综合电子系统设计与实践.docx

1、创 新 设 计 实 践 系 列 丛 书综 合 电 子 系 统 设 计 与 实 践陈 兴 文 李 敏 编 著 黎 树 斌 白 日 霞 主 审东 北 大 学 出 版 社沈 阳幅 面 尺 寸 :印 张 :184 m m 260 m m17 . 5字 数 : 448 千 字出 版 时 间 :印 刷 时 间 :2005 年 3 月 第 1 版2005 年 3 月 第 1 次 印 刷责 任 编 辑 : 李 毓 兴 封 面 设 计 : 边 疆特 邀 编 辑 : 郭 朝 晖 周 凌 波责 任 校 对 : 李 六 石 责 任 出 版 : 杨 华 宁9 陈 兴 文 李 敏 2005图 书 在 版 编 目 ( CI

2、P ) 数 据综 合 电 子 系 统 设 计 与 实 践 / ISBN 7-81102-130-7陈 兴 文 , 李 敏 编 著 . 沈 阳 : 东 北 大 学 出 版 社 , 2005 . 3 . 综 . 陈 李 . 电 子 电 路 电 路 设 计 . T N702中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 2005 ) 第 016371 号内 容 简 介本 书 以 电 子 系 统 设 计 方 法 为 主 线 , 以 数 字 系 统 ( 包 括 可 编 程 逻 辑 器 件 组 成 的 数 字 系 统 )、 模 拟 系 统 、 智 能 系 统 ( 以 单 片 机 为 核 心 的 数

3、 模 混 合 系 统 )、 数 字信 号 处 理 器 等 四 大 系 统 的 设 计 原 理、 方 法 并 结 合 实 例 为 主 题 展 开 , 介 绍 了 电 子系 统 设 计 常 用 的 开 发 软 件 和 工 具 , 提 供 了 大 量 的 设 计 题 目 。 全 书 特 别 注 重 理 论与 实 际 相 结 合 , 特 点 是 实 用 性 强 。本 书 可 供 高 等 学 校 工 科 电 气 信 息 类 专 业 作 为 本 科 生 专 业 课 程 设 计 和 电 子 设计 比 赛 培 训 用 的 教 材 及 参 考 书 , 也 可 供 有 关 工 程 技 术 人 员 作 为 学 习

4、电 子 系 统 设计 的 参 考 书 。出 版 者 : 东 北 大 学 出 版 社地 址 : 沈 阳 市 和 平 区 文 化 路 3 号 巷 1 1 号 邮 编 : 1 10 0 04电 话 : 0 24 8 3 68 7 33 1 ( 市 场 部 ) 8 3 68 0 26 7 ( 社 务 室 )传 真 : 0 24 8 3 68 0 18 0 ( 市 场 部 ) 8 3 68 0 26 5 ( 社 务 室 )E-m ail: ne up h n eupr ess . com h t tp : www . neu press. com印 刷 者 : 东 北 财 经 大 学 印 刷 厂 发 行

5、 者 : 东 北 大 学 出 版 社定 价 : 28 . 00 元前 言为 了 适 应 社 会 需 求 , 电 气 信 息 类 人 才 的 培 养 必 须 注 重 系 统 设 计 能 力 的 培 养 。 本 书 面 向 本 科 电 气 信 息 类 专 业 高 年 级 大 学 生 以 及 相 关 专 业 人 员 , 要 求 使 用 本 书 的 人 员 学 过 并 掌 握 模 拟 电 路 ( 低 频 、 高 频 ) 、 数 字 逻 辑 设 计 、 单 片 机 与 微 机 原 埋 等 专 业 基 础 课 。 本 书 将 以 此 为 起 点 , 讨 论 电 子 系 统 的 设 计 方 法 , 介 绍

6、常 用 设 计 软 件 和 开 发 工 具 的 使 用 方 法 , 为 学 生 提 供 较 为 全 面 的 电 子 系 统 设 计 的 理 论 , 同 时 提 供 各 种 电 子 系 统 的 开 发 实 例 。 这 些 实 例 来 自 作 者 的 科 研 项 目 或 作 者 在 指 导 学 生 开 展 电 子 创 新 实 践 活 动 中 取 得 的 成 果 。 因 此 , 本 书 不 是 针 对 哪 一 个 专 业 的 专 业 教 材 , 它 的 主 要 目 的 就 是 提 供 一 个 完 整 的 电 子 系 统 的 设 计 方 法 和 概 念 。 通 过 众 多 的 实 用 性 的 设 计

