编辑推荐
《电子信息学科基础课程系列教材:电子系统设计与实践(第3版)》特色:
重点介绍SoC单片机和CPLD/FPGA相结合、数字技术和模拟技术相结合、功能和指标兼顾的电子系统设计方法。
书中所有硬件电路和程序代码均经实践验证。
每章均包含设计示例和设计训练题,便于学生课后实践。
提供与教材配套的网络资源和实验设备,便于教学。
内容简介
《电子信息学科基础课程系列教材:电子系统设计与实践(第3版)》是浙江省高等教育重点建设立项教材和浙江工业大学重点建设教材,是作者十多年指导大学生电子设计竞赛和课程建设的经验总结,也是通过大学生电子设计竞赛促进课程教学改革的成果之一。
本书内容由模拟电子系统设计、数字电子系统设计、SOC单片机系统设计和综合电子系统设计四部分组成。全书分为11章,包括基于集成运放的放大电路设计、模拟滤波器设计、直流稳压电源设计、CPLD和FPGA的基本结构和原理、基于CPLD/FPGA的数字系统设计、SOC单片机C8051F360的基本原理、SOC单片机系统扩展技术、数字化语音存储与回放系统、DDS信号发生器、高速数据采集系统、基于CAN总线的温度检测系统。每一章后均安排相应的设计训练题。
《电子信息学科基础课程系列教材:电子系统设计与实践(第3版)》的主要特色是突出了SOC单片机和CPLD/FPGA相结合、数字技术和模拟技术相结合、功能和指标兼顾的电子系统设计方法。
《电子信息学科基础课程系列教材:电子系统设计与实践(第3版)》可作为高等院校电子电气类专业有关电子系统设计、电子技术综合提高型实验、大学生电子设计竞赛赛前训练等实践类课程的教材,也可作为具备模电、数电、单片机等基础知识的读者学习电子系统设计方法的参考书。
作者简介
贾立新,副教授。1989年毕业于浙江大学电气工程学院。数字电路与数字逻辑省级精品课程责任教师。长期从事电子技术课程教学和大学生电子设计竞赛赛前辅导工作。主编出版省重点教材《电子系统设计与实践》和校重点建设教材《数字电路》各一部。获校级教学成果一等奖和省级教学成果二等奖各一项,两次获得全国大学生电子设计竞赛优秀赛前辅导教师称号。主持和参与科研项目十多项,发表论文十多篇。目前主要从事智能仪器、电机控制等方面的研究工作。
内页插图
目录
第1章 基于集成运放的放大电路设计
1.1 运算放大器的模型
1.2 用集成运放构成的基本放大电路
1.3 集成运放的主要参数
1.4 集成运放的分类及选择
1.5 正确使用集成运算放大器
1.6 设计训练题
第2章 模拟滤波器设计
2.1 模拟有源滤波器设计
2.1.1 概述
2.1.2 无限增益多重反馈滤波器设计
2.2 开关电容滤波器原理及应用
2.2.1 开关电容滤波器的基本原理
2.2.2 单片集成开关电容滤波器应用
2.3 设计训练题
第3章 直流稳压电源设计
3.1 概述
3.2 固定式线性直流稳压电源设计
3.3 可调式直流稳压电源设计
3.4 开关直流稳压电源设计
3.4.1 降压型DC/DC变换电路设计
3.4.2 升压型DC/DC变换电路设计
3.4.3 极性反转型DC/DC变换电路设计
3.5 设计训练题
第4章 CPLD和FPGA的基本结构和原理
4.1 概述
4.2 CPLD的基本结构和原理
4.3 FPGA的基本结构和原理
4.4 FPGA最小系统设计
4.4.1 设计方案
4.4.2 硬件电路设计
4.4.3 硬件电路测试
4.4.4 JTAG间接模式编程配置器件
4.5 FPGA最小系统应用举例——正弦信号发生器设计
4.6 设计训练题
第5章 基于CPLD/FPGA的数字系统设计
5.1 概述
5.2 硬件描述语言VHDL基础
