基本信息
书名：基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用(第2版)
定价：49.00元
作者：郭锁利 刘延飞 李琪 王晓戎 张延伟著
出版社：人民邮电出版社
出版日期：2012-10-01
ISBN：9787115289667
字数：
页码：
版次：2
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.622kg
编辑推荐
不仅适应于具有初级语言基础和电子类常识的初学者，而且适应于掌握基础的进阶者；枯燥无趣的语言和技术难点被分散于各个实例分析中，没有长篇的技术数据资料罗列，学习变得更有效；每个实例均是已实现的实例，均可免费下载，确保实例的正确性！读者除掌握基本的Mutisim软件的基本应用外，还可获得有关 Mutisim的新特性应用以及其他领域的应用。
内容提要
《基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用(第2版)》通过大量的实例引入，从简单到复杂，系统地介绍了Multisim9集成环境的基本操作，重点通过大量实例介绍了Multisim9在模拟电路、数字电路、电子系统设计、单片机等课程的仿真应用，同时为相应课程设计提供了大量的选题；用LabVIEW来实现完全自定义的虚拟仪器，并将这些仪器应用于Multisim环境中，后对Multisim10～12版本新增功能进行了相应的介绍。本书力求使读者在较短时间内全面掌握Multisim精华。读者只要按照本书中的实例步骤实践，就能在短的时间内跨越Multisim9的初、中、高级，全面掌握这一软件。本书力求为电子爱好者及高校学生提供先进的电子实验方法，通过学、例、练的方式，提高读者对知识的学习和运用能力。 《基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用(第2版)》内容丰富实用，讲解深入浅出、先易后难、循序渐进，以实例贯穿全书，可作为高等院校电子、通信、自动化、电气、信息等专业的EDA教材和电子技术课程仿真实验教程，也可作为全国大学生电子设计竞赛培训教材。本书对进行电子电路设计的工程技术人员也有相当大的参考和借鉴价值。
目录
部分 入门篇
章 Multisim 9概述
1.1 EWB与Multisim 9
1.1.1 Electronics Workbench
1.1.2 Multisim 9的特点
1.2 Multisim 9的安装
1.2.1 Multisim 9的安装前的准备工作
1.2.2 安装Multisim 9
1.3 Multisim 9的用户界面
1.3.1 介绍Multisim 9用户界面
1.3.2 菜单栏
1.3.3 工具栏
1.3.4 电路窗口
1.3.5 电路元件属性视窗
1.3.6 设计工具栏
思考与实践
第2章 Multisim 9入门
2.1 绘制一个电路
2.1.1 开始创建电路文件
2.1.2 放置元件
2.1.3 改变单个元件和节点的属性
2.1.4 给元件连线
2.1.5 为电路增加标题栏和文本注释
2.1.6 保存电路
2.2 给电路添加仪器
2.2.1 虚拟仪器的添加方法
2.2.2 添加与连接仪器
2.2.3 设置仪器
2.3 电路的仿真分析
2.3.1 仿真电路
2.3.2 观察仿真结果
2.3.3 停止电路仿真
2.4 界面的定制
2.4.1 Preferences对话框
2.4.2 Sheet Properties对话框
思考与实践
第3章 Multisim 9元件与元件库
3.1 Multisim 9元件库
3.1.1 元件库的结构
3.1.2 查找元件
3.2 Multisim 9元件库的管理
3.2.1 筛选显示的元件
3.2.2 元件系列管理
3.2.3 修改用户域标题
3.2.4 复制仿真元件
