电子系统综合设计与训练doc.docx

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电子系统综合设计与训练

指导书

编者：

陈巍曾宪阳陆欣云

南京工程学院

工程基础实验与训练中心

前言：

本课程是南京工程学院工程基础实验与训练中心系统集成专业、自动化学院相关专业课程体系与内容的教学改革的产物，是组成南京工程学院电工电子类专业技术基础课平台课程的课程之一，也是最重要的的一门实践性课程。

其目的是通过以工程实践或社会生活为背景的综合电子系统的研究、设计与实现，使学生能将已学过的模拟电路、数字电路与EDA技术、微机原理、单片机、嵌入式系统等多门课程知识综合运用于电子系统的设计中，从而培养学生知识综合应用及电子系统设计的能力，这是在所有实践性课程中最具活力，最能培养学生的自主学习与实践能力、培养学生创新思维的课程之一。

在教学中可以根据学生兴趣爱好及所在的各学科专业的实际要求，选择不同的实践课题。

授课方式：

本课程是研讨型实践课程，采用教师授课、自主学习与研究、演讲与讨论、设计与实践、答辩与验收等多种教学方式。

课程学时：

课内总学时120学时，其中：

授课10学时，专题讲座10课时，讨论40课时，实践60学时（实践2课时作1学时）；课内外学时比例：

1:

1

适合范围：

电类专业本科生

先修课程：

大学物理（含半导体器件物理）、电路分析基础、电子技术基础（模拟、数字）、单片机技术或嵌入式系统。

第一部分：

模拟电子技术、数字电子技术混合设计项目

项目一、正弦信号产生、转换计数显示电路的设计

【项目内容】

设计一个数模混合系统，包括信号的产生、转换、脉冲计数、译码、显示等。

电路应实现的具体功能与技术指标如下：

1.基本要求

（1）设计一个正弦信号产生电路，要求输出信号频率可调。

频率范围为500～1000Hz。

（2）设计一个正弦转方波变换电路，要求方波输出为TTL电平。

（3）设计一个分频器，要求能够对方波脉冲信号进行分频

（4）设计一个计数、译码、显示电路，要求能够对分频后的脉冲信号进行计数，并显示计数脉冲个数，用三位数码管显示。

2.提高要求

（5）完成分频器电路分频系数可控。

（6）对正弦信号产生电路输出的信号实现信号放大和衰减。

4．发挥部分

（7）实现对方波信号频率的测量

【项目目的】

1.了解项目过程：

学习、设计、实现、分析、总结。

2.系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路及单片机的知识，在单元电路设计的基础上，利用EWB或者Multisim，Protel软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。

3.通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。

【项目要求】

1.项目要求：

（1）根据项目内容、技术指标及项目室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。

（2）利用EDA软件进行仿真，并优化设计。

（3）实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。

（4）按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。

（5）撰写项目报告。

2.说明

要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。

【教学指导】

1.明确设计任务要求,确定总体方案

对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。

针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。

将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。

构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。

2.基本要求部分电路工作原理

正弦波发生电路可以选用RC正弦波振荡电路，正弦波方波转换电路可选用电压比较器电路来实现，脉冲分频电路可以选用计数器或移位寄存器来实现，脉冲计数应选用典型常用的计数器，如：

74LS160、74LS161、74LS163等，译码显示部分采用驱动共阴数码管的显示译码器74LS48和共阴数码管SM4205。

3.提高部分电路工作原理

根据题目的提高部分的要求，分频系数可控可以用手动设置跳线或者使用拨码开关来实现。

信号放大或衰减可以选用通用型运放741来实现。

4.计算机仿真优化

系统的实现方案、电路设计以及参数计算和元器件参数基本确定后，先利用Multisim软件对设计的单元电路进行仿真，优化调整电路结构和元器件参数，直至达到指标要求。

然后再将各单元电路连接起来仿真，看总体指标是否达到要求、各模块之间配合是否合理、信号流向是否顺畅，如果发现有问题，还要重新审视各部分电路的设计，进一步调整，改进各部分电路的设计和连接关系，这一过程可能要反复多次，直到计算机仿真结果证明电路设计确实正确为止。

