作者：周立青,等
出版社：电子工业出版社
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电子系统综合设计——基于大学生电子设计竞赛试读：
前言
本书是针对电子综合实验教学、电子设计竞赛培训等带有综合性、自主设计特点课程的实验教材。编写的初衷就是让低年级的学生借助本书可以逐步开始电子设计的学习之路，从基础的元器件认识到简单的电路，再到一些实用的功能模块，最后结合算法实现一个完整的系统。希望这样的安排能够陪伴每一位爱好电子设计的同学从入门到提高，最后到精通，为大家在进行电子系统设计时提供设计思路和知识参考。教材从元件、电路、模块、算法、系统五个层面，分别介绍了常用的知识点和主要的设计方法，这一编写思路也体现了一个通用电子系统设计的层级概念。
本书共7章。除了之前介绍的元件、电路、模块、算法和系统外，在第一章介绍了电路设计中一个重要的环节——仿真，鉴于篇幅限制，该章简单地介绍了Multisim和TINATI两种常用的电路仿真软件的使用，以具体的实例设计仿真为例，介绍了软件使用、电路设计及仿真方法。虽然未能详尽说明，但是引导读者重视并养成设计仿真的习惯，避免一些电路设计中的低级错误，提高系统设计的效率。
第2章至第6章分别就元件、电路、模块、算法和系统五个方面，介绍了电子系统中常见的层次结构以及每个层次结构的常用知识点，更重要的是帮助读者树立起明确的系统层次观念，合理规划系统结构和功能框架，并逐步填充内容直至整个方案细化。第2章以元器件为主要内容，重点介绍了电子系统中的常用元器件及其电气特性、物理构造、分类、参数等，尤其突出了不同分类的元件在不同场合的应用特点。这一章内容从最基础的电阻、电容、电感的认知，到各种不同分类的运算放大器的特点，再到AD、DA以及部分集成专用芯片，为入门初学者提供了清晰的认知素材和使用指导，对初学者具有重要的参考作用。
第3章内容在基础元件的基础上，介绍了设计诸如放大、锁相、检波、滤波、匹配等常用电路。这部分内容是电子系统的基本单元，也是一个经验丰富的设计工程师和初级设计者之间差别较大的部分，该章内容介绍的电路将为系统设计提供直接的积木单元，可以直接应用于开发者的系统设计中。
第4章重点介绍了一些常用的功能模块设计，包括信号发生、频率测量、频谱测量、数字滤波等。作为电子系统中常用的功能模块，在具体的实现方法上一般会有多种途径，本章选择了目前主流的设计方法加以介绍，内容包括方法原理和具体实现技术，可以作为系统设计的重要参考。
第5章介绍了几种常见的算法，由于算法涵盖的范围很广、内容繁杂、应用多变，因此本章无法一一罗列，这里重点介绍了电子设计竞赛往年真题中常用的几种控制算法来作为系统中算法的代表，其作用更多的是体现算法在系统中的功能和角色。
作为针对电子系统综合设计的教材，第6章内容就历年来电子设计竞赛真题详细地介绍了系统的设计分析、总体框架、具体设计以及实现报告。案例赛题选择经过精心斟酌，既具有典型的电子系统结构，又包含丰富的经典电路知识；既有最新一届的比赛题目，又有过去十几年期间的经典真题；既有功能丰富、电路复杂的真题，也有电路相对简单、算法性能要求较高的真题，还有功能、电路和算法都较为适中的真题。因此从内容上既适合初学者入门学习使用，也可作为后期的培训指导。
本书在第6章和第7章分别介绍了武汉大学电子设计竞赛的部分优秀作品报告以及部分同学的实验室学习总结，这两项内容是参加2015年电子设计竞赛的武汉大学同学经过了两年的实验室培训，用自己的体会和经验凝结成文字，告诉后来的学习者他们是怎么度过这两年的，这一内容对于还处在大学迷茫期的同学，具有切身的指导意义。同样，由他们完成的优秀作品报告，在征得他们的许可后原文引用，作为后面学习者的参考学习之用。