7、举 例 , 使 学 生 学 会 并 掌 握 电 子 系 统 的 设 计 方 法 以 及 一 定 的 实 践 技 能 。 因此 , 本 书 也 可 以 作 为 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 、 课 程 设 计 等 实 践 环 节 的 参 考 用 书 。本 书 的 主 要 目 的 是 提 高 学 生 电 子 系 统 设 计 能 力 , 让 学 生 掌 握 完 整 的 电 子 系 统 设 计 方 法 。 为 此 , 本 书 在 讨 论 电 子 系 统 的 设 计 理 论 和 调 试 方 法 的 同 时 , 结 合 实 例 进 行 分 析 和 设 计 实 现 , 并 注 重 了 电 子 系 统

8、设 计 的 理 论 和 实 际 相 结 合 。 此 外 , 由 于 本 书 涉 及 的 面 相 当 广 泛 , 有 数 字 系 统 、 模 拟 系 统 、 单 片 机 / 微 机 系 统 、 数 字 信 号 处 理 器 等 电 子 系 统 的 设 计 , 限 于 篇 幅 , 不 可 能对 相 关 的 知 识 都 作 全 面 深 入 的 介 绍 , 所 以 , 本 书 在 每 一 相 关 领 域 中 都 不 是 “精 品” , 在 深 度 上 也 不 能 与 该 领 域 的 专 著 相 提 并 论 。 书 中 列 举 的 系 统 的 实 例 规 模 也 不 大 , 只 涉 及 实 际 系 统 的

9、 核 心 技 术 。本 书 是 大 连 民 族 学 院 五 年 来 开 展 大 学 生 创 新 教 育 研 究 与 实 践 的 总 结 , 同 时 也 是 该 院 创 新 教 育 系 列 课 程 建 设 的 成 果 。 本 书 的 编 写 和 出 版 与 大 连 民 族 学 院 的 领 导 和 相 关 部 门 同 志 的 关心 、 支 持 和 帮 助 是 分 不 开 的 。 在 此 , 对 他 们 表 示 衷 心 的 感 谢 。由 于 作 者 水 平 有 限 , 书 中 难 免 存 在 一 些 不 当 之 处 , 敬 请 读 者 批 评 和 指 正 。作 者2004 年 8 月 1 4 . 5

10、 自 动 布 线 954 . 6 PCB 手 工 调 整 96第 5 章 MAX + plus 软 件 使 用 说 明1035 . 1 MAX + plus 的 概 况 1035 . 2 MAX + plus 基 于 V HDL 语 言 的 基 本 设 计 流 程 1041055 . 4 原 理 图 输 入 设 计 方 法 120第 6 章 DSP 集 成 开 发 环 境 CCS 介 绍1326 . 1 开 发 系 统 软 件 安 装 和 配 置 1326 . 2 CCS 文 件 名 介 绍 1346 . 3 编 写 一 个 简 单 的 程 序 1356 . 4 程 序 调 试 的 环 境 应

11、 用 1366 . 5 CCS 软 件 应 用 和 DSP 编 程 1366 . 6 C 编 译 器 及 其 他 1416 . 7 CCS 应 用 详 解 142第 7 章 电 子 系 统 实 现 1627 . 2 电 子 系 统 抗 干 扰 设 计 1637 . 3 电 子系 统 的 装 配 与 调 试 1677 . 4 设 计 报 告 与 总 结 报 告 的 编 写 172第 8 章 综 合 电 子 系 统 设 计 举 例 1748 . 1 集 成 运 算 放 大 器 应 用 1748 . 2 锁 相 频 率 合 成 技 术 1808 . 3 仪 用 标 准 直 流 信 号 源 设 计 与

12、 实 现 1858 . 4 基 于 单 片 机 的 系 统 开 发 与 应 用 实 例1888 . 5 基 于 F PGA 的 系统 开 发 与 应 用 实 例2048 . 6 基 于 DSP 的 系统 开 发 与 设 计 实 例227目 录第 1 章 电 子 系 统 设 计 导 论 11 . 1 概 述 11 . 2 电 子 系 统 设 计 方 法 31 . 3 数 字 系 统 设 计 51 . 4 模 拟 系 统 设 计 方 法 71 . 5 智 能型 电 子 系 统 的 设 计 101 . 6 智 能 型 电 子 系 统 设 计 方 法 与 过 程 165 . 3 一 个 实 际 操 作

