電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論賈立新1.什么是電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)是由若干相互聯(lián)系、相互制約的電子元器件或部件組成，能夠獨(dú)立完成某種特定電信號(hào)處理的完整電子電路。數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)1.什么是電子系統(tǒng)模擬電子系統(tǒng)：以模擬電子技術(shù)為主要技術(shù)手段的電子系統(tǒng)稱(chēng)為模擬電子系統(tǒng)。數(shù)字電子系統(tǒng)：以數(shù)字電子技術(shù)為主要技術(shù)手段的電子系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字電子系統(tǒng)。單片機(jī)電子系統(tǒng)：以單片機(jī)為核心的電子系統(tǒng)，稱(chēng)為單片機(jī)電子系統(tǒng)。

綜合電子系統(tǒng)：由單片機(jī)、FPGA和模擬電路組成的電子系統(tǒng)。1.什么是電子系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題：復(fù)雜工程問(wèn)題必須具備下述特征（1）~（7）的部分或全部：（1）必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決；（2）涉及多方面的技術(shù)、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突；（3）需要通過(guò)建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性；（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的，需要運(yùn)用現(xiàn)代工具；（5）問(wèn)題中涉及的因素可能沒(méi)有完全包含在專(zhuān)業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，具有不確定性；（6）問(wèn)題相關(guān)各方利益不完全一致；（7）具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。1.什么是電子系統(tǒng)

為了管理電子系統(tǒng)的復(fù)雜性，通常將電子系統(tǒng)劃分為不同的抽象（Abstraction）層次。2.電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1.模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法選擇電路結(jié)構(gòu)→選擇器件→參數(shù)計(jì)算→電路仿真→焊接調(diào)試2.數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常有手工設(shè)計(jì)和EDA設(shè)計(jì)兩種方法。手工設(shè)計(jì)方法：采用真值表、邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)得到數(shù)字系統(tǒng)的邏輯函數(shù)表達(dá)式，然后采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路實(shí)現(xiàn)。EDA設(shè)計(jì)方法：借助EDA工具和硬件描述語(yǔ)言（HardwareDescriptionLanguage，HDL）來(lái)完成設(shè)計(jì)，然后采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。2.電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法3.單片機(jī)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（1）對(duì)硬件和軟件承擔(dān)的任務(wù)進(jìn)行合理的劃分，畫(huà)出原理框圖。（2）單片機(jī)硬件系統(tǒng)擴(kuò)展。（3）軟件設(shè)計(jì)。（4）系統(tǒng)調(diào)試。4.綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。什么是“頂”呢？“頂”是指系統(tǒng)的功能。何為“底”呢？“底”就是最基本的元器件。3.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1.分析設(shè)計(jì)題目2.方案設(shè)計(jì)3.相關(guān)理論分析4.軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)5.組裝調(diào)測(cè)6.撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告項(xiàng)

目?jī)?nèi)

容滿分方案設(shè)計(jì)與論證方案比較10正確性10優(yōu)良程度5理論分析與計(jì)算完成程度10正確性10電路圖及FPGA設(shè)計(jì)文檔完整性10規(guī)范程度5測(cè)試方法與數(shù)據(jù)方法正確性10數(shù)據(jù)完整性10測(cè)試儀器（型號(hào)）5結(jié)果分析10設(shè)計(jì)報(bào)告工整性5總分1002015年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品——數(shù)字頻率計(jì)（國(guó)一）4.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例2017年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品——幅頻特性測(cè)試儀（國(guó)二）4.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例2019年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品——紙張測(cè)量?jī)x（國(guó)二）4.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例2019年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品——線路負(fù)載及故障檢測(cè)裝置（國(guó)二）4.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例5.模塊化綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)賈立新2.1運(yùn)算放大器的模型

2.1運(yùn)算放大器的模型

集成運(yùn)算放大器是高放大倍數(shù)、高輸入阻抗、低輸出阻抗的直接耦合多級(jí)放大器，是構(gòu)成信號(hào)的產(chǎn)生、變換、處理等模擬電路的基本單元。

2.1運(yùn)算放大器的模型簡(jiǎn)化的運(yùn)算放大器電路圖1.理想運(yùn)算放大器的模型

（1）開(kāi)環(huán)增益AVO＝∞；（2）輸入電阻ri=∞

；（3）輸出電阻ro=0；（4）頻帶寬度△f=∞；（5）共模擬制比KCMR=∞；（6）失調(diào)漂移、內(nèi)部噪聲均為0。2.1運(yùn)算放大器的模型2.實(shí)際運(yùn)算放大器的模型

（1）差分輸入電阻ri；（2）電壓增益AVO；（3）輸出電阻ro；（4）差分輸入電壓vD=vP-vN（5）單位增益帶寬。741運(yùn)算放大器的ri=2MΩ，AVO=200V/mV，ro=75Ω。2.1運(yùn)算放大器的模型電流反饋運(yùn)放（Current-Feedback，CFB）在結(jié)構(gòu)上與電壓反饋運(yùn)放（Voltage-Feedback，VFB）有明顯不同。電流反饋運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端之間是一個(gè)單位增益緩沖器。理想情況下，緩沖器有無(wú)窮大的輸入阻抗和零輸出阻抗。（1）同相輸入端阻抗∞；（2）反相輸入端阻抗為0；（3）輸出阻抗為0。2.1運(yùn)算放大器的模型3.電壓反饋型運(yùn)放和電流反饋型運(yùn)放2.1運(yùn)算放大器的模型電流反饋型運(yùn)放構(gòu)成的同相放大器

電壓反饋運(yùn)算放大器特點(diǎn)：（2）增益帶寬積為常數(shù)；（3）反饋電阻的取值較為自由等特點(diǎn)。反饋電阻一般阻值較大，通常在10kΩ以上，這樣反饋電阻獲得反饋電壓的能力更大。（4）電壓反饋運(yùn)算放大器適合于需要低失調(diào)電壓、低噪聲的電路中。（1）具有同相和反相輸入端阻抗基本相同，均為高阻，噪聲更低、更好的直流特性；2.1運(yùn)算放大器的模型（4）電流反饋放大器在很寬的頻率范圍內(nèi)增益恒定，頻率響應(yīng)要遠(yuǎn)優(yōu)于電壓反饋型放大器，所以寬帶放大器都是電流反饋型的。

電流反饋運(yùn)算放大器特點(diǎn)：（2）帶寬不受增益的影響，壓擺率更高；（1）具有同相輸入端為高阻，反相輸入端為低阻抗；（3）反饋電阻一般阻值較小，通常小于1kΩ，這樣反饋電阻獲得的反饋電流的能力更大。電流反饋運(yùn)算放大器適用于需要高壓擺率、低失真和可以設(shè)置電路增益而不影響帶寬的電路2.1運(yùn)算放大器的模型

THS30922.1運(yùn)算放大器的模型賈立新2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路1.比例放大器Avf=vo/vi=-R2/R12.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路2.同相放大器2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路3.加法電路

2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路加法電路的應(yīng)用2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路v1=0.1sin1000πt（V）Vpp=4V，f=2kHz三角波4.基本差分放大電路很多傳感器的輸出信號(hào)既有差模信號(hào)，又有共模信號(hào)。2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路vid：差模電壓，有用信號(hào)。差分放大電路只對(duì)差模信號(hào)放大，對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)為0。當(dāng)Rf/R1=RF/R1時(shí)，2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路vic：共模電壓，無(wú)用信號(hào)。共模抑制比（1）電阻參數(shù)很難完全匹配，導(dǎo)致共模抑制能力下降。

差分放大電路存在的問(wèn)題：2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路（4.9V，+5.1V）（9.9V，10.1V）（-0.1V，+0.1V）0.2V0.2V0.2V0.2002V0.2626V0.3250V（2）輸入阻抗不夠大連接前，vi1=2.564V，vi2=2.5V連接后，vi1=2.502V，vi2=2.439V64mV63mV2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路（3）增益調(diào)節(jié)不便。上述缺點(diǎn)可以通過(guò)采用儀表放大器來(lái)解決。2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路5.儀表放大器6.V/I變換電路當(dāng)RF1/RG1=RF2/RG2=1時(shí)2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路6.

