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图书名称：《电子系统设计》

【作　者】贾立新

【页 数】 258

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.01

【ISBN号】978-7-111-67176-3

【分 类】电子系统-系统设计-高等学校-教材

【参考文献】 贾立新. 电子系统设计. 北京：机械工业出版社, 2021.01.

图书封面：

图书目录：

《电子系统设计》内容提要：

本书由模拟电子系统设计、单片机电子系统设计、数字电子系统设计和综合电子系统设计4部分组成。内容包括电子系统设计导论、放大电路设计、滤波器设计、模拟电子系统设计实例、单片机电子系统设计、FPGA应用基础、数字系统设计实例、RLC测量仪、脉冲信号参数测量仪、红外通信系统。大部分章节除了介绍典型的设计案例外，还设置了思考题和设计训练题，帮助读者加深对教材内容的理解和提高设计能力。 本书内容编排循序渐进，从器件到单元电路，从单元电路再到电子系统；从模拟电子系统到模数结合的单片机电子系统，从单片机电子系统再到单片机和FPGA相结合的综合电子系统，各部分内容由浅入深且融会贯通。 本书可作为高等院校电子电气类专业有关电子系统设计、电子技术综合提高型实验、大学生电子设计竞赛赛前训练等实践类课程的教材，也可作为具备模拟电子技术、数字电子技术、单片机等基础知识的读者学习电子系统设计方法的参考书。

《电子系统设计》内容试读

第1章电子系统设计导论

1.1什么是电子系统

电子系统是由若干相互联系、相互制约的电子元器件或部件组成，能够独立完成某种特定电信号处理的完整电子电路。或者说，凡是可以完成一个特定功能的完整电子装置就可以称为电子系统。例如，数字化语音存储与回放系统就是一个典型的电子系统，其原理框图如

图1.1-1所示。声音信号经过传声器(MC,俗称麦克风)转换成电信号。由于传声器输出

的电信号非常微弱，并且含有一定的噪声，因此需要经过放大滤波后送入AD转换器。在

单片机(Single-Chip Microcontroller Unit.,MCU)的控制下，AD转换器将模拟的声音信号

转换成数字化的声音信号，然后存储在半导体存储器中，这个过程称为录音。MCU从半导

体存储器中取出数字化的语音信号，通过D/A转换恢复成模拟的语音信号，经过滤波放大

后驱动扬声器（俗称喇叭），这个过程称为放音。

模拟

模拟

数字键盘和显示数字

模拟

模拟

金

传声器

扬声器

放大滤

A/D

D/A

波电路

转换器

单片机

滤波放

转换器

大电路

数据存储器

图1.1-1数字化语音存储与回放系统

电子系统种类繁多，涵盖军事、工业、农业、日常生活各个方面，大到航天飞机的测控系统，小到人们日常生活中的电子手表。根据功能划分，电子系统通常可以分为以下几类：

1)测控系统。例如航天器的飞行轨道控制系统、工业生产控制系统等。2)测量系统。包括电量及非电量的测量。3)数据处理系统。例如语音、图像处理系统。4)通信系统。包括有线通信系统、无线通信系统。5)家用电器。例如数字电视、扫地机器人、智能家电等。

根据所采用的电子器件划分，电子系统可分为模拟电子系统、数字电子系统、单片机电子系统和综合电子系统。

模拟电子系统：以模拟电子技术为主要技术手段的电子系统称为模拟电子系统。模拟电子系统通常把被处理的物理量（如声音、温度、压力、图像等）通过传感器转换为电信号，然后对其进行放大、滤波、整形、调制、检波，以达到信号处理的目的。如本书第4章将要

介绍的D型功放、测量放大器等，就属于典型的模拟系统。

数字电子系统：以数字电子技术为主要技术手段的电子系统称为数字电子系统。从实现

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的方法来分，数字电子系统可分为3类：一类是采用标准数字集成电路实现的数字系统，所

