电子系统设计与实践

《电子系统设计与实践（第2版）》介绍了电子系统设计导论，电子系统的组成、一般设计方法、方案论证、元件的选择以及报告的撰写方法，模拟电子系统的设计方法、常用的单元电路设计，传统数字电子系统和现代数字电子系统的设计方法，单片机很小系统和各单元电路的组成，电子电路的调试方法、步骤和经验，历届电子设计竞赛题目举例

本书共分6章，分别介绍电子系统设计导论，电子系统的组成、一般设计方法、方案论证、元器件的选择以及报告的撰写方法； 模拟电子系统的设计方法、常用的单元电路设计； 传统数字电子系统和现代数字电子系统的设计方法； 单片机很小系统和各单元电路的组成； 电子电路的调试方法、步骤和经验； 历届参加电子设计竞赛题目举例。本书可作为高等学校电子信息类等专业的“电子技术课程设计（含模拟电子、数字电子）”“单片机课程设计”课程的教材，亦可作为参加电子设计竞赛的培训教材和参考书。

第1章电子系统设计导论1.1电子系统概述1.1.1定义1.1.2电子系统的组成1.2电子系统的设计1.2.1电子系统设计的一般方法1.2.2电子系统设计一般步骤1.3总体方案的选择和实现1.3.1总体方案论证及选择1.3.2总体方案框图的设计及细化1.3.3总体方案的实现1.4元器件的选择原则1.4.1集成电路的选择1.4.2电阻、电容的选择1.5设计报告与总结报告的编写1.5.1设计报告的编写1.5.2总结报告的编写1.5.3电子设计竞赛设计报告格式、内容第2章模拟电子系统设计2.1概述2.1.1模拟电子系统的组成及特点2.1.2模拟电子系统的设计方法与步骤2.2基本单元电路设计2.2.1信号的获取2.2.2模拟信号处理单元2.2.3模拟信号变换单元2.2.4信号产生单元2.2.5多路选择开关2.2.6电源电路2.3模拟电子系统设计举例2.3.1湿度控制器的设计2.3.2电子系统的数控直流稳压电源设计2.4模拟电子系统设计课题2.4.1直流稳压电源2.4.2OCL功率放大器2.4.3脉冲调宽型伺服放大器2.4.4电压/频率变换器2.4.5多路防盗报警器2.4.6液体界面位置的实时检测与分离2.4.7电子配料秤2.4.8多种波形发生器2.4.9温度测量与控制器2.4.10流量测量电路第3章数字电子系统设计3.1概述3.2组合逻辑电路设计3.2.1用SSI器件设计组合逻辑电路3.2.2用MSI器件设计组合逻辑电路3.3时序逻辑电路设计3.3.1用SSI器件设计时序逻辑电路3.3.2用中规模（MSI）时序逻辑器件构成时序逻辑电路3.3.3用存储器（LSI）构成时序逻辑电路3.4常用设计参考单元电路3.4.1脉冲波形产生电路3.4.2信号变换电路3.4.3音响与报警电路3.4.4驱动显示电路3.5现代数字电子系统设计3.5.1现代数字电子系统设计概述3.5.2现代数字电子系统设计的方法3.5.3设计与仿真工具3.5.4器件简介3.5.5器件的编程和配置3.6课程设计举例3.6.1脉搏计的设计3.6.2数字钟的EDA设计3.7数字电子系统设计课题 3.7.1数字式竞赛抢答器3.7.2路灯控制器3.7.3步进电机控制器3.7.4转速测量显示逻辑电路设计3.7.5多种波形发生器电路设计3.7.6交通信号灯控制器3.7.7可编程彩灯控制器3.7.8数字频率计3.7.9信号峰值检测仪3.7.10数字温度计3.7.11数字式电容测量仪3.7.12数字电压表3.7.13出租车计费器3.7.14电梯控制器的设计3.7.15数字秒表3.7.16频率计3.7.17汽车尾灯控制器3.7.18数码锁3.7.19乒乓球游戏机3.7.20自动售饮料控制器的设计第4章单片机应用系统设计4.1单片机基础知识4.1.1单片机的特点及发展概况4.1.2通用单片机和专用单片机4.1.3单片机应用系统与单片机开发系统4.1.4单片机的特点4.1.5单片机的发展阶段4.1.6单片微机技术发展特点4.2单片机最小系统设计4