現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用專題-副本

1、分 數(shù): _ 任課教師簽字：_ 華北電力大學(xué)研究生結(jié)課作業(yè)學(xué) 年 學(xué) 期： 2015-2016第二學(xué)期名 稱： 現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用專題學(xué) 生 姓 名： 張文正學(xué) 號： 2132215061提 交 時 間： 2014年6月20日現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用專題結(jié)課報告1、現(xiàn)代電子系統(tǒng) 電子系統(tǒng)通常是指有若干相互連接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體。具體而言就是由電子元器件或部件組成的能夠產(chǎn)生、傳輸或處理電信號及信息的客觀實體。常提到的控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)等都屬于電子系統(tǒng)的范疇。1.1 現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成 電子系統(tǒng)分為模擬型和數(shù)字型或兩者兼而有之的混合型電子系統(tǒng)，無

2、論哪一種形式的電子系統(tǒng)，它們都是能夠完成某種任務(wù)的電子設(shè)備。一般把規(guī)模較，功能單一的稱為單元電路。而功能復(fù)雜，由若干個單元電路(功能塊)組成規(guī)模較大的電子電路稱為電子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)通常由信息獲?。ㄝ斎腚娐罚㈩A(yù)處理、信號處理、信號執(zhí)行（輸出電路）、主控模塊、電源模塊六大部分組成（如圖1所示）。圖1 現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成1）獲取信息：包括開關(guān)、傳感器、天線、以及輸入部分，主要通過傳感器或輸入電路，將外界信息轉(zhuǎn)換為電信號或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與信號源間的耦合匹配。2）預(yù)處理：主要解決信號的放大、衰減、濾波、去抖動等，即通常所說的“信號調(diào)理”，經(jīng)預(yù)處理的信號在幅度和其他諸多方面都比較適合于進(jìn)一步的分析和處理。3）

3、信號處理：主要完成信號和信息的采集、分析、計算、變換、傳輸和決策等，是整個電路的核心部分。4）信號執(zhí)行：主要包括處理信號顯示負(fù)載的驅(qū)動及輸出電路等。5） 控制模塊：主要完成對各部分動作的控制，使各部分能協(xié)調(diào)有序地工作。6）電源模塊：是電子系統(tǒng)中必不可少的部分，目前電源基本上都采用標(biāo)準(zhǔn)化電路，有許多成品可供選擇。1.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的特點1）模擬電路在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中占有重要地位數(shù)字電路占主要地位，但模擬電路必不可少。模擬電路和數(shù)字電路并存由于自然界的物理量大多以模擬量的形式存在，所以系統(tǒng)中模擬電路一般必不可少，特別是輸入電路部分、信號調(diào)理部分和輸出電路部分。數(shù)字化具有諸多優(yōu)點，故數(shù)字電路在電子系統(tǒng)

4、中占有極為重要的地位。從模擬量到數(shù)字量，或從數(shù)字量重新回到模擬量，A/D和D/A轉(zhuǎn)換作為兩者的橋梁已成為電子系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。2）數(shù)字化是大的趨勢對于規(guī)模較大的數(shù)字電路，固定的中小規(guī)模器件幾乎已被可編程器件（CPLD和FPGA等）所代替。數(shù)字化是大的趨勢，永遠(yuǎn)會朝著這個方向走。但永遠(yuǎn)不會代替模電。3）DSP、MCU已經(jīng)成為核心器件微處理技術(shù)和軟件所占的分量越來越重嵌入式系統(tǒng)、微處理器(CPU)成DSP已成為系統(tǒng)中控制和信號處理的核心。軟件設(shè)計可使系統(tǒng)的自動化、智能化、多功能化變得容易實現(xiàn)，軟件可使硬件簡化，成本降低。4）軟件化軟、硬件相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)嵌入系統(tǒng)集成器件及相關(guān)的外圍器件構(gòu)成了現(xiàn)代電

5、子系統(tǒng)的硬件環(huán)境。而軟件所占的比重越來越大，VHDL語言用以描述硬件，使之軟件化。1.2 電子系統(tǒng)未來的轉(zhuǎn)移方向1) 分立集成盡量少用分立元件，采用集成電路，盡量少用諸如三極管、二極管、電阻等分立元件。采用集成電路后，解決了大量的晶體管連接元件的銜接點出現(xiàn)焊接不良、布線錯誤的問題，從而提高產(chǎn)品的可靠性。同時采用集成電路后，可以使產(chǎn)品體積小、重量輕。這符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品在體積、重量方面的要求。2）模擬數(shù)字盡量少用模擬電路，模擬信號在長距離傳輸和多次加工、放大過程中信號電流的波形會改變，使信號失去一些信息，表現(xiàn)為聲音、圖像失真，嚴(yán)重時出現(xiàn)信號中斷。數(shù)字信號形式簡單，抗干擾能力強(qiáng)，可以進(jìn)行加密。3）固