V/I變換電路當(dāng)vI由D/A轉(zhuǎn)換器提供時(shí)，可以構(gòu)成數(shù)控電流源。2.2集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路2.3集成運(yùn)放的參數(shù)賈立新2.3集成運(yùn)放的參數(shù)集成運(yùn)放的指標(biāo)分為直流電氣特性和交流電氣特性。1.直流電氣特性(1)輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流

同相輸入端吸收的電流用IP表示，反相輸入端吸收的電流用IN表示將IP和IN的差稱(chēng)為輸入失調(diào)電流IOS=IP-IN2.3集成運(yùn)放的參數(shù)分析：輸入偏置電流和失調(diào)電流對(duì)放大電路的影響2.3集成運(yùn)放的參數(shù)縮小所有的電阻；選擇一款具有更低IOS值的運(yùn)算放大器（2）輸入失調(diào)電壓

2.3集成運(yùn)放的參數(shù)VOS對(duì)電阻反饋運(yùn)算放大器電路的影響

2.3集成運(yùn)放的參數(shù)輸出失調(diào)電壓的補(bǔ)償適用于增益固定放大電路2.3集成運(yùn)放的參數(shù)（3）輸出開(kāi)環(huán)阻抗和輸出閉環(huán)阻抗2.3集成運(yùn)放的參數(shù)（4）最大輸出電壓擺幅2.3集成運(yùn)放的參數(shù)型號(hào)IB/μAIOS/μAVOS/mV最大輸出電壓典型值最大值典型值最大值典型值最大值VOH/VVOL/VMAX40165.4200.120420V+-0.06V-+0.06

TL0820.000050.00040.0000250,0002515V+-1.5V-+1.5

OPA21880.000160.000850.000320.00170.0060.025V+-0.22V-+0.22

三種常用運(yùn)放的靜態(tài)參數(shù)2.3集成運(yùn)放的參數(shù)2.交流電氣特性（1）開(kāi)環(huán)帶寬BW和單位增益帶寬GBW開(kāi)環(huán)電壓增益從開(kāi)環(huán)直流增益A0下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻寬稱(chēng)為開(kāi)環(huán)帶寬BW。從開(kāi)環(huán)直流增益下降到0dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻寬稱(chēng)為單位增益帶寬GBW。2.3集成運(yùn)放的參數(shù)

在小信號(hào)（Vopp

≤1V）條件下，電壓反饋運(yùn)算放大器的帶寬和增益的乘積是一常數(shù)。2.3集成運(yùn)放的參數(shù)（2）轉(zhuǎn)換速率（SlewingRate，SR）

轉(zhuǎn)換速率也稱(chēng)壓擺率，其定義是運(yùn)放在額定負(fù)載及輸入階躍大信號(hào)時(shí)輸出電壓的最大變化率。

當(dāng)放大器輸出大振幅的正弦信號(hào)時(shí)，為了避免失真，其最大頻率為：

fp（max）=SR/（2πVom）2.3集成運(yùn)放的參數(shù)例1：OPA552的單位增益帶寬GBW為12MHz，SR為24V/μs，用其構(gòu)成放大倍數(shù)為5的反相放大器，其小信號(hào)帶寬為12MHz/5=2.4MHz，當(dāng)輸出信號(hào)的峰-峰值為10V時(shí)，其允許的最大頻率為fp（max）=SR/（2πVom）=24×106/（2π×5）=764（kHz）2.3集成運(yùn)放的參數(shù)例2：脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)量?jī)x。頻率范圍為10Hz～2MHz，占空比D范圍為10％～90％度，幅度范圍為0.1～10V。2.3集成運(yùn)放的參數(shù)常用運(yùn)放的動(dòng)態(tài)參數(shù)型

號(hào)GBW/MHzSR(V/μs)OP070.60.3OPA218820.8TL082413MAX4016150600THS309221073002.3集成運(yùn)放的參數(shù)電源電壓選擇；3.集成運(yùn)算放大器的選型步驟失調(diào)電壓VOS選擇；增益帶寬積GBW選擇；壓擺率SR選擇。2.3集成運(yùn)放的參數(shù)2.4單電源放大電路設(shè)計(jì)賈立新2.4單電源放大電路設(shè)計(jì)

從運(yùn)放供電的角度，可分為雙電源運(yùn)放、單電源運(yùn)放或既可雙電源也可單電源運(yùn)放。

由于電池供電設(shè)備、便攜產(chǎn)品越來(lái)越流行，單電源運(yùn)放使用也越來(lái)越多。單電源運(yùn)放如果放大雙極性信號(hào)將輸出失真。對(duì)單電源運(yùn)放加合適的偏置，使輸出電壓以一個(gè)合適的直流電平為中心上下擺動(dòng)。直流電平確定的原則是保證輸出信號(hào)不失真，輸出信號(hào)有最大的動(dòng)態(tài)范圍2.4單電源放大電路設(shè)計(jì)1.利用虛擬地實(shí)現(xiàn)偏置

2.4單電源放大電路設(shè)計(jì)2.交流放大電路的偏置

2.4單電源放大電路設(shè)計(jì)3.直接耦合放大電路的偏置對(duì)于直接耦合的單電源放大電路，通常采用線性電路的疊加原理來(lái)計(jì)算偏置電壓或者確定電阻阻值2.4單電源放大電路設(shè)計(jì)2.4單電源放大電路設(shè)計(jì)例1：

電路如圖1所示。已知VCC=5V，VREF=5V。要求電路vI=0.01V時(shí)，vO=1V；vI=1V時(shí)，vO=4.5V。請(qǐng)確定R1~R4的阻值。將vI=0.01V，vO=1V和

vI=1V，vO=4.5V代入得R2=18.32R1，R4=2.73R3取R1=R3=10kΩ，得R2=183.2kΩ，R4=27.3kΩ賈立新3.1濾波器概述3.1概述模擬濾波器就是實(shí)現(xiàn)使特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)順利通過(guò)，而阻止其它頻率信號(hào)通過(guò)的電路。1.什么是濾波器？頻率特性傳遞函數(shù)

無(wú)源濾波器由無(wú)源器件R、C和L組成。缺點(diǎn)：在較低頻率下工作時(shí)，電感L的體積和重量較大，而且濾波效果不理想。

RC有源濾波器由R、C和運(yùn)算放大器構(gòu)成。體積小，重量輕，高輸入阻抗，低輸出阻抗，提供一定的信號(hào)增益，因此，有源濾波器得到廣泛的應(yīng)用。2.濾波器的分類(lèi)3.1概述

