1、 电子信息与电气学科规划教材电子信息科学与工程类专业 复杂电子系统设计与实践 刘克刚 陈 曦 王卫兵 张 兰 编著 内 容 简 介 本书以复杂电子系统设计为目标，其内容围绕电子系统的设计与实现方法来安排。全书共 19 章，第 1 章至第8 章详细介绍微机应用系统的设计与实践，第 9 章至第 15 章主要阐述EDA 的典型应用FPGA/CPLD 电路设计与实践，第 16 章至第 18 章重点分析若干复杂电子应用系统的设计思想和设计方法，第 19 章简要讨论电子系统设计中所涉及的工程实现方面的有关问题。为方便教学，本书配有免费电子教学课件。本书取材广泛，内容上既有深度又有广度，叙述由浅入深，理论、
2、分析与设计相结合，前后连贯，系统性较强。为了体现本书的实践性，书中对每一种典型电子系统都提供了设计方案和设计方法，同时在进行各种电子系统设计时尽可能采用能反映近代电子技术发展的新器件、新技术，注重内容的新颖性和实用性。本书可作为高等院校电子科学与技术及信息与通信类专业高年级本科生和研究生的教材及参考书，也可作为全国大学生电子设计竞赛赛前训练和大学生从事电子技术方面的课外科技创新等实践环节的教材，还可作为工程设计人员的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 复杂电子系统设计与实践/刘克刚等编著北京：电子工业出版社，2010.
3、6 电子信息与电气学科规划教材.电子信息科学与工程类专业 ISBN 978-7-121-11032-0 复 刘 电子系统系统设计高等学校教材 TN02 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2010)第 104132 号 策划编辑：段丹辉 责任编辑：段丹辉 特约编辑：王纲 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：23.5 字数：695 千字 印 次：2010 年 6 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：42.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社
4、发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。前 言 综合性、设计性实践训练已成为高等工程教育体系中不可或缺的课程之一，它与传统模式下的实验教学最大的不同之处在于：传统模式下的实验教学一般给出实验原理(或电原理)、实验器材、实验步骤及方法，以验证性实验为主，缺乏对学生综合素质能力的训练和培养。近年来由于电子技术的发展，电子产品设计理念、方法及环境都有了重大的变化。尤其是设计环境的变化、微电子技术的迅猛发展及 EDA 技术的引入，使现代电子产品的复杂性大大上升。当代电子系统的设计方法与环境所发生的巨大
5、变化，是对高等院校理工科电子科学与技术及信息与通信类专业大学生的一个强有力的挑战。但目前的现状是，电子科学与技术及信息与通信类专业大学生在电子系统设计及应用上获得的训练远远少于传统模式下的验证性实验的训练和指导，满足不了现代社会在工业应用及科研实践活动中对综合型应用人才的需求。基于对这种状况的反思，武汉大学电子信息学院从 1996 年开始设置了“电子系统设计与实践”的实验课程，并编写了相应的讲义。经过多年的教学实践取得了较好的效果，2001年获湖北省高等学校省级教学成果三等奖，2005 年获湖北省高等学校省级教学成果二等奖。2007 年武汉大学国家电工电子实验教学示范中心的建立为实验教学的改革