3.2.5 删除仿真元件
3.2.6 保存电路图中的元件
3.2.7 转换Multisim 2001或者Multisim 7元器件库
3.2.8 升级老版本电路图的元件
3.2.9 元器件库文件的合并
3.3 元件创建与编辑
3.3.1 利用元件创建向导创建元件
3.3.2 编辑仿真元件
思考与实践
第4章 Multisim 9虚拟仪器
4.1 概述
4.1.1 虚拟仪器介绍
4.1.2 虚拟仪器的主要特点
4.1.3 虚拟仪器的分类
4.1.4 虚拟仪器的添加和使用
4.1.5 保存打印虚拟仪器显示数据
4.1.6 交互仿真设置
4.2 交流和直流测量类仪器
4.2.1 万用表
4.2.2 函数发生器
4.2.3 双通道示波器
4.2.4 4通道示波器
4.2.5 功率表
4.2.6 伏安特性分析仪
4.2.7 频率计
4.2.8 扫频仪
4.2.9 失真度分析仪
4.3 数字逻辑测试类仪器
4.3.1 逻辑分析仪
4.3.2 逻辑转换器
4.3.3 字函数发生器
4.4 射频测量类仪器
4.4.1 频谱分析仪
4.4.2 网络分析仪
4.5 仿真仪器
4.5.1 仿安捷伦函数发生器
4.5.2 仿安捷伦数字万用表
4.5.3 仿安捷伦数字示波器
4.5.4 仿泰克数字示波器
4.6 测量探针
思考与实践
第二部分 应用篇
第5章 Multisim 9在模拟电路中的应用
5.1 共射极放大电路的仿真分析
5.1.1 实验电路
5.1.2 静态工作点的测试与调整
5.1.3 放大器动态指标测试
5.2 差动放大电路的仿真分析
5.2.1 实验电路
5.2.2 典型差动放大器性能测试
5.2.3 具有恒流源的差动放大电路性能测试
5.3 负反馈放大电路仿真分析
5.3.1 实验电路
5.3.2 静态工作点的设置与调整
5.3.3 观测负反馈对放大电路输出波形的影响，并测量电压放大倍数及反馈深度
5.3.4 观测负反馈对放大电路输出波形非线性失真的影响
5.3.5 观测负反馈对放大电路通频带的影响
5.3.6 观测负反馈对放大电路输入、输出电阻的影响
5.4 单电源功率放大电路仿真分析
5.4.1 实验电路
5.4.2 电路静态工作点的调整
5.4.3 测量大输出功率
5.4.4 观察交越失真及改善措施
5.5 集成运算放大器的线性应用仿真分析
5.5.1 比例运算电路
5.5.2 加法运算电路
5.5.3 积分运算电路
5.5.4 测量放大电路
5.6 有源滤波器的设计与仿真分析
5.6.1 低通滤波电路
5.6.2 高通滤波电路
5.6.3 带通滤波电路
5.6.4 带阻滤波电路
5.7 集成运算放大器的非线性应用仿真分析
5.7.1 三角波-方波发生电路
5.7.2 电压-频率转换电路
5.8 直流稳压电源仿真分析
5.8.1 串联型直流稳压电源
5.8.2 三端集成稳压器电路
5.9 模拟电子技术课程设计选题
选题1 多功能信号发生器
选题2 二阶RC有源滤波器
选题3 直流稳压电源
选题4 音响放大器设计
选题5 电容值测量仪
选题6 增益可自动变换的交流放大器
选题7 多级低频阻容耦合放大器的设计
选题8 集成运放交流放大器设计
思考与实践
第6章 Multisim 9在数字电路中的应用
6.1 分立元件特性测试与分析
6.1.1 二极管开关特性测试与分析
6.1.2 三极管开关特性测试与分析
6.1.3 TTL与非门电压传输特性测试与分析
6.2 组合逻辑电路的仿真分析
6.2.1 基本逻辑电路转换测试与分析
6.2.2 键控8421BCD编码器测试与分析
6.2.3 由译码器构成数据分配器
6.2.4 由译码器构成16位跑马灯电路
6.2.5 由数据选择器构成全加器电路
6.2.6 8421码转换5421码的电路测试
6.2.7 竞争冒险电路测试分析
6.3 时序逻辑电路的仿真分析
6.3.1 D触发器构成的八分频电路
6.3.2 二十四进制计数器测试分析