自拟测试表格，要求能将各个单元电路、总体电路的特性完整表示出来。

5.硬件安装、调试与测量

安装：

根据设计的电路在面包板或项目箱上搭试电路

调试：

分层次进行，先单元电路，再模块电路，后系统联调。

测试：

按自拟表格进行性能测试，并与仿真值做对比，分析之间的异同及原因。

【报告要求】

1.项目项目名称。

2.项目内容及要求

分析项目的功能与性能指标。

3.电路设计，包括：

（1）电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理。

（2）各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。

（3）电路的仿真与优化。

4.画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。

5.制定项目测量方案。

6.安装调试，包括：

（1）使用的主要仪器和仪表。

（2）调试电路的方法和技巧。

（3）测试的数据和波形并与设计结果比较分析。

（4）调试中出现的故障、原因及排除方法。

6.总结

（1）阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。

（2）总结设计电路和方案的优缺点。

（3）指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

（4）项目的收获和体会。

7.列出系统需要的元器件清单。

8.参考文献。

【项目考核】

1.项目考察内容：

（1）电路图与原理分析。

（2）电路仿真运行结果。

（3）硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析。

（4）项目报告。

2.项目结束需要提交的材料：

（1）仿真电路图

（2）硬件实物

（3）项目报告

【提供主要器件】

运放uA741、74LS160、74LS161、74LS163、74LS194及部分电阻电容等

项目二、锯齿波信号产生、转换计数显示电路的设计

【项目内容】

设计一个数模混合系统，包括信号的产生、转换、脉冲计数、译码、显示等。

电路应实现的具体功能与技术指标如下：

3.基本要求

（5）设计一个锯齿波信号产生电路，要求输出信号频率可调。

频率范围为500～1000Hz。

（6）设计一个锯齿波转方波变换电路，要求方波输出为TTL电平。

（7）设计一个分频器，要求能够对方波脉冲信号进行分频

（8）设计一个计数、译码、显示电路，要求能够对分频后的脉冲信号进行计数，并显示计数脉冲个数，用三位数码管显示。

4.提高要求

（5）完成分频器电路分频系数可控。

（6）对锯齿波信号产生电路输出的信号实现信号放大和衰减。

5．发挥部分

（7）实现对方波信号频率的测量

【项目目的】

4.了解项目过程：

学习、设计、实现、分析、总结。

5.系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路及单片机的知识，在单元电路设计的基础上，利用EWB或者Multisim，Protel软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。

6.通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。

【项目要求】

3.项目要求：

（1）根据项目内容、技术指标及项目室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。

（2）利用EDA软件进行仿真，并优化设计。

（3）实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。

（4）按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。

（5）撰写项目报告。

4.说明

要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。

【教学指导】

6.明确设计任务要求,确定总体方案

对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。

针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。

将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。

构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。

7.基本要求部分电路工作原理

锯齿波发生电路可以选用两个运放构成，锯齿波方波转换电路可选用电压比较器电路来实现，脉冲分频电路可以选用计数器或移位寄存器来实现，脉冲计数应选用典型常用的计数器，如：

74LS160、74LS161、74LS163等，译码显示部分采用驱动共阴数码管的显示译码器74LS48和共阴数码管SM4205。

8.提高部分电路工作原理

根据题目的提高部分的要求，分频系数可控可以用手动设置跳线或者使用拨码开关来实现。

信号放大或衰减可以选用通用型运放741来实现。

9.计算机仿真优化

系统的实现方案、电路设计以及参数计算和元器件参数基本确定后，先利用Multisim软件对设计的单元电路进行仿真，优化调整电路结构和元器件参数，直至达到指标要求。

然后再将各单元电路连接起来仿真，看总体指标是否达到要求、各模块之间配合是否合理、信号流向是否顺畅，如果发现有问题，还要重新审视各部分电路的设计，进一步调整，改进各部分电路的设计和连接关系，这一过程可能要反复多次，直到计算机仿真结果证明电路设计确实正确为止。