6、注入了新的动力，为了进一步深化实验教学改革，满足高校电子科学与技术及信息与通信类专业培养具有综合电子系统设计能力与创新素质人才的需要，在总结经验与吸收各方面意见的基础上，我们组织编写了复杂电子系统设计与实践这本书。本书是依据高等院校电子技术实践教学大纲的基本要求，并结合作者多年教学与科研的经验而编写的。本书以普通高等院校电子科学与技术及信息与通信类本科三、四年级学生为主要对象，以具有较大难度的基于微处理器和大规模可编程器件的测控和通信系统及具有严格技术指标的集成化功能产品为设计目标，旨在通过提供系统的综合性、设计性的电子系统设计的训练，来提高学生的综合素质能力。本书在正式出版前，曾作为校内选修
7、课和电子设计竞赛赛前培训的内部教材，使用过程中得到了学生的肯定和好评。本书共 19 章，主要内容大体分为三个部分：第一部分(第 1 章第 8 章)为微机应用系统的设计与实践，主要介绍基于 MCS-51/52 单片机应用系统的设计，内容涉及数字信号源、数字频率计、数据采集与回放、数据传输、控制策略与算法研究及简单测试仪器的设计与实现等；第二部分(第 9 章第15 章)为 EDA 应用FPGA/CPLD 电路设计与实践，在简单介绍 FPGA/CPLD 的设计流程的基础上，通过若干设计实例讨论了基于 FPGA 的外设控制电路、协议转换电路、数字信号处理电路及其他复杂系统的设计；第三部分(第 16 章
8、第 19 章)为复杂电子系统设计，内容涉及基于 NiosII 处理器、DSP处理器和 ARM 处理器的应用电路系统的设计思想、设计方法及其他细节。对于电子系统设计中所涉及的工程实现方面的有关问题，如抗干扰及电磁兼容、热特性、可测性、可靠性及信号完整性等，也进行了讨论。本书具有如下主要特点：(1)以综合性、设计性的实验作为训练手段，以素质教育为目标，具体内容围绕基于微型计算机平台的复杂电子系统的设计与应用而展开。本书强调了对构成电子系统的三种基本子系统模拟系统、数字系统及微机子系统的设计问题及电子系统工程实现中的难点的训练。对 DSP(数字信号处理)子系统的设计与应用也有专门章节讨论。(2)以新
9、颖、实用的综合性、设计性课题为牵引点，带动学生的学习积极性，强调学生的动手能 III IV 力的培养和提高。采用引导、开放式的教学形式，由浅入深，逐步引导，注重学生理性逻辑思维能力及综合能力的提高。(3)本书的着眼点是让学生从理论学习的轨道逐步走向实际应用与工程设计实现，把理论上的定性分析与定量计算、实验调整等手段结合起来，掌握电子系统工程设计的步骤和方法，了解和熟悉科学实验的程序和实施方法，为以后的工程技术及科研实践工作奠定基础。(4)采用与计算机技术、微电子技术及电路系统理论平行发展起来的EDA 技术完成现代电子系统的设计是本书内容的另一重点。本书强调了在选择和使用 EDA 工具及从设计方
10、法学的观点出发掌握EDA 工具设计系统流程的重要性。(5)注重拓宽学科基础、扩展知识面，使强电与弱电结合、硬件和软件结合，注重新技术、新知识、新方法、新器件的学习和应用。(6)选题均为综合性、设计性课题，涵盖内容广泛，包括了低频、高频、模拟电路、数字电路、通信原理、微机原理、单片机技术、可编程器件、数字信号处理器件、嵌入式系统 ARM 等课程的知识，培养学生对相关理论知识的综合应用能力。(7)注意选题与设计的合理性及难度的综合分析与把握。选题的多样化及不同难度的搭配，方便教师在组织教学过程中采取分层次的教学方法，使不同水平的同学都能得到符合自身能力特点的训练。(8)强调和突出自我能力的培养，给
11、出了设计范例及方案论证，但要求学生独立进行系统设计。由于题目及内容的多样化、实用性，有助于培养学生独立获取资料及信息的能力，以获得好的设计思想。本书由刘克刚教授负责统稿与定稿。第 18,19 章由刘克刚、张兰编写，第 911,14,15,18 章由陈曦编写，第 12,13,16,17 章由王卫兵编写。孙世磊、徐江丰、徐心毅、王春林也参与了本书部分章节的编写。为了方便教师教学，本书配有免费电子教学课件，可以登录华信教育资源网(http:/)注册下载或发送电子邮件至 索取。本书的编写既是对多年教学成果的总结和升华，也是一种尝试，虽然付了很大的努力，但由于编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，恳请