開(kāi)關(guān)電容濾波器（SwitchedCapacitorFilters，SCF）是一種由MOS開(kāi)關(guān)、電容和運(yùn)放構(gòu)成的離散時(shí)間模擬濾波器。

數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法。按幅頻特性可分為低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）和帶阻（BRF）4種類(lèi)型。3.1概述3.濾波器的典型應(yīng)用（1）抗混疊濾波器3.1概述（2）重建濾波器（3）基于PWM的D/A轉(zhuǎn)換器3.1概述（4）波形變換2階濾波器的傳遞函數(shù)3.1概述4.濾波器的傳遞函數(shù)

與Q=0.707對(duì)應(yīng)的幅頻曲線稱(chēng)為巴特沃思響應(yīng)，應(yīng)用最廣泛。2階濾波器的幅頻響應(yīng)3.1概述巴特沃思貝塞爾切比雪夫H(

)/0切比雪夫： 下降最陡，但通帶之間幅頻曲線有波紋。巴特沃思： 通帶內(nèi)幅頻曲線的幅度平坦，最平幅度逼近，相移與頻率的關(guān)系不是很線性的，階躍響應(yīng)有過(guò)沖。貝塞爾：相移和頻率之間有良好的線性關(guān)系，階躍響應(yīng)過(guò)沖小，但幅頻曲線的下降陡度較差。3.1概述2階濾波器的幅頻響應(yīng)5．兩種常用的有源濾波器電路無(wú)限增益多重反饋濾波器，簡(jiǎn)稱(chēng)MFB濾波器3.1概述壓控制電壓源濾波器，簡(jiǎn)稱(chēng)

Sallen-Key

濾波器3.1概述3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)賈立新電路結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)1.二階低通MFB濾波器的設(shè)計(jì)3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)1.二階低通MFB濾波器的設(shè)計(jì)比較得

與

令C1=nC2

，A0=可得3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)取n=4Q2（1+A0），得：令，可得到濾波器中各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式為C1＝4Q2（1＋A0）C2R1＝R0/（2Q

A0）R2=A0×R1R3=R0/[2Q(1+A0)]由此可見(jiàn)，只要確定C2的值，其余的參數(shù)可隨之確定。3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)（1）首先決定C2的容量，選取C2值為2200pF。（3）計(jì)算C1的電容值，C1＝4Q2（1＋A0）C0=8797pF（4）計(jì)算R1的電阻值，R1＝R0/（2Q

A0）＝15.05kΩ（5）計(jì)算R2的電阻值，R2=A0×R1＝15.05kΩ（6）計(jì)算R3的電阻值，R3=R0/[2Q(1+A0)]＝7.53kΩ（2）計(jì)算基準(zhǔn)電阻R0＝1/2πfCC2＝21.29kΩ。例1：二階MFB低通濾波器的設(shè)計(jì)。假設(shè)濾波器的通帶增益A0＝1，截止頻率fC=3.4kHz，Q為0.707。3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)2階低通濾波器原理圖仿真結(jié)果

3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)2.二階高通MFB濾波器的設(shè)計(jì)C1=C3=C0

C2=C1/A0

R1＝R0/[Q(2＋1/A0)]

R2＝R0Q(1+2A0)

3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)

取基準(zhǔn)電容C0=0.033uF，則基準(zhǔn)電阻R0=1/（2πfcC0）=16.076kΩ，C1=C3=C0=0.033μFC2=C1/A0=0.033μFR1＝R0/[Q（2＋1/A0）]=7.58kΩR2＝R0Q（1+2A0）=34.097kΩ例2：二階MFB高通濾波器的設(shè)計(jì)。設(shè)濾波器通帶增益A0為1，截止頻率fc為300Hz，Q為0.707。3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)原理圖仿真結(jié)果

3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)方案一：由低通濾波器和高通濾波器級(jí)聯(lián)而成。3.二階帶通MFB濾波器的設(shè)計(jì)例3：

設(shè)計(jì)一2階帶通濾波器，通帶范圍為300Hz-3.4kHz，通帶增益A0=1。由例1和例2電路級(jí)聯(lián)而成。3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)方案二：直接設(shè)計(jì)C1=C2=C03.2MFB濾波器設(shè)計(jì)例4：

設(shè)計(jì)一個(gè)f0=1kHz，Q=10和A0=1的二階MFB帶通濾波器。解：取C1=C2=C0=0.01μF，3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)3.2MFB濾波器設(shè)計(jì)例5：假設(shè)有用信號(hào)的最高頻率fa為3.4kHz，采樣頻率fs為40kHz，采用12位ADC。確定抗混疊濾波器階數(shù)。3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)應(yīng)采用4階濾波器高階濾波器的傳遞函數(shù)H(s)因式分解后得到低階項(xiàng)的乘積。3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)nf01Q1f02Q2f03Q3f04Q42fc處的衰減（dB）210.707113.30311.000118.13410.54111.30624.10510.61811.620130.11610.51810.70711.93236.12710.55510.80213.247143.14810.51010.60110.90013.56348.16第1級(jí)：選電容C2為2200pF，則：基準(zhǔn)電阻R0=1/2πfc1C2＝21.29kΩC1=4Q12（1+A0）C2=5151pF，取標(biāo)稱(chēng)值5100pFR1=R0/（2Q1A0）=19.67kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值20kΩR2=A0R1=19.67kΩ，選擇20kΩR3=R0/[2Q1（1+A0）]=9.83kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值10kΩ例6：設(shè)計(jì)一fc為3.4kHz，通帶增益A0為1的4階巴特沃茲低通濾波器。解：4階濾波器通常是由2階濾波器級(jí)連而成。3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)第2級(jí)：選電容C4為2200pF，則：基準(zhǔn)電阻R0=1/2πfc2C4＝21.29kΩC3=4Q22（1+A0）C4=0.0313uF，取標(biāo)稱(chēng)值0.033uFR4=R0/（2Q2A0）=8.15kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值8.2kΩR5=A0R4=8.2kΩR6=R0/[2Q2（1+A0）]=4.07kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值3.9kΩ3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)第2級(jí)Q=1.306第1級(jí)Q=0.5414階濾波器幅頻特性3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)例7：設(shè)計(jì)一4階高通濾波器，fc＝6.8kHz，通帶增益A0=1。解：4階濾波器通常是由2階濾波器級(jí)連而成。選擇電容C5~C10=C0＝3300pF，R7=R0/[Q1（2+1/A0）]=7.1/（0.541×3）=4.37kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值4.3kΩR0=1/（2πfcC0）=1/（2π×6.8×103×3300×10-12）＝7.1kΩR8=R0Q1(1+2A0)=7.1×0.541×3=11.52kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值12kΩ3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)R9=R0/[Q2(2+1/A0)]=7.1/（1.306×3）=1.8kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值1.8kΩR10=R0Q2(1+2A0)=7.1×1.306×3=27.8kΩ，取標(biāo)稱(chēng)值27kΩ3.2.5有源濾波器的級(jí)聯(lián)4階高通濾波器的仿真結(jié)果f=3.4kHzf=6.8kHz

f=10kHz（a）第1級(jí)Q=0.541（b）第2級(jí)Q=1.306（c）4階濾波器幅頻特性3.3LC濾波器的設(shè)計(jì)賈立新3.3LC濾波器設(shè)計(jì)1.LC濾波器的應(yīng)用場(chǎng)合（1）高頻信號(hào)的濾波，例如，應(yīng)用在DDS信號(hào)發(fā)生器中的低通濾波器，由于其截止頻率通常是幾MHz甚至幾十MHz，用有源RC濾波器難以實(shí)現(xiàn)；（2）工作電流比較大的應(yīng)用場(chǎng)合，如D型功放的輸出級(jí)濾波，DC/DC開(kāi)關(guān)電源中的濾波。2.LC濾波器的特點(diǎn)

