2011应用电子设计课件.ppt
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1、CUIT,参考书,余小平 奚大顺 电子系统设计基础篇 北京航空航天大学出版社,CUIT,教 学 计 划 第一次课:基础知识的讲解及题目的分析要求下来查找资料设计单元电路 第二次课:PROTEL软件的讲解2个学时,2个学时上机和检查单元电路设计。 第三次课:课题单元电路及系统设计(一) 第四次课:课题单元电路及系统设计(二) 第五次课:制PCB板及焊接 第六次课:整机安装与调试 第七次课:整机安装与调试及验收 第八次课:整机安装与调试及作品验收与答辩 实验报告撰写在课外进行,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 、
2、 设计报告30 。 注意: 打分为百分制;缺席一次扣总分10分;一次座位未整理及仪器电源未关扣总分5分。,成绩考核办法,CUIT,培养查阅资料的能力。 培养工艺素质。 培养市场素质。 培养团队精神。 5. 培养综合设计和实践能力。,课程目的:,CUIT,课程设计是电子信息类专业必修的一门技术基础课,是一门理论和实践紧密结合的课程。 课程设计是利用基本电子电路原理,设计、制作出合乎要求的电子装置的过程。他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。主要侧重以下方面: 设计内容具有实际意义和应用背景,并考虑到目前教学的基本内容和新技术的应用趋势。 学习者综合运用基础知识进行理论设计
3、的能力、创新精神和独立工作能力。,1.1 电子技术(系统)课程设计的性质和目的,第一讲 电子电路设计基础,CUIT,1.2 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。 可靠性高、性价比高。 系统的集成度高、节能。 调试简单方便。 生产工艺简单。,CUIT,1.3 电子系统设计步骤,CUIT,1.4 电子电路设计的设计方法自顶向下,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
4、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”。,1.4 电子电路设计的设计方法自顶向下,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
5、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
6、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。
7、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
8、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,为
9、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
10、般在100pF0.47uF选择;电解电容一般在1uF2000uF范围内选用。 (5)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
11、限制。,6、计算机仿真和实验验证,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、电路图的绘制,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
12、电路图时主要注意以下几点:,(1)总体电路图尽可能画在同一张图纸上;同时注意信号的流向,一般从输入端画起,由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路;对于电路图比较复杂的,应将主电路图画在一张图上,而将其余的单元电路画在一张或数张图纸上,并在各图所有端口两端标注上标号,依次说明各图纸之间的连线关系。,CUIT,(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。集成电路通常用方框表示,在方框内标出它的型号,在方框的边线两侧标出每根连线的功能和管脚号。,(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,
13、应在交叉处用圆点标出。对于连接电源负极的连线,一般用接地符号表示;对于连接电源正极的连线,仅需标出电源的电压值即可。,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。,8、课程设计报告,CUIT,课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;
14、(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,
15、电子系统是指由电子元件和电子单元电路相互连接、相互作用而形成的电路整体,能按特定的控制信号,去执行所设想的功能。,(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。图2.1.1为低频功率扩音系统方框图,它由话筒、音频放大器、扬声器和电源组成。,1.5、 模拟、数字电路系统设计要点,CUIT,( 2) 数字电子系统
16、,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。数字信号的特点是不随时间作连续变化。一个复杂的数字电子系统可分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。,CUIT,控 制 器,子 系 统 1,子 系 统 N,外 部 输 入,操 作 输 出,(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
17、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。,CUIT,测温电路是把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号经放大、滤波,送入模数转换电路,经A/D转换器把电压信号转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后,微处理机系统根据水温控制模型进行计算,得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制电力电子电路的电流大小,从而调整水温高低。,CUIT,(4) 数字电子系统设计的一般方法,数字系统的规模差异很大,对于比较小的数字系统可采用所谓经典法设计。即根据设计任务要求,用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式,画出逻辑图、逻辑电路图,最后用
18、小规模电路实现。 例如目前正迅速普及的ISP(在系统编程)可编程逻辑器件的出现,给数字系统设计带来了革命性的变化。硬件设计变得像软件一样易于修改,且要改变一个设计方案,通过设计工具软件在计算机上数分钟内即可完成。这不仅扩展了器件的用途,缩短了系统的设计周期,而且还根除了对器件单独编程的环节,省去了器件编程设备。,CUIT,数字电路设计与实现方法,小规模数字集成电路 采用TTL或者CMOS小规模器件 电路复杂,设计周期长 小规模数字集成电路+PLD PLD(Programmable Logic Device) FPGA+外围芯片 FPGA(Field Programmable Array),CU
19、IT,数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、被控电路和电源等。数字系统设计首先要做的是明确系统的任务、所要达到的技术性能、精度指标、输入输出设备、应用环境以及有哪些特殊要求等。,确定总体方案,明确了系统性能以后,应考虑如何实现这些技术功能,即采用哪种电路来完成它。对于比较简单的系统,可采用中、小规模集成电路实现;对于输入逻辑变量比较多、逻辑表达式比较复杂的系统,可采用大规模可编程逻辑器件完成;对于需要完成复杂的算术运算、进行多路数据采集、处理、控制的系统,可采用单片机系统实现。目前对于处理复杂的数字系统最佳方案是大规模可编程逻辑器件加单片机,这可大大简化设计成本,提高可靠性。,充分
20、分析系统功能要求,CUIT,逻辑功能划分,一般先将系统划分为信息处理和控制电路两部分;然后根据信息处理电路的功能要求将其分成若干个功能模块。控制电路是整个数字系统的核心,它根据外部输入信号及受其控制的信息处理电路来的状态信号,产生受控电路的控制信号。常用的控制电路有如下三种:移位型控制器、计数型控制器和微处理器控制器;一般根据完成控制对象的复杂程度,可灵活选择控制器形式。,单元电路设计,在全面分析各模块功能类型后,应选择出合适的器件并设计出电路。在设计电路时,应充分考虑能否用ASIC器件实现某些逻辑单元电路,这样可大大简化逻辑设计,提高系统的可靠性和减小PCB体积。,CUIT,系统电路综合,在
21、各单元电路模块和控制电路达到预期要求以后,可把各个部分电路连接起来,构成整个电路系统,并对该系统进行功能测试。测试主要包含三部分工作:系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试。若系统有一项不符合要求,则必须修改电路设计。,CUIT,1.6、电路设计细节举例,a、低电平驱动发光二极管,(1)开关量驱动输出接口电路(轻负载),b、高电平驱动电路呢?,CUIT,(2)、 驱动继电器(感性负载),二极管D的作用是什么?,CUIT,(3)、 大电流驱动(驱动电流数安培),当输出功率较大时,输出级的推动级,即末前级也应该是一个功率放大级。此时往往采用复合管,复合管有四种形式。,CUIT,1.7、
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