《电子系统设计与应用》杨青，李鸣，付强主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《电子系统设计与应用》

【作　者】杨青，李鸣，付强主编

【页 数】 211

【出版社】 石家庄：河北科学技术出版社 , 2021.06

【ISBN号】978-7-5717-0790-3

【价 格】48.00

【分 类】电子系统-系统设计-教材

【参考文献】 杨青，李鸣，付强主编. 电子系统设计与应用. 石家庄：河北科学技术出版社, 2021.06.

图书目录：

《电子系统设计与应用》内容提要：

《电子系统设计与应用》内容试读

第1章电子系统设计基础

由电子元器件或部件组成的能够产生、传输、采集或处理电信号及信息的客观实体称之为电子系统。对电子系统进行设计，首先要了解电子系统的基本概念与组成，掌握电子系统设计的方法、步骤、组装与调试方法以及在设计过程中常见的工程问题。

1.1电子系统设计概述

1.1.1电子系统中信号的处理方式与特点

1.1.1.1电子系统中信号的处理方式

电子系统中的电信号可分为模拟信号和数字信号，电子系统可分为模拟系统和数字系统，其中信号的处理方式主要分为模拟信号和数字信号的处理方式。

(1)模拟信号。

模拟信号(Analog Signal)是与离散的数字信号相对的，在幅值和时间上都是连续变化的信号，例如现实生活中的电压信号、电流信号、温度信号等。

(2)数字信号。

数字信号(Digital Signal)是离散时间信号(Discrete-Time Signal)的数字化表示，通常可由模拟信号(Analog Signal)经过模/数(Analog to Digital)采样获得，在时间上是离散的。例如，可以被计算机、微处理器等直接处理的信号。

(3)信号处理的方式。

在电子设备中，电信号是信息的载体，信息则反映系统的特征。一方面，可用频谱仪进行信号分析，了解其频谱分布、噪声、杂散等，从而加深对信号特性的理解；另一方面，可对信号进行处理，即改变信号的某些特性来满足要求，因此，信号处理是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。

信号处理主要包括：

1)分离信号和噪声，提高信噪比。2)从信号中提取有用的特征信息。

3)修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、温度影响等。4)把信号转变为易于输出、传输的信号，如信号放大、调制和解调等。

信号处理分为模拟和数字两种方式，模拟信号处理直接对连续信号进行分析处理

·1·

电子系统设计与应用

的过程，是利用一定的数学模型所组成的运算网络来实现的；数字信号处理则是采用

数值计算的方法对信号进行处理。比如控制系统，前者使用集成运算放大器及R、L、

C电路元件来构成PD调节器，从而实现信号的提取和处理；后者采用模拟信号的数字

化方式来进行数字的PD调节，如图1-1数字信号处理方式所示。

输人

信号

微处

输出

A/D

滤波

调理

理器

图1-1数字信号处理方式

首先模拟信号输人，经过信号调理(Signal Conditioning)去噪、整形处理后，达到

理想的模拟信号；然后进行模/数转换，将模拟信号通过AVD模块变为数字量输入DSP

等微处理器进行相关的数字算法处理，一方面可用于数据传输（Data Transmission),另一方面可通过D/A输出，再经过信号滤波(Filter)和功率放大后作为系统输出。

1.1.1.2信号处理的特点

模拟信号与数字信号处理方式在电子系统中具有各自的特点，模拟信号具有实时性高、高频信号处理能力强等优点，但是相比数字信号处理而言，抗干扰、可靠性等方面就会差些。下面以数字信号处理的特点为例，阐述两种信号处理方式的优缺点。

(1)数字信号处理的优点。

数字信号处理伴随数字系统的发展从20世纪40年代开始，发展历史并不长，它具有数字系统的一些共同优点，例如抗干扰、可靠性强、便于大规模集成等。与传统的模拟信号处理方法相比较，它具有以下优点。

1)灵活性高。

模拟系统：需要修改硬件设计或调整硬件参数。数字系统：只需要改变软件参数设置。

以滤波器的设计为例：对于模拟滤波器，若要改变滤波器的参数，则需要改变元器件的值，或是改变运放的工作状态；对于数字滤波器，只需要改变程序的参数就可以了。由此可明显看出，数字处理系统的灵活性更高。

2)精度高。

模拟系统的精度严重依赖于元器件精度，但元器件都有很大的离散性，因此构成的系统误差较大。

数字系统的精度依赖于AD转换的位数、计算机字长及相关的算法。这样不仅可

以估算出所设计系统的精度，还可以采用适当的处理方式来进一步提高其处理精度。

3)可靠性高，可重复性好。

模拟系统受环境温度、噪声、电磁场等影响较大，即使两个设计参数完全相同的运算放大器，在输人同源的情况下其输出也会不同；但数字系统不同，在任何时间、任何地点、任何环境下，只要系统工作正常，那么计算结果肯定相同。

