編輯推薦
《電子信息學科基礎課程係列教材:電子係統設計與實踐(第3版)》特色:
重點介紹SoC單片機和CPLD/FPGA相結閤、數字技術和模擬技術相結閤、功能和指標兼顧的電子係統設計方法。
書中所有硬件電路和程序代碼均經實踐驗證。
每章均包含設計示例和設計訓練題,便於學生課後實踐。
提供與教材配套的網絡資源和實驗設備,便於教學。
內容簡介
《電子信息學科基礎課程係列教材:電子係統設計與實踐(第3版)》是浙江省高等教育重點建設立項教材和浙江工業大學重點建設教材,是作者十多年指導大學生電子設計競賽和課程建設的經驗總結,也是通過大學生電子設計競賽促進課程教學改革的成果之一。
本書內容由模擬電子係統設計、數字電子係統設計、SOC單片機係統設計和綜閤電子係統設計四部分組成。全書分為11章,包括基於集成運放的放大電路設計、模擬濾波器設計、直流穩壓電源設計、CPLD和FPGA的基本結構和原理、基於CPLD/FPGA的數字係統設計、SOC單片機C8051F360的基本原理、SOC單片機係統擴展技術、數字化語音存儲與迴放係統、DDS信號發生器、高速數據采集係統、基於CAN總綫的溫度檢測係統。每一章後均安排相應的設計訓練題。
《電子信息學科基礎課程係列教材:電子係統設計與實踐(第3版)》的主要特色是突齣瞭SOC單片機和CPLD/FPGA相結閤、數字技術和模擬技術相結閤、功能和指標兼顧的電子係統設計方法。
《電子信息學科基礎課程係列教材:電子係統設計與實踐(第3版)》可作為高等院校電子電氣類專業有關電子係統設計、電子技術綜閤提高型實驗、大學生電子設計競賽賽前訓練等實踐類課程的教材,也可作為具備模電、數電、單片機等基礎知識的讀者學習電子係統設計方法的參考書。
作者簡介
賈立新,副教授。1989年畢業於浙江大學電氣工程學院。數字電路與數字邏輯省級精品課程責任教師。長期從事電子技術課程教學和大學生電子設計競賽賽前輔導工作。主編齣版省重點教材《電子係統設計與實踐》和校重點建設教材《數字電路》各一部。獲校級教學成果一等奬和省級教學成果二等奬各一項,兩次獲得全國大學生電子設計競賽優秀賽前輔導教師稱號。主持和參與科研項目十多項,發錶論文十多篇。目前主要從事智能儀器、電機控製等方麵的研究工作。
內頁插圖
目錄
第1章 基於集成運放的放大電路設計
1.1 運算放大器的模型
1.2 用集成運放構成的基本放大電路
1.3 集成運放的主要參數
1.4 集成運放的分類及選擇
1.5 正確使用集成運算放大器
1.6 設計訓練題
第2章 模擬濾波器設計
2.1 模擬有源濾波器設計
2.1.1 概述
2.1.2 無限增益多重反饋濾波器設計
2.2 開關電容濾波器原理及應用
2.2.1 開關電容濾波器的基本原理
2.2.2 單片集成開關電容濾波器應用
2.3 設計訓練題
第3章 直流穩壓電源設計
3.1 概述
3.2 固定式綫性直流穩壓電源設計
3.3 可調式直流穩壓電源設計
3.4 開關直流穩壓電源設計
3.4.1 降壓型DC/DC變換電路設計
3.4.2 升壓型DC/DC變換電路設計
3.4.3 極性反轉型DC/DC變換電路設計
3.5 設計訓練題
第4章 CPLD和FPGA的基本結構和原理
4.1 概述
4.2 CPLD的基本結構和原理
4.3 FPGA的基本結構和原理
4.4 FPGA最小係統設計
4.4.1 設計方案
4.4.2 硬件電路設計
4.4.3 硬件電路測試
4.4.4 JTAG間接模式編程配置器件
4.5 FPGA最小係統應用舉例——正弦信號發生器設計
4.6 設計訓練題
第5章 基於CPLD/FPGA的數字係統設計
5.1 概述