6.3.3 可变进制计数器3D仿真
6.3.4 74LS90实现不同码制计数器
6.4 A/D与D/A转换电路的仿真分析
6.4.1 倒T型电阻网络D/A转换器测试
6.4.2 并行比较A/D转换器测试
6.4.3 实时模拟信号采集数字化电路测试与分析
6.5 555集成定时电路的仿真分析
6.5.1 555构成的多谐振荡器
6.5.2 可控单音发声电路
6.5.3 555构成的单稳态触发器
6.5.4 555构成的施密特触发器
6.6 数字电子技术仿真实验选题
第7章 综合应用实例分析
7.1 智力抢答器电路测试与分析
7.1.1 抢答器介绍
7.1.2 功能要求
7.1.3 工作原理
7.1.4 测试电路创建
7.1.5 测试方法说明及测试结果分析
7.2 24小时制多功能电子钟设计与仿真
7.2.1 功能要求
7.2.2 工作原理
7.2.3 各模块测试电路创建仿真
7.2.4 全系统电路仿真
7.3 电子设计大赛实例--测量放大器设计与仿真
7.3.1 大赛要求
7.3.2 方案设计
7.3.3 各模块电路创建与仿真分析
7.4 电子设计大赛实例--低频数字式相位测量仪
7.4.1 大赛要求
7.4.2 方案设计
7.4.3 各模块电路创建与仿真分析
7.5 综合仿真电路设计报告书写结构
7.5.1 仿真设计报告书写要求
7.5.2 具体书写构架
7.5.3 电子设计大赛报告实例--正弦信号发生器
7.6 电子技术课程设计选题
第8章 宽带直流放大器的设计与仿真
8.1 设计要求
8.1.1 任务
8.1.2 设计要求
8.1.3 设计说明
8.2 系统设计及工作原理
8.2.1 宽带放大器的主要技术指标
8.2.2 总体设计思路
8.2.3 系统设计方案论证
8.2.4 AD603芯片
8.2.5 仿真元器件的创建
8.3 各模块电路仿真实战
8.3.1 前置放大电路
8.3.2 增益可控放大电路
8.3.3 功率放大电路
8.3.4 电源模块
8.4 电子类毕业设计选题
8.4.1 基于单片机的波形发生器的设计
8.4.2 电子秤控制电路的设计
8.4.3 粮仓多点温度与湿度控制系统设计
8.4.4 电动机转速测定显示系统设计
8.4.5 台灯亮度自动调节电路的设计
第9章 足球机器人驱动电路的设计与仿真
9.1 足球机器人世界杯
9.1.1 前言
9.1.2 FIRA国际赛事
9.1.3 RoboCup世界杯足球赛发展
9.1.4 RoboCup各类比赛规范
9.1.5 足球机器人系统研究的关键技术
9.2 足球机器人控制方案设计
9.2.1 比赛设计规定
9.2.2 典型机器人控制驱动电路方案
9.2.3 驱动控制电路部分设计说明
9.3 直流电机驱动原理设计
9.3.1 直流电机调速原理与方案设计
9.3.2 直流电机选择和工作参数
9.3.3 驱动电路设计中需要考虑的问题
9.4 各模块电路设计与仿真
9.4.1 驱动模块
9.4.2 光电码盘模块
9.4.3 鉴相模块
9.4.4 测速模块
9.5 控制类毕业设计选题
9.5.1 自动仓储搬运机器人设计
9.5.2 自动书写笔设计
9.5.3 避障智能车设计
9.5.4 消防机器人设计
9.5.5 液体转移监控装置设计
9.5.6 简易智能液体加注装置设计
第三部分 提高篇
0章 Multisim在单片机仿真中的应用
10.1 MultiMCU 9的单片机仿真平台入门
10.1.1 MultiMCU 9的环境介绍
10.1.2 汇编源程序窗口
10.1.3 寄存器观察窗口
10.1.4 实例入门
10.2 液面控制系统设计与仿真
10.2.1 系统介绍
10.2.2 电路的设计仿真过程
10.2.3 高级调试过程
10.3 8051单片机的人机界面接口设计与仿真
10.3.1 4 ′ 4键盘输入接口电路的设计仿真
10.3.2 LED显示器接口电路的设计仿真
思考与实践