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第1章电子系统设计基础

(2)数字信号处理的缺点。

尽管数字信号处理有其明显的优势，但不能说明模拟信号处理能够被完全替代。例如在乘法器的设计中，如果原始数据和所需要的输出均为模拟形式，那么完成从模拟信号向数字信号转换所需要的模/数转换器和数/模转换器的成本及其复杂程度通常会超过模拟乘法器设计本身。数字信号处理的劣势体现在如下几个方面。

1)实时性差。

数字系统由计算机的处理速度决定。尽管计算机技术不断发展，处理速度也得到了

极大的提高，如DSP,都是由一个系统时钟来决定它的一个机器周期。机器周期是DSP

处理速度的最小单位。因此在要求实时性能极高的情况下，模拟系统不能够被完全替代。

2)高频信号的处理。

模拟系统可处理很高的频率，包括微波信号、光信号；而数字系统必须按照奈奎斯特准则的要求，受模/数转换和处理速度的限制。对于高频信号的处理，目前使用数字系统是很难实现的。

3)模拟与数字信号的转换。

现实世界的信号绝大部分是模拟的，例如温度、湿度、压力等通过相应的传感器转换成的电信号也是模拟的。要实现数字处理就必须要进行模/数转换，因此这部分处理电路也必须是模拟的，所以模拟处理的环节肯定不能被替代。

1.1.2电子系统的基本概述

1.1.2.1电子系统分类

在电子设备中，可以完成一个特定功能的完整的电子装置可称为电子系统。具体地说，通常将由电子元器件或部件组成的能够产生、传输、采集或处理电信号及信息的电子装置称为电子系统。

电子系统分为模拟型、数字型和两者兼而有之的混合型三种，无论哪一种电子系统，它们都是能够完成某种任务的电子设备。电子系统有大有小，大到航天飞机的测控系统，小到操作平台上的显示装置，都是电子系统在电子设备中的应用范例。

通常把规模较小、功能单一的电子系统称为单元电路，实际应用中的电子系统由若干单元电路构成。一般的电子系统由输入、输出、信息处理三大部分组成，用来实现对信息的采集处理、变换与传输功能。图1-2为电子系统基本组成框图。

信息

控制

现场信息

输人

处理

输出

对象

电路

控制

电路

或者

电路

负载

图1-2电子系统基本组成框图

·3·

电子系统设计与应用

现代电子系统设计的最大特点是变化大、发展快，新型元器件层出不穷，相应的电子设计工具和手段不断更新。所以电子系统设计者只有掌握电子技术的发展动态，与时俱进，不断学习，更新知识，才能适应电子技术发展的要求。

电子系统可认为是现代电子系统根据应用对象不同而划分出的一个分支。它的分类依据有多种，根据核心控制方式的不同分为非智能型系统和智能型系统。前者功能简单且单一；后者具有接收信息的能力，并根据信息进行分析、判断、决策和控制操

