电子系统设计的基本方法

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电子系统设计的基本方法
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电子系统设计的基本方法
自顶向下法从系统级设计开始，首先根据 自顶向下法从系统级设计开始， 设计课题中对系统的指标要求， 设计课题中对系统的指标要求，将系统的行为 (功能)全面、准确地描述出来，然后根据该系统 功能)全面、准确地描述出来， 应具备的各项功能将系统划分和定义为若干个 适当规模的、能够实现某一功能且相对独立的 适当规模的、 子系统，全面、准确地描述它们的功能(即输入、 子系统，全面、准确地描述它们的功能(即输入、 输出关系)及相互之间的联系， 输出关系)及相互之间的联系，这项任务完成之 后、就设计或选用一些部件去组成实现这些既 定功能的子系统。最后进行元件级的设计， 定功能的子系统。最后进行元件级的设计，即 选用适当的元件去实现前面所设计的各个部件。 选用适当的元件去实现前面所设计的各个部件。
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电子系统设计的基本方法
自底向上的方法与其相反， 自底向上的方法与其相反，它是根据要实现 的系统的各个功能的要求，先从可用的元件中选 的系统的各个功能的要求， 出合用的，设计成一个个部件， 出合用的，设计成一个个部件，当一个部件不能 直接实现系统的某个功能时， 直接实现系统的某个功能时，就须由多个部件组 成子系统去实现该功能， 成子系统去实现该功能，直至系统所要求的全部 功能都能实现为止。 功能都能实现为止。 自顶向下法是一种概念驱动的设计方法， 自顶向下法是一种概念驱动的设计方法，该 方法要求在整个设计中尽量运用概念（抽象） 方法要求在整个设计中尽量运用概念（抽象）去 描述和分析设计对象， 描述和分析设计对象，而不要过早地考虑实现该 设计的具体电路、元器件和工艺， 设计的具体电路、元器件和工艺，以便抓住主要 矛盾，避免纠缠在具体细节上。 矛盾，避免纠缠在具体细节上。这样才能控制住 设计的复杂性。 设计的复杂性。
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电子系统设计的基本方法
必须遵循下列原则： 必须遵循下列原则：
(1)正确性和完备性原则 (1)正确性和完备性原则 (2)模块化、结构化原则 (2)模块化 模块化、 (3)问题不下放原则 (3)问题不下放原则 (4)高层主导原则 (4)高层主导原则 (5)直观性、清晰性原则 (5)直观性、 直观性
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电子系统设计的一般步骤
一、审题
必须将题意理解清楚，明确题目要求我们“ 必须将题意理解清楚，明确题目要求我们“做

什 ?”以及 做到何种程度?”， 以及“ 么?”以及“做到何种程度?”，即明确所要设计的系统 的功能、性能、技术指标及要求。 的功能、性能、技术指标及要求。 二、方案论证 对完成该任务的方法充分地调研，查阅有关资料。 对完成该任务的方法充分地调研，查阅有关资料。 建议到文献资料中去查找，最好能通过网络来检索， 建议到文献资料中去查找，最好能通过网络来检索， 可以参照一些与设计题目相同或相近的产品所使用的 方法，但要注意这些方法的使用条件与课题是否相符？ 方法，但要注意这些方法的使用条件与课题是否相符？ 课题所要求的性能指标是否能达到？ 课题所要求的性能指标是否能达到？对于可以采用的 诸方法，须认真比较它们的优缺点， 诸方法，须认真比较它们的优缺点，特别要注意讨论 5 设计的可行性 。
电子系统设计的一般步骤
可行性包括这样几方面： 可行性包括这样几方面：
(1)所使用的器件能否保证供应？价格加何? (1)所使用的器件能否保证供应？价格加何? 所使用的器件能否保证供应 (2)设计的难度如何?自己的知识与能力能信任？ (2)设计的难度如何 自己的知识与能力能信任？ 设计的难度如何? (3)工作量如何?规定时间能否完成？ (3)工作量如何 规定时间能否完成？ 工作量如何? (4)有无进一步发挥的余地? (4)有无进一步发挥的余地 有无进一步发挥的余地?