13、 MAX + plus 的 例 子第 2 章 E lect ronics Wor k bench工 作 台 ( E WB) 简 介电 子252 . 1 EWB 的 基 本 界 面 252 . 2 EWB 的 基 本 操 作 方 法 322 . 3 EWB 的 基 本 分 析 方 法 492 . 4 EWB 的 电 路 元 器 件 库 56第 3 章 印 刷 电 路 板 的 计 算 机 辅 助 设 计原 理 图 设 计 653 . 1 PROT EL99 简 介 653 . 2 PROT EL99 电 路 板 设 计 的 基 本 步 骤663 . 3 PROT EL99 原 理 图 设 计 66

14、3 . 4 Advanced Schematic 99 主 界 面 的管 理 和 定 制 673 . 5 Advanced Schematic 99 主 界 面 及 其 管 理717 . 1 概 述 1623 . 6 图 面 的 设 置 723 . 7 元 件 的 布 置 733 . 8 元 件 的 连 接 783 . 9 原 理 图 元 件 库 的 操 作 81第 4 章 印 刷 电 路 板 的 计 算 机 辅 助 设 计PCB 设 计 874 . 1 PCB 设 计 步 骤 874 . 2 Advanced PCB 99 的 主 界 面 及 其 管 理884 . 3 PCB 工 作 层 面

15、 的 设 置 904 . 4 电 路 板 的 规 划 93第 9 章 综 合 电 子 系 统 设 计 题 目 2409 . 1 双 路信 号 采 集 存 储 系 统 2409 . 2 温 度 遥 测 2409 . 3 工 频 标 准 信 号 源 2419 . 4 语 音 识 别 系 统 2419 . 5 隔 离 变 送 器 2429 . 6 虚 拟 仪 器 2439 . 7 热 电 偶 温 度 测 试 仪 2439 . 8 温 度 控 制 测 试 仪 2449 . 9 无 线电 调 频 收 / 发 信 机 244 2 综 合 电 子 系 统 设 计 与 实 践9 . 18 实 用 低 频 功

16、率 放 大 器 2529 . 19 实 用 信 号 源 的 设 计 和 制 作 2539 . 20 简 易 无 线 电 遥 控 系 统 2549 . 21 简 易 电 阻 、 电 容 和 电 感 测 试 仪 2559 . 22 直 流 稳 定 电 源 2559 . 23 简 易 数 字 频 率 计 2569 . 24 水 温 控 制 系 统 2579 . 25 测 量 放 大 器 2589 . 26 数 字 式 工 频 有 效 值 多 用 表 2599 . 27 波 形 发 生 器 2609 . 28 简 易 数 字 存 储 示 波 器 2619 . 10 移 动 通 信 中 工 作 信 道

17、的 自 动 切 换 系 统 9 . 29 自 动 往 返 电 动 小 汽 车 262245 9 . 30 高 效 率 音 频 功 率放 大 器 2639 . 11 FSK 信 令 传 输 系 统 246 9 . 31 数 据 采 集 与 传 输 系 统 2649 . 12 小 区 住 宅 楼 宇 电 表 计 费 系 统 247 9 . 32 电 压 控 制 LC 振 荡 器 2659 . 13 多 功 能 数 字 显 示 仪 248 9 . 33 宽 带 放 大 器 2669 . 14 自 动 起 吊 重 物 往 返 吊 车 249 9 . 34 低 频 数 字 式 相 位测 量 仪 2679

18、 . 15 短 距 离 多 发 一 收 无 线 地 址 显 示 系 统 9 . 35 简 易 逻 辑 分 析 仪 269250 9 . 36 简 易 智 能 电 动 车 2719 . 16 简 易 数 控 直 流 电 源 251 9 . 37 液 体 点 滴 速 度 监控 装 置 2729 . 17 多 路 数 据 采 集 系 统 251 参 考 文 献 2741第 1 章 电 子 系 统 设 计 导 论1 . 1 概 述现 代 社 会 已 经 进 入 电 子 与 信 息 时 代 , 大 到 全 球 各 大 洲 , 小 到 每 个 家 庭 无 不 与 电 子 和 信 息 产 业 相 关 , 这

19、 就 要 求 即 将 工 作 于 电 子 和 信 息 领 域 的 学 生 学 会 并 掌 握 电 子 系 统 的 设 计 与 开 发 的 方 法 。 为 此 , 首 先 应 该 知 道 什 么 是 电 子 系 统 , 它 有 什 么 特 点 , 包 括 了 哪 些 主 要 内 容 。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 。 可 以 概 括 地 讲 , 凡 是 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 。 图1 . 1 .

