用来检测磁力，而且基本上都是以“集成霍尔传感器”的形式出现。用高灵敏的霍尔器件还可以制作电子罗盘呢。,当喇叭上的磁铁靠近或移开霍尔芯片时就会交替输出方波脉冲！,CUIT,传感器 常用传感器,霍尔传感器放大电路,CUIT,传感器 常用传感器,霍尔传感

30、器的应用 磁场测量 电流测量 振动测量 转速测量 距离测量,CUIT,传感器 常用传感器,霍尔电流传感器,CUIT,传感器 常用传感器,霍尔开关电路,CUIT,传感器 常用传感器,CUIT,传感器 常用传感器,光电传感器 光电二极管：光照下，在反向偏压下产生光生电流 光电流与光 照度成线性,CUIT,传感器 常用传感器,光电三极管 由光电二极管产生基极电流,CUIT,传感器 常用传感器,红外热释电传感器（菲涅尔透镜） 热释电效应：某些晶体受热表面极化产生电荷 特点 不受环境光 影响 被测物体有温度即会发光 大气层对红外吸收小,CUIT,红外热释电红外探测器： 利用人体发出的红外线进行检测，产生

31、电信号输出，常用于防盗报警等电路中。,CUIT,设计要点2 （补偿放大）,设计要点1 （直流偏置）,设计要点3 （窗口比较）,红外防盗报警电路,设计要点4 （接口驱动）,CUIT,传感器 常用传感器,陶瓷湿度传感器 感湿材料吸收水分改变电阻率 需要加热清洗,CUIT,传感器 常用传感器,超声波传感器 工作原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波, 从而测出发射和接收回波的时间差t , 然后求出距离S 。在速度v 已知的情况间差t , 然后求出距离S 。在速度v 已知的情况下 S = vt/ 2 常温下超声波传播速度334 米/秒,V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大,温度每升高1 , 声速增加约0. 6 米/ 秒。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V : V = 331. 5 + 0. 607T,CUIT,传感器 常用传感器,超声波传感器 应用 距离、直径、高度测量 液面、料位测量 工件有无、透明度测量 无损探伤,CUIT,传感器 常用传感器,发射电路,CUIT,传感器 常用传感器,接收电路,CUIT,传感器 常用传感器,超声波测距系统,CUIT,集成传感器 V/I转换器 XTR110,CUIT,四 电路