第1章 电子系统设计训练

教学目标： 1、电子系统的设计方法 2、电子设计作品设计制作步骤 3、子系统设计步骤 教学重点： 掌握电子设计作品设计制作的步骤 信息工程学院

4.1 电子系统设计的基本方法 4.1.1 概述 传统的电子系统设计一般是采用搭积木式的方法进行，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统。系统常用的“积木块”是固定功能的标准集成电路，如运算放大器、74/54系列（TTL）、4000/4500系列（CMOS）芯片和一些具有固定功能的大规模集成电路。设计者根据需要选择合适的器件，由器件组成电路板，最后完成系统设计。 信息工程学院

进入到20世纪90年代以后，EDA（电子设计自动化）技术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化。在器件方面，微控制器、可编程逻辑器件等飞速发展。利用EDA工具，采用微控制器、可编程逻辑器件，正在成为电子系统设计的主流。 信息工程学院

采用微控制器、可编程逻辑器件通过对器件内部的设计来实现系统功能，是一种基于芯片的设计方法。设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和管脚，将电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，通过对芯片设计实现电子系统的功能。灵活的内部功能块组合、管脚定义等，可大大减轻电路设计和电路板设计的工作量和难度，有效地增强设计的灵活性，提供工作效率。同时采用微控制器、可编程逻辑器件，设计人员在实验室可反复编程，修改错误，以期尽快开发产品，迅速占领市场。 信息工程学院

4.1.2现代电子系统的设计方法 1.“Bottom-up”（自底向上）设计方法 2.“Top-down”（自顶向下）设计方法 现代电子系统的设计采用“Top-down”（自顶向下）设计方法，设计步骤如图6.1.2所示。 信息工程学院

图4.1.2“Top-down”（自顶向下）设计方法的设计步骤 图4.1.1“Bottom-up”（自底向 上）设计方法的设计步骤 图4.1.2“Top-down”（自顶向下）设计方法的设计步骤 信息工程学院

在“Top-down”（自顶向下）的设计方法中，设计者首先需要对整个系统进行方案设计和功能划分，拟定采用一片或几片专用集成电路（ASIC）来实现系统的关键电路，系统和电路设计工程师亲自参与这些专用集成电路的设计，完成电路和芯片版图，再交由IC工厂投片加工，或者采用可编程ASIC（例如CPLD和FPGA）现场编程实现。 信息工程学院

在“Top-down”（自顶向下）的设计中，行为设计确定该电子系统或VLSI芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本等。结构设计根据系统或芯片的特点，将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统，得到一个总体结构。这个结构可能包括信号处理，算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法状态机等。逻辑设计吧结构转换成逻辑图，设计中尽可能采用规则的逻辑结构或采用经过考验的逻辑单元或信号处理模块。电路设计将逻辑图转换成版图，如果采用可编程器件就可以在可编程器件的开发工具时进行编程制片。 信息工程学院

3.设计的划分与步骤 采用“Bottom-up”(自底向上)设计方法或者“Top-down”（自顶向下）设计方法，一般都可以将整个设计划分为系统级设计、子系统级设计、部件级设计、元器件级设计4个层次。对于每一个层次都可以采用如下的3步进行考虑。 信息工程学院

第1步：行为描述与设计。将设计要求变为技术性能指标与功能的描述。 第2步：结构描述与设计。实现技术性能指标与功能的子系统、部件或者元器件，以及相互连接关系、输入/输出信号、接口等。 第3步：物理描述与设计。实现结构的材料、元器件、工艺、加工方法、设备等。 例如设计一个数字控制系统，行为描述与设计完成传递函数和逻辑表达式，结构描述与设计完成逻辑图和电路图，物理描述与设计确定使用的元器件、印制板设计、安装方法等。 信息工程学院

在设计中采用“Top-down”（自顶向下）设计方法必须注意以下问题： 4.设计中应注意的一些问题 在设计中采用“Top-down”（自顶向下）设计方法必须注意以下问题： ①在设计的每一个层次中，必须保证所完成的设计能实现所要求的功能和技术指标。注意功能上不能够有残缺，技术指标要留有余地。 ②注意设计过程中问题的反馈。解决问题采用“本层解决，下层向上层反馈”的原则，遇到问题必须在本层解决，不可以将问题传向下层。如果在本层解决不了，必须将问题反馈到上层，在上层中解决。完成一个设计，存在从下层向上层多次反馈修改的过程。 信息工程学院

