第一讲.电子设计导论 一、电子系统概述 1.电子系统的构成 ①电子系统的定义：由电子元器件或 部件组成的能够产生、传输或处理电信号及 信息的客观实体。 如：通讯系统、雷达系统、计算机系统、 电子测量 系统、自动控制系统等 这些应用系统在功能与结构上具有高度 的综合性、层次性和复杂性。

电子系统的结构层次 复杂系统 系统级 单一系统 子系统 … 子系统级 部件级 电路构成的部件 功能部件 … 元件级 元件构成的电路 单元电路

②五种类型 1）模拟子系统 2）数字子系统 3）模拟数字混合子系统 4）微机子系统 5）DSP子系统 1）、2）、4）是基础，本课程以1）为主

2.电子系统设计的基本原则 ①满足系统的功能和性能指标的要求 这是设计必须满足的基本条件 放大电路的功能及指标 功能 Av AI AR AG 交直流放大、选频放大、宽带放大 微弱信号放大、功率放大

放大器的具体性能指标 95年：实用低频功放 PO≥10W; BW ≥(50~10K)Hz; η ≥55%; 非线性失真≤3%； 噪声功率≤10mW 99年：测量放大器 AVD=1~500可调；VOMAX=±10V; δ<0.5%; 输入共模电压VIC=7.5 ~ -7.5V; KCMR>105; RID ≥2MΩ; Δf: 0~10Hz; AVD=500时，输出VNPP<1V 2001年：高效音频功放 Δf: 300~3400Hz; η ≥50%; 最大不失真输出功率≥ 1W； 噪声电压≤10mV AVD=1~20可调；RI>10K Ω

放大器的具体性能指标 2011年：LC 谐振放大器 （1）衰减器指标：衰减量 40±2dB，特性阻抗 50Ω，频带与放大器相适应。 （2）放大器指标： a）谐振频率：f0 =15MHz；允许偏差±100kHz； b）增益：不小于 60dB；c）−3dB带宽：2Δf0.7 =300kHz；带内波动不大于2dB； d）输入电阻：Rin=50Ω； e）失真：负载电阻为200Ω，输出电压 1V时，波形无明显失真。 （3） a） 放大器使用3.6V稳压电源供电 （电源自备） 。 最大不允许超过360mW，尽可能减小功耗; b）在最大增益情况下，尽可能减小矩形系数 Kr0.1; c） 设计一个自动增益控制（AGC）电路。AGC控制范围大于 40 dB。

②电路简单 在满足功能和性能的情况下，简单电路 对系统来说不仅经济而且可靠,系统集成技术 是简化系统电路的最好方法。 ③电磁兼容性好 避免相互干扰，保证系统正常工作。 ④可靠性高 可靠性要求与实际用途和使用环境有关 可靠性以概率设计为基础是一种定性估计 ⑤系统集成度高

⑥调试简单方便 调试点多、困难则质量难以保证 ⑦生产工艺简单，操作方便 ⑧性价比高 2010年以来性价比将是电子大赛一项重要的考核指标

二、电子系统的设计方法 1、模拟系统的特点 多数电子系统都同时使用数字和模拟两类技术、数字系统采用EDA技术发展迅速，设计软件丰富。模拟系统采用EDA技术主要是分析、设计主要采用传统的人工方法。 （1）工作在模拟系统中的单元电路种类多 如传感器电路、电源电路、放大电路、音响电路、视频电路、性能各异的振荡调制、解调电路等

（2）要达到规定的功能、要达到规定的指标 工作在线性状态，工作点选择，工作点的稳定，运行范围的线性的程度，单元之间的耦合都很重要 （3）输入与信号源的匹配，输出与负载的匹配 输入单元要考虑输入阻抗匹配，提高信噪比，抑制各种干扰和噪声，输出单元与负载匹配，包括输出最大功率和提高效率等

（4）调试电路的难度 模拟电路的调试难度大于数字系统，特别是高频系统或高精度的微弱信号系统难度更大，这类系统中的元件布置、连线、接地、供电、去耦等对性能指标的影响很大。 模拟系统除了设计正确外，设计者具备细致的作风和丰富的实际工作经验显得非常重要。