5.2 硬件描述語言VHDL基礎
5.2.1 VHDL的語言要素
5.2.2 VHDL程序的基本結構
5.2.3 VHDL程序的句法
5.2.4 常量、變量與信號
5.2.5 VHDL結構體的三種描述方法
5.3 4位數字頻率計設計
5.3.1 設計題目
5.3.2 工作原理
5.3.3 硬件電路設計
5.3.4 頂層設計和底層模塊設計
5.3.5 設計項目的Quartus Ⅱ操作流程
5.4 4x4矩陣鍵盤編碼器設計
5.4.1 設計題目
5.4.2 頂層原理圖設計
5.4.3 底層模塊設計
5.4.4 設計項目的輸入和編譯
5.4.5 功能測試
5.5 設計訓練題
第6章 SOC單片機C8051 F360的基本原理
第7章 SOC單片機係統擴展技術
第8單 數字化語音存儲與迴放係統
第9章 DDS信號發生器
第10章 高速數據采集係統
第11章 基於CAN總綫的溫度檢測係統
參考文獻
前言/序言
大學生課外科技活動已經成為人纔培養的重要環節。作為學生課外科技活動的重要平颱,全國大學生電子設計競賽對電子信息類專業學生的人纔培養發揮瞭巨大促進作用,同時也極大促進瞭相關課程的建設和改革。目前,越來越多的電子信息類專業開設瞭以培養學生工程實踐能力為主要目標的電子係統設計製作方麵的課程,將學生電子係統設計能力的培養常態化、課程化,增加學生受益麵。編寫本書的目的就是為具備模電、數電、單片機等基礎知識的學生開設電子係統設計、電子設計競賽賽前訓練等實踐課程提供一本閤適的教材或參考書。
本書是在浙江省高等教育重點建設教材《電子係統設計與實踐》第1版和第2版基礎上重新編寫齣版的,是作者十多年指導大學生電子設計競賽和課程建設的經驗總結。本書內容分為以下4部分。
第一部分為模擬電子係統設計。這部分內容由第1章~第3章組成。第1章簡要介紹由運放構成的典型放大電路,分析集成運算放大器主要參數,給齣集成運放的選擇和使用方法。第2章介紹無限增益多重反饋濾波器的設計方法以及開關電容濾波器的原理和使用方法。第3章介紹綫性穩壓電源和DC/DC開關電源基本原理和設計方法。這一部分內容與模擬電子技術課程相關內容銜接,目的是幫助讀者在理論知識和實際模擬電路之間構建一座橋梁。本部分各章內容相對獨立,可以分彆安排2學時授課課時。
第二部分為數字電子係統設計。這部分內容由第4章和第5章組成。第4章以Altera公司主流芯片為例,介紹CPLD/FPGA結構和原理;再以FPGA最小係統闆的設計為實例,介紹FPGA的配置技術、硬件係統測試技術以及內部資源的應用方法。第5章結閤數字頻率計和4×4矩陣鍵盤編碼器兩個典型實例,介紹基於CPLD/FPGA的數字係統設計方法和流程。這一部分內容既是一個獨立的整體,也與後續章節有機聯係。例如4×4矩陣鍵盤編碼器將在第6章的單片機最小係統設計中得到應用,FPGA內部嵌入式存儲器將在第9章和第10章中介紹的電子係統中得到應用。本部分內容教學安排可根據先修課程靈活掌握,部分內容也適閤學生自學,一般安排4學時的授課課時即可。
第三部分為SoC單片機電子係統設計。這部分內容由第6章和第7章組成。第6章介紹C8051F360單片機基本組成、單片機最小係統設計、基本程序設計。C8051F360單片機內核和指令係統與MCS-51單片機兼容,但其性能與內部資源遠優於MCS-51單片機。對於具備MCS-51單片機基礎的讀者來說,可以在較短的時間內掌握C8051F360單片機的使用方法。單片機最小係統是本章的重點,它是後續各章電子係統的核心組成部分,其獨特的設計思路也為讀者設計其他型號的單片機最小係統提供有價值的參考。第7章通過多個單片機應用係統設計實例介紹SoC單片機係統擴展技術。這些設計實例功能和技術指標兼顧,注重數字與模擬電路結閤,注重新型集成芯片的應用。本部分內容篇幅較大,有關C8051F360單片機的內部資源和程序設計可安排學生自學,其中設計實例並不需要全部講授,教師可以根據自己的需要選擇適當的設計實例講授給學生。本部分內容建議安排10學時。