拟订初步方案应包含下列内容： 拟订初步方案应包含下列内容：
(1)系统的外部特性 (1)系统的外部特性—系统有哪些主要功能以及 系统的外部特性— 输入和输出?它们各是什么物理量？有何特征? 输入和输出?它们各是什么物理量？有何特征?相 互之间是什么关系？其来源或负载是什么? 互之间是什么关系？其来源或负载是什么?对系统 的信号源和负载有何要求? 的信号源和负载有何要求?
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电子系统设计的一般步骤
(2)系统的内部特性 实现系统功能的基本原理、 (2)系统的内部特性—实现系统功能的基本原理、 系统的内部特性— 基本框图、系统的基本控制流程。 基本框图、系统的基本控制流程。 注意此时的方框图通常只要画出一些子系统 以及各子系统之间的接口要求。 以及各子系统之间的接口要求。 （3）结构描述与设计 确定系统的实现技术。 确定系统的实现技术。 一个系统可以用模拟技术完成， 一个系统可以用模拟技术完成，也可以用数 字技术完成。 字技术完成。 在确定系统方案时应尽量考虑用数 字技术实现。 字技术实现。 数字实现技术又可分为用硬件实现和借助计 算机(或单片机、信号处理芯片）用软件实现

。 算机(或单片机、信号处理芯片）用软件实现。
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电子系统设计的一般步骤
（4）物理描述与设计 确定各子系统中所使用的关键模块、 确定各子系统中所使用的关键模块、关键元 器件以及输入／输出接口的类型、 器件以及输入／输出接口的类型、布局的几何式 样与尺寸、位置和安装方法等。 样与尺寸、位置和安装方法等。 （5）确定系统功能的检测方法和检测环境。 确定系统功能的检测方法和检测环境。 系统功能的检测应采用高一精度的测量仪器 才可测量。 才可测量。 在制作时应预先安排好测试点。
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电子系统设计的一般步骤
三、设计的逐层细化
分别进行子系统级、部件级与元件级的设计， 分别进行子系统级、部件级与元件级的设计， 将整个设计逐层细化。 将整个设计逐层细化。
四、组装调测
组装前须设计好各元器件之间的的布局。 组装前须设计好各元器件之间的的布局。使 用计算机模拟，有时还需事先在面包板上搭试。 用计算机模拟，有时还需事先在面包板上搭试。 对高频、高速电路， 对高频、高速电路，绘制印制电路板时一定要充 分考虑电磁兼容的问题， 分考虑电磁兼容的问题，防止因干扰影响电路的 正常工作。 正常工作。 组装调试工作与设计时相反， 组装调试工作与设计时相反，是采用自底向 上的方法，其过程也是先电路及部件，再子系统， 上的方法，其过程也是先电路及部件，再子系统， 最后才是整个系统。所以通常应先调试各个单元， 最后才是整个系统。所以通常应先调试各个单元， 单元调试正确后，再调试整个系统， 单元调试正确后，再调试整个系统，并认真做好 记录。 记录。
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电子系统设计的一般步骤
五、总结报告
将每一步的设计思想、方案论证、 将每一步的设计思想、方案论证、分析计算 和各阶段的最终设计结果（包括图纸与数据） 和各阶段的最终设计结果（包括图纸与数据）都 加以记录整理，编写成结构化、条理分明、 加以记录整理，编写成结构化、条理分明、文字 简练的文档。 简练的文档。 可以说，没有文档的设计是无用的设计。 可以说，没有文档的设计是无用的设计。 （1）设计方案及其论证 在论证时应通过对多种方案的比较分析， 在论证时应通过对多种方案的比较分析，选 出其中最合适的一种，对每种方案要准确理解， 出其中最合适的一种，对每种方案要准确理解， 首先保证方案的正确、优良。 首先保证方案的正确、优良。
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电子系统设计的一般步骤
（2）必要的理论计算 无论是方案论证还是元件参数

