电子系统设计知识点

电子系统主要是指由多个电子元件或功能模块组成，能实现较复杂的应用功能的客观实体。

一般来说，一个复杂的电子系统可以分解成若干个子系统，其中每个子系统又由若个功能模块组成，而功能模块由若干单元电路或电子元器件组成。

以MCU/ARM/DSP为核心的电子测量系统的组成：模拟系统（传感器、信号处理、系统电源及监控、驱动等）、数字系统（储存系统、译码控制、人集接口等）、数/模混合子系统（ADC、DAC）和MCU/ARM/DSP子系统。

电子系统设计的一般方法：自顶向下法、自底向上法、组合法。

电子系统设计的一般原则：1兼顾技术的先进性和成熟性2安全性、可靠性和容错性3实用性和经济性4 开放性和可扩展性5易维护性

电子系统设计步骤：1调查研究2 方案选择与可行性论证性3单元电路设计、参数选择和元器件选择4组装与调试5编写设计文件与总结报告。

设计时选用各种电子元器件通常遵循三条原则：1 元器件的技术参数必须完全满足系统的要求，并留有合理的余地；2 最高性能/价格比3 满足系统的结构要求（如体积、封装形式等）

1/4W以上的金属膜电阻采用直接标注法；1/4W及1/4W一下的金属膜电阻采用四色或五色环标注法。

金属膜电阻中允许误差最常见的为±5%,当允许误差在±1%内属精密电阻范畴。

额定功率与电阻的体积直接相关，体积越大，额定功率越高。

电压与气压有关，气压越低，最高工作电压越低。

碳膜电阻高频特性与阻值稳定性较好，价格低廉，市民用电子产品中的首选品种。

金属膜电阻阻值范围宽，电性能优于碳膜电阻，最高工作温度可达155℃，价格适中，常用于要求较高的电子系统中。

线绕电阻和电位器耐高温（能在300℃高温下稳定工作），噪声较小精度高，额定功率可以达到300W，常用于要求较高的低频或电源电路中。不宜用于较高频率的电路。

电容器广泛用作储能和信息传输。允许物差系列值比电阻高，通常在±（5%~100%之间）。

电感器的所有应用都是基于电感器能将电能转换为磁能并加以储存的性能。品质因数Q=2πfL/r，f为工作频率。

硅整流二极管除了主要应用于电源电路作整流元件外，还可以作限幅、钳位、保护、隔离等多种用途。

1N4148/1N4448是常用的高速开关二极管，在电路中常用做检波和高速开关。

硅整流桥分为单相半桥、单相全桥和三相全桥等。

肖特基二极管主要应用于开关稳压电流做整流和逆变器中做续流二极管。

电子系统的“地”通常有三类：1 工作地2安全地3屏蔽地。

消除地电流影响的有效方法是隔离技术。使用变压器将两个电路的地完全隔离就是隔离办法之一，当然变压器耦合无法传递直流信号。

继电器是一种可以用低电压、小电流来控制高电压、大电流的自动开关。

常用的继电器主要有电磁式继电器、干簧式继电器、磁保持湿簧式继电器、步进继电器和固态继电器等。

高亮度LED正常发光所需的电流为I F=1~3mA，正向压降V F=1.2~1.7V.