LC濾波器在實(shí)際使用中，必然有前級(jí)電路和后級(jí)電路。LC濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮源端阻抗Rs和負(fù)載阻抗RL。3.3LC濾波器設(shè)計(jì)2.LC濾波器的特點(diǎn)LC濾波器有巴特沃斯濾波器和橢圓型濾波器兩種常見(jiàn)類(lèi)型。巴特沃斯LC濾波器由∏型或T型濾波節(jié)級(jí)聯(lián)而成，橢圓形LC濾波器則由并聯(lián)或串聯(lián)的LC節(jié)組成。3.3LC濾波器設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器（Butter-worthfilter）有時(shí)也稱(chēng)為瓦格納濾波器（Wagnerfilter）。在可用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的濾波器中，巴特沃思濾波器是最為有名的濾波器。由于它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能方面也沒(méi)有明顯缺點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。又由于它對(duì)構(gòu)成濾波器的元件Q值要求較低，因而易于制作和達(dá)到設(shè)計(jì)性能。橢圓型濾波器的特性曲線在通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)都有起伏。3.濾波器的分類(lèi)3.3LC濾波器設(shè)計(jì)3.3LC濾波器設(shè)計(jì)4.歸一化LC低通濾波器的設(shè)計(jì)方法的基準(zhǔn)低通濾波器的數(shù)據(jù)。

歸一化低通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，指的是特征阻抗為1Ω，且截止頻率為3.3LC濾波器設(shè)計(jì)（1）選擇電路結(jié)構(gòu)當(dāng)Rs為0時(shí)3.3LC濾波器設(shè)計(jì)（1）選擇電路結(jié)構(gòu)當(dāng)Rs不為0時(shí)3.3LC濾波器設(shè)計(jì)（2）以巴特沃思?xì)w一化LPF設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)濾波器，將它的截止頻率和特征阻抗變換為待設(shè)計(jì)濾波器的相應(yīng)值。3.3LC濾波器設(shè)計(jì)例3.3-1設(shè)計(jì)二階LC濾波器，截止頻率20kHz，負(fù)載電阻RL為4Ω，源電阻RS為4Ω。3.3LC濾波器設(shè)計(jì)電路仿真3.3LC濾波器設(shè)計(jì)例3.3-2設(shè)計(jì)二階LC濾波器，截止頻率20kHz，負(fù)載電阻RL為4Ω，源電阻RS為0Ω。3.3LC濾波器設(shè)計(jì)3.3LC濾波器設(shè)計(jì)電路仿真4.1常用電子元器件賈立新1.

電阻色環(huán)電阻、貼片電阻和水泥電阻直插排阻和貼片排阻1.

電阻電位器3296型模擬電位器3362型模擬電位器X9C102數(shù)字電位器允許偏差標(biāo)稱(chēng)電阻5%1.01.11.21.31.51.61.82.02.22.42.73.03.33.63.94.34.75.15.66.26.87.58.29.1電阻的標(biāo)稱(chēng)值1.

電阻電阻的高頻等效模型和頻率特性曲線2.

電容電容器按照介質(zhì)材料分可分為電解電容、有機(jī)膜介質(zhì)電容、無(wú)機(jī)膜介質(zhì)電容、獨(dú)石電容和空氣介質(zhì)電容。電解電容常見(jiàn)的有鋁電解電容器和鉭電解電容器

陶瓷電容器和獨(dú)石電容2.電容電容的標(biāo)稱(chēng)值允許偏差標(biāo)稱(chēng)電容5%1.01.11.21.31.51.61.83.03.23.23.73.03.33.63.94.24.75.15.66.26.87.58.29.1電容的高頻等效電路和頻率特性3.電感常見(jiàn)的電感貼片疊層電感器（磁珠）色環(huán)電感磁芯電感電感的高頻等效模型和頻率特性4.二極管和三極管二極管整流二極管

開(kāi)關(guān)二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管三極管雙極型三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管4.2正弦信號(hào)產(chǎn)生電路賈立新1.設(shè)計(jì)題目用一片555定時(shí)器和一片TL082雙運(yùn)放設(shè)計(jì)正弦信號(hào)產(chǎn)生電路，實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）采用555定時(shí)器設(shè)計(jì)多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為1kHz、占空比為50%的方波信號(hào)v1。頻率和占空比允許有±5%誤差。（2）采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)有源濾波器將v1轉(zhuǎn)化為同頻率的正弦信號(hào)v2，要求用示波器觀測(cè)v2無(wú)明顯失真，峰峰值不小于4V，直流偏移量為0V。（3）采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)移相電路，產(chǎn)生與v2移相900正弦信號(hào)v3，相位誤差不大于50，v3和v2的幅值一致。（4）±5V電源供電。2.單元電路設(shè)計(jì)（1）多諧振蕩器設(shè)計(jì)T1=0.7R1C1，T2=0.7R2C1，T1=0.7(R1+R2)C1

令C1=0.1μF，根據(jù)上式得R1+R2=14.2kΩ2.單元電路設(shè)計(jì)（2）2階帶通濾波器設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)方波的傅里葉級(jí)數(shù)：假設(shè)多諧振蕩器輸出方波的幅值Vs為4V，則基波的峰峰值為二階帶通濾波器原理圖（元件參數(shù)取標(biāo)稱(chēng)值）2.單元電路設(shè)計(jì)令C3=C4=10nF2.單元電路設(shè)計(jì)移相電路原理圖2.電路設(shè)計(jì)移相電路的仿真取C5=0.01μF，f=1kHz，則：3.電路制作和調(diào)試實(shí)際電路3.電路制作和調(diào)試測(cè)試結(jié)果4.3測(cè)量放大器設(shè)計(jì)賈立新1.設(shè)計(jì)題目用通用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測(cè)量放大器。輸入信號(hào)VI取自橋式電路的輸出。當(dāng)R1＝R2＝R3＝R4時(shí)，VI＝0。R2改變時(shí)，產(chǎn)生VI≠0的電壓信號(hào)。（1）差模電壓放大倍數(shù)AVD＝5～200，可手動(dòng)調(diào)節(jié)；（3）在AVD＝200時(shí)，通頻帶0～10Hz；（2）在輸入共模電壓-3.5V～+3.5V范圍內(nèi)，共模抑制比KCMR>105

；2.方案設(shè)計(jì)測(cè)量放大器采用儀表放大器和增益可調(diào)放大器級(jí)聯(lián)而成的設(shè)計(jì)方案。3.電路設(shè)計(jì)（1）儀表放大器設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)（2）整體電路設(shè)計(jì)4.電路制作和調(diào)試±5V電源輸入差模信號(hào)輸入測(cè)量放大器輸出運(yùn)放A3運(yùn)放A1運(yùn)放A4運(yùn)放A14.電路制作和調(diào)試電路調(diào)試4.電路制作和調(diào)試（1）測(cè)量放大器調(diào)零（2）放大器增益測(cè)試v1-v2/mV-11.4-8.88-3.081.0606.0013.3815.83Vout/V-2.282-1.781-0.6170.2131.2032.6813.170增益200.2200.6200.3200.9200.5200.4200.3將v1和v2兩個(gè)輸入端短接，調(diào)節(jié)RP1，使Vout接近0V。4.電路制作和調(diào)試（3）共模抑制比測(cè)試（4）帶寬測(cè)試將測(cè)量放大器的增益調(diào)到最大，將v1和v2短接，加-3.5V～+3.5V電壓。用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓，輸出電壓小于5mV，共模增益小于1.43×10-3。當(dāng)差模增益大于150時(shí)放大器的共模抑制比KCMR>105，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求（3）的指標(biāo)。

