電子系統(tǒng)設計

電工電子教學實驗中心楊拴科一、基本要求二、教學方法三、電子系統(tǒng)概述四、電子系統(tǒng)設計的一般方法與步驟五、電子電路安裝六、電子電路調試技術七、電子電路抗干擾八、設計舉例電子系統(tǒng)設計一、基本要求綜合應用電子技術、計算機技術、傳感器技術等課程所學的理論知識來獨立完成一項切合工程實際的設計任務。通過一項具體任務鍛煉設計、安裝、調試電子電路的技能。通過總結交流，培養(yǎng)撰寫科技報告、科技論文的能力。二、教學方法選題方案選擇（工具、電路結構、性價比等）單元電路設計安裝與調試撰寫設計與總結報告設計與總結報告的具體要求：

設計題目設計任務（具體要求）方案論證與選擇總體原理框圖、單元電路圖及其參數(shù)選擇、PCB圖等。系統(tǒng)調試方法、步驟，技術指標的測量方法、測量結果，誤差分析。收獲、體會，并提出進一步提高性能指標的方法或研究方向。三、電子系統(tǒng)概述電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)包括：模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)模混合系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)三、電子系統(tǒng)概述（續(xù)）2.電子系統(tǒng)設計與實現(xiàn)四、電子系統(tǒng)設計的一般方法與步驟1.方案論證分析題目要求提出多種原理性方案

擇優(yōu)：滿足要求容易實現(xiàn)具體方案總體框圖（每個框可用一個簡單電路實現(xiàn)）例：“數(shù)顯式交流有功電子電能表”的設計方案1例：“數(shù)顯式交流有功電子電能表”的設計方案2例：“數(shù)顯式交流有功電子電能表”的設計方案3四、電子系統(tǒng)設計的一般方法與步驟（續(xù)）2.單元電路設計①電路結構選擇：明確單元電路的要求，確定單元電路的性能指標；查閱文獻、資料，選擇與本設計相近的電路結構，修改部分元器件參數(shù)以滿足設計要求；盡量選擇成熟的電路，也可在相關基本電路的基礎上設當改進、提高或創(chuàng)新設計。②元器件選擇原則考慮性能價格比高的器件。分立與集成器件：一般選擇集成電路芯片，但高電壓、大電流、高頻、寬帶等特殊電路仍要選用分立元件。盡量選用功能模塊電路。四、電子系統(tǒng)設計的一般方法與步驟（續(xù)）2.單元電路設計（續(xù)）③電路參數(shù)計算（也可通過計算機仿真得到）：器件參數(shù)要留有裕量電阻電容要用系列值盡量減少器件種類

3.單元電路之間的級聯(lián)問題①電氣特性的相互匹配：阻抗匹配、線性范圍、負載能力、高低電平配合等等。②信號耦合：直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合、光電耦合③時序配合：分析單元電路中的時序、畫出時序圖，確保電路級聯(lián)后能正常工作。

4.畫出總體電路原理圖五、電子電路安裝按功能模塊劃分：數(shù)字、模擬、大功率、小信號；檢測、處理、顯示、執(zhí)行等部件。可測性問題：測試、檢修維護方便。散熱問題：通風條件、散熱片等。電磁兼容問題安裝布局的原則：六、電子電路調試技術調試方法：先分塊調試，再整體調試。調試內容：靜態(tài)調試：在無外加信號的條件下，測試各點的電位、高低電平，邏輯關系等。動態(tài)調試： 調試信號幅值、相位關系、波形、頻率范圍、放大倍數(shù)及時序邏輯關系等。六、電子電路調試技術3.調試常用儀器

------萬用表、示波器、信號發(fā)生器、仿真器、直流電源等4.調試步驟：①目測----檢查電路②通電觀察③靜態(tài)調試

④

動態(tài)調試⑤系統(tǒng)功能及性能指標測試六、電子電路調試技術例如：單片機系統(tǒng)動態(tài)調試總線檢查、輸出接口檢查：給端口寫55H、AAH，觀察每條線上的波形。執(zhí)行循環(huán)程序檢查I/O、RAM、A/D、D/A等電路的片選（/SC）、讀（/RD）、寫（/WR）信號是否滿足時序要求RAM、A/D、D/A等電路功能測試