谓标准集成电路是指功能、物理配置固定、用户无法修改的集成电路，如74LS系列、74HC

系列集成电路；一类是采用FPGA/CPLD组成的数字系统，FPGA/CPLD允许用户根据自己

的要求实现相应的逻辑功能，并且可以多次编程，本书主要介绍采用FPGA/CPLD组成的数

字系统：一类是采用定制专用集成电路(ASIC)实现的数字系统，由于FPGA/CPLD内包含

大量可编程开关，消耗了芯片面积，限制了运行速度的提高，因此采用ASC设计的数字系

统集成度最高、性能最好。

单片机电子系统：以单片机为核心的电子系统，称为单片机电子系统。除了单片机之外，单片机电子系统通常还包含数字模拟外围电路。为了与综合电子系统相区别，本书介绍

的单片机电子系统特指不包含PGA芯片的电子系统。单片机电子系统的主要功能通过软件

实现。

综合电子系统：由单片机、FPGA和模拟电路组成的电子系统称为综合电子系统。在综

合电子系统中，系统的功能一般由数字部分实现，而指标则借助模拟电路达到。单片机和

FPGA虽同属数字器件，但在综合电子系统中，两者又有不同的分工，分别发挥着各自的

优势。

电子系统的发展趋势之一是复杂度越来越高。什么是电子系统的复杂度？这里借用工程教育专业认证标准中对复杂工程问题的定义来说明。根据2015版工程教育专业认证标准的定义，复杂工程问题必须具备下述特征1)~7)的部分或全部：

1)必须运用深人的工程原理，经过分析才可能得到解决。

2)涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突

3)需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性。4)不是仅靠常用方法就可以完全解决的，需要运用现代工具。

5)问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中，具有不确定性。

6)问题相关各方利益不完全一致。

7)具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

下面以直流电能表的设计为例，说明电子系统复杂度的含义。随着直流电广泛应用于高压直流输电、楼宇自动化、轨道交通、光伏发电以及电动汽车中，对直流电能表的需求急剧增加。直流电能表设计要求高精度、低功耗、低成本、小体积、安全性。其中高精度、安全性与低成本通常是矛盾的。

直流电能表设计中的一些工程问题必须运用深入的工程原理经过分析才能得到解决。直流电能表由硬件和软件两部分组成，其原理框图如图1.1-2所示。硬件电路由单片机和外围

电路组成，包括模拟电路、DC/DC电源电路、数字电路等，软件部分采用模块化设计，由

应用层、功能模块层、驱动层3部分组成。直流电能表的设计将涉及电路原理、单片机原理、电力电子技术中的开关电源原理、数字信号处理中的Σ-△调制原理、数字电路中的低功耗原理等。

直流电能表的设计必须运用多种工具才能解决问题，如硬件电路设计需要EDA软件

Altium Designer,软件开发需要单片机集成开发软件。直流电能表的校准需要昂贵的标准直流源。

直流电能表的设计具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。需要综合运用多门

课程知识，如电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理、C语言程序设计基

础、电力电子技术、电子线路CAD等。涉及多个关联子问题，如电源需要与主电路隔离，

保证安全性；电流电压检测既要确保精度又要降低成本：还有单片机的选型和供货问题，能否保证供货，能否用其他单片机替代。

显示模块

数据存储器

计量模块

单片机

应用程序

应用层

SPT2C驱动

通信模块

计量模块

通信模块

功能模块层

负荷记录模块

存储模块

事件记录模块

异常检测模块

定时器驱动

GPIO驱动

UART驱动

驱动层

电源模块

计量驱动

LCD驱动

图1.1-2直流电能表原理框图

为了管理电子系统的复杂性，通常将电子系统划分为不同的抽象(Abstraction)层次，如图1.1-3所示。最底层的抽象层为物理层，即电子的运动。高一级的抽象层为器件，包括模拟和数字集成器件，也包括电阻、电容、电感、晶体管等分立元件。在模拟电路这一层次，主要研究如何采用模拟集成电路来构成放大电路、滤波电路、电源等。在数字电路层

次，主要研究基于硬件描述语言和PGA/CPLD设计数字系统。在单片机层次，主要研究如

何选择合适的单片机型号，如何进行系统扩展，如何使用单片机的片内和片外资源。进入软件层面后，操作系统负责底层的抽象，应用软件使用操作系统提供的功能解决用户的问题。对于复杂的电子系统，不同的抽象层次通常由不同的设计者来完成设计。尽管某一设计者可能只负责其中一个抽象层次的设计，但该设计者应该了解当前抽象层次的上层和下层。