將測(cè)量放大器的增益調(diào)到最大，將v1輸入vipp=40mV的正弦信號(hào)，

v2與信號(hào)發(fā)生器的地連接。正弦信號(hào)頻率從20Hz增加，當(dāng)頻率升到50Hz時(shí)，輸出信號(hào)幅值降到頻率為20Hz時(shí)的0.707倍。4.4D型功放設(shè)計(jì)賈立新設(shè)計(jì)功率放大電路，示意圖如圖所示。設(shè)計(jì)要求如下：1.設(shè)計(jì)題目（1）當(dāng)輸入正弦信號(hào)vi電壓有效值為100mV、功率放大器接8Ω電阻負(fù)載時(shí)，要求輸出功率≥10W，輸出電壓波形無(wú)明顯失真；（2）功率放大電路的-3dB通頻帶為200Hz～20kHz；（3）功率放大電路輸出最大功率時(shí)，效率≥80％；（4）末級(jí)功放管采用分立的大功率MOS晶體管；（5）采用+24V單電源供電。2.方案設(shè)計(jì)功放的分類(lèi)：A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和D類(lèi)。A類(lèi)功放的效率通常在50%以下，B類(lèi)或AB類(lèi)功放的效率也在75%以下。由于本設(shè)計(jì)題要求功率放大器的效率達(dá)到80%以上，所以選用D型功放才能滿足設(shè)計(jì)要求。D型功放中的晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，具有效率高、體積小、重量輕、輸出功率大的特點(diǎn)。原理框圖工作波形三角波的頻率f：

150kHz~300kHz3.電路設(shè)計(jì)D型功放由放大電路、三角波發(fā)生器、電壓比較器、MOSFETH橋、LC濾波器和電源電路幾部分組成。（1）放大電路設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)（2）三角波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)（3）電壓比較器電路設(shè)計(jì)LM311為集電極開(kāi)路（OC）輸出的電壓比較器3.電路設(shè)計(jì)（4）MOSFETH橋設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)（5）LC濾波電路設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)（5）LC濾波電路設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)（6）電源電路的設(shè)計(jì)TPS5430的輸出電壓由R16、R17確定：4.D型功放的制作（1）用AltiumDesigner設(shè)計(jì)D型功放的PCB圖4.D型功放的制作（2）將PCB圖打印在熱轉(zhuǎn)印紙上4.D型功放的制作（2）將PCB圖打印在熱轉(zhuǎn)印紙上4.D型功放的制作（2）將PCB圖打印在熱轉(zhuǎn)印紙上4.D型功放的制作（2）將PCB圖打印在熱轉(zhuǎn)印紙上（3）將熱轉(zhuǎn)印紙上的PCB圖緊貼在單面覆銅板上，將整個(gè)覆銅板包裹，用高溫膠帶綁住。4.D型功放的制作（4）用熱轉(zhuǎn)印機(jī)將熱轉(zhuǎn)印紙上的PCB圖轉(zhuǎn)印到單面覆銅板上4.D型功放的制作（5）用刻蝕機(jī)去掉多余的覆銅（6）用去碳粉劑去除覆銅表面的碳粉，用微型鉆床在直插件的焊盤(pán)上鉆一個(gè)0.5mm左右的孔。然后將器件焊接在制作好的PCB板上。5.D型功放的調(diào)試（1）電源電路測(cè)試，用萬(wàn)用表直流檔測(cè)量+11V和+5V電壓（2）從信號(hào)發(fā)生器輸出頻率1kHz、峰峰值為0.5V的正弦信號(hào)作為vi，加到D型功放的輸入端。5.D型功放的調(diào)試（3）測(cè)試結(jié)果（a）三角波（b）PWM波5.D型功放的調(diào)試（3）測(cè)試結(jié)果（c）H橋輸出（d）LC濾波輸出f=300Hz5.D型功放的調(diào)試（3）測(cè)試結(jié)果（d）LC濾波器輸出f=5kHzf=10kHzf=20kHz5.D型功放的調(diào)試（4）實(shí)物演示第5章單片機(jī)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)賈立新1.單片機(jī)系統(tǒng)基本組成5.1概述●復(fù)雜指令集CISC、精簡(jiǎn)指令集RISC●數(shù)據(jù)總線位寬；●最高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率；●總線結(jié)構(gòu)：?jiǎn)慰偩€（普林斯頓）、多總線（哈佛）●尋址空間；2.單片機(jī)的選擇主要技術(shù)指標(biāo)5.1概述●片內(nèi)外設(shè)；●I/O引腳數(shù)量。3.單片機(jī)主流產(chǎn)品●增強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)：宏晶公司的STC系列單片機(jī)，SiliconLab公司的C8051F系列單片機(jī)等?！竦凸膯纹瑱C(jī)MSP430?！?2位精簡(jiǎn)指令集RISC單片機(jī)，Cortex-M4內(nèi)核單片機(jī)。5.1概述4.STM32F407單片機(jī)特點(diǎn)STM32是ST（意法半導(dǎo)體）公司推出的基于ARM內(nèi)核Cortex-M4的32位微控制器系列。Cortex-M4內(nèi)核是為低功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，具有突出的能效比和處理速度。5.1概述單片機(jī)最小系統(tǒng)采用的芯片是STM32F407VET6。主要技術(shù)指標(biāo)：5.1概述（1）168MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率；（2）FlashROM512K（3）SRAM192K（4）FSMC（并行總線接口）（5）時(shí)鐘系統(tǒng)：外部晶體4-26MHz；內(nèi)部16MHzRC振蕩器（1%精度）；內(nèi)部32kHz低頻振蕩器；32k晶體振蕩器5.1概述（6）3個(gè)12位ADC(2.4MSPS)；（7）2個(gè)12位DAC；（8）DMA；（9）12個(gè)16位定時(shí)器；（10）2個(gè)32位定時(shí)器；（11）通信接口：3×I2C;

4×UART；3×SPI；2×CAN；SDIO接口；（12）USB2.0；（13）10/100MEthernetMAC（14）82根I/O5.1概述5.C8051F系列單片機(jī)——C8051F360（1）高速8051微控制器內(nèi)核。（2）10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)200ksps；（3）10位電流輸出D/A轉(zhuǎn)換器;（4）兩個(gè)模擬電壓比較器CP1和CP0;（5）片內(nèi)鎖相環(huán)PLL。5.1概述C8051F3605.1概述由美國(guó)TI公司生產(chǎn)，是低功耗的16位單片機(jī)。（1）16位精簡(jiǎn)指令集(RISC)架構(gòu)，62.5ns指令周期時(shí)間（最大時(shí)鐘頻率為16MHz）；（2）3通道內(nèi)部直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)；（4）具有同步功能的雙通道12位D/A轉(zhuǎn)換器；（3）帶內(nèi)部基準(zhǔn)、采樣與保持以及自動(dòng)掃描功能的12位A/D轉(zhuǎn)換器；（5）具有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位Timer_A；（6）具有7個(gè)捕獲/比較及陰影寄存器的16位Timer_B；（7）片上比較器；（8）4個(gè)通用串行通信接口(USCI)。