20、 1 是 电 子 系 统 可 能 的 组 成 框 图 之 一 。图 1 . 1 . 1 电 子 系 统 可 能 的 组 成 框 图 之 一从 组 成 来 看 , 一 个 电 子 系 统 一 般 包 括 模 拟 系 统 和 数 字 系 统 。 数 模 系 统 包 括 传 感 、 高 低 频 放 大 、 模 / 数 、 数 / 模 变 换 以 及 执 行 机 构 等 ; 数 字 系 统 包 括 信 息 处 理 、 决 策 和 控 制 。 但 是 , 对 于 软 硬 结 合 的 电 子 系 统 而 言 , 它 的 信 息 处 理 、 决 策 与 控 制 的 大 部 分 可 由 含 有 CPU 的 微

21、 处 理机 ( 如 单 片 机 ) 的 电 子 系 统 来 实 现 。 所 以 从 组 成 来 讲 , 一 般 可 以 把 电 子 系 统 看 成 由 三 大 部 分 组 成 : 模 拟 子 系 统 、 数 字 子 系 统 与 微 处 理 机 子 系 统 。 之 所 以 把 以 上 三 个 部 分 称 为 三 个 子 系 统 , 是 因 为 这 些 部 分 一 般 已 不 是 1 2 块 简 单 模 块 电 路 可 以 实 现 的 , 它 们 本 身 也 构 成 了 一 个有 特 定 功 能 、 相 对 完 整 的 电 路 系 统 。 实 现 电 子 系 统 的 器 件 种 类 繁 多 , 基

22、 本 上 包 括 了 大 部 分 电 子 元 器 件 , 它 们 是 中 大 规 模 或 超 大 规 模 集 成 电 路 、 专 用 集 成 电 路 、 可 编 程 器 件 以 及 不 可 缺 少 的 少 量 分 立 元 件 和 机 电 元 件 。从 类 型 来 看 , 电 子 系 统 又 可 分 为 智 能 型 与 非 智 能 型 两 种 。 顾 名 思 义 , 非 智 能 型 电 子 系 统 应 该 是 那 些 功 能 简 单 或 功 能 固 定 的 电 子 系 统 , 例 如 , 简 单 的 巡 回 检 测 报 警 系 统 等 。 可 是 什 么 是 智 能 型 电 子 系 统 呢 ?

23、至 今 还 没 见 到 过 一 个 简 单 明 确 的 权 威 论 述 。 虽 然 如 此 , 我 们 仍 可 参 照 人 类 活 动 规 律 , 找 出 智 能 型 所 应 具 有 的 特 点 , 从 而 得 出 必 要 的 结 论 。 智 能 型 的 第 一 个 特 点 是 必 须 有 记 忆 力 , 如 果 没 有 记 忆 力 则 根 本 不 可 能 由 此 及 彼 地 全 面 地 进 行 分 析 ; 第 二 个 特 点 是 具 有 学 习 能 力 和 便 于 学 习 各 种 知 识 , 而 且 这 些 知 识 可 运 用 于 实 践 ; 第 三 个 特 点 是 易 于 接 收 信 息

24、、 命 令 ; 第 四 个 特 点 是 具 有 分 析 、 判 断 和 决 策 能 力 ; 最 后 一 个 特 点 是 可 以 控 制 或 执 行 所 作 的 决 定 。 对 照 以 上 特 点 , 显 然 纯 硬 件 的 电 子 系 统 是 不 可 能 被 划 在 智 能 型 范 围 内 的 。 它 的 最 大 弱 点 是 硬 件 与 功 能 是 一 一 对 应 的 , 增 加 一 个 功 能 必 须 增 加 一 组 硬 件 , 改 变 功 能 必 须 改 变 电 路 结 构 。 所 以 纯 硬 件 结 构 不 具 有 便 于 学 习 的 能 力 , 因 此 它 不 具 有 智 能 型 的

25、特 点 。 只 有 由 带 有综 合 电 子 系 统 设 计 与 实 践2C PU 的 微 机 ( 单 片 机 ) 配 以 必 要 的 外 围 电 路 从 而 构 成 软 硬 结 合 的 电 子 系 统 才 具 有 智 能 型 的特 点 。 首 先 它 有 存 储 单 元 及 输 入 / 输 出 接 口 , 可 以 接 收 并 记 忆 信 息 、 数 据 、 命 令 以 及 输 出 并控 制 决 策 的 执 行 。 其 次 它 善 于 并 且 便 于 学 习 , 只 要 将 合 适 的 软 件 装 入 系 统 , 人 们 不 必 改 动 系 统 结 构 就 可 使 它 具 有 某 种 新 功