第四部分為綜閤電子係統設計。這部分內容由第8章~第11章組成。該部分內容選取瞭數字化語音存儲與迴放、DDS信號發生器、高速數據采集係統和基於CAN總綫的溫度檢測係統4個典型的設計實例,從方案設計、理論分析計算、軟硬件詳細設計、係統調試等四方麵介紹綜閤電子係統的設計方法。這4個綜閤電子係統所涉及的技術應用範圍很廣,能起到舉一反三的作用。每章內容可以安排2學時授課課時。
作為一本實踐類教材,理論與實踐相結閤是作者追求的目標,作者為此付齣瞭不懈努力。書中提供的硬件電路原理圖、程序代碼均經過作者調試驗證,同時吸收瞭學生在練習過程中提齣的寶貴意見,作者也從中體會到教學相長的樂趣。每一章節後麵均安排設計訓練題,這些設計訓練題與每一章內容緊密結閤,也適閤學生實踐訓練。作者研製開發瞭一套模塊化綜閤電子係統實驗箱,將書中齣現的典型電路製作成標準尺寸的模塊,通過選用不同的模塊可以構建書中所有設計實例和大部分設計訓練題。該實驗箱在2010年獲全國電子技術教學研究會實驗教學成果一等奬。與本書配套的教學資源包括ppt演示課件、實驗箱使用說明書、測試程序可以在網站下載。
參加本書編寫的有賈立新、王湧、陳怡等。第3章由陳怡編寫,第8章由王湧編寫,其餘各章由賈立新編寫。賈立新負責全書統稿。本書在編寫過程中,得到瞭浙江工業大學信息工程學院省級電工電子實驗教學示範中心各位老師的熱情支持。在本書齣版之際,謹嚮他們緻以最誠摯的謝意。
清華大學齣版社編輯為本書的齣版做瞭卓有成效的工作,在此深錶謝意。
本書的齣版得到瞭2013年度浙江工業大學重點教材建設項目資助。
《電子係統設計與實踐(第3版)》是一部麵嚮電子信息學科本科生、研究生及相關領域從業人員的權威教材。它係統地闡述瞭現代電子係統的設計理念、方法與技術,並結閤豐富的工程實踐案例,旨在培養讀者紮實的理論基礎、卓越的工程實踐能力和解決復雜問題的創新思維。 本書的編寫立足於當前電子信息技術飛速發展的時代背景,緊密結閤電子工程領域的最新進展和工程實踐需求。第三版在繼承前兩版優秀內容的基礎上,進行瞭全麵更新與深化。作者團隊由在電子係統設計領域享有盛譽的專傢學者組成,他們將多年的教學經驗與豐富的工程實踐相結閤,力求使教材內容既有理論深度,又具工程實用性。 核心內容概覽: 本書內容結構嚴謹,邏輯清晰,涵蓋瞭從基礎概念到高級應用的廣泛主題。其核心內容主要集中在以下幾個方麵: 第一部分:電子係統設計基礎 1. 電子係統概述與設計流程: 係統層次化設計: 介紹電子係統從宏觀到微觀的不同抽象層次,包括係統級、子係統級、模塊級和器件級,強調不同層次的設計目標和約束。 現代電子係統特點: 深入分析現代電子係統所呈現齣的高性能、低功耗、高集成度、智能化、網絡化等關鍵特徵,以及它們對設計提齣的挑戰。 典型電子係統實例分析: 通過對通信係統、嵌入式係統、消費電子産品、工業控製係統等典型電子係統的結構、功能和關鍵技術進行剖析,幫助讀者建立係統性認知。 電子係統設計流程: 詳細闡述從需求分析、概念設計、詳細設計、仿真驗證、原型製作、測試調試到産品發布的完整設計流程,強調各環節的銜接與反饋。 設計自動化工具(EDA): 介紹現代電子係統設計中不可或缺的EDA工具的重要性、種類及其在設計流程中的應用,如原理圖輸入、PCB布局布綫、仿真器、邏輯綜閤器等。 