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电子系统设计概述

发布时间:2019-07-23 12:52 来源:未知 编辑:admin

  1. 电子系统概述 复杂系统 在结构上 的层次性 1.电子系统概述 1.1 电子系统实例介绍 《面向集群应用的中央太阳能热水器控制及管理系统》 《面向集群应用的中央太阳能热水器控制及管理系统》 区域级测控软件 区域集控中心 用户需求 串口 通讯模块 无线数传网络 系统级设计 现场终端 通讯模块1 通讯模块n 串口 ? 串口 供热单体主控器1 供热单体主控器n 《面向集群应用的中央太阳能热水器控制及管理系统》 1、研发工程型太阳能热水系统控制器 2、研发分布监测集中管理和控制的通讯技术 3、研发区域级集中管理和控制软件系统 4、研发基于B/S结构的企业级管理与控制系统 系统级设计 子系统级设计 工程型太阳能热水系统原理框图 子系统设计 水 箱 温 度 传 感 器 水 箱 水 位 传 感 器 热 泵 温 度 传 感 器 部件级设计 集 热 器 温 度 传 感 器 LCD 显示 器 备 用 温 度 传 感 器 通信方式 (可选): RS-485总线 CAN总线 无线模块 GPRS模块 Ethernet 线控器 主控制器 监控中心 键 盘 恒 温 循 环 增 压 泵 电 磁 阀 循 环 泵 辅 助 加 热 漏 电 检 测 系统原理框图 工程型太阳能热水系统控制器的技术需求 工程型太阳能热水系统控制器的功能指标 1. 功能需求: ◎开机自检 ◎时间显示:北京时间 ◎断电持续显示、记忆功能 ◎水位预置、水温预置 ◎水位显示、温度显示 ◎定温、温差循环控制 ◎自动上水、强制上水 ◎自动、手动、定时辅助加热控制 ◎缺水警报并自动上水 ◎回水恒温控制 ◎漏电保护 ◎高温、低温(防冻)保护、防干烧保护 工程型太阳能热水系统控制器的技术指标 2. 技术指标: ◎使用电源: 220VAC 功耗:﹤ 5W ◎测温精度:± 2 ℃ ◎测温范围: 0-99 ℃ ◎控温精度:± 2 ℃ ◎水位分档:五档 ◎控制输出功率:≥0.5kW ◎辅助加热控制功率:≥3kW ◎漏电动作电流:≤ 10mA/0.1S ◎彩色液晶显示屏低功率﹤ 0.1W。 工程型太阳能热水系统控制器的原理框图 太阳能产热 子系统 进水增压泵 温差循环泵 TS水位传感器 TS温度传感器 SC温度传感器 供热水 子系统 供水增压泵 HP温度传感器 回水增压泵 主控制器 PIC16F887 THP温度传感器 太阳辐射检测 回水流量传感器 漏电检测 出水流量传感器 回水温度传感器 备用温度传感器 进水流量传感器 补水增压泵 地源/水源/ 空气源热泵 辅助加热 子系统 进水增压泵 实时时钟 温差循环泵 HPóTHP 温差循环泵 HPóTS 存储器(选配) 工作状态指示 有线无线通信 稳压及备用电源 防雷电路 注:HP:地源/水源/空气源热泵 TS:太阳能贮热保温水箱TANK-Solar SC:太阳能集热器Solar-Collector THP:热泵贮热保温水箱TANK-HeaterPumper 工程型太阳能热水系统线控器原理框图 LCD显示器 LCD背光开关 蜂鸣器 线 电源 通信电路 键盘 MCU电路原理图 电源电路原理图 通信接口电路原理图 电源线载波通信电路原理图 LCD接口及背光控制电路原理图 线 电子系统设计的基本原则 (1) 满足系统功能和性能指标要求 (2) 电路简单 (3) 电磁兼容好 (4) 可靠性高 (5) 系统集成度高 (6) 调试简单方便 (7) 生产工艺简单 (8) 操作简便 (9) 性能价格比高 1.3 电子系统设计的一般方法 (1)自顶向下法 (2)自底向上法 (3) 以自顶向下方法为主导,结合使 用自底向上的方法 1.4 设计文档的作用 从设计步骤一开始,就要同时平行地建立 设计文档,即将每一步的设计思想、方案比较 与选择、分析计算结果、各层次上的最终设计 图纸等加以记录,随后整理编写成结构化、条 理分明、文字简练的文档。 作为一个电子系统的设计人员必须牢记:没有 文档的设计是无用的设计! 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 题目类型: 一、选题原则: 电源类、无线通讯类、 仪器仪表类、智能控制类、 (1)明确设计任务,“即做什么?”(最好不能有知 识盲点,即要能够看懂题目的要求。 (2)明确系统的功能和指标,“即做到什么程度?” (基本要求和发挥部分,功能指标和技术指标) (3)明确是否具有完成设计所需的元器件、最小系统、 开发工具、测量仪器仪表等条件。 (4)充分地分析题目、一经选定中途不更改。 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 二、系统方案论证 (一)确定设计的可行性 (1)原理的可行性? (2)功能模块和元器件的可行性? (3)模块间数据传输的可行性? (4)测试的可行性? (5)设计、制作的可行性? (6)时间的可行性? 