（5）人工设计在模拟系统设计中仍起着重要的作用 EDA主要应用在数字系统，模拟系统的自动化设计进展缓慢。模拟系统自动化设计工具少，器件种类多、实际因素影响大其人工设计成份比数字系统大得多，对设计者的知识面和经验要求高。 由于客观环境的影响，模拟电路特别是小信号， 高精度电路以及高频、高速电路电路的实现远不可能单由理论设计解决， 它们与实现环境，元器件的性能， 电路结构等有密切的关系。 设计时要考虑选用正确的元器件， 包括印刷板设计等才能达到设计要求。

2.模拟系统设计步骤 （1）设计任务，系统描述和分析 （2）选择总体方案、模块划分 （3）单元电路设计 交叉 反复 （4）参数计算与调整 （5）选择元器件 （6）单元电路调试 （7）系统总体调试 （8）编写设计文档

（1）根据任务对各项要求进行分析，整理出系统和具体电路设计所需要的详细的功能要求和技术指标。 （2）查阅资料，比较方案（有时要进行局部电路实验、仿真才能确定方案），系统划分为若干部分，明确各部分的功能及接口参数，画框图。 （3）明确要求，拟定性能和指标，包括电源电压，工作频率，灵敏度，输入和输出阻抗，输出功率，失真度，波形显示等。 选电路形式：易于实现，易于检查，性价比高，要注意平时电路资料的积累，一些典型的电路要平时做过实验。

（4）正确运用公式和图表对某些参数进行计算后才能挑选元器件，计算参数不唯一，可选择。根据元件的极限参数（计算最不利的情况）要留裕量。 （5）要有元件手册或上网查阅，优先选集成电路，先粗后细。先选类型（高阻，通用，低漂，高速，高压），后先指标，最后选型号。 三极管：功率，频率，极限参数， Icm>2Ic； Pcm>(1.5-2)Pomax； Vce>2Vcc 电容：电解，钽，瓷片 （ 耐压，损耗角） 电阻：碳膜，金属，绕线，碳质 ，贴片

（6）单元电路安装调试，要掌握测量技术，测试性能，观察波形（静态、动态）按信号流向进行测试，注意故障检测及分析（设置测试点） （7）系统总体调试要观察各单元电路的连接和信号关系，先调基本指标，后调质量指标。先调独立环节，后调受控环节。 （8）设计的第一步就要编写设计文档，内容与设计步骤相呼应。 总结报告：设计工作进程记录；原始设计修改说明；电路图实物布置图；程序清单；功能指标测试结果；系统操作使用说明；存在问题及改进意见

划分功能块，设计总框图：根据系统功能、总体指标，按信号流向划分功能块。应考虑指标分配、装配连接合理性等因素。 例如，扩音系统的设计。可划分成前置放大器、音调控制放大器和功率放大器。前置放大器完成对输入信号的匹配，频率特性均衡；音调控制放大器完成音调的调节；功率放大器完成功率输出。在功能块设计时，应将扩音系统总增益分配到各单元增益设计中。 例如，数据采集系统的前向通道设计。通常划分为输入放大器、滤波器、取样／保持电路、多路模拟开关、A／D转换器等，每个功能块是根据每个单元完成一个特定功能划分。在采集系统的前向通道设计中，要把总误差合理地分配到各功能块。

方案设计举例： 设计一个交流有功电子电能表 有功电能 ①用集成芯片实现 取样值v 取样值i 测量原理是在取样 i， v 瞬时值后求v×i积分的平均值 ①用集成芯片实现 —P 模拟乘法器 V/F 变换 取样值v 积分器 计数器 译码显示 P f 取样值i

②用单片机实现 作业：温度报警器方案设计 温度 0~100℃,小于10℃大于30℃ LED亮 v A/D V取样 单片机 显示 i取样 i 温度传感器 放大 低通 窗口比较 LED

三、电子设计的基本知识 1、元器件的常识 （1）电阻: ① 额定功率 分10个等级 ① 额定功率 分10个等级 常用：0.05W 0.125W 0.25W 0.5W 1W 2W ---- ② 色环电阻识别