5.2.1 VHDL的语言要素
5.2.2 VHDL程序的基本结构
5.2.3 VHDL程序的句法
5.2.4 常量、变量与信号
5.2.5 VHDL结构体的三种描述方法
5.3 4位数字频率计设计
5.3.1 设计题目
5.3.2 工作原理
5.3.3 硬件电路设计
5.3.4 顶层设计和底层模块设计
5.3.5 设计项目的Quartus Ⅱ操作流程
5.4 4x4矩阵键盘编码器设计
5.4.1 设计题目
5.4.2 顶层原理图设计
5.4.3 底层模块设计
5.4.4 设计项目的输入和编译
5.4.5 功能测试
5.5 设计训练题
第6章 SOC单片机C8051 F360的基本原理
第7章 SOC单片机系统扩展技术
第8单 数字化语音存储与回放系统
第9章 DDS信号发生器
第10章 高速数据采集系统
第11章 基于CAN总线的温度检测系统
参考文献
前言/序言
大学生课外科技活动已经成为人才培养的重要环节。作为学生课外科技活动的重要平台,全国大学生电子设计竞赛对电子信息类专业学生的人才培养发挥了巨大促进作用,同时也极大促进了相关课程的建设和改革。目前,越来越多的电子信息类专业开设了以培养学生工程实践能力为主要目标的电子系统设计制作方面的课程,将学生电子系统设计能力的培养常态化、课程化,增加学生受益面。编写本书的目的就是为具备模电、数电、单片机等基础知识的学生开设电子系统设计、电子设计竞赛赛前训练等实践课程提供一本合适的教材或参考书。
本书是在浙江省高等教育重点建设教材《电子系统设计与实践》第1版和第2版基础上重新编写出版的,是作者十多年指导大学生电子设计竞赛和课程建设的经验总结。本书内容分为以下4部分。
第一部分为模拟电子系统设计。这部分内容由第1章~第3章组成。第1章简要介绍由运放构成的典型放大电路,分析集成运算放大器主要参数,给出集成运放的选择和使用方法。第2章介绍无限增益多重反馈滤波器的设计方法以及开关电容滤波器的原理和使用方法。第3章介绍线性稳压电源和DC/DC开关电源基本原理和设计方法。这一部分内容与模拟电子技术课程相关内容衔接,目的是帮助读者在理论知识和实际模拟电路之间构建一座桥梁。本部分各章内容相对独立,可以分别安排2学时授课课时。
第二部分为数字电子系统设计。这部分内容由第4章和第5章组成。第4章以Altera公司主流芯片为例,介绍CPLD/FPGA结构和原理;再以FPGA最小系统板的设计为实例,介绍FPGA的配置技术、硬件系统测试技术以及内部资源的应用方法。第5章结合数字频率计和4×4矩阵键盘编码器两个典型实例,介绍基于CPLD/FPGA的数字系统设计方法和流程。这一部分内容既是一个独立的整体,也与后续章节有机联系。例如4×4矩阵键盘编码器将在第6章的单片机最小系统设计中得到应用,FPGA内部嵌入式存储器将在第9章和第10章中介绍的电子系统中得到应用。本部分内容教学安排可根据先修课程灵活掌握,部分内容也适合学生自学,一般安排4学时的授课课时即可。
第三部分为SoC单片机电子系统设计。这部分内容由第6章和第7章组成。第6章介绍C8051F360单片机基本组成、单片机最小系统设计、基本程序设计。C8051F360单片机内核和指令系统与MCS-51单片机兼容,但其性能与内部资源远优于MCS-51单片机。对于具备MCS-51单片机基础的读者来说,可以在较短的时间内掌握C8051F360单片机的使用方法。单片机最小系统是本章的重点,它是后续各章电子系统的核心组成部分,其独特的设计思路也为读者设计其他型号的单片机最小系统提供有价值的参考。第7章通过多个单片机应用系统设计实例介绍SoC单片机系统扩展技术。这些设计实例功能和技术指标兼顾,注重数字与模拟电路结合,注重新型集成芯片的应用。本部分内容篇幅较大,有关C8051F360单片机的内部资源和程序设计可安排学生自学,其中设计实例并不需要全部讲授,教师可以根据自己的需要选择适当的设计实例讲授给学生。本部分内容建议安排10学时。