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 二、系统方案论证 (二)明确方案的内容 (1)系统的外部特性 ① 系统具有的主要功能? ② 引脚数量及功能? ③ 输入信号和输出信号的形式? ④ 输入信号和输出信号之间的相互关系? ⑤ 测量仪器仪表及测量方法? 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 二、系统方案论证 (二)明确方案的内容 (2)系统的内部特性 ① 系统的基本工作原理? ② 系统的实现方法?(模拟、数字、混合) ③ 系统原理框图?硬件结构? ④ 系统的控制流程?软件结构? ⑤ 子系统、部件之间的关系?接口?尺寸?安装方法? 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 二、系统方案论证 (二)明确方案的内容 (3)测量方法和仪器仪表 ① 仪器仪表的种类? ② 仪器仪表的精度? ③ ④ ⑤ 测量参数形式? 测量方法?测试点? 测量数据记录和处理?表格形式?数据处理工具? 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 三、安装制作与调试 (1)安装制作需要考虑的问题 ① 安装工具? ② 元器件选择与采购? ③ ④ ⑤ 最小系统的采用?微处理器?PLD? PCB制作?低频?高频?数字?模拟?数模混合?EMC? 子系统、部件安装制作的顺序? 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 三、安装制作与调试 (2)调试需要考虑的问题 ① 调试参数? ② 调试方法? ③ 调试需要的仪器仪表? ④ ⑤ 软件硬件的协同?修改软件?修改硬件? 测量数据的记录和处理? 1.5 电子设计竞赛的设计步骤 设计要求 系统方案论证 系统方案设计 软硬件功能分配 软件功能模块 编程与调试 系统集成调试 实物作品 MCU/PLD 设计报告 设计报告 设计总结报告 子系统/部件 电路PCB设计 2 电子系统设计实例分析 2.1 设计实例 一、简易数控直流电源 (一)设计任务 键盘 数控部分 数字显示 输出电路 +15V -15V +5V 自制稳压电源 ~220V 简易数控直流电源原理框图 2 电子系统设计实例分析 (二)设计要求 (1)基本要求 ① 输出电压:范围0~+9.9V,步进0.1V,纹波不大 于 10mV; ② 输出电流:500mA; ③ 输出电压值由数码管显示; ④ 由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减; ⑤ 为实现上述各部件工作,自制一稳压直流电源,输出 ±15V,+5V。 2 电子系统设计实例分析 (2)发挥部分 ① 输出电压可预置在0~9.9V之间的任意一个值; ② 用自动扫描代替人工按键,实现输出电压变化(步 进0.1V不变); ③ 扩展输出电压种类(比如三角波等)。 2 电子系统设计实例分析 二、直流稳定电源 (一)设计任务 设计并制作交流变换为直流的稳定电源 基本要求: (1)稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+ (1997年全国大学生电子设计竞赛题之一) 15%~-20%条件下: a.输出电压可调范围为+9V~+12V b.最大输出电流为1.5A c.电压调整率≤0.2%(输入电压220V变化范围+ 15%~-20%下,空载到满载) d.负载调整率≤1%(最低输入电压下,满载) e.纹波电压(峰-峰值)≤5mV(最低输入电压下,满 载) f.效率≥40%(输出电压9V、输入电压220V下,满载) g.具有过流及短路保护功能 (2)稳流电源 在输入电压固定为+12V的条件下: a.输出电流:4~20mA可调 b.负载调整率≤1%(输入电压+12V、负载电阻由 200Ω~300Ω变化时,输出电流为20mA时的相对变化率) (3)DC-DC变换器 在输入电压为+9V~+12V条件下: a.输出电压为+100V,输出电流为10mA b.电压调整率≤1%(输入电压变化范围+9V~+12V) c.负载调整率≤1%(输入电压+12V下,空载到满载) d.纹波电压(峰-峰值)≤100mV (输入电压+9V下, 满载) 发挥部分 (1)扩充功能 a.排除短路故障后,自动恢复为正常状态 b.过热保护 c.防止开、关机时产生的“过冲” (2)提高稳压电源的技术指标 a.提高电压调整率和负载调整率 b.扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值 (3)改善DC-DC变换器 a.