中北大学系统集成第一章电子系统设计.ppt

中北大学系统集成第一章电子系统设计考核方式考核方式o平时加作业 10%o实 验 10%o期末考试 80%2021/2/282第一章第一章 电子系统设计导论电子系统设计导论1.1 电子系统概述1.2 电子系统的设计1.3 电子系统设计步骤1.4 线性电源设计2021/2/2831.1 1.1 电子系统概述电子系统概述当今电子产品的两大特点：当今电子产品的两大特点：1.产品的复杂性加深，根据Moore定律IC的复杂性大约 每6年增加10倍;2.产品的上市时间与市场寿命减小,竞争加剧；（硬件工程师：从事电路、电气等设计，设计难度降低，综合素质提高）2021/2/284系统定义系统定义v什么是系统？系统系统是由两个以上各不相同且相互联系，互相制约的单元组成的，在给定环境下能够完成一定功能的综合体。这里所说的单元，可以是元件，部件或子系统。一个系统又可以是另一系统的子系统。一个系统又可以是另一系统的子系统。2021/2/285电子系统电子系统定义定义 将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称为电子系统。电子系统。通常可以完成一个特定功能的完整的电子装置都可称为电子系统电子系统；电子系统有大有小，大到航天飞机的测控系统、小到出租车计价器，它们都是电子系统。2021/2/286复杂结构的电子系统2021/2/287电子系统、网络、电路的区别和联系电子系统、网络、电路的区别和联系电路也称为电网络。研究抽象规律采用网络，讨论具体问题则为电路。一般系统是比网络或电路更复杂、规模更大的组合体。有时简单的网络或电路可以称之为系统，我们可以采用研究系统的方法和观点来研究它们。例：RC电路网络分析：研究各支路、回路电流/电压系统分析：研究如何构成微积分运算器（系统）积分电路积分电路微分电路微分电路2021/2/288v电子系统的基本组成电子系统的组成框图电子系统的组成框图模拟系统；数字系统；纯硬件系统软硬结合系统数字温度计数字温度计2021/2/289电子系统类型电子系统类型(了解了解)v实现电子系统的器件中大规模或超大规模集成电路(VLSI)；专用集成电路；可编程器件；少量分立元件和机电元件。v电子系统的类型非智能型功能简单或功能固定的电子系统智能型参照人类活动规律，例：机器人2021/2/2810电子系统的功能分类电子系统的功能分类(了解了解)测控系统：如工业生产控制等；测量系统：如电量及非电量的精密测量等；数据处理系统：如语音、图像、雷达信息处理等；通信系统：如数字通信、微波通信等；计算机系统：计算机本身就是一个电子系统；家电系统：如多媒体彩电、数字式视频光盘机等。2021/2/2811实例实例-通信系统通信系统2021/2/2812实例实例-DVD-DVD系统系统2021/2/2813实例实例-计算机系统计算机系统2021/2/2814子系统基本类型子系统基本类型 复杂电子系统结构层次:5种子系统基本类型:1.模拟子系统 2.数字子系统 3.模拟,数混合子系统 4.微处理器子系统 5.DSP子系统2021/2/28151.2 1.2 电子系统设计方法电子系统设计方法2021/2/2816自顶向下或从上到下自顶向下或从上到下接口接口2021/2/2817具体描述具体描述o设计人员首先根据对设计要求的理解及系统可能的工作方式、结构等知识，构成系统总体框图；(系统级)o根据设计要求及指标，规定每个子系统的性能指标，并对总体框图中的每一个方框(子系统)进行分析及设计；o对于复杂的子系统还可以继续分解、细化，直到每个方框（功能模块）都可以用一种或一种以上的方法加以实现；o每一个功能模块都落实到通用中大规模集成电路层次，同时规定一些关键器件的指标以保证该子系统的性能指标的实现。2021/2/2818优点优点尽量运用概念（抽象）描述，分析设计对象，不过早考虑具体电路、元器件和工艺。抓主要矛盾，逐步细化、分解适用于大型的、复杂的系统设计2021/2/2819遵循原则遵循原则（1）正确性和完备性原则（2）模块化，结构化原则（3）问题不下放原则（4）高层主导原则（5）直观性、清晰性原则 2021/2/2820自底向上或从下到上自底向上或从下到上2021/2/2821特点特点自底向上的缺点：部件设计在先，设计系统时将受这些部件的限制，影响：系统性易读性可靠性可维护性自底向上的优点：可利用前人的设计成果，减少重复劳动，提高效率适用于简单的电子系统适用于简单的电子系统2021/2/2822自顶向下与自底向上相结合自顶向下与自底向上相结合2021/2/2823自顶向下设计过程自顶向下设计过程设计过程：理论设计采用自上而下的设计方法；实际制作采购器件、设计印刷电路板，装配、调试；各种文档资料整理设计报告、测试报告、使用说明书等。以上设计过程主要是非智能型电子系统传统的、手工的设计过程；对于智能型电子系统应包括有软、硬件两部分，设计开始时就应该有一个软、硬件分工的安排，再分别进行硬件设计和软件设计；现代的设计方法是使用EDA软件工具进行电子系统设计。应该注意的是：2021/2/2824系统设计的一般原则任何一个系统设计应遵循一定的原则、标准和规范，电子系统设计的原则如下：（1）兼顾技术的先进性和成熟性 电子系统的设计要适应技术发展的潮流，是系统保持长时间的先进性和实用性，同时兼顾技术的成熟性，缩短开发周期。（2）安全、可靠和容错性采用成熟的技术、器件和部件，保证系统的可靠、稳定和安全，同时系统具备一定的容错性，能适应各种不同的应用和操作环境。2021/2/2825系统设计的一般原则（续）（3）实用性和经济性 满足系统基本功能和性能指标的前提下，具有良好的性价比。（4）可扩展性和易维护性设计的单元电路模块化、系列化，使系统进行升级时，能保护原有资源，降低系统维护的复杂性，提高效率。2021/2/28261.3 1.3 电子系统设计步骤电子系统设计步骤1.1.行为描述与设计行为描述与设计2.2.结构描述与设计结构描述与设计3.3.物理描述与设计物理描述与设计 电子系统设计的一般步骤电子系统设计的一般步骤2021/2/2827设计步骤（续）设计步骤（续）1.1.