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分数:___________任课教师签字:___________华北电力大学研究生结课作业学年学期:2015-2016第二学期名称:现代电子技术应用专题学生姓名:张文正学号:2132215061提交时间:2014年6月20日现代电子技术应用专题结课报告1、现代电子系统电子系统通常是指有若干相互连接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。具体而言就是由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体。常提到的控制系统、测量系统、通信系统、雷达系统、计算机系统等都属于电子系统的范畴。1.1现代电子系统的组成电子系统分为模拟型和数字型或两者兼而有之的混合型电子系统,无论哪一种形式的电子系统,它们都是能够完成某种任务的电子设备。一般把规模较,功能单一的称为单元电路。而功能复杂,由若干个单元电路(功能块)组成规模较大的电子电路称为电子系统。电子系统通常由信息获取(输入电路)、预处理、信号处理、信号执行(输出电路)、主控模块、电源模块六大部分组成(如图1所示)。获取信息输入电路预处理放大、滤波..信号处理信号执行主控模块电源模块CPU模拟图1现代电子系统的组成1)获取信息:包括开关、传感器、天线、以及输入部分,主要通过传感器或输入电路,将外界信息转换为电信号或实现系统与信号源间的耦合匹配。2)预处理:主要解决信号的放大、衰减、滤波、去抖动等,即通常所说的“信号调理”,经预处理的信号在幅度和其他诸多方面都比较适合于进一步的分析和处理。3)信号处理:主要完成信号和信息的采集、分析、计算、变换、传输和决策等,是整个电路的核心部分。4)信号执行:主要包括处理信号显示负载的驱动及输出电路等。5)控制模块:主要完成对各部分动作的控制,使各部分能协调有序地工作。6)电源模块:是电子系统中必不可少的部分,目前电源基本上都采用标准化电路,有许多成品可供选择。1.2现代电子系统的特点1)模拟电路在现代电子系统中占有重要地位数字电路占主要地位,但模拟电路必不可少。模拟电路和数字电路并存由于自然界的物理量大多以模拟量的形式存在,所以系统中模拟电路一般必不可少,特别是输入电路部分、信号调理部分和输出电路部分。数字化具有诸多优点,故数字电路在电子系统中占有极为重要的地位。从模拟量到数字量,或从数字量重新回到模拟量,A/D和D/A转换作为两者的桥梁已成为电子系统中的重要环节。2)数字化是大的趋势对于规模较大的数字电路,固定的中小规模器件几乎已被可编程器件(CPLD和FPGA等)所代替。数字化是大的趋势,永远会朝着这个方向走。但永远不会代替模电。3)DSP、MCU已经成为核心器件微处理技术和软件所占的分量越来越重嵌入式系统、微处理器(CPU)成DSP已成为系统中控制和信号处理的核心。软件设计可使系统的自动化、智能化、多功能化变得容易实现,软件可使硬件简化,成本降低。4)软件化软、硬件相结合的体系结构嵌入系统集成器件及相关的外围器件构成了现代电子系统的硬件环境。而软件所占的比重越来越大,VHDL语言用以描述硬件,使之软件化。1.2电子系统未来的转移方向1)分立——集成尽量少用分立元件,采用集成电路,尽量少用诸如三极管、二极管、电阻等分立元件。采用集成电路后,解决了大量的晶体管连接元件的衔接点出现焊接不良、布线错误的问题,从而提高产品的可靠性。同时采用集成电路后,可以使产品体积小、重量轻。这符合现代电子产品在体积、重量方面的要求。2)模拟——数字尽量少用模拟电路,模拟信号在长距离传输和多次加工、放大过程中信号电流的波形会改变,使信号失去一些信息,表现为声音、图像失真,严重时出现信号中断。数字信号形式简单,抗干扰能力强,可以进行加密。3)固定器件——可编程器件尽量少用固定器件,采用可编程器件提供了一些优于固定逻辑器件的重要优点,在设计过程中为客户提供了更大的灵活性,设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了,而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到等。