1章 Multisim 9与LabVIEW 8结合
11.1 LabVIEW 8 简介
11.1.1 LabVIEW概述
11.1.2 LabVIEW开发环境
11.1.3 LabVIEW8.2中文版软件安装
11.2 Multisim 9与LabVIEW 8
11.2.1 Multisim 9与LabVIEW结合
11.2.2 Multisim 9的两种LabVIEW仪器
11.3 创建一个LabVIEW仪器
11.3.1 Multisim环境下的LabVIEW虚拟仪器
11.3.2 创建虚拟仪器
11.4 LabVIEW虚拟仪器的安装与使用
11.4.1 安装使用LabVIEW仪器
11.4.2 分享自己创建的LabVIEW仪器
11.4.3 正确创建LabVIEW仪器必须遵循的原则
11.5 Multisim与LabVIEW仪器的数据通信
11.5.1 将从LabVIEW仪器产生的数据传送到Multisim仿真电路
11.5.2 将Multisim仿真电路结果输出到LabVIEW仪器
思考与实践
2章 Multisim 9仿真电路的各种处理
12.1 产生报告
12.1.1 材料清单
12.1.2 元件详细报告
12.1.3 网表报告
12.1.4 电路图统计报告
12.1.5 闲置门电路统计报告
12.1.6 模型数据报告
12.1.7 混合参考报告
12.1.8 变量过滤对话框
12.2 Multisim 9与其他应用程序通信
12.2.1 将电路图输出到PCB板制作软件
12.2.2 Multisim仿真电路图的输出
12.2.3 Multisim仿真结果的输出
12.2.4 Multisim 9导入其他版本仿真文件
12.3 Multisim 9的后处理器
12.3.1 后处理器的功能
12.3.2 后处理器的使用方法
12.3.3 后处理器变量
12.3.4 后处理器函数
思考与实践
3章 Multisim新版本介绍
13.1 Multisim新特性
13.1.1 Multisim新版本教学应用的优势
13.1.2 Multisim新版本电路设计应用的优势
13.1.3 Multisim 9～12各版本新增功能对照表
13.2 Multisim 10新增功能
13.2.1 在电路图捕捉方面Multisim 10新增功能
13.2.2 在电路仿真方面Multisim 10新增功能
13.3 Multisim 11新增功能
13.3.1 在电路图捕捉方面Multisim 11新增功能
13.3.2 在电路仿真方面Multisim 11新增功能
13.4 Multisim 12新增功能
13.4.1 在电路图捕捉方面Multisim 12新增功能
13.4.2 在电路仿真方面Multisim 12新增功能
思考与实践
附录 网络资源
附录1 Multisim相关网站
附录2 大型电子技术类综合网站
附录3 常用资源下载网站
参考文献
作者介绍
郭锁利，西北工业大学硕士毕业，任我军大学第二炮兵工程大学副教授，硕士生导师，西安地区军校电子学会副理事长，常年从事电子技术相关领域的理论与实践教学、研究工作。1999年以来一直担负全国电子设计大赛指导任务，所带学生获多项国家和赛区大奖，本人也获得指导教师称号。负责本校EDA实验室的建设和电路、电子技术实验课程实验大纲及教材的编写，设计开发的“电子技术综合仿真系统”获全军成果，并在全军推广，获得了一致好评。
文摘
序言