26、能 。 有 了 记 忆 能 力 , 它 就 可 以 进 行 必 需 的 分 析 、 判 断 , 完 成 一 些 决 策 , 从 而 具 有 智 能 型 的 特 点 。 因 此 我 们 把 以 微 机 ( 单 片 机 ) 为 核 心 组 成 的 软 硬 结 合 的 电 子 系 统 称 为 智 能 型 电 子 系 统 。从 功 能 来 看 , 大 概 有 以 下 几 种 电 子 系 统 , 例 如 : 测 控 系 统 : 大 到 航 天 器 的 飞 行 轨 道 控 制 系 统 , 小 到 自 动 照 相 机 快 门 系 统 以 及 工 业 生产 控 制 等 ; 测 量 系 统 : 电 量 及 非

27、电 量 的 精 密 测 量 ; 数 据 处 理 系 统 : 例 如 语 音 、 图 像 、 雷 达 信 息 处 理 等 ; 通 信 系 统 : 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 , 可 以 单 台 工 作 也 可 以 多 台 连 网 ; 家 电 系 统 : 多 媒 体 彩 电 、 数 字 式 视 频 光 盘 机 等 。以 上 例 举 的 众 多 电 子 系 统 , 它 们 的 功 能 不 同 、 规 模 不 同 、 使 用 场 合 不 同 , 因 此 对 它 们 的 要 求 也 不 同 , 从 而 衡 量 这

28、 些 系 统 的 指 标 也 不 同 。 衡 量 电 子 系 统 的 指 标 可 分 为 功 能 、 工 作 范 围 、 容 量 、 精 度 、 灵 敏 度 、 稳 定 性 、 可 靠 性 、 响 应 速 度 和 使 用 场 合 、 工 作 环 境 、 供 电 方 式 、 功 耗 、 体 积 重 量 , 等 等 。 对 不 同 系 统 而 言 , 系 统 指 标 要 求 不 同 , 例 如 , 航 天 器 中 的 轨 道 控 制 系 统 的 动 态 工 作 范 围 、 精 度 、 响 应 速 度 、 可 靠 性 、 体 积 重 量 、 功 耗 、 工 作 环 境 等 必 须 重 点 考 虑 ;

29、 通 信 系 统 则 重 视 容 量 、 灵 敏 度 、 稳 定 性 、 使 用 场 合 等 ; 家 电 系 统 主 要 考 虑 功 能 、 稳 定 性 、 可 靠 性 、 成 本 及 价 格 等 , 而 对 供 电 方 式 、 精 度 、 响 应 速 度 等 指 标 不 作 过 多 考 虑 。 系 统 设 计 人 员 应 根 据 系 统 类 型 、 功 能 要 求 、 指 标 要 求 , 细 化 出 每 个 待 设 计 的 子 系 统 的 技 术 指 标 以 便 进 行 设 计 。 在 细 化 过 程 中 必 须 注 意 尽 量 符 合 国 家 标 准 或 部 颁 标 准 , 有 可 能 时

30、 还 应 符 合 国 际 标 准 , 以 便 产 品 走 向 世 界 。 在 细 化 中 应 该 注 意 系 统 的 档 次 定 位 、 技 术 含 量 恰 当 、 符 合 发 展 潮 流 、 性 能 价 格 比 高 , 以 满 足 市 场 需 求 。根 据 待 设 计 的 电 子 系 统 的 特 点 以 及 使 用 的 技 术 层 次 , 可 将 电 子 系 统 设 计 分 成 三 种 类 型 : 新 系 统 开 发 设 计 。 开 拓 、 研 制 一 个 崭 新 的 电 子 系 统 , 所 用 的 部 分 技 术 、 电 路 、 器 件有 待 于 同 期 开 发 , 属 于 创 新 、 开

31、 拓 、 科 研 型 的 设 计 类 型 ; 新 产 品 开 发 型 设 计 。 利 用 现 有 成 熟 技 术 、 电 路 及 器 件 , 开 发 出 满 足 市 场 需 求 的 新 产品 、 新 设 备 , 属 于 开 发 型 的 设 计 类 型 ; 新 技 术 应 用 型 开 发 设 计 。 介 于 以 上 两 种 类 型 之 间 , 将 新 技 术 、 新 器 件 应 用 于 电 子 系统 的 开 发 , 将 电 子 系 统 的 性 能 提 高 到 一 个 新 的 档 次 。根 据 以 上 介 绍 的 电 子 系 统 功 能 、 应 用 范 围 以 及 设 计 类 型 可 知 , 电