本书在编写期间，得到了田震、王思捷、李卓、王帅等同学的大力支持，完成了大量的电路验证和资料整理工作。同时也感谢刘鑫、陈伟、张强、何明、许朋、乔龙飞、柳剑飞、刘秋明、李旭旭、占伟杰、田震、项进喜、王思捷、陈锐、马玉爽、李卓、李哲、李希希、张赏月、魏佳琦、唐海亮等同学提供的优秀作品报告。感谢王帅、王雷、曹建发、程宇、卢雲成、刘同同、宋洪亚、甘文霜、祁发瑞、谢德谦、赵久瑞、姚彤彤、田震、占伟杰、项进喜、王思捷、陈锐、马玉爽、张令、李俊、陈慧、李卓、李哲、李希希、唐海亮、魏佳琦、张赏月等同学给出的实验室学习心得总结，这些报告和总结相信会对在校的大学生具有非常重要的指导价值。
本书的编写得到了武汉大学电子信息学院相关领导的支持、关心与指导，得到了电子信息学院实验中心全体老师的大力支持与帮助，在此一并表示感谢。
本书可以作为电子综合实验和电子设计竞赛培训的教材，也可以作为大学生科研、课外设计的重要参考资料。书中所有的电路均是老师和同学在设计中真实使用、经过验证的电路，对读者的设计具有直接的借鉴和参考价值，可以作为电子工程师的参考手册。编著者第1章电路仿真软件
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来。
EDA技术是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。
电子工程师在方案验证的过程中，常常会用到电子电路设计与仿真工具。主流的电路设计软件主要有Protel、Altium Designer、OrCAD、Cadence PSD等。常用的仿真软件包括SPICE/PSPICE、Multisim、Matlab、Tina Pro Bright Spark等。下面主要就仿真软件Multisim和基于TI器件的Tina-TI进行介绍。1.1 Multisim
Multisim是美国国家仪器（National Instrument）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
Multisim提供世界主流元件供应商的超过17000多种元件，能够方便地对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件，同时提供了22种虚拟仪器进行电路测量。Multisim以SPICE3F5和Xspice内核作为仿真引擎，通过Electronic Workbench软件带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。此外，Multisim还提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF-spice模型）、用于创建用户自定义的RF模型生成器、两个RF-specific仪器（频谱分析仪和网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成。1.1.1 软件界面
如图1.1所示，Multisim软件界面主要由顶部菜单栏、器件栏以及中心工作区域组成。菜单栏主要对文件、MCU、仿真等功能进行操作，器件栏中包含电路仿真中需要的器件、电源等。工作区域是位于软件界面中心区域，背景为以点阵构成的图纸，电路仿真中所有的器件及仪器必须置于工作区域，才能进行仿真。图1.1 Multisim软件界面1.1.2 电路构建
构建仿真电路首先要做的就是选择电路需要的元器件，单击器件栏中任一图标，即弹出如图1.2所示的界面。先在“组”的下拉菜单内选择所需器件的分类，再在右侧元器件中根据字母顺序找到所需元器件并单击，最后单击确认即选中该元件，并放置在图纸上。也可在“组”的下拉菜单内选择全部组，再在右侧元器件输入框内输入需要的器件名，如UA741，也可迅速找到需要的器件。图1.2 器件选择界面