《电子系统设计与实践》 前言 信息技术的飞速发展，尤其是半导体技术的日新月异，使得电子系统的设计、仿真与实现变得日益复杂且至关重要。从微观的集成电路到宏观的复杂通信系统，电子系统无处不在，深刻地改变着我们的生活和社会的面貌。本书旨在为读者提供一个全面且深入的电子系统设计与实践的学习平台，涵盖从基本理论到高级应用的广泛内容，并通过实际案例的剖析，引导读者掌握现代电子系统设计的核心技能。 本书的编写，始终坚持理论与实践相结合的原则。我们不仅会梳理电子系统设计中的基本概念、关键原理和核心技术，更会强调这些理论如何在实际的工程设计中得到应用，以及如何通过仿真工具进行验证和优化。我们希望通过这种方式，帮助读者建立起坚实的理论基础，同时培养解决实际工程问题的能力。 在内容编排上，我们力求逻辑清晰，循序渐进。首先，我们会从电子系统的基本构成要素入手，介绍各种电子元器件的特性与应用，以及电路的基本分析方法。随后，我们将逐步深入到更为复杂的电子系统设计领域，包括模拟电路设计、数字电路设计、微处理器与嵌入式系统设计等。在每个部分，我们都会重点讲解设计流程、关键技术难点以及常用的设计工具。 为了更好地服务于读者，本书特别注重实践环节的指导。我们将通过大量的实例分析，展示如何将理论知识应用于实际项目。这些实例将涵盖不同领域，例如通信系统、电源管理系统、控制系统等，旨在让读者接触到真实世界的电子系统设计挑战，并学习如何应对。此外，我们还将介绍一些行业内常用的设计流程和方法论，帮助读者了解标准化的工程实践。 值得一提的是，在当今电子系统设计领域，仿真技术扮演着不可或缺的角色。它能够极大地提高设计效率，降低开发成本，并有效规避潜在的设计风险。因此，本书将花费大量篇幅介绍各种仿真工具的应用，包括原理、使用方法和高级技巧。读者将学会如何利用仿真来验证电路性能、优化参数、甚至进行故障诊断。 本书的另一大亮点在于其对“系统综合”的深入探讨。电子系统远不止单个元器件的简单堆砌，而是由众多相互关联的子系统构成，并最终实现特定的整体功能。我们将引导读者理解系统层次的设计思维，如何进行系统分解，如何选择合适的子系统技术，以及如何进行系统级的集成与调试。这对于设计大型、复杂的电子系统尤为重要。 本书的目标读者是电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的学生，以及希望提升自身电子系统设计能力的工程师和技术爱好者。无论您是初学者还是有一定经验的从业者，都能从中获得有价值的知识和启发。 我们相信，通过对本书内容的系统学习和实践，读者将能够： 理解电子系统的基本原理和工作机制。 掌握各类电子元器件的特性与选择方法。 熟练运用模拟电路和数字电路设计技术。 深入了解微处理器与嵌入式系统的设计与应用。 掌握主流的电子系统仿真工具的使用技巧。 建立起系统化的电子系统设计与综合能力。 了解电子系统开发的典型流程和最佳实践。 我们对本书的编写倾注了大量心血，并力求内容的准确性和前沿性。我们深知，电子技术领域日新月异，不断更新，因此，本书在内容选择上，也充分考虑了当前行业的发展趋势和未来可能的发展方向。 希望本书能够成为您在电子系统设计与实践道路上的良师益友，助您在瞬息万变的电子世界中，设计出更优秀、更具创新性的电子系统。 第一章 电子系统的基本概念与构成 本章将为读者建立对电子系统的宏观认识，介绍电子系统的基本构成要素、分类以及其在现代社会中的重要作用。我们将从最基础的层面出发，为后续深入的学习打下坚实的基础。 1.1 什么是电子系统？ 我们将首先定义电子系统，并阐述其核心特征。电子系统是通过对电子信号的处理、传输、存储和控制来实现特定功能的集合。它通常包含硬件、软件和固件等多个层面，它们之间相互协作，共同完成预期的任务。我们将探讨电子系统的层级结构，从最底层的电子元器件到复杂的系统级应用，让读者对电子系统的规模和复杂度有一个初步的认识。 1.2 电子系统的分类 电子系统种类繁多，根据不同的功能和应用场景，可以将其进行分类。本节将介绍几种常见的分类方式： 按信号类型分类： 模拟电子系统（处理连续变化的信号，如音频、射频信号）和数字电子系统（处理离散的信号，如计算机数据）。我们将对比分析两者的特点、优势与劣势，以及它们在实际应用中的典型场景。 按功能分类： 如通信系统、控制系统、信息处理系统、电源系统、测量系统等。