自拟测试表格，要求能将各个单元电路、总体电路的特性完整表示出来。

10.硬件安装、调试与测量

安装：

根据设计的电路在面包板或项目箱上搭试电路

调试：

分层次进行，先单元电路，再模块电路，后系统联调。

测试：

按自拟表格进行性能测试，并与仿真值做对比，分析之间的异同及原因。

【报告要求】

4.项目项目名称。

5.项目内容及要求

分析项目的功能与性能指标。

6.电路设计，包括：

（1）电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理。

（2）各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。

（3）电路的仿真与优化。

7.画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。

8.制定项目测量方案。

9.安装调试，包括：

（1）使用的主要仪器和仪表。

（2）调试电路的方法和技巧。

（3）测试的数据和波形并与设计结果比较分析。

（4）调试中出现的故障、原因及排除方法。

9.总结

（5）阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。

（6）总结设计电路和方案的优缺点。

（7）指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

（8）项目的收获和体会。

10.列出系统需要的元器件清单。

11.参考文献。

【项目考核】

3.项目考察内容：

（1）电路图与原理分析。

（2）电路仿真运行结果。

（3）硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析。

（4）项目报告。

4.项目结束需要提交的材料：

（1）仿真电路图

（2）硬件实物

（3）项目报告

【提供主要器件】

运放uA741、74LS160、74LS161、74LS163、74LS194及部分电阻电容等

项目三、自动循迹小车（I）

考察知识点：

1、直流电机控制设计、电机正反转、驱动控制；

2、光电传感器的原理及应用设计、循迹模块设计；

3、计数器的应用设计；

4、数码管显示电路设计；

5、直流稳压电源设计；

6、学会使用protel99se绘制电路原理图、PCB图，学会制作电路板，掌握焊接技术；

7、掌握Multisim仿真软件、Proteus仿真软件的使用；

8、掌握数字电路、模拟电路综合设计与调试。

设计周期：

3周

一、设计任务

如图1所示，设计并制作一小车，能按预定轨迹行驶，小车检测到起跑线后开始计时，自动循迹行驶一周后回到起跑线停止行驶并停止计时。

小车可用玩具汽车改装，但不可人工遥控行驶（包括有线和无线遥控）。

要求使用数字、模拟电路控制设计。

图1

黑色轨迹宽度约1.5cm，可用黑色绝缘胶带代替，轨迹两边贴有白纸，在轨迹的某位置设有一起跑线，如图1所示。

二、参考电路框图

三、设计要求

1．基本要求

（1）循迹功能：

小车从起跑线出发，能自动循迹一周再回到起跑线且停止在起跑线上；

（2）计时功能：

小车能记录全程行驶时间，并实时显示在数码管上。

2．发挥部分

（1）小车检测到起跑线后开始计时，循环一周后再次检测到起跑线停止计时；

（2）计时时间误差尽可能小；

　　（3）检测到起跑线后发出声光报警信号；

（4）其它特色与创新。

四、评分标准

项目与指标

满分

（100分）

基本要求

设计与总结报告：

方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。

10

完成基本要求

（1）

25

完成基本要求

（2）

25

发挥部分

完成发挥部分第

（1）项

10

完成发挥部分第

（2）项

10

完成发挥部分第（3）项

10

完成发挥部分第（4）项

10

五、说明

（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检测装置；

（2）车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：

长度≤35cm，宽度≤15cm；

（3）小车行驶电源需自行设计直流电源；

（4）必须使用数字、模拟电路设计；

项目四、自动往返小车（II）

考察知识点：

1、掌握数字电路、模拟电路综合设计与调试；

2、直流电机控制设计、电机正反转、驱动控制；

3、计数器的应用设计；

4、数码管显示电路设计；

5、直流稳压电源设计；

6、学会使用protel99se绘制电路原理图、PCB图，学会制作电路板，掌握焊接技术；