③功能和技术指标的实现采用子系统、部件模块化设计。要保证每个子系统、部件都可以完成明确的功能，达到确定的技术指标。输入输出信号关系应明确、直观、清晰。应保证可以对子系统、部件进行修改与调整以及替换，而不牵衣发动全身。 ④软硬件协同审计，充分利用微控制器和可编程逻辑器件的可编程功能，在软件与硬件利用之间寻找一个平衡。软件/硬件协同设计的一般流程如图6.1.3所示。 信息工程学院

图4.1.3 软件/硬件协同设计的一般流程 信息工程学院

4.1.3 EDA技术 1. EDA技术的内涵 EDA（Electronics Design Automation）即电子设计自动化。现在电子系统设计依靠手工已经无法满足设计要求，设计工作需要在计算机上采用EDA技术完成。EDA技术以计算机硬件和系统软件为基本工作平台，采用EDA通用支撑软件和应用软件包，在计算机上帮助电子设计工程师完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至PCB（印刷电路板）的自动设计等。在EDA软件的支持下，设计者完成对系统功能的描述，由计算机软件进行处理得到设计结果。利用EDA软件的支持下，设计者可以预知设计结果，减少设计的盲目性，极大地提高设计的效率。 信息工程学院

EDA技术包括电子电路设计的各个领域：即从低频电路到高频电路、从线性电路到非线性电路、从模拟电路到数字电路、从分立电路到集成电路的全部设计过程，涉及到电子工程师进行产品开发的全过程，以及电子产品生产的全过程中期望由计算机提供的各种辅助工作。EDA技术的内涵如图4.1.4所示。 信息工程学院

图4.1.4 EDA技术的内涵 信息工程学院

采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力是EDA技术的基本特征。与这些基本特征有关的几个概念如下。 （1）并行工程和“自顶向下”设计方法 并行工程师一种系统化的、集成化的、并行的产品及相关过程的开发模式（相关过程主要指制造和维护）。这一模式使开发者从一开始就要考虑到产品生存周期的质量、成本、开发时间及用户的需求等诸多方面因素。 信息工程学院

“自顶向下”（Top-down）的设计方法是从系统级设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计；在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述；在功能一级进行验证，然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以使印刷电路板或专用集成电路。“Top-down”设计方法有利于再早期发现产品结构设计中的错误，提高设计的一次成功率，在EDA技术中被广泛应用。 信息工程学院

（2）硬件描述语言（HDL） 用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前EDA技术的一个重要特征。硬件描述语言突出优点是：语言的公开可利用性；设计工艺的无关性；宽范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用和继承等。与原理图输入设计方法相比较，硬件描述语言更适合规模日益增大的电子系统。硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征，是进行逻辑综合优化的重要工具。目前最常用的IEEE标准硬件描述语言有VHDL和Verilog-HDL。 信息工程学院

（3）逻辑综合和优化 逻辑综合功能将高层次的系统行为设计自动翻译成门级逻辑的电路描述，做到了手机与工艺的独立。优化则是对于上述综合生成的电路网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小、更快的综合结果代替一些复杂的逻辑电路单元，根据指定的目标库映射成新的网表。 信息工程学院

（4）开放性和标准化 EDA系统的框架是一种软件平台结构，它为不同的EDA工具提供操作环境。框架提供与硬件平台无关的图形用户界面以及工具之间的通信、设计数据和设计流程的管理，以及各种与数据库相关的服务项目等。一个建立了符合标准的开放式框架结构EDA系统，可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计工作。 信息工程学院

（5）库（Library） 库是支持EDA工具完成各种自动设计过程的关键。EDA设计公司与半导体生产厂商紧密合作、共同开发了各种库，如逻辑模拟时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的版图库、测试综合时的测试库，等等，这些库支持EDA工具完成各种自动设计。 信息工程学院

3. EDA的基本工具 EDA的工具的整体概念是电子系统设计自动化。EDA的物理工具完成和解决设计中如芯片布局、印制电路板布线、电气性能分析，设计规则检查等问题的物理工具。基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念的逻辑工具，设计输入采用原来图编辑器或硬件描述语言进行，利用EDA系统完成逻辑综合、仿真、优化等过程，生成网表或VHDL、Verilog-HDL的结构化描述。细分有：编辑器、仿真器、检查/分析工具、优化/综合工具等。 信息工程学院

4.2电子系统设计制作步骤 4.2.1 题目选择 选择题目按照如下原则进行： 明确设计任务，即“做什么？”。选择题目 应注意题目中不应该有知识盲点，即要能 够 看懂题目要求。 明确系统功能和指标，即“做到什么程度？”。 要明确是否具有完成该设计的元器件、最小 系统、开发工具、测量仪器仪表等条件。 信息工程学院

