鉴于模拟器件电子系统教学分析

电子系统是指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，简言之就是凡是可以完成一个特定功能的完整的电子装置。作为实践教学环节中具有承上启下作用的电子系统设计，目的在于巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用。学生根据所给定的任务或选择的对象，在教师指导下独立查阅资料，设计、安装和调试特定功能的电子电路系统，通过应用系统硬件和软件的设计，有利于提高他们的工程素质和科学实践能力，是应用型人才培养成长的必由之路，也是学生参加各层次创新项目实践活动及全国大学生电子竞赛等相关科技活动的必要实践环节。

电子系统的种类较多，从总体上可分为模拟系统、数字系统和模/数混合系统三大类。在数字系统中，又可分为以标准数字集成电路(如TTL、CMOS器件)为核心的电子系统以及以MPU、MCU、PLD、ASIC为核心的电子系统。在模/数混合系统中，以SOC为核心的电子系统发展最为迅猛。以模拟器件为核心的电子系统是基本的，该设计环节对于学生巩固及应用已学电子技术理论和基本技能，进一步提高实际工作能力和培养创新能力具有不可替代的作用。

一、电子系统设计的基本原则

电子电路系统设计时应遵循以下几个基本原则:

(1)满足系统功能和性能指标要求，这是电子电路系统设计时必须满足的基本条件。

(2)电路优化。在满足功能和性能要求的情况下，通过优化的简单电路系统既经济又可靠。

(3)电磁兼容性好。电磁兼容性是现代电子电路系统应具备的基本特性。

(4)可靠性高。电子电路系统的可靠性要求与系统的实际用途、使用环境等因素有关。

(5)系统集成度高。最大限度地提高集成度，是电子电路系统设计应当遵循的一个重要原则。

(6)调试简单方便。

(7)生产工艺简单。生产工艺是电子电路系统设计者应当考虑的一个主要问题，无论是批量产品还是样品，生产工艺对电路的制作与调试都是相当重要的一个环节。

(8)操作简便、性价比高。

二、电子系统的设计方法根据电子系统的功能和结构上的层次性，通常有如下三种设计方法。

1.自顶向下的设计方法这种设计方法就是设计者根据原始设计指标或用户需求，从整体上规划整个系统的功能和性能，然后对系统进行划分，分解为规模较小、功能较简单且相对独立的子系统，并确定它们之间的相互关系。这种划分过程可以不断进行下去，直到划分得到的单元可以映射到物理实现，实现可以是具体的部件、电路和元件，也可以是VLSI的芯片版图。

2.自底向上的设计方法

这种设计方法就是设计者根据要实现系统的各个功能的要求，首先从现有的可用的元件中选出最合适的，设计成一个个的部件，当一个部件不能直接实现系统的某个功能时，需设计出由多个部件组成的子系统去实现该功能，上述过程一直进行到系统所要求的全部功能都实现为止。该方法的优点是可以继承使用经过验证的、成熟的部件与子系统，从而可以实现设计重用，减少设计的重复劳动，提高设计生产率。其缺点是设计过程中设计人员的思想受限于现成可用的元件，故不容易实现系统化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设计。

3.以自顶向下方法为主导结合使用自底向上的设计方法

随着SOC(单芯片系统)的出现，为了实现设计重用以及对系统进行模块化测试，通常采用以自顶向下方法为主导，并结合使用自底向上的方法，这样既能保证实现系统化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设计，又能充分利用IP核，减少设计的重复劳动，提高设计生产率，因而得到普遍采用。

三、基于模拟器件的电子系统设计流程

基于模拟器件的电子系统设计的流程如图1所示。模拟电路种类较多导致系统的设计步骤将有所差异，流程图中的环节应随设计的实际作调整或交叉进行、重复。

1.明确设计任务

该阶段是对系统的设计任务进行具体的分析，充分了解系统的性能、指标、内容及要求，掌握系统的基本特征，以便明确系统应完成的任务。

2.总体方案选择

该阶段针对所提出的任务、要求和条件，从全局着眼，用具有一定功能的若干单元电路构成一个整体，来实现系统的各项性能。通常符合要求的总体方案不止一个，设计者应当针对任务、要求和条件，查阅有关资料，广开思路，提出若干种不同的方案，然后逐一分析每一个方案的可行性和优缺点，再加以比较，择优选用。

3.单元电路设计

在确定总体方案后，便可以画出详细框图，设计单元电路。设计单元电路的一般方法和思路如下:

(1)根据设计要求和已选定的总体方案的原理框图，明确对各单元电路的要求，必要时应详细拟定出主要单元电路的性能指标。注意各单元电路之间的相互配合，但要尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，以简化电路结构、降低成本。

(2)拟定出各单元电路的要求后，应全面检查一遍，确定无误后方可按一定的顺序分别设计各单元电路。

(3)选择单元电路的结构形式。最简单的办法是从以往学过的和了解的各种电路中选择一个合适的电路，但一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识、开阔眼界，从而找到适合的电路。具体设计时，在符合设计要求的电路基础上适当改进或进行创造性的设计。