在器件栏将电路中的器件全部放置在图纸上，移动鼠标靠近需要连线的管脚，当鼠标光标变为点时，表示当前可连线。单击鼠标即确定连线的一端，移动鼠标至另一端再次单击，完成连线。图1.3所示为UA741构成的反相放大器。
工作区域的左侧为仪器菜单，电路构建完成后，须在仪器菜单内选择测量需要的仪器，如函数发生器、示波器等。图1.3 UA741构成的反相放大器
双击图纸中的函数发生器，弹出函数发生器窗口，可选择波形类型及改变波形频率、幅值、偏置等参数。如图1.4所示。图1.4 函数发生器
电路及测量仪器全部搭建完成后，单击工作区域右侧菜单栏的绿色箭头开始电路仿真，如图1.5所示。图1.5 开始电路仿真
电路开始仿真后，双击示波器即弹出示波器窗口，在窗口上可进行改变示波器时间标度及电压标度等操作，使示波器波形在窗口上完整显示出来，如图1.6所示。图1.6 显示波形1.2 TINA-TI
软件Tina Pro是重要的现代化EDA软件之一，用于模拟及数字电路的仿真分析。其研发者来自欧洲DesignSoft Kft.公司，流行40多个国家，并有20余种不同语言的版本，其中包括中文版，含有2万多个分立或集成电路元器件。
TI（德州仪器公司）针对本公司的器件模型，在TINA的基础上推出了TINA的简化模型TINA-TI。TINA-TI 是 TINA 的简单版本，具有电路仿真的完整功能，但封装中的电路开发实用程序更少，TINA-TI 包含更多的 TI 器件模型和 TI 器件信息。因此，在使用德州仪器的芯片的时候，使用TINA-TI仿真，更能够模拟芯片的真实参数，为电路设计提供重要的反馈信息。
现在TI推出的TINA的最新版本是TINA9，该软件可以在TI的官网免费下载安装，具体网址为：http://www.ti.com.cn/tool/cn/tina-ti#descriptionArea。
TINA作为一款强大的电路仿真软件，其功能如表1.1所示。表1.1 TINA功能介绍
下面就具体的电路仿真实例介绍该软件。1.2.1 电路搭建示例
图1.7所示的是原理图编辑器的布局。图中空白的工作区是设计窗口，用以在其中搭建测试电路。菜单栏主要是实现文件操作、分析操作、测试及测量设备等。在菜单行下方的位置与菜单栏相对应的快捷键。在最后一行是TINA的器件栏，这些元件组包括基本的无源元件、半导体以及精密器件的宏模型。可以利用这些元件组来搭建电路原理图。图1.7 TINA界面
首先介绍用TINA搭建一个简单的放大电路。电路采用TI的高精度运算放大器OPA227搭建，该电路实现同相的2倍放大，具体电路如图1.8所示。图1.8 OPA227实现2倍放大
首先在TINA中添加运放模型，在器件栏的第二栏中单击制造商模型（图1.9中标识1），器件栏的第一栏进入TI芯片的选型界面，选择第一项运算放大器（图1.9中标识2），之后进入运放选型列表，单击OPA227添加，如图1.9中标识3所示。图1.9 运算放大器选择
接下来添加无源器件，在器件栏的基本栏（图1.10中标识1）里面选择电阻器（图1.10中标识2），并改变电阻的值（图1.10中标识3）。
接下来添加电源和地（如图1.11中标识2所示），并且改变电源电压值（图1.11中标识3），同时做好电源的去耦。
最后添加仪器，即信号源和测试端子（电压指针），其中信号源在基本器件中，电压指针在仪表组里（图1.12中标识1和2）。添加仪器之后，双击并改变信号源的信号类型、幅度和频率，信号选择正弦波，幅度为100mVpp，频率为500Hz，相位选择默认，如图1.12和图1.13所示。
器件选择完毕之后，将光标移动到器件节点处，长按鼠标左键并拖动，实现走线连接。图1.10 无源器件的选择图1.11 电源和地的选择图1.12 电压端子选择图1.13 信号源选择与参数设置1.2.2 仿真