6.MSP430系列單片機(jī)5.1概述單片機(jī)最小系統(tǒng)是指用最少的元件組成的可以獨(dú)立工作的單片機(jī)系統(tǒng)。一般應(yīng)該包括單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、按鍵輸入、顯示輸出、擴(kuò)展接口等。6.1方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：通用性好、集成度高、擴(kuò)展方便。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理框圖6.1方案設(shè)計(jì)6.2硬件電路設(shè)計(jì)C8051F360單片機(jī)最小系統(tǒng)STM32F407單片機(jī)最小系統(tǒng)6.2硬件電路設(shè)計(jì)5.3單片機(jī)I/O擴(kuò)展技術(shù)賈立新1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖所示。要求實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能，并通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)速度。1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動(dòng)電路只要按一定規(guī)律控制兩組線圈中電流的通斷、電流的方向，就可以控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)單雙八拍工作時(shí)步進(jìn)電機(jī)線圈電流方向在單雙八拍的工作模式下，步進(jìn)電機(jī)每一拍的“步距角”為0.90，轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的總拍數(shù)為360/0.9=400拍。只要控制每一拍的持續(xù)時(shí)間，就可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。假設(shè)每一拍的持續(xù)時(shí)間為T(mén)C（單位為μs），則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4相8拍步進(jìn)電機(jī)脈沖順序1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序流程圖程序流程圖1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)物圖1.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)可編程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier，PGA）2.可編程增益放大器設(shè)計(jì)方案一，采用專(zhuān)用可編程增益放大器芯片；方案二，采用運(yùn)放和模擬開(kāi)關(guān)或微型繼電器實(shí)現(xiàn)；方案三，采用乘法型D/A轉(zhuǎn)換器和運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.可編程增益放大器設(shè)計(jì)1.專(zhuān)用可編程增益放大器PGA103：增益從1、10、100三檔可調(diào)PGA113：增益從1、2、5、10、20、50、100、200八檔可調(diào)MCP6S21：增益從1、2、4、5、8、10、16、32八檔可調(diào)。2.可編程增益放大器設(shè)計(jì)2.基于運(yùn)放和模擬開(kāi)關(guān)（微型繼電器）的可編程增益放大器例1：用運(yùn)放和模擬開(kāi)關(guān)或者微型繼電器設(shè)計(jì)可編程增益放大器，增益1、10、100三檔可調(diào)。當(dāng)增益為100時(shí)，帶寬大于100kHz。輸出信號(hào)的最大峰峰值應(yīng)不小于5V。（1）設(shè)計(jì)方案2.可編程增益放大器設(shè)計(jì)（2）電路設(shè)計(jì)如果輸入信號(hào)幅值太大，可以經(jīng)過(guò)R1和R2分壓后送到同相放大器。如果不需要分壓，那么，R1用一只0Ω電阻代替即可。A11=1+R3/R5A12=1+R4/R5A21=1+R6/R8A22=1+R7/R82.可編程增益放大器設(shè)計(jì)（2）電路設(shè)計(jì)2選1模擬開(kāi)關(guān)MAX45642.可編程增益放大器設(shè)計(jì)用微型繼電器代替模擬開(kāi)關(guān)2.可編程增益放大器設(shè)計(jì)用微型繼電器代替模擬開(kāi)關(guān)±5V電源S1、S0輸入輸出微型繼電器輸入2.可編程增益放大器設(shè)計(jì)將增益設(shè)為100，輸入峰峰值為50mV的正弦波，放大器的輸出波形：f=1kHzf=100kHzf=200kHzf=250kHz2.可編程增益放大器設(shè)計(jì)可編程增益放大器的應(yīng)用——簡(jiǎn)易交流電壓表

LT1966構(gòu)成的RMS-DC電路5.4單片機(jī)并行總線擴(kuò)展技術(shù)賈立新1.概述1.什么是并行總線？并行總線由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成，其特點(diǎn)是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、地址、控制信息等都是并行傳輸，2.并行總線有什么特點(diǎn)？并行總線的優(yōu)點(diǎn)是總線時(shí)序比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)容易，數(shù)據(jù)傳送速度快。缺點(diǎn)是信號(hào)線數(shù)量非常多，占用大量的引腳和布線空間。在本書(shū)介紹的電子系統(tǒng)中，TFT模塊、編碼式鍵盤(pán)接口、FPGA等外設(shè)都需要通過(guò)并行總線擴(kuò)展。2.并行總線時(shí)序及軟件模擬

3.C8051F360單片機(jī)的讀寫(xiě)時(shí)序2.并行總線時(shí)序及軟件模擬4.STM32F407單片機(jī)讀寫(xiě)時(shí)序圖2.并行總線時(shí)序及軟件模擬對(duì)于沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的并行總線接口的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可以采用軟件來(lái)模擬并行總線時(shí)序。5.并行總線時(shí)序的軟件模擬2.并行總線時(shí)序及軟件模擬（1）引腳定義#defineALE_H P2OUT|=BIT6#defineALE_L P2OUT&=~BIT6#defineRD_H P2OUT|=BIT5#defineRD_L P2OUT&=~BIT5#defineWR_H P2OUT|=BIT4#defineWR_L P2OUT&=~BIT4#defineADDRH P5OUT#defineADDRL P4OUT#defineDAT_OUT P4OUT#defineDAT_IN P4IN#defineDAT_DIR_IN P4DIR=0x00#defineDAT_DIR_OUT P4DIR=0xFF2.并行總線時(shí)序及軟件模擬（2）端口初始化voidport_init()//端口初始化{ P4DIR=0xFF; //設(shè)P4口為輸出

P5DIR=0xFF; //設(shè)P5口為輸出

P2DIR|=0x70; //設(shè)P2.4~P2.6口為輸出

ALE_L; //ALE置低

WR_H; // 置高 RD_H; // 置高}2.并行總線時(shí)序及軟件模擬（3）送低16位地址voidset_addr(uinta){ADDRL=a;ADDRH=a>>8;ALE_H;ALE_L;}（4）寫(xiě)8位數(shù)據(jù)voidwrite_data(uinta,uchardat){set_addr(a);DAT_DIR_OUT;WR_L;DAT_OUT=dat;WR_H;}2.并行總線時(shí)序及軟件模擬（5）讀8位數(shù)據(jù)ucharread_data(uinta){uchardat;set_addr(a);DAT_DIR_IN;RD_L;dat=DAT_IN;RD_H;DAT_DIR_OUT;returndat;}3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖所示。數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放實(shí)際產(chǎn)品手機(jī)錄音筆3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)：香農(nóng)（Shannon）采樣定理。2.采樣頻率的確定采樣頻率越高，恢復(fù)后的聲音信號(hào)頻帶越寬。

為了獲得較好的聲音回放質(zhì)量，同時(shí)保證單片機(jī)在一個(gè)采樣周期內(nèi)有充裕的時(shí)間對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本系統(tǒng)語(yǔ)音信號(hào)的采樣頻率設(shè)為8kHz。3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.語(yǔ)音信號(hào)量化位數(shù)的確定