作的能力。一般将以CPU为核心、软硬件结合的电子系统称为智能型系统。

根据系统实现的功能，可以将其分为测控系统、测量系统、数据处理系统、通信系统、计算机系统等。一般情况下，大部分电子设备按照其功能都可认为由这几大部分系统组成

电子系统也可分为模拟系统、数字系统或者模数混合系统。若按软硬件划分的话，可分为纯硬件系统和软硬件结合系统等。

1.1.2.2电子系统组成

实现电子系统的器件可分为：①中大规模或超大规模集成电路；②专用集成电路；

③可编程器件；④少量分立元件和机电元件。

电子系统按照自顶向下可分为系统级、子系统级、部件级和元件级。总的来说，

一个完整复杂的电子系统由若干个子系统构成；每个子系统由各功能模块组成，各功能模块最终由元器件实现，如图1-3所示。对于子系统可分为5种基本类型，分别是

模拟子系统、数字子系统、模/数混合子系统、微机子系统和DSP子系统。其中，这些

子系统又由各个功能模块构成，如数模混合子系统由信号调理与驱动模块、输入输出接口模块、通信接口模块、系统译码与控制模块、电源模块等组成。

功能模块1

单元电路1

子系统1

功能模块2

单元电路2

+

功能模块n

单元电路n

电

功能模块1

单元电路1

子

功能模块2

单元电路2

系

子系统2

888

统

功能模块n

单元电路n

…

4

功能模块1

单元电路1

子系统n

功能模块2

单元电路2

s。。

功能模块n

单元电路n

系统级

子系统级

部件级

元件级

图1-3信号处理系统组成示意图

。4

第1章电子系统设计基础

图1-4为闭环控制下电子系统组成电路的示意图。从图中可知，电子系统主要由传感器、信号调理电路、处理决策电路以及执行电路组成。这四部分的作用分别是转换、调理、处理和控制，其中，传感器采集控制对象的物理量信息并将其转换为电量，此时信号为模拟信号，信号调理电路将该模拟信号进行放大、滤波、整形以及转换，经过信号调理电路输出的信号转换为数字信号，可由微处理器等组成的处理决策电路进行计算、处理，进而通过执行电路将数字信号转换成模拟信号并进行放大驱动控制对象（负载）执行对应动作，将电信号转换为物理量，同时传感器继续采集控制对象的物理量，实现对控制对象的闭环控制。

信号调理

处理决策

执行

控制

传感器

电路

电路

电路

对象

图1-4闭环控制下电子系统组成电路示意图

1.2电子系统设计的方法

1.2.1电子系统设计的方法

电子系统设计的方法一般是比较复杂的，必须采用有效的方法去管理才能使设计工作顺利并取得成功。

基于系统的功能与结构上的层次性，电子系统设计一般有以下三种方法：自顶向下法(Top to Down)、自底向上法(Bottom to Up)和组合法(TD&Bu Combined)。

(1)自顶向下法。

首先从系统级设计开始，根据系统级所描述的该系统应具备的各项功能，将系统划分为单一功能的子系统，再根据子系统任务划分各部件，完成部件设计后，最后才是元件级设计。

优点：避开具体细节，有利于抓住主要矛盾。适用于大型、复杂的系统设计。

(2)自底向上法。

根据要实现系统的各个功能要求，从现有的元器件或模块中选出合适的文件，设计各部件，一级一级向上设计，最后完成整个系统。

优点：可以继承经过验证、成熟的部件和子系统，实现设计重用，提高设计效率。多用于系统的组装和测试。

(3)组合法。

结合了自顶向下法和自底向上法的优点。

为实现设计的可重复使用以及对系统进行模块化设计测试，现代的系统设计通常采用以自顶向下法为主，结合使用自底向上法的方法。这样既可进行复杂系统设计，

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电子系统设计与应用

又能充分利用成熟技术，提高设计效率。

由于电子电路种类繁多，千差万别，设计方法也因具体情况而不同，因此在设计时，应根据实际情况灵活掌握。

以一个典型的电子测量系统为例，完整的功能模块的结构组成如图1-5。

CPU

传感器

◆信号调理A/D转换器

D/A转换器

驱动执行

存储器

译码控制

电源

人机接口

通信接口

监控

图1-5信号测试与处理系统

在图1-5所示系统中，该系统要完成的功能是对物理量进行测量和处理。根据系统功能可将系统分为3个子系统：信号采集、信号处理、系统输出。信号采集子系统

分为传感器、信号调理、AVD转换功能模块；信号处理子系统由CPU(单片机/DSP

FPGA等)及外围电路构成；信号输出子系统包括D/A转换、驱动执行（显示、下一

级控制驱动等)。系统还应包含电源模块，为各子系统提供所需电源。监控系统主要对系统各部分工作状态进行检查和控制，确保系统工作正常。

各个功能模块都是由电子元器件具体实现的，可细分为不同的单元电路。该系统的设计可以在提出技术指标后，进行子系统及各功能模块划分，然后设计单元电路，即自顶向下设计；设计中可以尽量采用已有的成熟单元电路，即自底向上设计。

1.2.2电子系统设计的一般原则

任何一项系统的设计，都要遵循一定的原则或标准、规范。进行电子系统设计，般要求遵循以下一些原则。

(1)兼顾技术的先进性和成熟性。

当今世界，电子技术的发展日新月异。系统设计应适应技术发展的潮流，使系统能保持较长时间的先进性和实用性。同时也要兼顾技术上的成熟性，以缩短开发时间和上市时间。

(2)安全性、可靠性和容错性。

安全在任何产品中都是第一位的，在电子系统综合设计中也是必须首先考虑的。采用成熟的技术、元器件和部件，可以在一定程度上保证系统的可靠、稳定和安全。系统还应具有较强的容错性，例如，不会因人员操作失误而使整个系统无法工作，或因某个模块出现故障而使整个系统瘫痪等。

(3)实用性和经济性。

在满足基本功能和性能的前提下，系统应具有良好的性价比。

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···试读结束···