32、子 系 统 设 计 牵 涉 的 范 围 非 常 广 , 而 且 涉 及 的 技 术 层 次 也 大 不 相 同 。 那 么 本 书 的 内 容 将 设 定 在 什 么 范 围 呢 ? 根 据 本 书 所 面 向 的 读 者 及 使 用 范 围 , 其 内 容 将 限 定 于 设 计 一 个 实 用 的 完 整 的 小 电 子 系 统 , 诸 如 温 控 系 统 、 信 号 产 生 器 、 出 租 车 计 价 器 等 , 属 于 新 产 品 开 发 型 设 计 类 型 , 但 不 能 过 多 涉 及 一 些 实 际 生 产 中 的 问 题 , 只 能 集 中 篇 幅 给 读 者 提 供 一 个

33、从 单 元 电 路 、 基 本 原 理 、 实 用 器 件 到 实 用 小 系 统 的 桥 梁 , 使 读 者 学 会 并 掌 握 电 子 系 统 设 计 与 开 发 的 方 法 。根 据 以 上 目 的 , 同 时 根 据 电 子 系 统 的 组 成 和 使 用 器 件 , 本 书 内 容 包 括 : 电 子 系 统 的 设 计 方 法 , 包 括 各 个 子 系 统 的 设 计 方 法 , 诸 如 数 字 子 系 统 设 计 方 法 、 模第 1 章 电 子 系 统 设 计 导 论 3拟 子 系 统 设 计 方 法 、 微 机 ( 单 片 机 ) 子 系 统 设 计 方 法 以 及 数 字

34、 信 号 处 理 技 术 ; 应 用 新 器 件 可 编 程 逻 辑 器 件 设 计 数 字 系 统 的 方 法 ; 电 子 系 统 可 能 涉 及 到 的 一 些 器 件 , 诸 如 传 感 器 、 输 入 / 输 出 设 备 、 执 行 机 构 以 及 一 些实 用 器 件 的 特 性 及 使 用 方 法 , 但 它 们 的 原 理 将 不 过 多 涉 及 ; 以 若 干 实 用 性 很 强 的 设 计 举 例 贯 穿 于 全 书 的 各 章 节 , 以 供 学 习 设 计 方 法 时 参 考 ; 电 子 系 统 的 调 试 及 实 现 方 法 , 用 以 指 导 读 者 的 实 践 活

35、动 。 本 书 是 一 本 既 有 理 论 方 法 又 有 实 际 设 计 举 例 ( 理 论 与 实 际 相 结 合 ) , 又 具 有 很 强 实 用 性的 教 学 指 导 书 。 同 时 它 又 是 一 本 自 学 参 考 书 , 是 广 大 读 者 进 入 电 子 系 统 设 计 领 域 的 有 力 助 手 和 工 具 。1 . 2 电 子 系 统 设 计 方 法1 . 2 . 1 电 子 系 统 设 计 过 程在 大 多 数 情 况 下 , 电 子 系 统 的 设 计 方 法 采 用 自 上 而 下 ( top-down ) 的 设 计 方 法 。 设 计 人 员 根 据 用 户 要

36、 求 进 行 设 计 。 用 户 要 求 一 般 表 示 为 无 二 义 性 的 自 然 描 述 语 言 、 硬 件 描 述 语 言 以 及 系 统 的 总 体 技 术 指 标 等 , 以 系 统 设 计 要 求 或 系 统 说 明 书 方 式 提 供 。 有 些 资 料 把 用 户 要 求 这 个 层 次 概 括 为 功 能 级 。 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 方 框 图 。 在 构 成 总 体 方 框 图 时 应 不 断 地 消 化 并 理 解 用 户 要 求 , 必

37、 要 时 与 用 户 磋 商 讨 论 , 进 一 步 明 确 一 些 可 能 存 在 的 不 明 确 的 地 方 , 补 充 确 定 一 些 设 计 要 求 中 未 曾 列 出 的 必 要 的 技 术 要 求 、 指 标 等 。 总 体 方 框 图 由 若 干 个 方 框 构 成 , 每 一 个 方 框 都 是 一 个 功 能 相 对 单 一 的 子 系 统 , 例 如 : 存 储 器 系 统 、 数 据 处 理 系 统 、 输 入 / 输 出 系 统 等 。 同 时 , 根 据 设 计 要 求 及 指 标 规 定 每 个 子 系 统 的 性 能 指 标 , 类 似 于 把 用 户 要 求 层