第四部分为综合电子系统设计。这部分内容由第8章~第11章组成。该部分内容选取了数字化语音存储与回放、DDS信号发生器、高速数据采集系统和基于CAN总线的温度检测系统4个典型的设计实例,从方案设计、理论分析计算、软硬件详细设计、系统调试等四方面介绍综合电子系统的设计方法。这4个综合电子系统所涉及的技术应用范围很广,能起到举一反三的作用。每章内容可以安排2学时授课课时。
作为一本实践类教材,理论与实践相结合是作者追求的目标,作者为此付出了不懈努力。书中提供的硬件电路原理图、程序代码均经过作者调试验证,同时吸收了学生在练习过程中提出的宝贵意见,作者也从中体会到教学相长的乐趣。每一章节后面均安排设计训练题,这些设计训练题与每一章内容紧密结合,也适合学生实践训练。作者研制开发了一套模块化综合电子系统实验箱,将书中出现的典型电路制作成标准尺寸的模块,通过选用不同的模块可以构建书中所有设计实例和大部分设计训练题。该实验箱在2010年获全国电子技术教学研究会实验教学成果一等奖。与本书配套的教学资源包括ppt演示课件、实验箱使用说明书、测试程序可以在网站下载。
参加本书编写的有贾立新、王涌、陈怡等。第3章由陈怡编写,第8章由王涌编写,其余各章由贾立新编写。贾立新负责全书统稿。本书在编写过程中,得到了浙江工业大学信息工程学院省级电工电子实验教学示范中心各位老师的热情支持。在本书出版之际,谨向他们致以最诚挚的谢意。
清华大学出版社编辑为本书的出版做了卓有成效的工作,在此深表谢意。
本书的出版得到了2013年度浙江工业大学重点教材建设项目资助。
《电子系统设计与实践(第3版)》是一部面向电子信息学科本科生、研究生及相关领域从业人员的权威教材。它系统地阐述了现代电子系统的设计理念、方法与技术,并结合丰富的工程实践案例,旨在培养读者扎实的理论基础、卓越的工程实践能力和解决复杂问题的创新思维。 本书的编写立足于当前电子信息技术飞速发展的时代背景,紧密结合电子工程领域的最新进展和工程实践需求。第三版在继承前两版优秀内容的基础上,进行了全面更新与深化。作者团队由在电子系统设计领域享有盛誉的专家学者组成,他们将多年的教学经验与丰富的工程实践相结合,力求使教材内容既有理论深度,又具工程实用性。 核心内容概览: 本书内容结构严谨,逻辑清晰,涵盖了从基础概念到高级应用的广泛主题。其核心内容主要集中在以下几个方面: 第一部分:电子系统设计基础 1. 电子系统概述与设计流程: 系统层次化设计: 介绍电子系统从宏观到微观的不同抽象层次,包括系统级、子系统级、模块级和器件级,强调不同层次的设计目标和约束。 现代电子系统特点: 深入分析现代电子系统所呈现出的高性能、低功耗、高集成度、智能化、网络化等关键特征,以及它们对设计提出的挑战。 典型电子系统实例分析: 通过对通信系统、嵌入式系统、消费电子产品、工业控制系统等典型电子系统的结构、功能和关键技术进行剖析,帮助读者建立系统性认知。 电子系统设计流程: 详细阐述从需求分析、概念设计、详细设计、仿真验证、原型制作、测试调试到产品发布的完整设计流程,强调各环节的衔接与反馈。 设计自动化工具(EDA): 介绍现代电子系统设计中不可或缺的EDA工具的重要性、种类及其在设计流程中的应用,如原理图输入、PCB布局布线、仿真器、逻辑综合器等。 