6、定器件可編程器件盡量少用固定器件，采用可編程器件提供了一些優(yōu)于固定邏輯器件的重要優(yōu)點，在設(shè)計過程中為客戶提供了更大的靈活性，設(shè)計反復(fù)只需要簡單地改變編程文件就可以了，而且設(shè)計改變的結(jié)果可立即在工作器件中看到等。2 電子系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1選題選題要考慮實用性、先進(jìn)性、可行性等因素，同時進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的成本核算。2.2 方案的論證在進(jìn)行總體方案設(shè)計時，要仔細(xì)研究電子系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境因素等，與可以達(dá)到的技術(shù)水平、設(shè)備、資金的擁有量、必要的實驗場地、必備的元器件來源以及投入的人力和規(guī)定的完成時間等條件相比較，在此基礎(chǔ)上確立總體方案的可行性。2.3 總體方案的實現(xiàn)1）方法：仿真，利用仿真初步

7、判斷系統(tǒng)能否實現(xiàn)預(yù)先提出的要求，并加以改進(jìn)。2）借鑒：查閱資料，國內(nèi)外專利，打開思路；實地走訪，了解需求。3）集成創(chuàng)新：集成創(chuàng)新：可以將新的器件融入到設(shè)計當(dāng)中，實現(xiàn)所要求的功能。2.4 器件的選擇了解所需芯片的功能、運行速度、精度、價格，當(dāng)然還需要包括使用環(huán)境，合理選擇器件，滿足整體需求。2.5 分塊調(diào)試與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)1）SCH原理圖2）PCB制版3）分塊調(diào)試 A:電源部分 B:CPU部分最小系統(tǒng) C:輸入模塊，輸出串口4）聯(lián)調(diào)5）實驗室試驗6）現(xiàn)場試驗2.6 文件整理及設(shè)計報告完成所有工作以后，整理文件并撰寫設(shè)計報告，詳細(xì)描述所達(dá)到的要求，仍然存在的問題等。3電阻、電容、電感3.1電阻器電阻器是

8、指用電阻材料制成的、有一定結(jié)構(gòu)形式、能在電路中起限制電流通過作用的二端電子元件。1）電阻參數(shù) 電阻器的主要參數(shù)有標(biāo)稱阻值、標(biāo)稱功率、精度、溫漂。常用電阻的組織系列有1%、5%、10%；常用的電阻器功率標(biāo)稱值有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W等；精度有0.1%、0.01%等；溫度漂移1PPM是指溫度變化一度所引起的阻值相對變化了百萬分之一。2）電阻種類按材料分，有碳膜電阻、水泥電阻、金屬膜電阻和線繞電阻等不同類型。3.2電容電容（或稱電容量）是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。1）電容參數(shù)電容參數(shù)主要有容值、溫漂。容值包括33uF、77 uF、100 uF、220 uF等系列；電容溫漂很大

9、，世界上最好的電容溫漂是30PPM.2）漏電問題電容介質(zhì)不可能絕對不導(dǎo)電，當(dāng)電容加上直流電壓時，電容器會有漏電流產(chǎn)生。若漏電流太大，電容器就會發(fā)熱損壞。常用的電解電容容量大、體積小，存在漏電大的問題，用漏電流表示其絕緣性能（與容量成正比）。除電解電容外，其他電容器的漏電流是極小的，用絕緣電阻參數(shù)來表示其絕緣性能。3.3電感電感器具有通直流隔交流的元件。電感器的主要參數(shù)有電感量、允許偏差（精度）、品質(zhì)因數(shù)、分布電容及額定電流等。電感量：也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個物理量。電感量的基本單位是亨（H）。允許偏差：是指電感器上標(biāo)稱的電感量與其實際電感量的允許偏差范圍。品質(zhì)因數(shù)：品質(zhì)因

10、數(shù)也稱Q值，是衡量電感器質(zhì)量的主要參數(shù)，它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小。額定電流：指電感器正常工作時所允許通過的最大電流值。若工作電流超過額定電流，則電感器就會因發(fā)熱而使性能參數(shù)發(fā)生改變，甚至還會因過流而燒毀。4高精度的數(shù)據(jù)采集4.1影響測量精度的因素1）傳感器2）電路：A/D轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)源、溫漂4.2討論1）A/D選擇A/D是數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多、性能各異，在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，首先碰到的就是如何選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的問題。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越高、價格越貴。目前，大多數(shù)測