七、電子電路抗干擾常見的干擾源：來自電網(wǎng)的干擾來自地線的干擾來自信號通道的干擾來自空間電磁輻射的干擾數(shù)字電路中電源電流的波形uO理想曲線oooiEiEttt

IEH

IEL

UOH

IEL

UOL

IEH實際曲線t

+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3七、電子電路抗干擾2.切斷干擾傳播路徑

：（1）交流電源濾波器七、電子電路抗干擾2.切斷干擾傳播路徑

：（2）許多單片機對電源噪聲很敏感,要給單片機電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對單片機的干擾。其中L為磁珠，也可用100Ω電阻代替。

七、電子電路抗干擾2.切斷干擾傳播路徑

：（3）如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應加隔離。其中L為磁珠，也可用100Ω電阻代替。七、電子電路抗干擾2.切斷干擾傳播路徑

：（4）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。

七、電子電路抗干擾2.切斷干擾傳播路徑

：（5）電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。

七、電子電路抗干擾2.切斷干擾傳播路徑

：（6）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時已考慮此要求。七、電子電路抗干擾2.切斷干擾傳播路徑

：（7）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

七、電子電路抗干擾3.抑制干擾源

：（1）

集成電路芯片的電源對地加0.01~0.1μF無極性電容器以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線，圖a和圖b的效果相差很大，圖c比圖b的效果更好。圖a的布線增大了電容的等效串聯(lián)電阻，影響了濾波效果。

七、電子電路抗干擾3.抑制干擾源

：（2）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。僅加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內可動作更多的次數(shù)。

七、電子電路抗干擾3.抑制干擾源

：（3）在繼電器接點兩端并接火花抑制電路，減小電火花影響.七、電子電路抗干擾3.抑制干擾源

：（4）給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。（5）布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。

七、電子電路抗干擾3.提高敏感器件的抗干擾性能

（1）布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應噪聲。

（2）布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。

七、電子電路抗干擾3.提高敏感器件的抗干擾性能

（3）對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。

（4）對單片機使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。

（5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。

（6）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。

七、電子電路抗干擾3.提高敏感器件的抗干擾性能

（7）信號通道干擾的抑制措施利用雙絞線傳輸信號光電隔離、電磁隔離（8）空間電磁輻射干擾-----------屏蔽八、設計舉例1．輸入直流電壓15V，輸出直流電壓在0~9.9V，可利用功能鍵任意設定，步進0.1V；輸出電壓中的紋波分量不大于20mV；最大輸出電流500mA。2．輸出電壓值由數(shù)碼管顯示。3．擴展輸出電壓種類，如三角波、方波、正弦波等。（一）簡易數(shù)控直流電源八、設計舉例（一）簡易數(shù)控直流電源（一）簡易數(shù)控直流電源輸出電路方案討論（一）簡易數(shù)控直流電源輸出電路方案討論（一）簡易數(shù)控直流電源怎樣實現(xiàn)UX？UX怎樣實現(xiàn)？當n=8時，Ux在-5V~+4.96V之間變化（一）簡易數(shù)控直流電源（一）簡易數(shù)控直流電源UX怎樣實現(xiàn)？（一）簡易數(shù)控直流電源數(shù)控部分怎樣實現(xiàn)？（一）簡易數(shù)控直流電源數(shù)控部分怎樣實現(xiàn)？（一）簡易數(shù)控直流電源數(shù)控部分怎樣實現(xiàn)？（一）簡易數(shù)控直流電源數(shù)控部分怎樣實現(xiàn)？（一）簡易數(shù)控直流電源八、設計舉例1．濾波器的截至頻率或中心頻率能在00Hz~20kHz設置。2．濾波器應具有低通、高通、帶通的濾波特性，過渡帶應有80dB/10倍頻的變化率（4階）。3．濾波器的輸入電壓峰值：0~±2.5V，輸出電壓：0~±5V，噪聲電壓小于20mV（二)全功能程控有源濾波器八、設計舉例（二)全功能程控有源濾波器利用集成開關電容濾波器MF10可實現(xiàn)開關電容的基本概念八、設計舉例（二)全功能程控有源濾波器八、設計舉例（二)全功能程控有源濾波器八、設計舉例1．測溫范圍0~150℃。2．用數(shù)碼管顯示溫度值，最大誤差小于1℃。（三）數(shù)字化測溫系統(tǒng)八、設計舉例（三）數(shù)字化測溫系統(tǒng)溫度傳感器AD590當T=273.2K時，It=273.2μA，對應0℃調U1=2.732V時，I1=273.2mA，I1=It，即：I2=0，UO=0V當?T=1℃時，?I2=1μA，?UO=?I2R2=10mV，即：?UO=10mV/℃?U1=1mV/℃?UO=100mV/℃基準電壓源TL431計數(shù)法測量頻率f——被測信號的頻率；N——計數(shù)值，脈沖個數(shù)；tcp——時基脈沖寬度。計數(shù)法測量周期