当电路原理图搭建完成后，电路就能够就行仿真分析了。通过选择“分析”菜单项进入分析进程。在“分析”列表中，主要有交流、直流、瞬态、稳态、傅里叶分析以及噪声分析等功能。
1）直流分析
首先对电路进行直流分析。直流分析提供了真实性检查，能够对正常的直流工作状态进行验证。TINA-TI的直流分析功能可被设置为计算节点电压、提供一个直流电压和电流的结果列表、生成电路的直流扫描，或是执行温度分析。图1.14 直流分析选择
直流分析的步骤如下：首先单击“分析”菜单项，然后选择“直流分析”，再单击“直流结果表”，将会出现电压/电流列表，最后用鼠标指针作为探针，测试电路节点。具体流程如图1.14和图1.15所示。图1.15 节点电压测试
2）瞬态分析
对于稍微复杂的交流信号，TINA-TI也提供了复杂的交流频域及时域仿真。
通过“分析”列表的选择，可以实现交流传输特性图（增益及相位与频率关系图）、瞬态响应、傅里叶分析及噪声分析。交流传输特性表示了电路的幅频特性与相频特性，瞬态响应提供了电路在工作瞬间的响应状况，傅里叶分析针对信号的频域，提供了信号的频谱，噪声分析是对电路的噪声进行预估。电路的瞬态响应能够表征电路的稳定性，下面首先仿真电路的瞬态响应，如图1.16所示。图1.16 瞬态响应
瞬态响应的分析步骤是：首先单击【分析】菜单（图1.16标识1），然后选择【瞬时现象】（图1.16标识2），将会出现瞬态分析（Transient Analysis）对话框，然后设置开始和结束时间以及参数，最后单击【确定】按钮（图1.16标识3），运行分析。
通过瞬态分析，可以获得电路在某一段电路的响应情况，以分析电路的稳定性、动态响应等情况。
同时也可以仿真电路的交流传输特性，依次选择【分析】、【交流分析】、【交流传输特性】获得电路的频率特性曲线，如图1.17所示。此功能常应用于运放的带宽仿真、稳定性仿真。图1.17 交流特性分析
3）测试与测量
TINA-TI 软件根据所进行的分析类型，以表和图的方式生成仿真后结果。此外，该软件可以安装在伪实时仿真模式下，当电路工作时可使用虚拟仪器对其输出进行观察。
为了显示信号的波形，我们选用了虚拟仪器里面的虚拟示波器作为输出信号的测量仪器。首先选择菜单命令【T&M】（图1.18标识1），然后选择【示波器】（图1.18标识2），以获得虚拟示波器，该示波器会对电路中所有的电压指针信号进行检测。图1.18 示波器应用图1.19 示波器界面
图1.19所示为示波器显示界面，1为波形显示区，2为触发方式选择区，3为水平分辨率选择区，4为状态控制区，5为坐标选择区，6为通道选择区，7为耦合选择区，8为垂直分辨率选择区，9为数据读取区，10为Auto功能。
在本电路中，因为信号幅度为100mVpp，频率为500Hz，因此设置水平分辨率20μs，垂直分辨率50mV，可以获得最佳的观察效果，同时按下【run】，示波器显示界面开始稳定地显示波形。
为了测试信号的幅度和频率，可以通过示波器的数据读取功能进行。首先按下【Stop】暂停示波器，再按下【Data】区的【export curves】按钮（如图1.20所示标识2），进入波形显示界面。图1.20 示波器波形显示
示波器波形参数测量如图1.21所示。在该界面中，单击a光标和b光标，并设置其位置，右上角会分别出现两光标对应的幅度与时间，同时计算出光标对应的幅度差和时间差。通过设置光标在正弦波一个周期的波峰和波谷处，我们发现信号的峰峰值为200mVpp，半个周期时间为1ms，即频率为500Hz。【T&M】选项还包括一个虚拟的交流/直流万用表、函数发生器，以及一个 X-Y记录仪。函数发生器可以结合虚拟示波器或分析仪进行调整。
介绍完TINA的基本功能之后，接下来介绍TINA用于运放参数的测量、滤波器仿真等功能。图1.21 示波器波形参数测量1.2.3 TINA用于运放参数仿真