7、掌握Multisim仿真软件、Proteus仿真软件的使用。

设计周期：

3周

一、设计任务

设计并制作一小车，能前进一定的时间，然后返回，在行驶过程中，小车能实时显示行驶时间。

小车可用玩具汽车改装，但不可人工遥控行驶（包括有线和无线遥控）。

要求使用数字、模拟电路控制设计。

二、参考电路框图

三、设计要求

1．基本要求

（1）往返功能：

电路能按一定的时间驱动小车前进、后退，并一直循环；

（2）计时功能：

小车能记录全程行驶时间，并实时显示在数码管上。

2．发挥部分

（1）能设定小车往返循环次数，循环完毕小车停车；

（2）计时时间误差尽可能小；

　　（3）前进与后退过程中小车发出不同的声光报警信号；

（4）其它特色与创新。

四、评分标准

项目与指标

满分

（100分）

基本要求

设计与总结报告：

方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。

10

完成基本要求

（1）

25

完成基本要求

（2）

25

发挥部分

完成发挥部分第

（1）项

10

完成发挥部分第

（2）项

10

完成发挥部分第（3）项

10

完成发挥部分第（4）项

10

五、说明

（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检测装置；

（2）车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：

长度≤35cm，宽度≤15cm；

（3）小车行驶电源需自行设计直流电源；

（4）必须使用数字、模拟电路设计。

第二部分：

模拟电子技术、数字电子技术、

单片机技术混合设计项目

项目一、增益自动切换电压放大电路的设计

【项目内容】

设计一个电压放大电路，能够根据输入信号幅值自动切换调整增益。

设输入信号频率为0～20KHz，其幅值范围为0.1～10V（峰峰值Upp）。

电路应实现的功能与技术指标如下：

1.基本要求

当输入为直流信号时，要求设计的电路达到以下要求：

（1）当

<0.5V时，电路的增益约为10倍。

（2）当0.5<

<3V时，电路的增益约为1倍。

（3）当3<

<10V时，电路的增益约为0.1倍。

2.提高要求

（4）当输入为交流信号时，根据输入电压的峰峰值大小，电路增益仍满足基本要求。

3．发挥部分

（5）对输入电压值分档再细化；

（6）采用单片机为主控单元，通过按键进行选择并且进行幅度和增益值的显示

【项目目的】

1.了解项目过程：

学习、设计、实现、分析、总结。

2.系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路及单片机的知识，在单元电路设计的基础上，利用EWB或者Multisim，Proteus软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。

3.通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。

【项目要求】

1.项目要求：

（1）根据项目内容、技术指标及项目室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。

（2）利用EDA软件进行仿真，并优化设计。

（3）实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。

（4）按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。

（5）撰写项目报告。

2.说明

要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。

【教学指导】

1.明确设计任务要求,确定总体方案

对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。

针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。

将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。

构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。

2.基本要求部分电路工作原理

将直流信号加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行分档比较，对应某一输入电压值，只有相应的一个比较电路输出为高电平（或低电平），其余比较器输出为低电平（或高电平）。