题目选定后，需要考虑的问题是如何实现题目的各项要求，完成作品的制作，即需要进行方案论证。 4.2.2 系统方案论证 题目选定后，需要考虑的问题是如何实现题目的各项要求，完成作品的制作，即需要进行方案论证。 1、确定设计的可行性 2、明确方案的内容 系统的外部特性 系统的内部特性 系统的测量方法和仪器仪表 信息工程学院

4.2.3 安装制作与调试 安装制作与调试是保证设计是否成功的重要环节。 1、安装制作需要考虑的问题 安装工具？ 元器件选择与采购？ 最小系统的采用？微控制器？可编程逻辑 器件？ 印制板设计与制作？低频？高频？数字？ 模拟？数模混合？地？EMC？ 子系统、部件安装制作的顺序？ 信息工程学院

2、调试需要考虑的问题 调试参数？ 调试方法？ 调试需要的仪器和仪表？ 软件/硬件的协同？修改软件？修改硬件？ 测量数据的记录与处理？ 信息工程学院

图4.2.1 安装制作与调试步骤 信息工程学院

4.2.4 电子设计竞赛作品设计制作的全过程 电子设计竞赛制作的全过程如图4.2.2所示。 信息工程学院

4.３子系统的设计制作步骤 4.３.１单片机与可编程逻辑器件子系统设计步骤 图4.3.1 单片机与可编程逻辑器件设计过程 信息工程学院

4.3.2 数字/模拟子系统设计步骤 1、明确设计要求 （1）对于数字子系统，需要明确的设计要求有： 子系统的输入和输出？数量？ 信号形式？模拟？ＴＴＬ？ＣＭＯＳ？ 负载？微控制器？可编程器？功率驱动？输出电流？ 时钟？毛刺？冒险竞争？ 实现器件？ 信息工程学院

（2）对于模拟子系统，需要明确的设计要求有： 输入信号的波形和幅度、频率等参数？ 输出信号的波形和幅度、频率等参数？ 系统的功能和各项性能指标？如增益、频带、宽度、新噪比、失真度等？ 技术指标的精度、稳定性？ 测量仪器？ 调试方法？ 实现器件？ 信息工程学院

根据技术性能指标、输出输入信号关系等确定系统方框图。 2、确定设计方案 根据技术性能指标、输出输入信号关系等确定系统方框图。 在子系统中，合理的分配技术指标，如增益、噪声、非线性等。将指标分配到方框图中的各模块，技术参数指标要定性和定量。 信息工程学院

要注意个功能单元的静态指标与动态指标、精度及其稳定性，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。 要注意各模块之间的耦合形式、级间的阻抗匹配、反馈类型、负载效应及电源内阻、底线内阻、温度等对系统指标的影响。 信息工程学院

合理地选择元器件，应尽量选择通用、新型、熟悉的元器件。应注意元器件参数的分散性，设计时应留有余地。 要事先确定参数调试与测试方法、仪器仪表、调试与测试点，以及相关的数据记录与处理方法。 信息工程学院

电路设计建议根据所确定的设计方案，选择好元器件，按照技术指标要求，参考元器件厂商提供的设计参考（评估板）以及参考资料提供的电路，完成设计。 3、设计制作 设计主要包括电路设计与印制板设计。 （1）电路设计 电路设计建议根据所确定的设计方案，选择好元器件，按照技术指标要求，参考元器件厂商提供的设计参考（评估板）以及参考资料提供的电路，完成设计。 信息工程学院

（2）印制板设计 PCB设计时应遵守PCB设计的基本规则，注意数字电路与模拟电路的分隔、高频电路与低频电路的分隔、电源线与接地板的设计等问题。元器件部之不以好看为要求其二以满足性能指标为标准，特别是在高频电路设计时要注意。为了方便测试PCB设计时应设置相关的测试点。 信息工程学院

对于数字子系统，采用单片机或可编程逻辑器件，配套的开发工具是不可缺少的。 （3）EDA工具的使用 在设计过程中，EDA工具是必不可少的。 对于数字子系统，采用单片机或可编程逻辑器件，配套的开发工具是不可缺少的。 对于模拟子系统，仿真软件可以选择Multisim（或EWB）、PSPICE、Systemview等。 信息工程学院

如果设计中用到了在系统可编程模拟器件（ispPAC），配套的开发工具也是不可缺少的，如PAC-Designer。 印制板设计可以采用Protel等计算机绘图排版软件。 信息工程学院