运放的参数主要包括失调电压、偏置电流、增益带宽积、压摆率、噪声系数、稳定性以及共模抑制比等。图1.17已经通过交流特性仿真了运放的带宽，接下来通过TINA仿真稳定性、压摆率与失调电压等参数。
首先来仿真OPA227的稳定性和压摆率。
导致运放不稳定的因素非常多，其中驱动容性负载非常容易导致运放不稳定，使输出信号产生很严重的过冲，甚至导致自激振荡。在OPA227的放大电路里面，设置放大倍数为2倍，输入信号为100mVpp、500Hz的方波信号，并且驱动1μF容性负载。OPA227驱动1μF容性负载（图1.22），通过示波器观察可知，信号发生了严重的振荡。减小容性负载，把电容改为1nF（图1.23），信号的振荡消失，但是仍然有一定的过冲。图1.22 OPA227驱动1μF容性负载图1.23 OPA227驱动1nF容性负载
压摆率是衡量运放反应速度的重要指标，对于一个正弦输入信号，如果运放压摆率不够，输出就会变成三角波，测试运放压摆率，我们仍然采用OPA227，但是把信号输入设置为2Vpp、1MHz的正弦波。如图1.24所示，通过示波器看出，因为运放的压摆率不够，导致信号变成了三角波。
接下来仿真失调，由于一般精密运放失调非常小，为了使仿真结果明显，此处换一个高速运放THS3091做仿真，把同相输入端通过一个小电阻接地，并且把放大倍数调到1000倍。同相接地电阻主要是减小失调电流的影响。
如图1.25所示，运放产生了835mV的输出偏置，折合到输出即是0.835mV的输入失调，和数据手册提供的0.9mV典型值非常接近。图1.24 运放压摆率测试图1.25 THS3091的失调电压仿真1.2.4 滤波器仿真
滤波器设计是电路设计的一个非常关键的环节，同时调试滤波器的参数也是非常烦琐的工作，因此常用TINA仿真滤波器，使电路设计、调试的工作量大大下降。图1.26 5KHz有源滤波器
首先仿真一个有源滤波器。该滤波器设计的截止频率为5kHz。在TINA中，搭建电路图，并且用【分析】中的【交流传输特性】功能，设置下限频率为10Hz，上线频率为1MHz，因为并不关注相频特性，所以只观察幅频特性曲线。如图1.26所示，滤波器的实际截止频率为5.1kHz，通过修改电路参数，能够使实际参数达到理想参数后。即TINA能够帮助验证滤波器设计的正确性，并且协助电路调试。
接下来仿真一个无源滤波器。滤波器采用7阶巴特沃斯滤波器，截止频率120MHz。如图设置起止频率分别为100kHz和1GHz，获得频率特性曲线。图1.27 135MHZ无源滤波器仿真1.2.5 小结
TINA是一款非常采用的仿真软件，特别是在使用TI芯片为主的实验室，因此应该好好掌握该软件的简单实用方法，并且灵活地应用在实际电路设计中。第2章元器件2.1 无源器件
元器件分为有源器件和无源器件，需要供电才能显示其特性的是有源器件，而不用供电就能显示其特性的就叫无源器件。
常用的无源器件主要是电阻、电容、电感，这些无源器件在能量转换、信号滤波等方面起着不可或缺的作用。
无源器件高频频率特性比较复杂，同时低频特性是高频接收的特例，因此本章主要讨论无源器件的高频特性。2.1.1 电阻
电阻根据其材料可以分为许多种，经常用到的电阻有碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、金属铝壳电阻、水泥电阻、瓷外壳功率型线绕电阻等。不同材质的电阻呈现出不同的特性，因此用途也各不相同。
碳膜电阻：为较常用的电阻，具有良好的稳定性和负的温度系数。1/4W功率以上采用直标法，1/8W功率以下的采用四色色环标注法。阻值范围2.1Ω～10MΩ，额定功率有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W和10W。