应用软件

程序设计

操作系统

设备驱动程序

单片机

结构、内部资源、接口

数字电路

FPGA/CPLD

模拟电路

放大器、滤波器、电源

器件

分立元件、集成芯片

物理层

电子

图1.1-3电子系统的层次划分

电子系统的发展趋势之二是智能化程度越来越高。电子系统可分为智能型电子系统和非智能型电子系统。非智能型电子系统一般指功能简单或功能固定的电子系统，例如电子门铃、楼道灯控制系统等。智能型电子系统是指具有一定智能行为的电子系统，通常应具备信息采集、传输、存储、分析、判断和控制输出的能力。在智能化程度较高的电子系统中，还应该具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习功能。例如，智能机器人对一个复杂的任

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务具有自行规划和决策能力，有自动躲避障碍运动到目标位置的能力。

电子系统的发展趋势之三是引入互联网+技术。采用移动互联网、云计算、大数据、物联网等信息通信技术，与传统的电子系统相结合。在传统的电子系统基础上增加网络软硬件模块，借助移动互联网技术，实现远程操控、数据自动采集分析等功能，极大地拓展了电子系统的应用范围。

1.2电子系统的设计方法

如前所述，电子系统可以分为模拟电子系统、数字电子系统、单片机电子系统、综合电子系统。由于不同类型电子系统的功能各异，规模有大有小，所以目前还没有一套通用的方法用于设计各种类型电子系统，只能依靠设计者的理论知识和实践经验，根据具体的条件来选择合适的设计方法。

1.模拟电子系统的设计方法

第1步：选择符合电路功能要求的电路结构。本书的第2章和第3章将介绍常见的放大电路和滤波电路，设计者只有从理论上充分理解这些电路的工作原理，了解这些电路有什么差异，并且具备一定的实践经验，才有可能做出合理的选择。

第2步：器件选择。满足某一功能的集成器件可能有很多种，要根据技术参数进行筛选，同时应尽量选择使用方便的器件型号，如外围电路少、稳定性高、容易购买的型号

第3步：参数计算。以放大电路为例，在设计时需要考虑多项技术指标，如输入阻抗、输入信号的动态范围、输出阻抗、电压放大倍数、输出电平（功率）、频率带宽、放大器的效率、放大器的稳定性等，这些指标都需要通过计算选择合适的参数才能实现。可以这么说，没有计算就谈不上设计。

第4步：电路仿真。电路仿真，顾名思义就是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计。常用的模拟电路仿真软件有Multisim、TINA-TI软件。

第5步：实际调试。首先要根据电路的复杂程度，用面包板、通用板、自行制作或者外

加工P℃B搭建模拟电路，然后采用稳压电源、示波器、信号源、万用表等仪器对电路进行

测试。

2.数字电子系统的设计方法

数字电子系统的设计通常有手工设计和EDA设计两种方法。

传统手工设计方法：设计者采用真值表、逻辑函数化简得到数字系统的逻辑函数表达式，然后采用标准集成电路实现。虽然标准集成电路品种多、价格低，但采用标准集成电路设计的数字系统体积大、功能固定。这种设计方法在工程实际中已很少采用

现代EDA设计方法：这种设计方法通常由设计者借助EDA工具和硬件描述语言

(Hardware Description Language,HDL)来完成设计，然后采用可编程逻辑器件实现。其设计流程如图1.2-1所示。

3.单片机电子系统的设计方法

单片机电子系统的设计可分为硬件设计和软件设计两部分。

第1步：对硬件和软件承担的任务进行合理的划分，画出原理框图。划分的原则是尽量

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设计需求、规范

逻辑综合

设计规划

电路仿真

设计输入VHDL/Verilog/原理图

映射、布局、布线

逻辑仿真

配置FPGA

图1.2-1数字电子系统的设计流程

用软件来实现系统功能，以降低成本、缩小体积。因为随着单片机技术的发展，从前必须由模拟电路或数字电路实现的功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。

第2步：单片机硬件系统扩展。在确定单片机型号和外围器件的基础上，将单片机和外围器件连接，称为系统扩展，包括人机接口扩展、/0扩展、串行总线扩展、并行总线扩展。系统扩展时，需要查阅器件数据手册，了解器件的电气特性。