2电子系统的总体设计2.1选题选题要考虑实用性、先进性、可行性等因素,同时进行经济性的成本核算。2.2方案的论证在进行总体方案设计时,要仔细研究电子系统的功能要求、技术指标、环境因素等,与可以达到的技术水平、设备、资金的拥有量、必要的实验场地、必备的元器件来源以及投入的人力和规定的完成时间等条件相比较,在此基础上确立总体方案的可行性。2.3总体方案的实现1)方法:仿真,利用仿真初步判断系统能否实现预先提出的要求,并加以改进。2)借鉴:查阅资料,国内外专利,打开思路;实地走访,了解需求。3)集成创新:集成创新:可以将新的器件融入到设计当中,实现所要求的功能。2.4器件的选择了解所需芯片的功能、运行速度、精度、价格,当然还需要包括使用环境,合理选择器件,满足整体需求。2.5分块调试与系统联调1)SCH原理图2)PCB制版3)分块调试A:电源部分B:CPU部分最小系统C:输入模块,输出串口4)联调5)实验室试验6)现场试验2.6文件整理及设计报告完成所有工作以后,整理文件并撰写设计报告,详细描述所达到的要求,仍然存在的问题等。3电阻、电容、电感3.1电阻器电阻器是指用电阻材料制成的、有一定结构形式、能在电路中起限制电流通过作用的二端电子元件。1)电阻参数电阻器的主要参数有标称阻值、标称功率、精度、温漂。常用电阻的组织系列有1%、5%、10%;常用的电阻器功率标称值有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W等;精度有0.1%、0.01%等;温度漂移1PPM是指温度变化一度所引起的阻值相对变化了百万分之一。2)电阻种类按材料分,有碳膜电阻、水泥电阻、金属膜电阻和线绕电阻等不同类型。3.2电容电容(或称电容量)是表现电容器容纳电荷本领的物理量。1)电容参数电容参数主要有容值、温漂。容值包括33uF、77uF、100uF、220uF等系列;电容温漂很大,世界上最好的电容温漂是30PPM.2)漏电问题电容介质不可能绝对不导电,当电容加上直流电压时,电容器会有漏电流产生。若漏电流太大,电容器就会发热损坏。常用的电解电容容量大、体积小,存在漏电大的问题,用漏电流表示其绝缘性能(与容量成正比)。除电解电容外,其他电容器的漏电流是极小的,用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能。3.3电感电感器具有通直流隔交流的元件。电感器的主要参数有电感量、允许偏差(精度)、品质因数、分布电容及额定电流等。电感量:也称自感系数,是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。电感量的基本单位是亨(H)。允许偏差:是指电感器上标称的电感量与其实际电感量的允许偏差范围。品质因数:品质因数也称Q值,是衡量电感器质量的主要参数,它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高,其损耗越小。额定电流:指电感器正常工作时所允许通过的最大电流值。若工作电流超过额定电流,则电感器就会因发热而使性能参数发生改变,甚至还会因过流而烧毁。4高精度的数据采集4.1影响测量精度的因素1)传感器2)电路:A/D转换器、电压基准源、温漂4.2讨论1)A/D选择A/D是数据采集的常用外围器件。A/D转换器的品种繁多、性能各异,在设计数据采集系统时,首先碰到的就是如何选择合适的A/D转换器以满足系统设计要求的问题。A/D转换器位数越高、价格越贵。目前,大多数测量装置的精度值不小于01%~0.5%,故A/D转换器的精度取0.05%~0。1%即可,相应的二进制码为10~11位,加上符号位,即为11~12位。当有特殊的应用时,A/D转换器要求更多的位数,这时往往可采用双精度的转换方案。A/D转换电路的种类很多,例如,逐次逼近型、双积分型、和差AD等等。逐次逼近型A/D转换器。在精度、速度和价格上都适中,是最常用的A/D转换器件。双积分A/D转换器,具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点,但转换速度低。和差AD精度高、速度低。2)电压基准源理想的电压基准源应该具有完美的初始精度,并且在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变。