通过列举不同类别的系统，让读者直观感受电子系统的广泛应用领域。 按集成度分类： 从分立元器件电路到大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI），再到片上系统（SoC）。我们将探讨集成度的提高如何带来性能的飞跃和成本的降低。 1.3 电子系统的基本构成要素 任何电子系统都离不开核心的构成要素。本节将详细介绍这些要素： 电子元器件： 无源器件： 电阻、电容、电感。我们将介绍它们的物理原理、伏安特性、在电路中的作用以及常用的类型和参数。 有源器件： 二极管、三极管（BJT、MOSFET）、场效应管、集成运放等。我们将重点讲解它们的开关特性、放大特性以及在电路中的基本应用。 集成电路（IC）： 介绍IC的基本概念，包括模拟IC、数字IC、微处理器、FPGA等。我们将阐述IC如何将大量元器件集成在一起，实现复杂的功能。 互连与连接： 电线、PCB（印刷电路板）、连接器等。这些是构成系统各个部分之间通信的桥梁。 电源： 为电子系统提供工作所需的能量。我们将简要介绍电源的类型和基本要求。 信息输入与输出设备： 传感器、执行器、显示器、键盘等。它们是电子系统与外部世界进行交互的接口。 1.4 电子系统设计的基本流程 理解电子系统的设计流程是掌握电子系统设计的关键。本节将概述一个典型的电子系统设计流程： 需求分析与规格定义： 明确系统的功能需求、性能指标、成本约束等。 系统架构设计： 将系统分解为若干个子系统，并确定它们之间的接口关系。 模块设计与实现： 对各个子系统进行详细设计，选择合适的元器件和技术。 仿真与验证： 利用仿真工具对设计进行验证，评估其性能和可靠性。 原型制作与测试： 制作实际硬件原型，并进行功能和性能测试。 调试与优化： 根据测试结果，对设计进行修改和优化。 文档编写： 记录设计过程、技术细节和测试结果。 1.5 电子系统在现代社会中的作用 本节将通过生动的案例，展现电子系统在各个领域的广泛应用，以及它们对人类社会发展产生的深远影响。例如： 通信领域： 手机、互联网、卫星通信等，连接世界，信息畅通。 计算领域： 计算机、服务器、嵌入式设备，处理海量数据，驱动智能化。 消费电子： 电视、音频设备、智能家电，提升生活品质。 工业自动化： 机器人、PLC、传感器，提高生产效率和安全性。 医疗健康： 医疗影像设备、生命体征监测仪、植入式医疗设备，守护生命健康。 交通运输： 汽车电子、导航系统、航空航天，保障出行安全与效率。 能源领域： 智能电网、新能源管理系统，推动可持续发展。 通过本章的学习，读者将对电子系统有一个整体的、全面的认识，为后续深入学习具体的电子系统设计技术奠定坚实的理论基础。我们将强调系统思维的重要性，以及电子系统在现代科技和社会发展中不可或缺的地位。 第二章 模拟电子电路基础 模拟电子电路是处理连续变化的电信号的电路，它们在信号的采集、放大、滤波、调制解调等方面扮演着至关重要的角色。本章将深入探讨模拟电子电路的核心概念、基本元器件和经典电路的设计与分析。 2.1 模拟信号的特性 我们将首先阐述模拟信号的定义，即信号的幅值和时间是连续变化的。我们将分析模拟信号的带宽、动态范围、信噪比等重要参数，以及它们对电路设计的影响。 2.2 基本模拟电子元器件 电阻器： 欧姆定律与基尔霍夫定律。 串联与并联电阻的计算。 电位器与可变电阻的应用。 电阻的功率损耗与选型。 电容器： 电容的充放电特性。 容抗的计算与频率特性。 串联与并联电容的计算。 不同类型电容器（陶瓷电容、电解电容、钽电容等）的特性与应用。 滤波电路中的应用。 电感器： 电感的感抗与频率特性。 串联与并联电感的计算。 电感在滤波、振荡电路中的应用。 电感器的漏感、寄生电容等实际问题。 二极管： PN结的形成与特性。 正向导通与反向击穿。 各种类型的二极管：整流二极管、稳压二极管（齐纳二极管）、发光二极管（LED）、肖特基二极管等。 在整流、稳压、限幅电路中的应用。 