11、量裝置的精度值不小于01%0.5%，故A/D轉(zhuǎn)換器的精度取0.05%0。1%即可，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為1011位，加上符號位，即為1112位。當(dāng)有特殊的應(yīng)用時，A/D轉(zhuǎn)換器要求更多的位數(shù)，這時往往可采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案。A/D轉(zhuǎn)換電路的種類很多，例如，逐次逼近型、雙積分型、和差A(yù)D等等。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。在精度、速度和價格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價格低廉等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)換速度低。和差A(yù)D精度高、速度低。2）電壓基準(zhǔn)源理想的電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該具有完美的初始精度，并且在負(fù)載電流、溫度和時間變化時電壓保持穩(wěn)定不變。實際應(yīng)用中，設(shè)計人員必須在初始電壓精

12、度、電壓溫漂、遲滯以及供出/吸入電流的能力、靜態(tài)電流(即功率消耗)、長期穩(wěn)定性、噪聲和成本等指標(biāo)中進(jìn)行權(quán)衡與折衷。3）溫漂問題為了減小溫漂，采用一些補(bǔ)償措施在一定程度上抵消或減小其輸出的溫漂，一般采用軟件的方法進(jìn)行修正。4）傳輸過程電流信號遠(yuǎn)傳時不容易被干擾，但是電壓信號易受干擾，引起誤差。5）噪聲問題高精度測量還需要考慮噪聲問題。4.3比例測量法“以動制動”，其原則是盡量減少影響測量精度的器件，常用于測量壓力、溫度，傳感器一般是電阻器件的情形。5低功耗電子電路設(shè)計原則5.1 CMOS集成電路的功耗分析CMOS電路中有兩種主要的功耗來源:靜態(tài)功 耗和動態(tài)功耗。其中,動態(tài)功耗包括短路電流引起的功

13、耗(稱為直流開關(guān)功耗或短路功耗,發(fā)生在躍變過程中雙管同時導(dǎo)通引起的瞬態(tài)電流而形成的功耗)和負(fù)載電容的功耗(稱為交流開關(guān)功耗,由對負(fù)載電容充放電電流引起的功耗);靜態(tài)功耗主要是由漏電流引起的功耗。5.2低功耗系統(tǒng)的設(shè)計低功耗系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則：1）選擇CPU：430系列，電池供電最清潔，但是對靜電比較敏感，易受到電磁干擾。2）外圍器件：CPU實際耗電比較小，但是外圍電路需要耗費大量電量，比如模擬運放、顯示器等，應(yīng)當(dāng)合理選擇外圍器件。3）電源管理硬件，選擇合適的電源供電。4）運行管理模式：單片機(jī)在工作和休眠時耗電量不同。6波形產(chǎn)生器波形發(fā)生器是一種數(shù)據(jù)信號發(fā)生器，在調(diào)試硬件時，常常需要加入一些信號

14、，以觀察電路工作是否正常。6.1波形分類波形的種類很多，不同的波形有不同的定義和測量方法。正弦波形是在時域中定義的，但其波形失真參數(shù)卻用正弦波形通過傅里葉變換后在頻域中各諧波分量相對于基波幅度的大小來表示（見失真度測量）；鋸齒波的非線性是指實際波形偏離理想直線的程度，速率較低的鋸齒波的非線性可用等間隔精密采樣的方法進(jìn)行測量；脈沖波形測量的內(nèi)容較多。6.2波形產(chǎn)生電路分類振蕩器的種類很多，按信號的波形來分，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。正弦波振蕩器產(chǎn)生的波形非常接近于正弦波或余弦波，且振蕩頻率比較穩(wěn)定；非正弦波振蕩器產(chǎn)生的波形是非正弦的脈沖波形，如方波、矩形波、鋸齒波等。非正弦振蕩器的頻率

15、穩(wěn)定度不高。在正弦波振蕩器中，主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路稱為RC振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz1MHz的低頻信號。LC振蕩電路，是指用電感L、電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路，用于產(chǎn)生高頻正弦波信號。晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。這幾種電路，以石英晶體振蕩器的頻率最穩(wěn)定，LC電路次之，RC電路最差。6.3DDS直接數(shù)字合成直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術(shù)，通過控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率、不同波形信號的一種頻率合成方法。DDS的基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、正弦ROM表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。直接數(shù)字頻率合成（DDS）是近年來發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)，其主要優(yōu)點是相對帶寬很大，頻率轉(zhuǎn)換時間極短（可小于20 ns），頻率分辨率很高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)可調(diào)，且頻率、