第一讲. 电子系统设计导论

1第一讲.电子设计导论一、电子系统概述1.电子系统的构成①电子系统的定义：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。如：通讯系统、雷达系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等这些应用系统在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。2复杂系统单一系统电路构成的部件元件构成的电路系统级子系统级元件级部件级电子系统的结构层次子系统……功能部件单元电路…3②五种类型1）模拟子系统2）数字子系统3）模拟数字混合子系统4）微机子系统5）DSP子系统1）、2）、4）是基础，本课程以1）为主42.电子系统设计的基本原则①满足系统的功能和性能指标的要求这是设计必须满足的基本条件放大电路的功能及指标功能AvAIARAG交直流放大、选频放大、宽带放大微弱信号放大、功率放大5放大器的具体性能指标95年：实用低频功放PO≥10W;BW≥(50~10K)Hz;η≥55%;非线性失真≤3%；噪声功率≤10mW99年：测量放大器AVD=1~500可调；VOMAX=±10V;δ0.5%;输入共模电压VIC=7.5~-7.5V;KCMR105;RID≥2MΩ;Δf:0~10Hz;AVD=500时，输出VNPP1V2001年：高效音频功放Δf:300~3400Hz;η≥50%;最大不失真输出功率≥1W；噪声电压≤10mVAVD=1~20可调；RI10KΩ62011年：LC谐振放大器（1）衰减器指标：衰减量40±2dB，特性阻抗50Ω，频带与放大器相适应。（2）放大器指标：a）谐振频率：f0=15MHz；允许偏差±100kHz；b）增益：不小于60dB；c）−3dB带宽：2Δf0.7=300kHz；带内波动不大于2dB；d）输入电阻：Rin=50Ω；e）失真：负载电阻为200Ω，输出电压1V时，波形无明显失真。（3）a）放大器使用3.6V稳压电源供电（电源自备）。最大不允许超过360mW，尽可能减小功耗;b）在最大增益情况下，尽可能减小矩形系数Kr0.1;c）设计一个自动增益控制（AGC）电路。AGC控制范围大于40dB。放大器的具体性能指标7②电路简单在满足功能和性能的情况下，简单电路对系统来说不仅经济而且可靠,系统集成技术是简化系统电路的最好方法。③电磁兼容性好避免相互干扰，保证系统正常工作。④可靠性高可靠性要求与实际用途和使用环境有关可靠性以概率设计为基础是一种定性估计⑤系统集成度高8⑥调试简单方便调试点多、困难则质量难以保证⑦生产工艺简单，操作方便⑧性价比高2010年以来性价比将是电子大赛一项重要的考核指标9二、电子系统的设计方法1、模拟系统的特点多数电子系统都同时使用数字和模拟两类技术、数字系统采用EDA技术发展迅速，设计软件丰富。模拟系统采用EDA技术主要是分析、设计主要采用传统的人工方法。（1）工作在模拟系统中的单元电路种类多如传感器电路、电源电路、放大电路、音响电路、视频电路、性能各异的振荡调制、解调电路等10（2）要达到规定的功能、要达到规定的指标工作在线性状态，工作点选择，工作点的稳定，运行范围的线性的程度，单元之间的耦合都很重要（3）输入与信号源的匹配，输出与负载的匹配输入单元要考虑输入阻抗匹配，提高信噪比，抑制各种干扰和噪声，输出单元与负载匹配，包括输出最大功率和提高效率等11（4）调试电路的难度模拟电路的调试难度大于数字系统，特别是高频系统或高精度的微弱信号系统难度更大，这类系统中的元件布置、连线、接地、供电、去耦等对性能指标的影响很大。模拟系统除了设计正确外，设计者具备细致的作风和丰富的实际工作经验显得非常重要。12（5）人工设计在模拟系统设计中仍起着重要的作用EDA主要应用在数字系统，模拟系统的自动化设计进展缓慢。模拟系统自动化设计工具少，器件种类多、实际因素影响大其人工设计成份比数字系统大得多，对设计者的知识面和经验要求高。由于客观环境的影响，模拟电路特别是小信号，高精度电路以及高频、高速电路电路的实现远不可能单由理论设计解决，它们与实现环境，元器件的性能，电路结构等有密切的关系。设计时要考虑选用正确的元器件，包括印刷板设计等才能达到设计要求。13（2）选择总体方案、模块划分（1）设计任务，系统描述和分析（3）单元电路设计（4）参数计算与调整（5）选择元器件（6）单元电路调试（7）系统总体调试（8）编写设计文档交叉反复2.模拟系统设计步骤14（1）根据任务对各项要求进行分析，整理出系统和具体电路设计所需要的详细的功能要求和技术指标。（2）查阅资料，比较方案（有时要进行局部电路实验、仿真才能确定方案），系统划分为若干部分，明确各部分的功能及接口参数，画框图。（3）明确要求，拟定性能和指标，包括电源电压，工作频率，灵敏度，输入和输出阻抗，输出功率，失真度，波形显示等。选电路形式：易于实现，易于检查，性价比高，要注意平时电路资料的积累，一些典型的电路要平时做过实验。15（4）正确运用公式和图表对某些参数进行计算后才能挑选元器件，计算参数不唯一，可选择。根据元件的极限参数（计算最不利的情况）要留裕量。（5）要有元件手册或上网查阅，优先选集成电路，先粗后细。先选类型（高阻，通用，低漂，高速，高压），后先指标，最后选型号。三极管：功率，频率，极限参数，Icm2Ic；Pcm(1.5-2)Pomax；Vce2Vcc电容：电解，钽，瓷片（耐压，损耗角）电阻：碳膜，金属，绕线，碳质，贴片16（6）单元电路安装调试，要掌握测量技术，测试性能，观察波形（静态、动态）按信号流向进行测试，注意故障检测及分析（设置测试点）（7）系统总体调试要观察各单元电路的连接和信号关系，先调基本指标，后调质量指标。