2. 信号与系统理论基础: 连续时间信号与系统: 回顾傅里叶级数、傅里叶变换、拉普拉斯变换等核心概念,以及线性时不变(LTI)系统的时域和频域分析方法。 离散时间信号与系统: 介绍采样定理、Z变换、离散傅里叶变换(DFT)等,为数字信号处理和数字系统设计奠定基础。 系统稳定性与频率响应: 深入探讨系统的稳定性判据(如巴特沃斯稳定性判据)和频率响应特性,理解系统对不同频率信号的响应规律。 滤波器理论: 讲解模拟滤波器和数字滤波器的基本原理、设计方法(如巴特沃斯、切比雪夫、巴特沃斯高通滤波器等)和性能指标,以及在信号处理中的重要应用。 3. 模拟电路设计: 半导体器件基础: 简要回顾二极管、三极管(BJT)、场效应管(FET)等基本半导体器件的工作原理、特性曲线和主要参数。 放大器设计: 详细讲解单级和多级放大器的设计,包括共射、共集、共基等基本组态,以及它们在增益、输入输出阻抗、频率响应等方面的权衡。 运算放大器(Op-Amp)及其应用: 深入剖析运算放大器的内部结构、理想模型和实际特性,并通过大量实例展示其在加法、减法、积分、微分、滤波器、信号调理等方面的广泛应用。 反馈与稳定性: 探讨负反馈和正反馈对放大器性能的影响,以及系统稳定性分析在反馈电路设计中的关键作用。 振荡器电路: 介绍各种类型的振荡器(如RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器)的工作原理和设计方法。 电源电路设计: 讲解线性稳压器、开关稳压器(Buck, Boost, Buck-Boost)等电源的设计与实现,关注效率、纹波、瞬态响应等关键指标。 4. 数字电路与逻辑设计: 数字逻辑基础: 复习布尔代数、逻辑门(AND, OR, NOT, XOR等)、逻辑函数及其简化(卡诺图、奎因-麦克拉斯基算法)。 组合逻辑电路设计: 讲解编码器、译码器、多路选择器、加法器、减法器等组合逻辑模块的设计与实现。 时序逻辑电路设计: 深入理解触发器(D触发器、JK触发器、T触发器)、寄存器、计数器、状态机(有限状态机FSM)等时序逻辑元件的设计与应用。 数字系统时序分析: 讲解时钟信号、建立时间(setup time)、保持时间(hold time)、时钟偏斜(clock skew)等概念,以及如何进行时序约束和时序收敛。 PLD(可编程逻辑器件)与FPGA(现场可编程门阵列): 介绍PLD(如CPLD)和FPGA的基本结构、编程原理以及在硬件实现中的优势,为硬件描述语言(HDL)设计提供基础。 第二部分:现代电子系统设计专题 5. 微处理器与微控制器系统: 微处理器架构: 介绍RISC、CISC等基本指令集架构(ISA),CPU流水线、缓存、总线等核心部件。 微控制器(MCU)体系结构: 讲解MCU的典型结构,包括CPU核、存储器(RAM, ROM)、I/O端口、定时器、中断控制器、通信接口(UART, SPI, I2C)等。 嵌入式系统开发流程: 阐述嵌入式系统的软件开发(交叉编译、调试)和硬件集成过程。 典型MCU平台介绍: (此部分可能根据当前主流技术有所侧重,例如ARM Cortex-M系列,或特定厂商的MCU)。 6. 通信系统基础: 数字通信原理: 介绍信号的调制解调(ASK, FSK, PSK, QAM)、信道编码(纠错码)、多路复用技术(TDM, FDM, CDM)。 现代通信标准(简述): (可能涉及Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G等通信标准的基本概念,但不会深入技术细节)。 