行为描述与设计行为描述与设计 描述系统的各项功能、各个单元的输入输出关系、各种技术指标举例：举例：移动电话的功能移动电话的功能:通话功能,来电显示,存储,时钟,网络,声控录音,游戏等 性能指标性能指标:接收/发射频率,调制方式,待机时间,连续通话时间,电池电压,尺寸重量等等整理技术要求,划分总体框图,确定技术指标2021/2/2828设计步骤（续）设计步骤（续）2.2.结构描述与设计结构描述与设计 描述各单元之间的互连关系或协议1)系统的结构设计 确定系统与外部系统的互连方式与协议.2)子系统,模块级的结构设计 功能框图 电路图 文字说明3)模拟仿真验证 2021/2/28293.3.物理描述与设计物理描述与设计 实现结构的具体形式,技术,工艺1)传统的PCB电路板 2)PLD逻辑器件 3)VLSI 版图,外形尺寸,材料,屏蔽,散热等等设计步骤（续）设计步骤（续）2021/2/2830电子系统设计电子系统设计EDAEDA技术技术1.EDA技术的发展 EDA技术是从二十世纪集成电路问世起（60年代），经历了CAD（70年代），CAE（辅助工程，80年代）发展阶段，到90年代进入EDA阶段。EDA技术汇集了计算机应用科学，微电子结构与工艺学和电子系统科学最新成果的先进CAD技术，它是计算机工作平台上开发的一套电子设计系统软件。比较著名的EDA公司有：Matlab(信息处理），MaxplusII(逻辑综合),Protel(PCB)等等。2021/2/28312.2.系统的系统的EDAEDA工具设计流程工具设计流程2021/2/2832EDA设计特点优点：为设计人员提供了一个完整的系统设计环境，使人们摆脱了手工设计所带来的各种弊端；u使得设计者可以集中精力于系统的高层设计，诸如算法、功能等概念设计方面，而把大量的具体设计过程留给EDA软件去完成；u改变了传统设计过多地依赖设计者的知识和经验，在EDA软件中集成了大量的成熟经验、算法及工具，u保证了设计的可靠性及水平，加速了设计速度，满足了日益复杂的设计需要。局限：目前还只限于数据处理、通信及多媒体领域。2021/2/2833电子系统设计的一般详细步骤1、总体方案确定 根据任务书功能和指标拆分系统，画出总体设计框图，通过论证，选择最优方案。2、单元电路设计 尽可能选择现有的、成熟的器件、部件及电路，注意各个器件之间的接口电平匹配、速度匹配等；选择统一的供电电源；尽量选择集成电路，减小体积，提高可靠性。3、参数计算根据指标计算电路的各项参数，例如：电流、增益、振荡频率、截止频率等等，并留有适当的余量。2021/2/2834电子系统设计的一般详细步骤（续）4、元器件选择根据器件的各项参数如频率、环境温度、成本等因素考虑，优先考虑集成芯片。5、计算机模拟仿真和实验绘制电路前，对关键电路进行用EDA模拟仿真和实验，验证各项技术指标，如：品质因素、失真度等等。6、绘制电路图用EDA软件绘制电路图，并制作实物版图。7、组装、调试及撰写设计报告2021/2/28351.4 1.4 线形电源设计线形电源设计整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。2021/2/2836三端集成稳压器三端集成稳压器 将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器，集成稳压器只有三个：输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器，如下：集成稳压器符号集成稳压器符号不同型号、不同不同型号、不同封装的稳压器三封装的稳压器三个电极的位置不个电极的位置不一样一样外形图外形图2021/2/2837线性三端集成稳压器的分类线性三端集成稳压器的分类按输出方式：按输出方式：1.三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78 2.三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79 3.三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117 4.三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137 5.三端低压差集成稳压器按级别：按级别：1-为军品级；2-为工业品级；3-为民品级。军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55150；工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25150；民品级多为塑料封装，工作温度范围0125。2021/2/2838三端稳压器的应用三端稳压器的应用W7900W7900系列稳压器外形及接线图系列稳压器外形及接线图1231 1端端:公共端公共端2 2端端:输入端输入端3 3端端:输出端输出端+W7905W7905UI+Uo231CI0.11 FCo1F-10V-10V-5V-5V注意：注意：1 1、功耗、功耗 2 2、压降、压降 3 3、散热、散热 2021/2/2839三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图：三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图：可可调调输输出出三三端端集集成成稳稳压压器器的的内内部部，在在输输出出端端和和公公共共端端之之间间是是1.25 1.25 V V的的参参考考源源，因此输出电压可通过电位器调节因此输出电压可通过电位器调节2021/2/2840利用三端集成稳压器组成恒流源利用三端集成稳压器组成恒流源78057805稳压器做恒流源稳压器做恒流源317317稳压器做恒流源稳压器做恒流源 三端集成稳压器做恒流源电路如下：2021/2/2841单电源实际应用举例单电源实际应用举例2021/2/2842双电源双电源实际应用举例实际应用举例2021/2/2843