金属膜电阻：目前为最常用的电阻，与碳膜电阻相比，等阻值的体积要小将近1倍。1/4W功率以上的采用直标法，1/8W功率以下的采用五色色环标注法。阻值范围1Ω～1000MΩ，额定功率有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、10W和25W。较常采用的为功率型金属膜电阻，接触过绿色涂漆绝缘型。
金属氧化膜电阻：普通金属氧化膜电阻器的外形与金属膜基本相同。阻值为1Ω～200KΩ，额定功率为1/8W～50kW。电源中较常使用的为灰色四色色环结构。
线绕电阻：具有耐高温、热稳定度好、温度系数小的特点，工作温度可达到300℃。功率大，能承受大功率负荷，阻值一般为0.1Ω～5MΩ。较常使用的为大功率被漆线绕电阻器、带金属外壳散热器的功率型线绕电阻器和水泥电阻。
特种电阻：包括热敏、光敏、压敏、湿敏、气敏等电阻。电源中较常使用的有压敏电阻和热敏电阻。压敏电阻对外加电压的变化产生敏感效应，其阻值与外加电压成反比关系，用于交流电输入前端时防雷击和防浪涌功能，还用于可控硅保护、晶体管击穿保护、继电器触点火花消除等。热敏电阻阻值随自身或环境的温度变化而改变，一般用于电源中的过热保护电路中。
可变电阻：也称为电位器，有模拟和数字电位器之分。模拟型电位器其阻值连续可变，数字型电位器阻值程控步进。电源中常用大功率型滑线变阻器作为输出负载，阻值较小但额定功率可达到200W甚至更高。
电阻在低频时，往往呈现出纯电阻特性，即理想电阻。然而电阻工作在高频段的时候，电阻的高频分布参数却不得不考虑。电阻的高频特性主要表现在电抗特性上，高频电阻等效模型如图2.1所示，其中C为分布电容，L为引线电感。分布电容和引线电感的存在，使得电阻的高频频率特性变成如图2.2所示的串联谐振回路的频率特性，从而影响电路的高频特性，因此分布电容与引线电感较小的电阻具有较优秀的高频特性。图2.1 电阻高频等效模型图2.2 一个典型的1kΩ电阻高频阻抗特性曲线
在实际应用中，电阻的高频特性与电阻的材质、封装形式和大小都密切相关。一般来说，金属膜电阻的高频特性优于绕线电阻，表贴电阻优于直插电阻，小封装电阻优于大封装电阻。
日本的松下、村田等品牌的部分贴片电阻具有优秀的高频特性，作为国产的代表，国巨电子的电阻器性能也非常不错，在实际选型中都值得考虑。2.1.2 电容
电容作为一种存储电荷的元件，广泛应用于耦合、滤波、去耦、谐振、运算等电路中。根据介质，电容可分为电解电容、有机膜介质电容、无机膜介质电容、无机介质电容、独石电容和空气介质电容，每种材质的电容具有其独有的特性，因而具有不同的应用场合，其中广泛应用于高频系统的电容是陶瓷电容。
电解电容包括铝电解、钽电解、合金材料电解和其他材料电解电容等。电解电容都是具有极性的，使用时应注意阴阳极的分别，电源中经常使用的为铝电解电容和钽电解电容。由于具有极性，铝电解电容一般用于直流或脉动电流中整流、滤波以及作为去耦电容。钽电容体积小，性能稳定，一般用于电压基准电路等其他精密电路中。
有机膜介质电容包括聚丙烯膜电容、聚苯乙烯电容、涤纶电容、聚碳酸酯膜电容等。涤纶电容介电常数较高、体积较小、容量较大，适用于低频电路；而聚苯乙烯电容虽然介电常数较低，但由于介质损耗小、绝缘电阻大、耐压值高，多用于高频电路；其余的有机膜介质电容则用于旁路、耦合和微分积分电路。
无机介质电容包括云母电容、陶瓷电容、独石电容等。陶瓷电容耐热性好，抗腐蚀，绝缘性好并且价格便宜。独石电容是一类特制的陶瓷电容，精度高，稳定性好，Q值高，适用于中、高频电路。
在高频电路，电容往往应用于滤波器调频、匹配网络、晶体管的偏置等很多电路中，因此很有必要了解它们的高频特性。电容的高频等效电路如图2.3所示，其中C为理想电容，引线的寄生电感为L（电
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