.2.1C8051F021单片机简介4.2.2单片机最小系统核心板设计4.3外部应用电路的设计4.3.1键盘接口电路设计4.3.2显示接口设计4.3.3单片机与D/A、A/D转换电路接口设计4.4开发环境Keil软件及软件抗干扰设计4.4.1Keil项目建立和设置4.4.2软件的抗干扰设计4.5C8051F021引导装入程序及举例4.5.1引导装入程序的操作4.5.2硬件考虑4.5.3引导装入允许4.5.4软件考虑4.5.5自动波特率检测4.5.6Flash存储器写入4.5.7引导装入程序示例4.5.8配置4.5.9示例源代码4.6单片机系统设计基本课题4.6.1基于单片机的交通信号灯的设计4.6.2基于单片机的温度测量显示系统设计4.6.3基于单片机的低频函数波形发生器设计4.6.4简易直流数字电压表设计4.6.5基于RS485接口的温度测量电路设计4.6.6基于单片机智能学习型遥控器设计4.6.7基于单片机控制的LED 16×16点阵显示应用系统设计4.6.8基于单片机的电子日历电路设计4.6.9基于单片机控制的语音录放电路设计4.6.10基于单片机的直流无刷电机控制电路设计4.6.11基于单片机的步进电机控制电路设计4.6.12基于单片机的超级电容充电计量电路设计第5章制作与调试实践5.1电路板的设计与制作5.1.1印制电路板简介5.1.2印制电路板5.1.3印制电路板设计基础5.1.4印制电路板设计过程与方法5.1.5印制板检验5.2电子制作中的抗干扰措施5.2.1电磁干扰三要素5.2.2电子电路中抗干扰的常用措施5.2.3电子电路中抗干扰的基本技术5.3模拟电路系统调试5.3.1电子电路调试的步骤5.3.2调试时出现故障的解决方法5.3.3电子电路调试中的注意事项5.4数字电路系统调试5.4.1注重电路的时序图5.4.2数字电路的抗干扰措施5.5单片机系统调试5.5.1单片机最小系统调试5.5.2LCD显示屏调试5.5.3键盘调试5.5.4A/D转换接口调试5.5.5I2C总线接口的日历时钟芯片PCF8563接口第6章综合电子系统设计实例6.1数控直流电流源(2005年全国F题，获得全国一等奖)6.1.1任务和要求6.1.2方案论证与比较6.1.3系统组成6.1.4软件设计6.1.5测试方法与测试数据6.1.6总结6.2低频数字式相位测量仪（2003年C题）6.2.1任务和要求6.2.2方案论证与比较6.2.3模块电路6.2.4电路调试6.2.5误差分析6.2.6小结6.3无线温湿度传输系统设计6.3.1任务及要求6.3.2硬件电路设计6.3.3系统软件设计6.3.4系统调试6.4点光源跟踪系统(2010年江苏省 B题，获江苏省一等奖)6.4.1任务及要求6.4.2硬件电路的设计6.4.3系统程序的流程图6.4.4结论6.5双向DCDC变换器(2015年全国A题，获江苏省一等奖)6.5.1任务及要求6.5.2方案论证与选择6.5.3模块电路6.5.4系统理论分析与计算6.5.5程序设计6.5.6测试方案与测试结果6.5.7小结参考文献

    数据子系统主要完成数据的采集、存储、运算处理和传输，主要由存储器、运算器、数据选择器等部件组成，与外界进行数据交换。而它所有的存取、运算等操作都是在控制子系统发出的控制信号下进行的。它与控制子系统之间的联系是，接收由控制子系统传来的控制信号，同时将自己的操作进程作为条件信号输出给控制子系统。数据子系统是根据待完成的系统功能的算法得出的。控制子系统是执行算法的核心，它必须具有记忆能力，因此是一个时序系统。它由一些组合逻辑电路和触发器等元件组成。它与数据子系统共享一个时钟。它的输入是外部的控制信号和由数据子系统发来的条件信号，按照设计方案中既定的算法程序，按序地进行状态转换，而与每个状态以及有关条件对应的输出作为控制信号去控制数据子系统的操作顺序。控制子系统是根据系统功能及数据子系统的要求设计出来的。2.