4.计算和调整参数

电路设计中参数的计算方法主要在于正确运用课程中已经学过的分析方法，搞清电路原理，灵活运用计算公式。对于一般情况，计算参数应注意以下几点:①各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许范围内，并留有适当裕量;②对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最不利的情况考虑;③对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般按额定值的1．5倍左右考虑;④电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值;⑤在保证电路达到功能指标的前提下，应尽量减少所用元器件的品种、价格、体积、数量等。

5.元器件的选择

从某种意义上讲，电子电路设计就是选择最合适的元器件，并把它们最好地组合起来。首先要根据具体问题和方案，考虑需要哪些元件、每个元件应该具有哪些功能和性能指标;其次所需的元件哪些实验室有，哪些市场上能买到，价格如何，指导学生关心元器件的信息和新动向，多查资料。以下概括地说明设计中元器件的选择思路。

(1)阻容元件的选择。电阻和电容的种类很多，正确选择电阻和电容很重要，不同电路对电阻和电容的性能要求也不一样。设计是要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。

(2)分立元件的选择。分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电管、晶闸管等，根据用途、参数等进行选择。

(3)集成电路的选择。集成电路的品种很多，选用的方法一般是“先粗后细”，即先根据总体方案考虑应该选用什么功能的集成电路，然后考虑具体的性能，最后根据供货、价格等因素选用某种型号的集成电路。

6.审图

在电路的设计过程中必然会有考虑不周的地方，各种计算也会出现误差甚至错误，所以在画出电路总图后，要进行全面审查。审查时要注意先从全局出发检查总体方案是否合适，各单元电路的原理是否正确，电路形式是否合适，再检查各单元电路之间的电平、时序配合是否合适，电路图中有无烦琐可优化之处，接着根据电路图中所标出的各元器件的型号、参数等验算是否能达到性能指标，有无恰当的裕量，同时需注意电路中各元件是否工作在额定值范围内，以免实验时损坏。

7.实验检测

一个电路的设计是一个复杂的过程，在这个过程中需要考虑很多的因素和问题，设计中难免会出一些差错。实验检测是设计电子电路必不可少的环节，通过实验检测可以发现设计中存在的问题，通过解决实验中所发现的问题，逐步完善设计，最终达到设计目标。在实验中所需要检测的内容主要有:各元件的性能和质量、各单元电路的功能和主要指标、各个接口电路的功效、总体电路的功能等。

四、电子电路的安装和调试

电子电路的安装和调试在电子工程技术中占有重要的地位。它是把理论付诸实践的过程，是把人们的主观设想转变为电路和电子设备的过程，是把设计转化为产品的过程。任何一个好的设计方案都是经过安装、调试和多次修改才形成的。安装主要涉及到结构布局、元器件的安排布置、线路的走向及连接等问题。电子电路系统的调试是电子电路设计中的重要内容，它包括电子电路的测试和调整两个方面。测试是对已经安装完成的电路进行参数及工作状态的测量，调整是在测试的基础上对电路元器件的参数进行必要的调整，使电路的各项性能指标达到设计要求。电子电路的调试通常有两种方法，其一是分块调试法，这是采用边安装边调试的方法，其二是统一调试法，即在整个电路系统安装完成之后，进行一次性的统一调试。以上两种方法的调试步骤基本一致，具体有:通电前的检查，主要内容是检查元器件、检查连线、检查电源进线;通电检查;静态调试;动态调试。例如，对于数字电路的动态调试，一般先调整好振荡电路，以便为整个电路提供时钟信号，然后再分别调整控制电路、信号处理电路、输入输出电路及各种执行机构，在调试过程中要注意各部分的逻辑关系和时序关系，应对照设计时的时序图，检查各点的波形是否正常。对于调试过程中出现的故障，常用的诊断方法有直接观察法、静态工作点测量法、信号寻迹法、对比法、元件替换法、旁路法、短路法、断路法、电子干扰的抑制措施等。

五、课程设计报告要求

课程设计报告是课程设计工作的总结和提高，课程设计报告应反映出设计者在课程设计过程中所做的主要工作与主要成果以及设计者在课程设计过程中的经验教训。课程设计报告也是对学生撰写科研论文和科研总结报告的能力训练，可为后续的毕业设计打基础。设计报告应要求逻辑清晰、层次分明、书写整洁。课程设计说明书须每人一份，独立完成。设计报告内容应包括:(1)课题名称;(2)内容摘要;(3)设计内容及要求;(4)系统设计，其内容主要包括:总体方案的确定，比较和选定设计的系统方案，作出系统框图，各单元电路的设计、参数计算和器件的选择，作出完整的电路图说明主要工作原理等;(5)系统的组装、调试，主要包括:使用的主要仪器仪表，调试电路的方法和技巧，测试数据和波形并与计算结果比较分析，调试中出现的故障、原因及排除方法;(6)总结设计电路的特点和方案的优缺点，提出改进意见;(7)列出参考文献。六、课程设计成绩的评定为期两周左右的电子系统设计，应从总体上客观、科学地综合评定学生的成绩。评定项目应包括:对设计任务的理解;设计方案是否科学、正确，可行性、创新性如何;设计结果(如硬件成果、软件程序等);指定时间与地点的出勤、设计态度、学习刻苦程度、遵守纪律;团结协作表现;设计报告的规范化、参考文献是否充分(不少于5篇);答辩等。