12、读者批评指正。如果读者在阅读本书的过程中发现了错误或有改进的建议，请通过电子邮件 LKG 与编者联系。编 者 于武汉大学 V 目 录 第 1 章 电子系统设计导论 (1)1.1 电子系统概述 (1)1.1.1 相关概念(1)1.1.2 电子系统的构成(2)1.2 电子系统的设计 (2)1.2.1 电子系统设计的一般方法(2)1.2.2 电子系统设计的一般步骤(3)1.2.3 传统手工设计步骤(5)1.2.4 电子系统设计的EDA 方法(5)1.3 各种电子系统设计步骤综述 (6)1.3.1 数字系统的设计步骤(7)1.3.2 模拟系统的设计步骤(7)1.3.3 以微机(单片机)为核心的电子 系
13、统的设计步骤(7)第 2 章 简单系统的设计与实践 (8)2.1 引言 (8)2.2 通用 MCS-51/52 单片机最小系统 (9)2.2.1 通用 MCS-51/52 单片机最小系统的 主要组成部分介绍(10)2.2.2 通用 MCS-51/52 单片机最小系统的 应用实验举例(14)2.3 基于单片机系统的简易电子琴的设计 与实现 (19)2.3.1 设计任务的分析及设计模型的 建立(19)2.3.2 系统具体的设计和实现(22)2.3.3 提高部分难点提示(25)2.4 LED 显示屏系统的设计与实现 (26)2.4.1 设计任务的分析(27)2.4.2 以单片机为控制核心的 LED
14、显示 屏的设计(27)2.4.3 系统的设计思路与实现方式(30)2.4.4 基于 PC 平台的 LED 显示屏系统 分析(34)2.5 本章小结 (36)第 3 章 时间(频率)的数字化测量 (37)3.1 引言 (37)3.2 频率测量原理及误差分析 (37)3.2.1 频率或脉冲速率的数字测量方法(39)3.2.2 时间参数的数字测量方法(39)3.2.3 电子计数器的测量误差(39)3.3 数字频率计系统设计(44)3.3.1 设计任务的分析及方案论证(45)3.3.2 等精度测量的技术实现难点分析(47)3.3.3 周期脉冲信号占空比测量原理(50)3.3.4 系统具体的设计和实现(
15、50)3.3.5 基于CPLD的数字频率计的设计(53)3.4 相位测量(55)3.4.1 相位测量方案分析与论证(55)3.4.2 系统设计与实现(57)3.5 本章小结(58)第 4 章 数字信号源的设计与实现(59)4.1 引言(59)4.2 频率合成技术及常用方法介绍(59)4.2.1 直接频率合成(DFS)(60)4.2.2 采用锁相环(PLL)电路的频率 合成(60)4.2.3 直接数字频率合成(DDS)(61)4.3 基于 PLL 的数控信源的设计(63)4.3.1 系统设计方案分析(63)4.3.2 系统模块分析和设计(64)4.3.3 系统软件设计(68)4.3.4 系统调试
16、(68)4.4 基于 DDS 的数控信源的设计 (69)4.4.1 DDS 的相关分析(69)4.4.2 系统设计分析与理论计算(71)4.4.3 系统整体设计(74)4.4.4 系统硬件设计(74)4.4.5 系统软件设计(76)4.4.6 噪声分析和降噪措施(77)4.5 任意波形发生器的设计与实现(80)4.5.1 波形发生器系统设计方案(80)4.5.2 系统设计关键点分析(81)4.5.3 系统软件设计(84)4.6 数字移相器的设计(85)4.6.1 系统设计原理分析(86)VI 4.6.2 系统设计方案和难点分析(88)4.6.3 系统软件设计(90)4.7 本章小结 (91)第 5 章 数据采集与回放系统的设计与实现(92)5.1 引言 (92)5.2 数据采集与回放系统设计方法概述(92)5.2.1 采集系统分类(92)5.2.2 数据采集过程(93)5.2.3 A/D转换器与D/A转换器的选取(93)5.3 高精度数据采集与回放系统的设计 (99)5.3.1 系统分析与设计(100)5.3.2 系统各模块的设计(100)5.3.3 工作模式分析与设计(105)5.3