N——計數(shù)器的讀數(shù)；τ0——時標信號的周期；n——周期倍乘系數(shù)。八、設計舉例1．4路模擬量輸入，輸入電壓范圍0~5V，分辨率8位，轉換時間100μS，具有顯示（數(shù)碼管）測量結果（用10進制顯示直流電壓值或交流電壓峰值）的功能。2．1路模擬量輸出，用來分別重現(xiàn)4路被采信號的波形（供示波器觀測）。（四）單片及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（四）單片及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)模轉換器：ADC0809模數(shù)轉換器：DAC0832鍵盤顯示控制器：ZLG7289顯示器：LED八、設計舉例 根據(jù)鍵盤輸入的信號頻率，輸出一個正弦波，正弦波的零點以及正弦波的幅度可分別通過電位器調節(jié)。具體要求如下：1．正弦波的頻率范圍：下限頻率為0.1Hz，上限頻率暫時不確定，但應盡量提高，并在實驗報告中分析影響上限頻率的因素和已完成的最大值。2．輸出正弦波中不能含有尖峰干擾。3．輸出正弦波峰峰值最大為20V、最小為100mV，直流偏移為±2V。4．頻率輸入為數(shù)字量，在10Hz范圍內分辨率為0.1Hz；10~100Hz內為1Hz；100~1000Hz內為10Hz。5．擴展輸出波形種類，如三角波、方波等，幅度和頻率范圍自定。（五）低頻程控信號源（五）低頻程控信號源用數(shù)字方式產(chǎn)生正弦波的方法：直接數(shù)字合成技術（DDS）1.用程序產(chǎn)生正弦波：先用高級語言（VBorVC等)生成數(shù)據(jù)表。

y=A0+Asin(ωt)=A0+Asin(2πf*t)=A0+Asin(2π*t/T)，進行離散化處理后：

y[i]=128+100*sin(2*pai*i*Δt/(N*Δt))=128+100*sin(2*pai*i/N))

其中，N為輸出波形一個周期的點數(shù)，i=0,1,2,3,…,N-1。Δt為相鄰兩點間的時間間隔。然后查表輸出波形。頻率通過改變兩點間的延時時間來調整。

2.硬件查表法：將波形表存入EPROM(2716)中，由二進制加法計數(shù)器輸出地址，對波形表地址進行循環(huán)掃描輸出表中的波形。硬件查表法可以提高輸出波形的頻率，但調整頻率不方便，只能通過改變計數(shù)器的計數(shù)脈沖信號的頻率來改變頻率。

(1)輸出波形一個周期由256個點組成，CLOCK的頻率決定輸出波形的頻率。(2)K0、K1、K2用于波形切換，000—正弦波，001—方波，等等。直接數(shù)字合成技術（DDS）