三极管（Bipolar Junction Transistor, BJT）： NPN型和PNP型三极管的结构与工作原理。 三极管的三个工作区域：截止区、放大区、饱和区。 共射、共集、共基放大电路的特性分析。 三极管作为开关和放大器的应用。 偏置电路的设计与稳定性。 场效应管（Field-Effect Transistor, FET）： JFET（结型场效应管）和MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）的结构与工作原理。 MOSFET的增强型与耗尽型。 MOSFET作为开关和放大器的应用。 与BJT的比较。 运算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）： 理想运放的模型与特性。 虚短与虚断的概念。 基本运放电路：反相放大器、同相放大器、差分放大器、加法器、减法器。 积分电路与微分电路。 运放的频率响应、增益带宽积、压摆率等参数。 实际运放的应用限制与补偿。 2.3 模拟电路的基本功能模块 放大器： 各种放大电路的增益、输入输出阻抗、频率响应分析。 功率放大器（甲类、乙类、丙类、丁类）的设计与选择。 高频放大器和低噪声放大器的设计考虑。 滤波器： 滤波器的基本概念：低通、高通、带通、带阻滤波器。 无源滤波器（RLC滤波器）和有源滤波器（基于运放）。 滤波器的阶数、截止频率、衰减特性。 巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等滤波器逼近特性。 振荡器： 振荡器的原理：正反馈与选频网络。 RC振荡器（相移振荡器、文氏桥振荡器）和LC振荡器（哈特莱振荡器、科了比特振荡器）。 晶体振荡器的稳定性。 稳压器： 串联型稳压器和开关型稳压器。 线性稳压器（如78xx系列）的工作原理。 开关稳压器（DC-DC转换器）的基本拓扑（降压、升压、升降压）。 稳压器的负载调整率和线性调整率。 混频器与倍频器： 在通信系统中实现信号频率的变换。 基于二极管或MOSFET的混频器设计。 2.4 模拟电路的设计与分析方法 直流分析： 确定电路的静态工作点。 交流分析： 确定电路的增益、频率响应、带宽等动态特性。 瞬态分析： 分析电路在输入信号变化时的响应。 灵敏度分析： 评估元器件参数变化对电路性能的影响。 噪声分析： 评估电路中的噪声源及其对信号的影响。 2.5 实际模拟电路设计中的挑战 元器件的非理想性： 寄生参数、容差、温度漂移等。 干扰与噪声： 电磁干扰（EMI）、热噪声、散粒噪声等。 功耗与散热： 设计优化以降低功耗和有效散热。 稳定性与鲁棒性： 确保电路在各种条件下都能稳定工作。 本章将通过大量的电路图和计算示例，帮助读者深入理解模拟电路的设计原理和分析方法。我们将强调实际工程中的考量，使读者能够设计出高性能、高可靠性的模拟电子系统。 第三章 数字电子电路基础 数字电子电路是处理离散信号（通常为0和1）的电路，它们构成了现代电子系统的核心，如计算机、微处理器、数字通信设备等。本章将介绍数字电子电路的基本概念、逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路以及数字电路的常用设计方法。 3.1 数字信号与逻辑电平 我们将首先定义数字信号，以及其由高电平（通常代表“1”）和低电平（通常代表“0”）组成的特性。我们将介绍逻辑电平的定义，以及不同逻辑系列（如TTL、CMOS）的特点和区别。 3.2 二进制数制与逻辑运算 二进制数制： 介绍二进制数的表示方法，以及与十进制、十六进制之间的转换。 基本逻辑门： AND门、OR门、NOT门（反相器）： 介绍它们的逻辑符号、真值表和基本功能。 NAND门、NOR门、XOR门、XNOR门： 介绍它们的逻辑符号、真值表和组合功能。 