2. 信號與係統理論基礎: 連續時間信號與係統: 迴顧傅裏葉級數、傅裏葉變換、拉普拉斯變換等核心概念,以及綫性時不變(LTI)係統的時域和頻域分析方法。 離散時間信號與係統: 介紹采樣定理、Z變換、離散傅裏葉變換(DFT)等,為數字信號處理和數字係統設計奠定基礎。 係統穩定性與頻率響應: 深入探討係統的穩定性判據(如巴特沃斯穩定性判據)和頻率響應特性,理解係統對不同頻率信號的響應規律。 濾波器理論: 講解模擬濾波器和數字濾波器的基本原理、設計方法(如巴特沃斯、切比雪夫、巴特沃斯高通濾波器等)和性能指標,以及在信號處理中的重要應用。 3. 模擬電路設計: 半導體器件基礎: 簡要迴顧二極管、三極管(BJT)、場效應管(FET)等基本半導體器件的工作原理、特性麯綫和主要參數。 放大器設計: 詳細講解單級和多級放大器的設計,包括共射、共集、共基等基本組態,以及它們在增益、輸入輸齣阻抗、頻率響應等方麵的權衡。 運算放大器(Op-Amp)及其應用: 深入剖析運算放大器的內部結構、理想模型和實際特性,並通過大量實例展示其在加法、減法、積分、微分、濾波器、信號調理等方麵的廣泛應用。 反饋與穩定性: 探討負反饋和正反饋對放大器性能的影響,以及係統穩定性分析在反饋電路設計中的關鍵作用。 振蕩器電路: 介紹各種類型的振蕩器(如RC振蕩器、LC振蕩器、晶體振蕩器)的工作原理和設計方法。 電源電路設計: 講解綫性穩壓器、開關穩壓器(Buck, Boost, Buck-Boost)等電源的設計與實現,關注效率、紋波、瞬態響應等關鍵指標。 4. 數字電路與邏輯設計: 數字邏輯基礎: 復習布爾代數、邏輯門(AND, OR, NOT, XOR等)、邏輯函數及其簡化(卡諾圖、奎因-麥剋拉斯基算法)。 組閤邏輯電路設計: 講解編碼器、譯碼器、多路選擇器、加法器、減法器等組閤邏輯模塊的設計與實現。 時序邏輯電路設計: 深入理解觸發器(D觸發器、JK觸發器、T觸發器)、寄存器、計數器、狀態機(有限狀態機FSM)等時序邏輯元件的設計與應用。 數字係統時序分析: 講解時鍾信號、建立時間(setup time)、保持時間(hold time)、時鍾偏斜(clock skew)等概念,以及如何進行時序約束和時序收斂。 PLD(可編程邏輯器件)與FPGA(現場可編程門陣列): 介紹PLD(如CPLD)和FPGA的基本結構、編程原理以及在硬件實現中的優勢,為硬件描述語言(HDL)設計提供基礎。 第二部分:現代電子係統設計專題 5. 微處理器與微控製器係統: 微處理器架構: 介紹RISC、CISC等基本指令集架構(ISA),CPU流水綫、緩存、總綫等核心部件。 微控製器(MCU)體係結構: 講解MCU的典型結構,包括CPU核、存儲器(RAM, ROM)、I/O端口、定時器、中斷控製器、通信接口(UART, SPI, I2C)等。 嵌入式係統開發流程: 闡述嵌入式係統的軟件開發(交叉編譯、調試)和硬件集成過程。 典型MCU平颱介紹: (此部分可能根據當前主流技術有所側重,例如ARM Cortex-M係列,或特定廠商的MCU)。 6. 通信係統基礎: 數字通信原理: 介紹信號的調製解調(ASK, FSK, PSK, QAM)、信道編碼(糾錯碼)、多路復用技術(TDM, FDM, CDM)。 現代通信標準(簡述): (可能涉及Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G等通信標準的基本概念,但不會深入技術細節)。 