38、 次 概 括 为 功 能 级 , 把 带 有 技 术 指 标 要 求 的 系 统 总 体 方 框 图 概 括 为 处 理 器 级 。 然 后 , 设 计 人 员 应 对 总 体 方 框 图 中 的 每 一 个 方 框 ( 子 系 统 ) 的 结 构 进 行 分 析 及 设 计 。 根 据 它 在 系 统 中 的 功 能 及 指 标 构 成 该 方 框 ( 子 系 统 ) 的 详 细 方 框 图 , 要 使 详 细 方 框 图 中 的 每 一 个 小 方 框 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

39、 系 统 的 性 能 指 标 的 实 现 。 通 常 把 这 个 层 次 概 括 为 寄 存 器 级 。 对 于 一 个 初 级 的 电 子 系 统 设 计 人 员 而 言 , 构 成 了 寄 存 器 级 方 框 图 就 等 于 初 步 完 成 了 系 统 设 计 的 理 论 部 分 。 还 应 该 说 明 的 是 : 自 上 而 下 的 设 计 方 法 是 一 个 不 断 求 精 、 逐 步 细 化 、 分 解 的 过 程 , 但 并 不 是 单 方 向 的 。 在 下 一 级 的 构 成 及 设 计 过 程 中 可 能 会 发 现 上 一 级 的 问 题 或 不足 , 从 而 必 须 反

40、过 来 对 上 一 级 的 构 成 及 设 计 加 以 修 正 。 所 以 自 上 而 下 的 设 计 过 程 是 一 个 不 断 反 复 修 正 的 过 程 , 最 后 制 订 出 可 行 的 方 案 。 完 成 了 理 论 之 后 , 下 一 步 的 工 作 就 是 根 据 框 图 以 及 要 求 , 采 购 器 件 、 设 计 印 刷 电 路 板 、 装 配 、 调 试 。 如 果 在 调 试 中 发 生 问 题 , 还 要 修 改 部 分 设 计 及 更 换 器 件 , 以 保 证 性 能 合 乎 要 求 。 最 后 还 应 完 成 必 要 的 设 计 报 告 、 测 试 报 告 及

41、各 种 文 档 整 理 , 从 而 完 整 地 结 束 系 统 的 设 计 过 程 。如 果 还 希 望 进 一 步 提 高 结 果 的 档 次 , 例 如 用 可 编 程 器 件 实 现 部 分 电 路 或 者 直 接 设 计 成 专 用 集 成 电 路 ( ASIC) 。 在 获 得 了 寄 存 器 级 方 框 图 后 , 设 计 人 员 应 该 用 寄 存 器 描 述 语 言 ( 当 前 通 用 VHDL 语 言 ) 或 软 件 规 定 的 语 言 , 对 寄 存 器 级 方 框 图 进 行 描 述 , 经 过 编 译 、 仿 真 等 操作 后 , 形 成 可 编 程 器 件 或 专 用

42、 集 成 电 路 的 版 图 供 集 成 电 路 厂 家 去 生 产 专 用 集 成 电 路 。 电 子 系 统 的 理 论 设 计 过 程 可 用 图 1 . 2 . 1 表 示 。综 合 电 子 系 统 设 计 与 实 践4图 1 . 2 . 1 电 子 系 统 的 理 论 设 计 过 程一 个 智 能 电 子 系 统 应 包 括 有 软 、 硬 件 两 部 分 , 同 时 还 应 有 模 拟 子 系 统 部 分 。 对 于 一 个 智 能 型 电 子 系 统 而 言 , 在 设 计 开 始 时 就 应 该 有 一 个 软 、 硬 件 分 工 的 安 排 , 然 后 再 分 别 进 行 硬

43、 件 系 统 设 计 和 软 件 系 统 设 计 。 而 有 关 模 拟 子 系 统 的 设 计 则 应 在 系 统 设 计 的 同 时 , 根 据 模 拟 信 号 的 特 点 , 采 用 数 据 流 法 对 模 拟 子 系 统 的 结 构 进 行 安 排 。 因 为 在 一 个 电 子 系 统 中 , 一 般 占 主 要 部 分 的 是 数 字 子 系 统 , 模 拟 子 系 统 只 在 信 号 的 输 入 、 输 出 等 局 部 电 路 中 起 主 要 作 用 , 而 且 总 是 根 据 模 拟 信 号 的 流 向 及 对 模 拟 信 号 的 要 求 安 排 模 拟 子 系 统 的 各 个