射频(RF)电路基础: 介绍RF信号的特点、RF前端(LNA, PA, Mixer, Filter)的基本构成和设计挑战。 7. 数模混合信号系统设计: 模数转换器(ADC)与数模转换器(DAC): 详细介绍ADC和DAC的类型、工作原理、关键参数(分辨率、采样率、非线性度)及其选择标准。 采样与量化理论: 深入理解采样定理与量化误差。 数模混合集成电路设计: 探讨数模混合电路设计中的信号完整性、电源完整性、噪声耦合等问题,以及如何进行布局布线优化。 8. 电源管理与低功耗设计: 功耗分析与优化: 介绍不同器件和模块的功耗来源,以及系统级功耗的测量与分析方法。 低功耗设计技术: 讲解电源门控(power gating)、时钟门控(clock gating)、动态电压频率调整(DVFS)、休眠模式等低功耗设计策略。 电源管理单元(PMU): 介绍PMU的功能和设计,以及如何实现高效的电源管理。 第三部分:工程实践与设计方法 9. 电路板(PCB)设计与制造: PCB设计流程: 从原理图到PCB布局布线,详细介绍设计规则、网络设计、元器件封装、层叠结构等。 信号完整性(SI)与电源完整性(PI): 讲解高频信号在PCB上传输时的串扰、反射、损耗等问题,以及电源分配网络的噪声抑制。 EMC/EMI(电磁兼容/电磁干扰)设计: 介绍PCB设计中需要考虑的EMC/EMI问题,以及相应的防护措施。 PCB制造工艺与可靠性: 简要介绍PCB的制造过程和影响产品可靠性的因素。 10. 仿真与验证技术: 电路仿真: 介绍SPICE等模拟电路仿真器的使用,对电路性能进行预估。 逻辑仿真: 讲解HDL(Verilog/VHDL)代码的功能仿真和时序仿真,用于验证数字逻辑设计的正确性。 系统级仿真: 探讨在更高抽象层次上进行系统行为仿真,用于快速验证系统架构和算法。 硬件在环(HIL)仿真: 介绍HIL仿真技术在嵌入式系统测试中的应用。 11. 测试与调试技术: 电子测试基础: 介绍基本测试仪器(示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪)的使用方法。 系统级测试: 讲解功能测试、性能测试、环境测试等不同类型的测试方法。 故障诊断与排除: 介绍常见的故障现象、分析方法和调试技巧。 12. 工程项目管理与团队协作: 项目生命周期管理: 简要介绍项目计划、进度控制、风险管理等工程项目管理基本概念。 团队协作与沟通: 强调在电子系统设计过程中,团队成员之间的有效沟通与协作的重要性。 教学特色与优势: 理论与实践紧密结合: 本书不仅讲解理论知识,更强调这些理论在实际工程设计中的应用。每个章节都配有丰富的工程案例,帮助读者理解抽象概念的具体实现。 由浅入深,循序渐进: 内容设计符合学习规律,从基础知识开始,逐步深入到复杂的系统设计。 强调现代技术与工具: 引入了当前电子工程领域常用的EDA工具、硬件描述语言(HDL)等,使读者能够掌握现代化的设计方法。 问题导向与案例驱动: 通过分析实际工程中遇到的问题,引导读者思考解决方案,培养解决工程实际问题的能力。 更新与时俱进: 第三版内容涵盖了近年来电子信息领域的新技术和新趋势,确保教材的时效性。 丰富的学习资源: (可能配有配套的实验手册、代码示例、仿真模型等,以增强学习效果)。 《电子系统设计与实践(第3版)》旨在为未来的电子工程师们提供一条坚实的成长路径。它不仅仅是一本知识的载体,更是一份引领读者探索电子世界奥秘、掌握先进设计理念、投身创新实践的指南。通过学习本书,读者将能够构建起扎实的电子系统设计知识体系,为在瞬息万变的电子信息产业中取得成功奠定坚实的基础。