DDS是一種新興的頻率合成技術，具有頻率分辨率高、頻率改變快捷、頻率穩(wěn)定性好等優(yōu)點。它由全數(shù)字電路構成，易于集成，在通信系統(tǒng)的各個領域得到廣泛應用，特別適合在移動通信和跳頻擴頻通信領域使用。基于DDS的信號發(fā)生器方案如下圖所示：輸入24～32bit∑δ相位寄存器M相位鎖存器

DAC正弦ROM查找表LPF0.4fcnnnn相位累加8～16bit輸出fc系統(tǒng)時鐘NDDS的工作原理：首先將正弦波的輸出看作為一個圍繞相位圓的旋轉矢量。相位圓上的每一點均對應輸出正弦波形上的一個特定點。矢量圍繞相位圓旋轉，相應的輸出波形也就產(chǎn)生了。矢量旋轉一周，對應產(chǎn)生正弦波的一個完整周期。

000…0111…1Mθ上圖中相位累加器用于完成矢量繞相位圓的線性運動。相位圓的離散點數(shù)由相位累加器的分辨率決定。一個nbit的累加器在相位圓上有2n個點。

δ相位寄存器（M）中的數(shù)值表示DAC兩次轉換（刷新）之間的跳動步長。它指使相位累加器以系統(tǒng)時鐘頻率每次在相位圓上跳躍M個點。

M是存于δ相位寄存器中的數(shù)，fc為時鐘頻率，n為相位累加器的分辨率，那么圍繞相位圓的旋轉頻率，即系統(tǒng)輸出頻率fo為：

fo=1/To=1/((2n/M)*Tc)=1/((2n/M)*(1/fc))=(M*fc)/2n此系統(tǒng)的頻率分辨率為fc/2n。輸出頻率取決于存于δ相位寄存器中的數(shù)M。

理論上，累加器中的任一個可能的相位均對應ROM查找表中一個特定的值，這就會需要相當大容量的ROM。實際上，可以將相位數(shù)據(jù)截短，以減小DDS系統(tǒng)對ROM容量的需要。相位截短是一個很重要的概念。例如：24位的相位累加器，只取最高8位用于地址查表。相位分辨率直接影響輸出正弦波譜的純度。如果相位信息截短到16bit，重建正弦波波譜純度將比非截短時下降96dB。三片74LS373用來鎖存由單片機發(fā)送來的相位增量，相位增量決定輸出波形的頻率。相位累加器由三片8位加法器（8fadd）構成，構成一個帶反饋的24位加法器。相位鎖存器采用三片8D觸發(fā)器74LS374，用來鎖存累加和。在每一個時鐘周期，相位累加器把輸出數(shù)據(jù)作為另一路輸入數(shù)據(jù)與從微處理器送來的頻率控制字進行連續(xù)相加，產(chǎn)生有規(guī)律的24位相位地址碼，取其結果的高9位作為RAM查詢表的地址，然后從RAM中讀出相應的幅度值送到DAC。

鎖存、求和74LS374輸出

D3D2D1D000000000010001000100010010001000010011001100010000000000Cp舉例：4相位累加器工作原理。

M=4=0100，由單片機送入δ相位寄存器（74LS373)。

74LS373的輸出與相位鎖存器（74LS374）的輸出相加，結果又作為74LS374的輸入，在時鐘作用下74LS374鎖存累加和送到輸出端，在時鐘作用下重復以上過程即可輸出步進為M的掃描地址，用于波形查表輸出。鎖相頻率合成器

鎖相頻率合成器原理框圖鎖相頻率合成器的原理框圖如左圖所示。其基準頻率通常由相對頻穩(wěn)度為的晶體振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)M倍分頻后提供適當?shù)幕鶞暑l率。虛線框中的電路是頻率合成器的核心部分--鎖相環(huán)，它由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器等組成。系統(tǒng)輸出信號的頻率為