先调独立环节，后调受控环节。（8）设计的第一步就要编写设计文档，内容与设计步骤相呼应。总结报告：设计工作进程记录；原始设计修改说明；电路图实物布置图；程序清单；功能指标测试结果；系统操作使用说明；存在问题及改进意见17划分功能块，设计总框图：根据系统功能、总体指标，按信号流向划分功能块。应考虑指标分配、装配连接合理性等因素。例如，扩音系统的设计。可划分成前置放大器、音调控制放大器和功率放大器。前置放大器完成对输入信号的匹配，频率特性均衡；音调控制放大器完成音调的调节；功率放大器完成功率输出。在功能块设计时，应将扩音系统总增益分配到各单元增益设计中。例如，数据采集系统的前向通道设计。通常划分为输入放大器、滤波器、取样／保持电路、多路模拟开关、A／D转换器等，每个功能块是根据每个单元完成一个特定功能划分。在采集系统的前向通道设计中，要把总误差合理地分配到各功能块。18测量原理是在取样i，v瞬时值后求v×i积分的平均值方案设计举例：设计一个交流有功电子电能表有功电能01()TQPtvidttT①用集成芯片实现取样值v取样值i模拟乘法器积分器P变换计数器译码显示V/F—Pf19②用单片机实现作业：温度报警器方案设计温度0~100℃,小于10℃大于30℃LED亮单片机显示vi温度传感器放大低通窗口比较LEDi取样V取样A/DA/D20三、电子设计的基本知识1、元器件的常识（1）电阻:①额定功率分10个等级常用：0.05W0.125W0.25W0.5W1W2W----②色环电阻识别2122电阻色环的识别.exe电阻并联计算器.exe23（2）电容①耐压6.3v；10v；16v；25v；40v；63v；100v；160v；250v；400v②容量标称小于10000pF只标数字省单位，大于10000pF则以u为单位例41040.110pFuF24（3）集成运放通用专用①常用：LM324，LM224，LM324，uA741，uP151，M5141T，LM101，LM107，LM148，LM747②专用：低功耗mos型upc153，upc253，ICL7641，CA3708高精度OP07，uA725，OP09，OP11，OP27，OP37，MAX7650高阻抗（10~106MΩ）OPA111，AD975，LF155，TL081，LF351，uA774，MC34044，OP15高速宽带uA751，uA772，LM318，MC1520，LH0032，AD8011，AD8012，高压（输出电压高）要考虑保护LM143，MC1536，BG315，XC60其他型跨导运放，程控运放，电流型运放，③封装及管脚ebcebccbe12312262、调试步骤及故障诊断①步骤：a调试前检查电源，二极管，电解电容极性b通电观察(电流、发烫、异味、冒烟)断电c静态调试（测工作点）d动态调试加输入信号看输出e指标调试记录数据，分析，修改*调试前要熟悉仪器，调试中更换元器件必须断电27②常见故障与对策a)常见故障：Q点异常，U0波形错误，负载能力差b)诊断:先寻找那一级有问题。方法：输入加适当信号依信号流向逐级观察输出，再找模块内的故障点查电源关键点电压及波形,断开负载对照原理图检查查可疑处元器件查仪器是否正常使用得当查电路原理图是否有问题28③诊断方法观察法：静态（不通电）；动态观察测量法：电阻法（在线、离线）；电压法（交、直流，源电压、输出电压、管脚电压）；电流法（V/R）;波形法（有无、形状、参数）跟综法：信号寻迹；信号注入替换法：元器件替换；单元电路替换；部件替换比较法：整机比较；调整比较（可调元件）；旁路比较；排除比较（逐一插入组件）293、设计指标及测量误差分析①03年“电压控制LC振荡器”（1）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。（2）输出频率范围：15MHz～35MHz。（3）输出频率稳定度：优于10-3。（4）输出电压峰-峰值：Vp-p=1V±0.1V。（5）实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值，精度优于10％。（6）可实现输出频率步进调节，步进间隔为1MHz100kHz。30②测量误差分析绝对误差相对误差满刻度误差0xxx0*100xrxnnxrxXn仪表满刻度值X指标X0测量值31作业(1)、(2)任选一题①、设计任务：(1)温度报警器方案设计温度0~100±1℃可测,小于10℃或大于30℃报警（LED亮）（2）输出电压可调的数控直流电压源设计输出电压2～20V可调（调节单位0.1V），输出电流1A，数码管显示输出值。②、画框图或原理图，包括主要元器件的选择（附器件使用说明）③、以小组为单位提交电子文档（.doc）作业，上传：求索学堂－电子技术基础－互动栏目－论坛32作业（1）温度报警器设计，具体要求如下：①将被测温度（0～100℃）转换为电压值；②小于10℃或大于30℃声、光报警（LED亮）；③可采用箔电阻组成测量电桥；（2）设计一个输出电压可调的数控直流电压源，数码管显示输出值。具体要求如下：①输出电压2～20V之间，调节单位为0.1V；②电压稳定度（△VO/Vo）小于0.2％，纹波电压小于10mV；③输出电流1A；④输出电压值由数码管显示，设置“＋”、“—”键分别控制输出电压步进增减；⑤电源应具有输出短路保护和功率器件的过热保护功能