提高效率(在100V、100mA下) b.提高输出电压 (4)用数字显示输出电压和输出电流 2.2 设计实例分析 2.2.1 方案论证 (1)采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计 脉冲源4060(8Hz) 逻辑选通 4011 单稳消 抖4013 按键 预置 译码显示4511 D/A 放大 可调 稳压 函数信号 发生器 电压 输出 可预置加减计 数器40192 BCD拨码 盘开关 +5V 电源 AC220V +15V -15V 波形 输出 2.2 设计实例分析 2.2.1 方案论证 (2)采用单片机的简易数控直流电源设计 电压显 示7107 键盘 显示 电压预置 键盘 显示 接口 8279 单 片 机 系 统 D/A 基准 电压 放大 过流 保护 +5V 输出 电源 AC220V +12V -12V 2.2 电子系统设计选题分析 1.4.2 频率特性测试仪(1999年全国大学生电子设计竞赛题之一) 1、设计任务 设计并制作一个频率特性测试系统,包含测 试信号源、被测网络、检波及显示3个部分,如 图所示。 1· 4 电子系统设计选题举例2 2、设计要求 (1) 基本要求 ① 制作幅频特性测试仪 a、频率范围:l00Hz~100kHz; b、频率步进量:l0Hz; c、频率稳定度:l0-4; d、测量精度:5%; e 、能在全频范围内自动步进测量,可手动预置测量 范围及步进频率值; f 、 LED 显示,频率显示为 5 位,电压显示为 3 位,并 能打印输出。 1· 4 电子系统设计选题举例 2、设计要求 (1) 基本要求 ② 制作一被测网络 a、电路形式:阻容双T网络; b、中心频率:5kHz; c、带宽:±50Hz; d、计算出网络的幅频和相频特性,并绘制相位曲线; e、用所制作的幅频特性测试仪测试自制的被测网络的 幅频特性。 1· 4 电子系统设计选题举例2 2、设计要求 (2) 发挥部分 ① 制作相频特性测试仪 a、频率范围:50Hz~l0kHz; b、相位度数显示:相位显示值3位,另以1 位作为符号显示; c、测量精度:3°。 ② 用示波器显示幅频特性。 ③ 在示波器上同时显示幅频特性和相频特性。 ④ 其他。 1· 4 电子系统设计选题举例2 3、评分指标与标准 项 基本要求 目 得分 50 50 5 15 方案设计与论证、理论计算与分 析、电路图 实际完成情况 完成第一项 发挥部分 完成第二项 完成第三项 20 1.确定使用那些功能模块或单元电路构建系统 (1)控制模块或芯片的选型:数字电路、MCU、 ARM、DSP、PLD、SOPC、PC等。 (2)功能模块的选型:A/D、D/A、V/F、I/V、 V/I、PGA、DC-DC、AC-DC、开关电容滤波器、 射频通讯模块、功率放大模块、直流电机驱动 模块等。 (3)模块或单元电路的选型 例如:微处理器处理数据的能力,可用I/O口的 数量和性能,应用程序的下载方式,时钟频率 的典型值,供电电压和功耗等; 又如:A/D D/A的位数,转换时间,基准电压值, 控制端口的时序,AD输出数据的形式等。 2. 确定功能模块之间的信号传输方式 ? 模拟信号的直接传输(阻抗匹配、耦合方式、 电平偏移、抗干扰、CMR等) ? 模拟信号的间接传输(物理隔离、远距离传输) ? 数字信号的直接传输(延时、正负逻辑、信号电 平、传输协议、传输速率、传输距离、可靠性传输) ? 数字信号的间接传输(物理隔离、远距离传输) 1. 明确系统端口的数量和类型 (1)输入、输出口的数量? 接口、接插件、PCB (2)输入、输出信号的类型? 模拟、数字、单端、差分、幅度、频率、功率、 数据传输速率等) 2. 明确系统的技术指标 (1)根据技术指标选择功能模块(或电路) 根据输入信号的类型和参数确定输入电路的形式; 根据系统的对信号的分辨率确定A/D或D/A的位数; 根据对信号的频率或延时要求确定功能模块的幅频 特性、延时特性、处理能力。 根据系统的功耗确定电源电路的容量; 根据电源电压或电流的指标要求确定输入电压范围 和电源电路的形式等。 (2)根据技术指标设计单元电路和选择元器件 ? 单元电路设计 最佳选择:使用曾经用过并经实践证明可行的电路; 临时设计:尽可能选用集成电路构建,关键是IC的选型; 分立电路:主要用于高频微弱信号放大,高电压、大电流 的功率放大。 ? 元器件选型 元器件主要参数的检索、识别、理解,能根据需要选用正 确的元器件。 例如根据工作电压、电流确定三极管BVCEO、ICM、PCM,根据 工作频率确定三极管的fT等。 此外,还有R、C、L的选择原则等。 三角波的频谱 方波的频谱 粉红噪声频谱 基频1000Hz、调制频率和调制范围50Hz的调制波形 过零调幅波形的频谱

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