    设计数字电子系统的基本步骤自上而下地设计数字电子系统的基本步骤可以归纳为以下几点。(1)
    明确设计要求。具体做设计之前，首先要对课题要求、性能指标及应用环境进行仔细分析。将设计要求罗列成条，每一条都应是无异议的。这一步是明确待设计系统的逻辑功能及性能指标。在明确了设计要求之后应能画出系统的简单示意方框图，标明输入输出信号及必要的指标。(2)
    确定系统方案。明确了设计要求之后，就要确定实现系统功能的原则和方法。这一步是拥有创造性的工作。同一功能可能有不同的实现方案，方案的优劣直接关系到系统的质量及性能价格比，因此要反复比较与权衡。常用方框图、流程图或描述语言描述系统方案。系统方案确定后要求画出系统方框图、详细的流程图或用描述语言写出的算法，如有需要还应画出必要的时序波形图。(3)
    受控器的设计。根据系统方案，选择合适的器件构成受控器的电路原理图，根据设计要求可能还要对此电路原理图进行时序设计，很后得到实用的受控器电路原理图。(4)
    控制器的设计。根据描述系统方案的模型导出MDS图或ASM图，按照规则及受控器的要求选择电路构成控制器，必要时也要进行时序设计，很后得到实用的控制器电原理图。然后再将控制器和受控器电路合在一起，从而得到整个系统的电原理图。(5)
    在整个设计过程中应尽可能多地利用EDA软件，及时地进行逻辑仿真、优化设计工作，优质快速地完成设计任务。(6)
    安装调试，反复修改，直到完善。(7)
    完成总结设计报告。数字电路按照功能可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路，它们不仅功能上有差异，而且在电路结构上也存在不同，因而设计方法也不接近相同。下面分别对这两种电路的设计方法加以说明。3.2组合逻辑电路设计任何时刻电路的输出值仅仅取决于该时刻各输入变量取值的某种组合，这种电路称为组合逻辑电路。在设计组合逻辑电路时，由于所用器件的不同，电路很简的含义也不同。用小规模数字集成电路（Small
    Scale
    Integration，SSI）设计，很简的标准是所用门电路的个数很少、输入端数很少；
    用中规模数字集成电路（Medium
    Scale
    Integration，MSI）设计，很简的标准则是所用集成块的个数很少、品种很少、连线也很少。因而，设计方法也不接近一致。3.2.1用SSI器件设计组合逻辑电路用SSI器件设计组合逻辑电路的步骤如下。（1）
    根据对电路逻辑功能的要求，列出真值表。（2）
    由真值表写出标准逻辑表达式。（3）
    化简和变换逻辑表达式，从而画出逻辑图。3.2.2用MSI器件设计组合逻辑电路用MSI器件设计组合逻辑电路的步骤如下。（1）
    根据对电路逻辑功能的要求，列出真值表。（2）
    由真值表写出标准逻辑表达式。（3）
    变换表达式。把待生成逻辑函数表达式变换成与所用MSI器件输出函数式类似的形式。（4）
    对照表达式。确定MSI器件所接的变量或常量。组合逻辑电路的设计，通常以电路简单、所用器件很少为目标。一般用代数法和卡诺图法来化简逻辑函数，获得很简的形式，以便能用很少的门电路组成逻辑电路。但是，由于在设计中普遍采用中、小规模集成电路（一片包括数个门至数十个门）产品，因此应根据具体情况，尽可能减少所用的器件数目和种类，这样可以使组装好的电路结构紧凑，达到工作可靠且经济的目的。3.3时序逻辑电路设计时序逻辑电路设计又称为时序电路综合，它是时序逻辑电路分析的逆过程，即根据给定的逻辑功能要求，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的时序逻辑电路。对时序电路的设计除了设计方法的问题，还应注意时序配合的问题。时序逻辑电路可用触发器及门电路设计，也可用时序的中规模的集成器件构成。下面分别介绍它们的设计步骤。
    3.3.1用SSI器件设计时序逻辑电路用触发器及门电路设计时序逻辑电路的一般步骤如下。
    1.
    由给定的逻辑功能求出原始状态图由于时序电路在某一时刻的输出信号，不仅与当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。因此设计时序电路时，首先必须分析给定的逻辑功能，从而求出对应的状态转换图。这种直接由要求实现的逻辑功能求得的状态转换图称为原始状态图。正确画出原始状态图是设计时序电路很关键的一步。具体做法：
    首先分析给定的逻辑功能，确定输入变量、输出变量及该电路包含的状态，并用S0、S1、…表示这些状态。然后分别以上述状态为现态，考察在每一个可能的输入组合作用下应转入哪个状态及相应的输出，便可求得符合题意的状态图。2.
    状态化简根据给定要求得到的原始状态图不一定是很简的，很可能包含多余的状态，即可以合并的状态，因此需要进行状态化简或状态合并。状态化简是建立在状态等价这个概念的基础上的。状态等价是指在原始状态图中，如果有两个或两个以上的状态，在输入相同的条件下，不仅有相同的输出，而且向同一个次态转换，则称这些状态是等价的。凡是等价状态都可以合并。3.
    将状态编码并画出编码形式的状态图及状态表在得到简化的状态图后，要对每一个状态指定一个二进制代码，这就是状态编码(或称状态分配)。编码的方案不同，设计的电路结构也就不同。编码方案选择得当，设计结果可以很简单。因此，选取的编码方案应该有利于所选触发器的驱动方程及电路输出方程的简化。为便于记忆和识别，一般选用的状态编码都遵循一定的规律，如用自然二进制码。编码方案确定后，根据简化的状态图，画出编码形式的状态图及状态表。4.
    选择触发器的类型及个数按照式(31)选择触发器的个数n，即2n-1