量化位數(shù)越大，量化誤差就越小，數(shù)字化后的語(yǔ)音信號(hào)就越接近原始信號(hào)，但所需要的存儲(chǔ)空間也越大。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，量化位數(shù)為8位。3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.并行SRAM擴(kuò)展并行大容量存儲(chǔ)器芯片選用IS61WV5128BLL。其容量為512K×8。根據(jù)采樣頻率和量化位數(shù)，單片機(jī)一秒鐘采集的數(shù)據(jù)量為8KB。設(shè)計(jì)要求語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間大于60s，存儲(chǔ)器的容量必須大于480KB；3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)（1）麥克風(fēng)的電路模型7.模擬子系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)思考1：第1級(jí)放大器采用什么電路結(jié)構(gòu)？增益是多少？輸入阻抗是多少？如何降低電源噪聲？（2）前置放大濾波電路第1級(jí)放大器3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率范圍：300Hz-3.4kHz，通帶增益：10

（2）前置放大濾波電路帶通濾波電路3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）前置放大濾波電路2.0V0.05V1.7V1.7V3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)前置放大濾波電路采用單電源供電，各點(diǎn)的靜態(tài)電壓如圖所示。前置放大濾波電路輸出的語(yǔ)音信號(hào)（2）前置放大濾波電路3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)DAC輸出的語(yǔ)音信號(hào)需要經(jīng)過(guò)功放和濾波后送喇叭。（3）音頻功放電路設(shè)計(jì)

3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）音頻功放電路設(shè)計(jì)

3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.程序設(shè)計(jì)3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.程序設(shè)計(jì)3.語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.系統(tǒng)調(diào)試（2）模擬部分的調(diào)試（1）人機(jī)接口功能調(diào)試：按鍵顯示是否正常？（3）軟件整體測(cè)試錄音時(shí)，聲音信號(hào)可來(lái)自實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)源模塊；或者來(lái)自語(yǔ)音前置放大模塊的輸出；或者來(lái)自手機(jī)或筆記本電腦的音頻輸出（需要放大并加直流偏置）。5.5單片機(jī)SPI總線擴(kuò)展技術(shù)賈立新1.什么是SPI總線SCK：同步時(shí)鐘。MOSI：主輸出，從輸入。MISO：主輸入，從輸出。NSS：從選擇（片選信號(hào)）。SPI總線（SerialPeripheralInterface）一般包括4根信號(hào)線：SPI總線系統(tǒng)擴(kuò)展圖特點(diǎn)：每個(gè)外設(shè)需要一根片選線；數(shù)據(jù)輸出線應(yīng)具有三態(tài)功能。1.什么是SPI總線2.SPI時(shí)序的軟件模擬例：

某單片機(jī)與M25P16接口原理圖如圖所示。請(qǐng)編寫(xiě)向M25P16寫(xiě)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)和讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的子程序。SPI_SCK_LOW()：時(shí)鐘信號(hào)置低SPI_SCK_HIGH()：時(shí)鐘信號(hào)置高SPI_MOSI_LOW()：輸出數(shù)據(jù)線置低SPI_MOSI_HIGH()：輸出數(shù)據(jù)線置高SPI_MISO：讀輸入數(shù)據(jù)線SPI_CS_LOW()：片選信號(hào)置低SPI_CS_HIGH()：片選信號(hào)置高向從器件寫(xiě)一個(gè)字節(jié)else{SPI_MOSI_LOW();}byte<<=1;SPI_SCK_HIGH();}SPI_CS_HIGH();}voidSPI_SendByte(u8byte) {u8i;SPI_CS_LOW();for(i=0;i<8;i++){SPI_SCK_LOW();if((byte&0x80)==0x80){SPI_MOSI_HIGH();}2.SPI時(shí)序的軟件模擬（3）向從器件讀一個(gè)字節(jié)u8SPI_ReceiveByte(void) {u8i,byte;SPI_CS_LOW();for(i=0;i<8;i++){byte<<=1;SPI_SCK_HIGH();SPI_SCK_LOW();{if(SPI_MISO==0x01){byte|=0x01;}}SPI_CS_HIGH();returnbyte;}2.SPI時(shí)序的軟件模擬3.數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一數(shù)控穩(wěn)壓電源，其原理框圖如圖所示。數(shù)控電壓源的基準(zhǔn)電壓VREF由12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC7512產(chǎn)生。設(shè)計(jì)要求如下：（1）輸出電壓范圍為0~9.99V步進(jìn)可調(diào)，調(diào)整步距0.01V；（2）最大輸出電流IOmax：500mA；（3）用“增加”、“減少”、“步進(jìn)選擇”三個(gè)鍵設(shè)置給定電壓值。1.設(shè)計(jì)題目3.數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2．硬件電路設(shè)計(jì)DAC7512接口原理圖及工作時(shí)序

（1）D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)3.數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)（2）串聯(lián)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)3.數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)（3）總體原理圖3.數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)3.程序流程圖3.數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)4.測(cè)試結(jié)果設(shè)定輸出電壓/V0.101.003.005.008.0010.00實(shí)測(cè)輸出/V（空載）0.1041.0043.0025.0018.00110.002實(shí)測(cè)輸出/V（負(fù)載電流0.5A）0.1031.0043.0025.0028.00110.0015.6單片機(jī)I2C總線擴(kuò)展技術(shù)賈立新1.I2C總線及軟件模擬1.I2C總線的定義和特點(diǎn)I2C總線（Inter-Integrated-Circuit）是由Philips公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的、高性能的芯片間串行傳輸總線，由一根數(shù)據(jù)線（SDA）和一根時(shí)鐘線（SCL）組成。I2C總線系統(tǒng)擴(kuò)展圖（1）所有I2C總線接口器件都包含了一個(gè)片上接口，使器件之間直接通過(guò)I2C總線通訊。

1.I2C總線及軟件模擬（2）掛在I2C總線上的器件有主機(jī)和從機(jī)之分。

主機(jī)是指主動(dòng)發(fā)起一次傳送的器件，它產(chǎn)生起始信號(hào)、終止信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)；從機(jī)是指被主器件尋址的器件。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)一般由單片機(jī)擔(dān)當(dāng)，從機(jī)則為其它器件，如存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件等。（3）每個(gè)連接到I2C總線的器件都有唯一的地址。主機(jī)在發(fā)出起始信號(hào)以后，傳送的第一個(gè)字節(jié)總是地址字節(jié)，以指示由哪個(gè)器件來(lái)接收該數(shù)據(jù)。1.I2C總線及軟件模擬（1）數(shù)據(jù)有效位定義：數(shù)據(jù)在時(shí)鐘高電平期間保持穩(wěn)定。2.I2C總線基本時(shí)序1.I2C總線及軟件模擬（2）起始信號(hào)：時(shí)鐘信號(hào)高電平期間數(shù)據(jù)由高到低切換（3）停止信號(hào)：時(shí)鐘信號(hào)高電平期間數(shù)據(jù)由低到高切換1.I2C總線及軟件模擬（4）應(yīng)答信號(hào)1.I2C總線及軟件模擬3.I2C總線數(shù)據(jù)傳送模式模式一：主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收，而且傳輸方向始終不變。

模式二：主機(jī)發(fā)送地址字節(jié)后立即讀從機(jī)數(shù)據(jù)。

模式三：主機(jī)先向從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)，再向從機(jī)讀數(shù)據(jù)。