实际应用中,设计人员必须在初始电压精度、电压温漂、迟滞以及供出/吸入电流的能力、静态电流(即功率消耗)、长期稳定性、噪声和成本等指标中进行权衡与折衷。3)温漂问题为了减小温漂,采用一些补偿措施在一定程度上抵消或减小其输出的温漂,一般采用软件的方法进行修正。4)传输过程电流信号远传时不容易被干扰,但是电压信号易受干扰,引起误差。5)噪声问题高精度测量还需要考虑噪声问题。4.3比例测量法“以动制动”,其原则是尽量减少影响测量精度的器件,常用于测量压力、温度,传感器一般是电阻器件的情形。5低功耗电子电路设计原则5.1CMOS集成电路的功耗分析CMOS电路中有两种主要的功耗来源:静态功耗和动态功耗。其中,动态功耗包括短路电流引起的功耗(称为直流开关功耗或短路功耗,发生在跃变过程中双管同时导通引起的瞬态电流而形成的功耗)和负载电容的功耗(称为交流开关功耗,由对负载电容充放电电流引起的功耗);静态功耗主要是由漏电流引起的功耗。5.2低功耗系统的设计低功耗系统设计遵循的原则:1)选择CPU:430系列,电池供电最清洁,但是对静电比较敏感,易受到电磁干扰。2)外围器件:CPU实际耗电比较小,但是外围电路需要耗费大量电量,比如模拟运放、显示器等,应当合理选择外围器件。3)电源管理硬件,选择合适的电源供电。4)运行管理模式:单片机在工作和休眠时耗电量不同。6波形产生器波形发生器是一种数据信号发生器,在调试硬件时,常常需要加入一些信号,以观察电路工作是否正常。6.1波形分类波形的种类很多,不同的波形有不同的定义和测量方法。正弦波形是在时域中定义的,但其波形失真参数却用正弦波形通过傅里叶变换后在频域中各谐波分量相对于基波幅度的大小来表示(见失真度测量);锯齿波的非线性是指实际波形偏离理想直线的程度,速率较低的锯齿波的非线性可用等间隔精密采样的方法进行测量;脉冲波形测量的内容较多。6.2波形产生电路分类振荡器的种类很多,按信号的波形来分,可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。正弦波振荡器产生的波形非常接近于正弦波或余弦波,且振荡频率比较稳定;非正弦波振荡器产生的波形是非正弦的脉冲波形,如方波、矩形波、锯齿波等。非正弦振荡器的频率稳定度不高。在正弦波振荡器中,主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡电路等几种。采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路,它适用于低频振荡,一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。LC振荡电路,是指用电感L、电容C组成选频网络的振荡电路,用于产生高频正弦波信号。晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件。这几种电路,以石英晶体振荡器的频率最稳定,LC电路次之,RC电路最差。6.3DDS直接数字合成直接数字频率合成是采用数字化技术,通过控制相位的变化速度,直接产生各种不同频率、不同波形信号的一种频率合成方法。DDS的基本结构主要由相位累加器、正弦ROM表、D/A转换器和低通滤波器构成。直接数字频率合成(DDS)是近年来发展起来的一种新的频率合成技术,其主要优点是相对带宽很大,频率转换时间极短(可小于20ns),频率分辨率很高,全数字化结构便于集成,输出相位连续可调,且频率、相位和幅度均可实现程控6.4锁相环锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成,如图2所示。÷N÷RPDLPFVCOf0参考源fref图2.锁相环的组成鉴频鉴相器PD:对输入的参考信号和反馈回路的信号进行频率和相位的比较,输出一个代表两者差异的信号至低通滤波器。低通滤波器LPF:将输入信号中的高频成分滤除,保留直流部分送至压控振荡器。压控振荡器VCO:输出一个周期信号,其频率由输入电压所控制。反馈回路:将压控振荡器输出的信号送回至鉴频鉴相器。通常压控振荡器的输出信号的频率大于参考信号的频率,因此需在此加入分频器以降低频率。
本文标题:现代电子技术应用专题
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