44、 环 节 。 设 计 人 员 可 用 方 框 图 及 技 术 指 标 来 描 述 模 拟 子 系 统 , 然 后 再 硬 件 实 现 。 但 由 于 模 拟 集 成 电 路 的 集 成 度 较 低 、 品 种 不 齐 、 覆 盖 面 不 广 , 以 致 个 别 电 路 还 必 须 用 小 规 模 电 路 或 是 分 立 元 件 来 实 现 。 因 此 模 拟 子 系 统 的 方 框 图 中 最 后 应 落 实 到 硬 件 可 以 实 现 的 层 次 , 而 不 只 限 于 集 成 电 路 。还 应 该 明 确 的 是 , 以 上 全 部 设 计 过 程 都 是 手 工 设 计 过 程 ( 可

45、编 程 器 件 及 专 用 集 成 电 路 实 现 除 外 ) , 这 也 是 目 前 小 系 统 常 用 的 设 计 方 法 。 对 初 学 者 及 简 单 用 户 来 讲 是 有 实 用 价 值 的 , 它 是 电 子 系 统 设 计 的 基 础 知 识 。1 . 2 . 2 现 代 电 子 系 统 的 设 计 方 法 及 工 具由 于 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 , 集 成 电 路 和 电 子 系 统 的 复 杂 程 度 大 概 是 每 6 年 提 高 10 倍 , 因 此 电 子 设 计 的 复 杂 程 度 也 在 相 应 提 高 。 简 单 的 手 工 设 计 方 法 已 无

46、 法 满 足 现 代 电 子 系 统 设 计 的 要 求 。 因 此 许 多 软 件 公 司 纷 纷 研 制 采 用 自 上 而 下 设 计 方 法 的 计 算 机 辅 助 设 计 系 统 。 在 20 世纪 70 年 代 中 叶 有 了 基 于 手 工 布 局 布 线 的 第 一 代 CAD 工 具 ( 计 算 机 辅 助 设 计 ) , 1981 1982 年 出 现 了 基 于 原 理 图 设 计 仿 真 的 第 二 代 EDA 系 统 ( 电 子 设 计 自 动 化 ) , 到 了 1987 1988 年 又 推 出 了 基 于 RT L ( 寄 存 器 传 输 语 言 ) 的 设 计

47、 、 仿 真 、 逻 辑 综 合 的 第 三 代 EDA 技 术 。 时 至 今 日 , 又 是 10 年 过 去 了 , 电 子 系 统 的 复 杂 程 度 又 提 高 了 10 多 倍 , 第 三 代 EDA 工 具 面 临 着 以 下 四 大 难 题 : 功 能 验 证 需 要 花 费 大 量 时 间 , 可 能 要 花 费 半 年 左 右 时 间 才 可 能 对 实 用 的 电 子 系 统 ,诸 如 图 像 、 信 号 处 理 、 无 线 通 信 及 网 络 应 用 方 面 的 设 计 进 行 模 拟 验 证 。 控 制 系 统 的 设 计 相 当 复 杂 , 描 述 、 设 计 、

48、修 改 困 难 , 而 且 非 常 容 易 出 错 , 稍 一 不 慎 就 会 导 致 重 新 设 计 。 体 系 结 构 的 优 化 代 价 太 大 , 由 于 实 现 一 个 方 案 需 经 过 大 量 时 间 的 设 计 及 验 证 , 人 们 无 法 对 多 种 方 案 进 行 优 化 选 择 。第 1 章 电 子 系 统 设 计 导 论 5 理 论 设 计 与 实 际 器 件 性 能 在 时 间 延 迟 方 面 存 在 严 重 不 同 , 由 于 深 亚 微 米 (0 . 5 m 以 下 ) 的 器 件 工 艺 导 致 理 论 设 计 与 实 际 器 件 之 间 在 时 间 延 迟

49、等 方 面 相 差 很 大 , 人 们 很 难 在 设 计 阶 段 发 现 并 解 决 。为 了 解 决 以 上 难 题 , 世 界 上 各 大 软 件 公 司 纷 纷 推 出 新 一 代 EDA 设 计 软 件 , 其 中 以 新 思公 司 ( Synopsys) 于 近 两 年 推 出 的 高 级 DSP 系 统 设 计 工 具 Cossap 及 行 为 级 综 合 优 化 工 具 Be- havioral Compiler 最 具 有 代 表 性 。 在 数 据 处 理 以 及 一 些 通 信 领 域 中 , 以 Cossap 及 Behavioral Compiler 为 代 表 的 新 一 代 EDA 设 计 软 件 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 。 Cossap 软 件 的 最 基 本 的 特 点 是 人 们 只 需 要 将 系 统 的 功 能 ( 行 为 ) 计 算 法 用 类 似 于 C 语 言 的 程 序 写 出 源 代 码 , 在 cossap 的 框 图 编 辑 器 环