第3步：软件设计。先设计程序流程图，再编写代码。单片机的程序分为主程序和中断服务程序。对于不同的单片机系统，主程序的基本框架可以说是大体一致的，由初始化部分和循环体部分构成。初始化部分包括单片机的内部资源的初始化，以及程序中使用到的一些变量和数据的初始化。中断服务程序主要用于处理实时性要求较高的任务和事件，如外部突发性信号的检测、按键的检测和处理、定时计数等。一般情况下，中断程序应尽可能保证代码的简洁和短小，对于不需要实时去处理的功能，可以在中断中设置触发的标志，然后由主

程序来执行具体的事务。这一点非常重要，特别是对于低功耗、低速的MCU来讲，必须保

证所有中断的及时响应。

第4步：系统调试。系统调试包括硬件系统调试和软件系统调试。两者一般同时进行，如在软件调试时，可借助示波器观测单片机系统的关键信号，以提高调试效率。

4.综合电子系统的设计方法

综合电子系统的设计方法之一是采用自顶向下的设计方法。什么是“顶”呢？“顶”是指系统的功能。何为“底”呢？“底”就是最基本的元器件。所谓自顶向下的设计方法，就是从顶层到底层，将系统划分为若干个子系统，再将子系统划分为若干个单元电路，再选择合适的元器件完成单元电路设计。自顶向下的设计方法抓住主要矛盾，从概括到展开，从粗略到精细，不纠缠在具体细节上，不过早考虑具体电路、元器件和工艺。另一种设计方法是采用自底向上的设计方法，先从选择元器件开始，设计单元电路，再由单元电路构成子系统，最后由子系统构成完整系统。自顶向下的设计方法和自底向上的设计方法示意图如图1.2-2所示。

自顶向下的设计方法将复杂的系统分解为相对简单的子系统或单元电路，找出每个子系

统或单元电路的重点和难点所在，可以有效地控制系统的复杂性。EDA软件工具的使用，

使得设计者可以将精力集中于系统的高层设计，如功能、算法等概念方面的设计，而将大量

具体设计过程留给EDA软件去完成。自底向上的设计方法在设计过程中虽然受元器件和单

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元电路的限制，但优点是可利用前人的设计成果，避免重复设计。另外，在系统的组装和调试过程中，通常是采用自底向上的流程进行调试的。

系统

子系统1

子系统2

子系统3

自顶向下

自

底

单

单

上

元电路

元

电

路

路

路

1

5

6

元器件

图1.2-2综合电子系统的设计方法

采用自顶向下的设计方法应遵循以下3条原则：层次化(Hierarchy)、模块化(Modu-larity)和规整化(Regularity)。这些原则对于软硬件的设计都是通用的。

层次化：将系统划分为若干个模块，然后更进一步划分每个模块，直到这些模块变得很容易理解。

模块化：所有模块有定义好的功能和接口，以便它们之间可以很容易地相互连接规整化：在模块之间寻求一致，通用的模块可以重复使用多次，以减少设计不同模块的数量。

1.3电子系统的设计步骤

1.分析设计题目

对设计题目进行具体分析，明确所要设计的系统功能和技术指标，确保所做的设计不偏题。如果是电子设计竞赛题发生了偏题，则你的作品可能无法获奖：如果是实际的项目发生了偏题，则你的作品不但用户拒绝接受，甚至可能要承担经济责任和法律责任。所以，分析设计题目这一步，必须考虑周到。

2.方案设计

通过查阅文献资料，了解国内外相关课题的技术方案，提出2~3种可行的设计方案。从系统的功能、性能指标、稳定性、可靠性、成本、功耗、调试的方便性等方面，对几种方案进行认证比较，确定最优设计方案。在方案论证过程中，要敢于探索，勇于创新。需要指出的是，方案的优劣标准不是唯一的，它与电子系统的开发目的有关。例如，当某一电子系统的开发要求快速完成时，应尽量采用成熟可靠但不十分先进的技术方案。

确定了总体设计方案后，画出完整原理框图，对总体方案的原理、关键技术、主要器件进行说明。对关键技术难点，应深入细致研究。例如，一个电子系统通常既包括模拟电路又包括数字电路，当模拟电路发挥到极致时，如何用数字电路来弥补模拟电路的不足？在方案设计阶段还需要关注电子系统的测试问题，即电子系统设计制作完成后，如何测试技术

···试读结束···