的选取都要有 足够的根据，应通过必要的计算确定， 足够的根据，应通过必要的计算确定，而不是模 糊地选取。 糊地选取。 （3）电路图和有关的设计文件 各级设计结果皆应有相应的图纸和文件图纸 方面有方框图、流程图、单元电路图等， 方面有方框图、流程图、单元电路图等，最后还 应有一张完整的总电原理图。 应有一张完整的总电原理图。对 设计应有顶层原 理图、模块原理图与代码（用语言描述时）。 ）。对 理图、模块原理图与代码（用语言描述时）。对 单片机设计应有流程图和有关的程序。 单片机设计应有流程图和有关的程序。
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电子系统设计的一般步骤
(4）测试方法和数据 (4） 要通过电路图和文字说明测试所使用的方法， 要通过电路图和文字说明测试所使用的方法， 记录测试的数据及相应的测试条件， 记录测试的数据及相应的测试条件，还要 记录所使用的测试仪器的型号及编号。 记录所使用的测试仪器的型号及编号。 （5）结果分析 对测试结果作必要的分析， 对测试结果作必要的分析，找出未达到预定 指标的原因，提出对设计改进的设想。 指标的原因，提出对设计改进的设想。
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数字子系统的设计过程
一、数字子系统的设计步骤
1、明确设计要求 首先明确系统的输入输出。 首先明确系统的输入输出。 对输入信号和输出负载的要求。 对输入信号和输出负载的要求。输入信号源的 输出电平和输出阻抗， 输出电平和输出阻抗，以及与后接电路的输入阻 抗是否匹配， 抗是否匹配，是否需要电平转换电路或功率驱动 电路？是否需要使用A/D或D/A转换环节 转换环节？ 电路？是否需要使用A/D或D/A转换环节？如果输 入信号是由开关产生的，是否需要消抖？ 入信号是由开关产生的，是否需要消抖？对输入 信号是否需要采用同步化处理， 信号是否需要采用同步化处理，即将输入信号转 换为宽度为一个时钟周期的脉冲， 换为宽度为一个时钟周期的脉冲，以保证系统对 信号的正确捕捉等。 信号的正确捕捉等。
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数字子系统的设计过程
2、确定设计方案 使用PLD或MSI、SSI， 使用PLD或MSI、SSI， 等硬件描述语或 3、模块设计
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模拟子系统的设计过程
一、模拟子系统的设计过程
模拟子系统的设计步骤通常可分为总体设计、 模拟子系统的设计步骤通常可分为总体设计、 模块划分与指标设计的分配、功能块设计、 模块划分与指标设计的分配、功能块设计、级间 耦合电路设计、指标核算、PCB设计 设计、 耦合电路设计、指标核算、PCB设计、调试等步 骤。 1、总体设计 先分析子

系统的输入信号和输出信号， 先分析子系统的输入信号和输出信号，要将 每一个输入信号的波形和幅度、 每一个输入信号的波形和幅度、频率等参数以及 对输出的要求都准确地弄清楚，从而明确系统的 对输出的要求都准确地弄清楚， 功能和各项性能指标，例如增益、频带宽度、 功能和各项性能指标，例如增益、频带宽度、信 噪比、失真度等，作为设计的基本要求， 噪比、失真度等，作为设计的基本要求，并由此 选择子系统的方案。 选择子系统的方案。
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模拟子系统的设计过程
在考虑总体方案时，应特别注意考虑方案的可 在考虑总体方案时， 行性。 行性。 此外， 此外，对模拟子系统的设计还应重视技术指 标的精度及稳定性，调试的方便性， 标的精度及稳定性，调试的方便性，应尽量设法 减少调试工作。 减少调试工作。 2、模块划分与指标分配 在总体方案设计完成后，应作出子系统的框图。 在总体方案设计完成后，应作出子系统的框图。 接着，应将某些技术指标在各级方框中进行合 接着， 理的分配，这些指标包括增益、噪声、非线性等， 理的分配，这些指标包括增益、噪声、非线性等， 因为它们都是各部分指标的综合结果将指标分配 到各模块以后，就对各模块提出了定量的要求， 到各模块以后，就对各模块提出了定量的要求， 而不是含含糊糊地设计， 而不是含含糊糊地设计，这样将有效地提高设计 的效率。 的效率。 16