fo=(N/M)fi。改變分頻比N或M，可方便地獲得大量離散頻率的輸出信號。

八、設計舉例設計制作一臺電阻器、電容器和電感器參數(shù)測試儀，具體要求如下：1．測量范圍：電阻100Ω~1MΩ；電容100pF~10000pF；電感100μH~10mH。2．測量精度±5%。3．用4位數(shù)碼管顯示測量值，并用發(fā)光二極管分別指示所測元件的類別和單位。（六）簡易RLC參數(shù)測試儀（六）簡易RLC參數(shù)測試儀電路參數(shù)——電阻、電容、電感是電路的三種基本參數(shù)，也是描述網(wǎng)絡和系統(tǒng)的重要參數(shù)。由于分布參數(shù)的影響，實際的電阻、電容、電感的等效電路如圖所示。

a)電阻器b)電感器c)電容器

電路參數(shù)的數(shù)字化測量通常是把被測參數(shù)轉換成直流電壓或頻率后進行測量。（六）簡易RLC參數(shù)測試儀（六）簡易RLC參數(shù)測試儀比例運算器法測量電阻（六）簡易RLC參數(shù)測試儀積分運算器法測量電阻積分運算法測量電阻（六）簡易RLC參數(shù)測試儀恒流法測量電容用恒流源I對電容C充電，經(jīng)過T時間后充電電荷Q=I?T，此時電容兩端的電壓U=Q/C，顯然只要I和T已知，測出電壓U便可按C=I?T/U計算出的電容值。恒流源向C充電，同時時標脈沖CP經(jīng)與門進入計數(shù)器。當Uc值大于UR時（比較器同相輸入端的電壓，圖中未畫出），比較器輸出零電平，停止計數(shù)。這時顯示的數(shù)據(jù)就是與電容值成正比的測量結果。即（六）簡易RLC參數(shù)測試儀

比較法測量電容圖中電路的上半部分為一典型的比例恒流源。R1為量程電阻，調整恒流的大小。當S合上一次，即對被測電容清零，量程電流I向Cx充電。A1輸出由低變高，同時向MCU申請中斷，MCU立即響應中斷，啟動定時計數(shù)器計數(shù)。當電容Cx電壓Ucx>E2（4V），A2輸出由高變低，此時設MCU讀定時計數(shù)器的計數(shù)值，并計算出被測電容的值。

（六）簡易RLC參數(shù)測試儀比較法測量電容（六）簡易RLC參數(shù)測試儀時間常數(shù)法測量電感在t＝０時合上開關，電感i中電流將按指數(shù)曲線上升，其最大值為I。從右圖中可看出，在開始階段變化曲線和t＝０時刻的切線基本重合。令I’<<I，I’與i交點的橫坐標為ΔＴ，從圖中可知

只要先測出電感線圈的直流電阻，并已知U便可計算出I，或者保證每次測量回路的直流電阻相等，使得到的I為定值，則由測定的ΔＴ即可求得τ，從而算出L＝τR。

八、設計舉例設計一個測量橋路輸出信號的測量放大器，測量電路與放大器之間有2米長的連接線，具體要求如下：1．最大輸出電壓為±10V，非線性誤差<0.5%；2．差模放大倍數(shù)Aud=1~1000，可程控，步長為1；3．在輸入共模電壓±7.5V范圍內，共模抑制比KCMR>105；4．通頻帶0~10Hz，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于0.01V；5．直流電壓放大器的差模輸入電阻>2MΩ。（七）測量放大器（七）測量放大器測量放大器

F124/F224/F324系列引腳圖

三運放測量放大器

AD522型單片集成測量放大器

AD522用于測量電橋的電路

AD522管腳功能程控放大器

可編程增益放大器的原理圖可編程增益放大器集成芯片AD526

AD526原理圖

AD526管腳圖數(shù)模轉換電路程控增益衰減電路程控增益放大電路八、設計舉例設計一個能測量單相工頻交流電的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的測試系統(tǒng)。具體要求如下：1．測量功能與測量范圍（1）交流電壓：0~300V，（2）交流電流：0~5A，（3）有功功率1.5kV，（4）無功功率和功率因數(shù)的范圍待定。2．測量精度：交流電壓和電流的測量誤差小于1%。3．設置功能鍵選擇測量功能。說明