以JQX—14F线圈电压为12V（DC）的小型大功率继电器为例说明，它的线圈功率为0.53W，即继电器线圈的吸合电流应大于44mA。

电动扬声器以其额定功率、音圈阻抗为其主要参数。一般二、三十平方米的房间使用0.5W的扬声器就可以听得很清楚。

蜂鸣器分为压电蜂鸣片与蜂鸣器两类；蜂鸣器又分为压电和电磁式两种。

功率驱动设计原则是：数字器件的输出特性必须与所驱动的负载相匹配。

滤波器是一种频域变换电路，它能让指定频段的信号顺利通过，甚至还能放大，而对非指定频段的信号予以衰减。

滤波器按照起频域特性可以分为低通、高通、带通、带阻和全通五种。

低通滤波器主要用于使低频或直流信号通过。

HPF（高通滤波器）主要用于有效信号频率较高，而又必须消除低频、甚至直流信号的影响的场合。

BPF（带通滤波器）主要用于选出有用的频段的信号，而削弱其他非有用频段的信号或干扰和噪声

电源可分为线性电源和开关电源两大类。

线性电源的有源器件处于线性工作状态，它的电路简单，纹波小，电路性能良好，对交流供电线路污染小，成本较低但效率低。

开关电源可分为AC—DC和DC—DC两种类型。它们的共同特点是电路较复杂、效率高、允许输入电压变化的范围宽、成本较高、纹波较大、对交流供电线路干扰大。

实际运算放大器对应用电路的影像表现在：A O影响运算精度；V IO影响输出的零点漂移；I IB影响输入电阻；带宽BW影响高频特性；CMRR影响信噪比。

数字电路系统主要由信息处理电路和控制电路两部分组成。

信息处理电路主要完成对输入信息的采集、调理、传输和处理等工作，从而输出其他电路所需的输出信息；

控制电路主要完成协调和管理各信息处理单元电路的工作，根据不同的状态信号和外部控制信号发出相应的控制信号，使各部分电路协调一致的完成系统规定的任务。

数字电子系统的设计方法有试凑法和自上而下法。

能够实现两个电信号相位同步的自动控制闭环系统统称为锁相环。锁相环是一种以消除平频率误差为目的的闭环反馈控制电路。

锁相环基本原理是利用相位误差去消除频率误差。广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。

锁相环电路由鉴相器（PD，也成为相位比较器）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，

频率合成的方法可大致分为直接频率合成、锁相频率合成和直接数字频率合成三种。

频率合成器的主要技术指标有：1、工作频率范围2、频率间隔3、频率转换时间4、频谱纯度。

ADC和DAC是连接数字系统和模拟系统的十分重要的接口工作

DAC的主要技术指标：1、分辨率2、转换误差、3转换精度、4转换速度。

A/D转换器是将时间连续和幅值连续的模拟输入信号转换为时间离散、幅值也离散的N 位二进制数字输出信号的电路。

A/D转换器（ADC）一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。

ADC可以分为直接型ADC和间接型ADC。

单片机应用系统设计的一般过程：1、确定设计任务书，分析系统功能指标，拟定系统总体设计方案；2、硬件设计、软件设计及调试；3、系统联调，性能测试；4、编制设计文件。

硬件设计的基本原则：1、采用典型电路，力求标准化。2、选择新型器件，避免因硬件厂商停产和转产带来的不便；3、系统扩展和配置要留有余地，一杯将来更新换代；4、尽可

能以软代硬，提高可靠性和方便修改。

系统联调主要完成排除单片机应用系统中的软硬件故障。

单总线就是在单根信号线上，完成系统所需进行的数据、地址和控制信号的交换。从机设备通过一个漏极开路或三态端口连接到数据总线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线。

I 2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线，即通过SDA(串行数据线)及SCL(串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每一个器件。

在主从通信中，可以有多个I 2C总线器件同时接到I 2C总线上，通过地址来识别通信对象。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少、控制方式简化、器件封装形式小、通信速率较高等优点。

SPI总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，用于CPU与各种外围器件的通信。

SPI可以同时发出和接收串行数据。

SPI只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通信。这些外围器件可以是简单的TTL移位寄存器、复杂的LCD显示驱动器、A/D和D/A转换子系统或其他的MCU.

SPI时序图中SCK为同步时钟脉冲，SS为片选线，MOSI为主要器件的数据输出和从器件的数据输出线，MISO为主器件的数据输入线和从器件的数据输出线。

SPI是全双工的，即数据的发送和接收可同时进行。数据喜欢送以字节为单位，并采用高位在前的格式。