模拟子系统的设计过程
3、功能块设计 这一步应选择功能块的具体电路并通过计算 完成各个功能单元的外接电路与元件的配置。 完成各个功能单元的外接电路与元件的配置。考 虑以下问题： 虑以下问题： 1）模拟子系统的设计应不仅满足一般的功能和指 标要求，还应特别注意技术指标的精度及稳定性， 标要求，还应特别注意技术指标的精度及稳定性， 应充分考虑元器件的温度特性、电源电压波动、 应充分考虑元器件的温度特性、电源电压波动、 负载变化及干扰等因素的影响。 负载变化及干扰等因素的影响。要注意各功能单 元的静态与动态指标及其稳定性， 元的静态与动态指标及其稳定性，更要注意组成 系统后各单元之间的耦合形式、反馈类型、 系统后各单元之间的耦合形式、反馈类型、负载 效应及电源内阻、地线电阻等对系统指标的影响。 效应及电源内阻、地线电阻等对系统指标的影响。
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模拟子系统的设计过程
2）应十分重视级间阻抗匹配的问题。 应十分重视级间阻抗匹配的问题。 例如一个多级放大器， 例如一个多级放大器，其输入级与信号源之间 的

阻抗匹配有利于提高信噪比； 的阻抗匹配有利于提高信噪比；中间级之间的阻 抗匹配有利于提高开环增益； 抗匹配有利于提高开环增益；输出级与负载之间 阻抗匹配有利于提高输出功率和效率等。 阻抗匹配有利于提高输出功率和效率等。 3）元器件选择方面应注意参数的分散性及其温度 的影响。在满足设计指标要求的前提下， 的影响。在满足设计指标要求的前提下，应尽量 选择来源广泛的通用型元器件。 选择来源广泛的通用型元器件。 4）耦合电路的设计 各级电路之间的耦合必须适配， 各级电路之间的耦合必须适配，其中最主要 的是阻抗匹配问题。 的是阻抗匹配问题。除了核算单元之间耦合以外 还要检查整体的配合与调整， 还要检查整体的配合与调整，以得到一个比较切 合实际的子系统整体原理图 18
模拟子系统的设计过程
5）指标核算 6）PCB设计 PCB设计 设计过程中EDA技术的应用 二、设计过程中EDA技术的应用
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单片机控制子系统设计步骤
设计过程可分为确定任务、总体设计、子系统设 设计过程可分为确定任务、总体设计、 硬件设计与调试、软件设计与调试和总调等步骤。 计、硬件设计与调试、软件设计与调试和总调等步骤。
一、确定任务
确定单片机子系统所应完成的功能以及输入信号 包括所需要的中断请求信号）、输出信号等， ）、输出信号等 （包括所需要的中断请求信号）、输出信号等，并对 这些信号的电平大小也作了规定。 这些信号的电平大小也作了规定。
二、总体设计
根据任务选择合适的机型。 根据任务选择合适的机型。 在选用时应根据所需要完成的功能， 在选用时应根据所需要完成的功能，指令执行的 速度，所需的端口数，对并、串行端的特殊要求， 速度，所需的端口数，对并、串行端的特殊要求，对 片内RAM、片内定时器/ 片内RAM、片内定时器/计数器以及对成本等要求而 定。
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单片机控制子系统设计步骤
三、硬件设计与调试 四、软件设计 参考文献
1、电子设计竞赛赛题解析 黄正瑾 田良 东南大学出版社 2、全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 高吉祥主编 电子工业出版社 3、全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 竞赛组委会 北京理工大学出版社 4、电子测量技术基础 杨吉祥 东南大学出版社
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