1.I2C總線及軟件模擬4.I2C總線基本時(shí)序的軟件模擬（1）I/O引腳的初始化#defineSDA_HIGH()GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9) //將SDA置高#defineSDA_LOW()GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9) //將SDA置低#defineSCL_HIGH()GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8) //將SCL置高#defineSCL_LOW()GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8) //將SCL置低#defineSDAGPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_9) //讀SDA引腳1.I2C總線及軟件模擬（1）I/O引腳的初始化voidI2C_Configuration(void){RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_NOPULL;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);}1.I2C總線及軟件模擬（2）啟動(dòng)信號(hào)子程序在SCL高電平期間SDA發(fā)生負(fù)跳變。voidI2Cstart(){ SDA_HIGH(); delay();

SCL_HIGH(); delay();SDA_LOW(); delay();SCL_LOW(); delay();SDA_HIGH();}1.I2C總線及軟件模擬（3）終止信號(hào)子程序在SCL高電平期間SDA發(fā)生正跳變。voidI2Cstop(){ SDA_LOW(); delay(); SCL_HIGH(); delay(); SDA_HIGH();}1.I2C總線及軟件模擬（4）發(fā)送應(yīng)答位子程序ACK在SDA低電平期間，SCL發(fā)生一個(gè)正脈沖。voidack(){ SDA_LOW(); delay(); SCL_HIGH(); delay(); SCL_LOW(); delay(); SDA_HIGH();delay();}（5）發(fā)送非應(yīng)答位子程序NACK在SDA高電平期間SCL發(fā)生一個(gè)正脈沖。voidnack(){ SDA_HIGH(); delay(); SCL_HIGH(); delay(); SCL_LOW(); delay();}1.I2C總線及軟件模擬（6）檢查應(yīng)答位子程序CHECK

在檢查應(yīng)答位子程序中，設(shè)置了標(biāo)志位F0，當(dāng)檢查到正常應(yīng)答位時(shí)F0=0，否則，F(xiàn)0=1。voidI2Ccheck(){ F0=0x00; SDA_HIGH(); delay(); SCL_HIGH(); delay(); if(SDA==1)F0=0x01; SCL_LOW(); delay();}1.I2C總線及軟件模擬（7）寫(xiě)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)子程序WRBYTEbyte=byte<<1;delay();SCL_HIGH();delay();SCL_LOW();delay();}SDA_HIGH(); }voidI2Cwrbyte(u8byte){u8i;for(i=0;i<8;i++){if((byte&0x80)==0x80){SDA_HIGH();}else{SDA_LOW();}1.I2C總線及軟件模擬（8）讀一個(gè)字節(jié)子程序RDBYTEu8I2Crdbyte(){u8i,q,byte=0;for(i=0;i<8;i++){ SDA_HIGH(); SCL_HIGH(); delay();q=SDA;delay();SCL_LOW();byte=byte<<1;if(q==0x01){ byte=byte|0x01;}delay();}returnbyte;}1.I2C總線及軟件模擬2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x，原理框圖如圖所示。圖中Rx表示被測(cè)導(dǎo)線。導(dǎo)線采用網(wǎng)線（直徑0.51mm~0.58mm）內(nèi)的銅芯。被測(cè)導(dǎo)線的長(zhǎng)度范圍為50~100cm，誤差的絕對(duì)值不大于1.0cm。2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

2.理論分析導(dǎo)線的電阻與長(zhǎng)度成正比。通過(guò)導(dǎo)線電阻，根據(jù)阻值計(jì)算導(dǎo)線長(zhǎng)度。導(dǎo)線的長(zhǎng)度可以由下式得到：其中，

ρ為銅芯網(wǎng)線的線路電阻系數(shù)，L為導(dǎo)線長(zhǎng)度，Rx為單片機(jī)測(cè)出的導(dǎo)線電阻，R0為除導(dǎo)線外的其它電阻，如接觸電阻等。2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

3.硬件電路設(shè)計(jì)2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

4.ADS1115的功能框圖和引腳排列

ADS1115內(nèi)部包括模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器核、可編程增益放大器PGA、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘振蕩器和I2C總線接口。2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

ADS1115以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式提供16位數(shù)據(jù)，正滿量程輸入產(chǎn)生7FFFH的輸出代碼，負(fù)滿量程輸入產(chǎn)生8000H的輸出代碼。ADS1115有一個(gè)地址引腳ADDR配置器件的I2C地址。當(dāng)ADDR引腳接地時(shí)，器件地址為1001000。PGA設(shè)置滿量程輸入/VPGA設(shè)置滿量程輸入/V2/3±6.1444±1.0241±4.0968±0.5122±2.04816±0.2562.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

5.軟件設(shè)計(jì)2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

無(wú)論是啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換還是讀取A/D轉(zhuǎn)換值，單片機(jī)都是通過(guò)I2C接口訪問(wèn)ADS1115內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)的。與本設(shè)計(jì)相關(guān)的寄存器有以下3個(gè)：（1）指針寄存器（PointerRegisterByte）該寄存器只能寫(xiě)，用最低兩位D1~D0來(lái)選擇后續(xù)要訪問(wèn)的寄存器：00：轉(zhuǎn)換寄存器；01：配置寄存器；10：低閾值寄存器；11：高閾值寄存器（2）轉(zhuǎn)換寄存器該寄存器只能讀，用于存放16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

（3）配置寄存器配置寄存器配置值配置字位配置值功能說(shuō)明D151啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換D14~D12111AINP=AIN3，AINN=GNDD11~D9100PGA=8，滿量程電壓=0.512VD81單次轉(zhuǎn)換D7~D5100轉(zhuǎn)換速率=128SPSD4~D000011禁止內(nèi)部窗口比較器，降低功耗2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

（1）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換子程序voidWrite_AD_AIN3(){I2Cstart(); //發(fā)送起始位I2Cwrbyte(0x90); //送器件地址（寫(xiě)）I2Ccheck(); //等待應(yīng)答I2Cwrbyte(0x01); //寫(xiě)指針寄存器，指向配置寄存器I2Ccheck(); //等待應(yīng)答I2Cwrbyte(0xF9); //寫(xiě)配置字高字節(jié)I2Ccheck(); //等待應(yīng)答I2Cwrbyte(0x83); //寫(xiě)配置字低字節(jié)I2Ccheck(); //等待應(yīng)答I2Cstop(); //發(fā)送停止位}2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

（2）讀A/D轉(zhuǎn)換值子程序voidRead_AD(){

u8adcdath,adcdatl;I2Cstart();I2Cwrbyte(0x90); //發(fā)送器件地址（寫(xiě)）I2Ccheck();//等待應(yīng)答I2Cwrbyte(0x00);//寫(xiě)配置寄存器指針，指向轉(zhuǎn)換寄存器I2Ccheck();//等待應(yīng)答I2Cstop();I2Cstart(); //再次發(fā)起始位I2Cwrbyte(0x91); //發(fā)送器件地址（讀）I2Ccheck();adcdath=I2Crdbyte();//讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高字節(jié)ack();adcdatl=I2Crdbyte(); //讀轉(zhuǎn)換結(jié)果第字節(jié)nack();I2Cstop();ADCdata=adcdath*256+adcdatl;//將16位轉(zhuǎn)換結(jié)果存在ADCdata寄存器中}2.導(dǎo)線長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

測(cè)試結(jié)果：從測(cè)試結(jié)果可以看出，誤差值最大為0.6cm，滿足題目要求的不大于1cm的要求。導(dǎo)線長(zhǎng)度/cm50