根据比较器的输出状态，通过模拟开关的控制，选择相应的增益。

3.提高部分电路工作原理

根据题目的提高部分的要求，交流信号幅值取样电路可以采用峰值取样或整流滤波取平均值的方法。

【项目方案】

1.各模块电路设计及参数选择

（1）输入信号的幅度比较与鉴别示例

如图2.1所示，运放A2、A3作为电压比较器。

它们的反相输入端分别接基准电压

和

，这两个基准电压可由

及

、

组成的分压器获得。

输入信号

同时加在A2、A3的同相输入端，

与

和

进行比较，决定它们的输出

、

是高电平还是低电平。

用

、

去信号控制模拟开关的工作状态，切换反馈电阻即可实现增益的自动转换。

（也可用处理器采样输入信号，根据输入信号的大小直接控制放大器的增益。

）

（2）增益切换放大电路示例

受模拟开关的控制，电阻

-

与运放A1构成增益可控的同相放大电路。

模拟开关CD4052的状态受电压比较器A2、A3的控制，同相放大器A1的反馈电阻可切换为

、

或

，则放大电路的增益分别为

、

和

。

图1.1增益自动切换电压放大电路原理图

（最好采用单片机控制进行A/D的转换，实现增益的变换与控制）

2.计算机仿真优化

系统的实现方案、电路设计以及参数计算和元器件参数基本确定后，先利用Multisim软件对设计的单元电路进行仿真，优化调整电路结构和元器件参数，直至达到指标要求。

然后再将各单元电路连接起来仿真，看总体指标是否达到要求、各模块之间配合是否合理、信号流向是否顺畅，如果发现有问题，还要重新审视各部分电路的设计，进一步调整，改进各部分电路的设计和连接关系，这一过程可能要反复多次，直到计算机仿真结果证明电路设计确实正确为止。

自拟测试表格，要求能将各个单元电路、总体电路的特性完整表示出来。

3.硬件安装、调试与测量

安装：

根据设计的电路在面包板或项目箱上搭试电路

调试：

分层次进行，先单元电路，再模块电路，后系统联调。

测试：

按自拟表格进行性能测试，并与仿真值做对比，分析之间的异同及原因。

【报告要求】

1.项目项目名称。

2.项目内容及要求

分析项目的功能与性能指标。

3.电路设计，包括：

（1）电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理。

（2）各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。

（3）电路的仿真与优化。

4.画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。

5.制定项目测量方案。

6.安装调试，包括：

（1）使用的主要仪器和仪表。

（2）调试电路的方法和技巧。

（3）测试的数据和波形并与设计结果比较分析。

（4）调试中出现的故障、原因及排除方法。

6.总结

（1）阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。

（2）总结设计电路和方案的优缺点。

（3）指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

（4）项目的收获和体会。

7.列出系统需要的元器件清单。

8.参考文献。

【项目考核】

1.项目考察内容：

（1）电路图与原理分析。

（2）电路仿真运行结果。

（3）硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析。

（4）项目报告。

2.项目结束需要提交的材料：

（1）仿真电路图

（2）硬件实物

（3）项目报告

【提供主要器件】

运放uA741、模拟开关CD4052、单片机最小系统及部分电阻电容等

项目二、信号的产生、分解与合成

【项目内容】

设计并制作一个电路使之能够产生方波，并从方波中分离出主要谐波，再将这些谐波合成为原始信号或其他周期信号。

1.基本要求

（1）设计一个方波发生器，要求其频率为1kHz，幅度为5V；

（2）设计合适的滤波器，从方波中提取出基波和3次谐波；

（3）设计一个加法器电路，将基波和3次谐波信号按一定规律相加，将合成后的信号与原始信号比较，分析它们的区别及原因。

2.提高要求

（4）设计5次谐波滤波器或设计移相电路，调整各次谐波的幅度和相位，将合成后的信号与原始信号比较，并与基本要求部分作对比，分析它们的区别及原因。

（5）采用单片机完成信号的产生和显示。

3.其他部分

（6）用类似方式合成其他周期信号，如三角波、锯齿波等。

【项目目的】

1.掌握方波信号产生的基本原理和基本分析方法，电路参数的计算方法，各参数对电路性能的影响；

2.掌握滤波器的基本原理、设计方法及参数选择；

3.了解项目过程：

学习、设计、实现、分析、总结。

4.系统、综合地应用已学到的电路、电子电路基础等知识，在单元电路设计的基础上，利用multisim和FilterPro等软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。

5.掌握多级电路的安装调试技巧，掌握常用的频率测量方法。

6.本项目三人一组，每人完成一个功能电路，发挥团队合作优势，完成项目要求。

【项目要求】

1.项目要求：

（1）根据项目内容、技术指标及项目室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。

（2）利用EDA软件进行仿真，并优化设计。

（3）实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。

（4）按照设计要求对调试好的硬件电路