（2）电容 6.3v ；10v ；16v ；25v； 40v； 63v ；100v ；160v；250v； 400v ① 耐压 ② 容量标称 小于10000pF只标数字省单位，大于10000pF则以u为单位 例

（3）集成运放 ①常用 ：LM324， LM224， LM324 ， uA741， ②专用： 通用 专用 uP151，M5141T， LM101， LM107 ， LM148， LM747 ②专用： 低功耗 mos型 upc153， upc253 ，ICL7641， CA3708 高精度 OP07， uA725， OP09， OP11， OP27， OP37， MAX7650 高阻抗 （10~106MΩ）OPA111， AD975， LF155， TL081， LF351， uA774 ， MC34044， OP15 www.alldatasheet.com 电子工程网 www.eechina.com

uA751 ， uA772， LM318， MC1520， LH0032，AD8011， AD8012， 高压（输出电压高）要考虑保护 高速宽带 uA751 ， uA772， LM318， MC1520， LH0032，AD8011， AD8012， 高压（输出电压高）要考虑保护 LM143， MC1536， BG315， XC60 其他型 跨导运放， 程控运放， 电流型运放， ③ 封装及管脚 2 1 e 1 2 3 c e b c b e b c

2、调试步骤及故障诊断 ①步骤： a调试前检查电源，二极管，电解电容极性 b通电观察(电流、发烫、异味、冒烟)断电 c静态调试 （测工作点） d动态调试 加输入信号看输出 e指标调试 记录数据，分析，修改 *调试前要熟悉仪器，调试中更换元器件必须断电

②常见故障与对策 常见故障 ：Q点异常， U0波形错误， 负载能 力差 诊断: 先寻找那一级有问题。方法：输入加适 当信号依信号流向逐级观察输出，再找 模块内的故障点 查电源 关键点电压及波形,断开负载对照原理图检查 查可疑处元器件 查仪器是否正常使用得当 查电路原理图是否有问题

③诊断方法 观察法： 静态（不通电）；动态观察 测量法： 电阻法（在线、离线）；电压法（交、直流，源电压、输出电压、管脚电压）；电流法（V/R）;波形法（有无、形状、参数） 跟综法： 信号寻迹；信号注入 替换法： 元器件替换；单元电路替换；部件替换 比较法： 整机比较；调整比较（可调元件）；旁路比较；排除比较（逐一插入组件）

3、设计指标及测量误差分析 ① 03年“电压控制LC振荡器” （1）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。 （2）输出频率范围：15MHz～35MHz。 （3）输出频率稳定度：优于10-3。 （4）输出电压峰-峰值：Vp-p=1V±0.1V。 （5）实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值， 精度优于10％。 （6）可实现输出频率步进调节，步进间隔为 1MHz100kHz。

②测量误差分析 绝对误差 相对误差 满刻度误差 X指标 X0测量值 Xn仪表满刻度值

作业 (1)、(2)任选一题 ① 、设计任务： (1) 温度报警器方案设计 作业 (1)、(2)任选一题 ① 、设计任务： (1) 温度报警器方案设计 温度 0~100±1℃可测,小于10℃或大于30℃报警 （LED亮） （2）输出电压可调的数控直流电压源设计 输出电压 2～20V可调（调节单位0.1V ），输出电流 1A，数码管显示输出值。 ② 、画框图或原理图，包括主要元器件的选择（附器件使用说明） ③、以小组为单位提交电子文档（.doc）作业，上传：求索学堂－电子技术基础－互动栏目－论坛

作业 （1）温度报警器设计，具体要求如下： ① 将被测温度（0～100 ℃ ）转换为电压值； ② 小于10℃或大于30℃声、光报警 （LED亮）； ③ 可采用箔电阻组成测量电桥； （2）设计一个输出电压可调的数控直流电压 源，数码管显示输出值。具体要求如下： ① 输出电压 2～20V之间，调节单位为0.1V； ② 电压稳定度（△VO/Vo）小于0.2％，纹波电压小于10mV； ③ 输出电流 1A； ④ 输出电压值由数码管显示，设置“＋”、“—”键分别控制输出电压步进增减； ⑤ 电源应具有输出短路保护和功率器件的过热保护功能