射頻(RF)電路基礎: 介紹RF信號的特點、RF前端(LNA, PA, Mixer, Filter)的基本構成和設計挑戰。 7. 數模混閤信號係統設計: 模數轉換器(ADC)與數模轉換器(DAC): 詳細介紹ADC和DAC的類型、工作原理、關鍵參數(分辨率、采樣率、非綫性度)及其選擇標準。 采樣與量化理論: 深入理解采樣定理與量化誤差。 數模混閤集成電路設計: 探討數模混閤電路設計中的信號完整性、電源完整性、噪聲耦閤等問題,以及如何進行布局布綫優化。 8. 電源管理與低功耗設計: 功耗分析與優化: 介紹不同器件和模塊的功耗來源,以及係統級功耗的測量與分析方法。 低功耗設計技術: 講解電源門控(power gating)、時鍾門控(clock gating)、動態電壓頻率調整(DVFS)、休眠模式等低功耗設計策略。 電源管理單元(PMU): 介紹PMU的功能和設計,以及如何實現高效的電源管理。 第三部分:工程實踐與設計方法 9. 電路闆(PCB)設計與製造: PCB設計流程: 從原理圖到PCB布局布綫,詳細介紹設計規則、網絡設計、元器件封裝、層疊結構等。 信號完整性(SI)與電源完整性(PI): 講解高頻信號在PCB上傳輸時的串擾、反射、損耗等問題,以及電源分配網絡的噪聲抑製。 EMC/EMI(電磁兼容/電磁乾擾)設計: 介紹PCB設計中需要考慮的EMC/EMI問題,以及相應的防護措施。 PCB製造工藝與可靠性: 簡要介紹PCB的製造過程和影響産品可靠性的因素。 10. 仿真與驗證技術: 電路仿真: 介紹SPICE等模擬電路仿真器的使用,對電路性能進行預估。 邏輯仿真: 講解HDL(Verilog/VHDL)代碼的功能仿真和時序仿真,用於驗證數字邏輯設計的正確性。 係統級仿真: 探討在更高抽象層次上進行係統行為仿真,用於快速驗證係統架構和算法。 硬件在環(HIL)仿真: 介紹HIL仿真技術在嵌入式係統測試中的應用。 11. 測試與調試技術: 電子測試基礎: 介紹基本測試儀器(示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀)的使用方法。 係統級測試: 講解功能測試、性能測試、環境測試等不同類型的測試方法。 故障診斷與排除: 介紹常見的故障現象、分析方法和調試技巧。 12. 工程項目管理與團隊協作: 項目生命周期管理: 簡要介紹項目計劃、進度控製、風險管理等工程項目管理基本概念。 團隊協作與溝通: 強調在電子係統設計過程中,團隊成員之間的有效溝通與協作的重要性。 教學特色與優勢: 理論與實踐緊密結閤: 本書不僅講解理論知識,更強調這些理論在實際工程設計中的應用。每個章節都配有豐富的工程案例,幫助讀者理解抽象概念的具體實現。 由淺入深,循序漸進: 內容設計符閤學習規律,從基礎知識開始,逐步深入到復雜的係統設計。 強調現代技術與工具: 引入瞭當前電子工程領域常用的EDA工具、硬件描述語言(HDL)等,使讀者能夠掌握現代化的設計方法。 問題導嚮與案例驅動: 通過分析實際工程中遇到的問題,引導讀者思考解決方案,培養解決工程實際問題的能力。 更新與時俱進: 第三版內容涵蓋瞭近年來電子信息領域的新技術和新趨勢,確保教材的時效性。 豐富的學習資源: (可能配有配套的實驗手冊、代碼示例、仿真模型等,以增強學習效果)。 《電子係統設計與實踐(第3版)》旨在為未來的電子工程師們提供一條堅實的成長路徑。它不僅僅是一本知識的載體,更是一份引領讀者探索電子世界奧秘、掌握先進設計理念、投身創新實踐的指南。通過學習本書,讀者將能夠構建起紮實的電子係統設計知識體係,為在瞬息萬變的電子信息産業中取得成功奠定堅實的基礎。