通用门（NAND门和NOR门）： 强调它们可以通过组合实现所有其他逻辑门的功能。 布尔代数： 布尔代数的公理和定理，如交换律、结合律、分配律、德摩根定律等。 利用布尔代数进行逻辑表达式的化简。 卡诺图（Karnaugh Map, K-map）： 介绍卡诺图的绘制和使用方法。 利用卡诺图化简复杂的逻辑表达式，以最小化逻辑门数量。 3.3 组合逻辑电路 组合逻辑电路的输出仅取决于当前的输入，没有记忆功能。 编码器（Encoder）： 将多个输入信号编码成一个二进制输出（如按键编码器）。 解码器（Decoder）： 将二进制输入信号译码成一个唯一的输出信号（如7段数码管译码器）。 多路选择器（Multiplexer, MUX）： 从多个输入信号中选择一个作为输出。 数据分配器（Demultiplexer, DEMUX）： 将一个输入信号分发到多个输出中的一个。 加法器（Adder）： 半加器与全加器。 串行加法器与并行加法器。 超前进位加法器（Carry Lookahead Adder, CLA）以提高速度。 减法器（Subtractor）： 通常通过加法器和补码实现。 比较器（Comparator）： 比较两个二进制数的大小。 3.4 时序逻辑电路 时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还取决于电路的历史状态，具有记忆功能。 触发器（Flip-Flop）： SR触发器： 异步SR触发器，了解其状态转移。 D触发器： 存储单元，具有数据保持功能。 JK触发器： 功能更强大的触发器，可实现置位、复位、翻转等操作。 T触发器： 翻转触发器。 主从触发器： 解决边沿触发的毛刺问题。 边沿触发（上升沿/下降沿）： 理解时钟信号在触发器工作中的作用。 寄存器（Register）： 由多个触发器组成的存储单元，用于存储一组二进制数据。 移位寄存器：用于数据的串行-并行转换或并行-串行转换，实现数据移位操作。 计数器（Counter）： 异步计数器（行波进位计数器）： 结构简单，但速度受限制。 同步计数器： 所有触发器同时接收时钟信号，速度快。 加法计数器、减法计数器、可逆计数器。 进制计数器： 如十进制计数器（BCD计数器）。 应用： 分频、定时、数码显示等。 3.5 可编程逻辑器件（PLD） PLA（可编程逻辑阵列）、PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）： 介绍它们的结构和工作原理。 FPGA（现场可编程门阵列）： 介绍FPGA的基本结构（查找表LUT、触发器、布线资源）。 FPGA的编程原理与应用。 HDL（硬件描述语言，如Verilog, VHDL）在FPGA设计中的作用。 3.6 数字电路设计流程与工具 逻辑设计： 从功能需求到逻辑表达式的转换。 综合（Synthesis）： 将HDL代码转换为门级网表。 布局布线（Place & Route）： 在目标器件上实现逻辑单元的物理映射。 时序仿真（Timing Simulation）： 验证电路的时序性能。 仿真工具： ModelSim, Quartus Prime, Vivado等。 本章将通过大量的真值表、逻辑图和实例，帮助读者掌握数字逻辑设计的基本原理和方法。我们将强调从高层抽象到具体实现的整个流程，为读者设计复杂的数字系统打下坚实的基础。 第四章 微处理器与嵌入式系统设计 微处理器是数字系统的“大脑”，而嵌入式系统则是将微处理器集成到特定应用中，实现智能化控制的完整系统。本章将深入探讨微处理器的结构、工作原理，以及嵌入式系统的设计、开发与应用。 4.1 微处理器的基本结构与工作原理 CPU（中央处理器）： 算术逻辑单元（ALU）： 执行算术和逻辑运算。 控制单元： 负责指令的译码和执行。 寄存器组： 存储临时数据和指令。 指令集架构（ISA）： CISC（复杂指令集计算）与RISC（精简指令集计算）的区别。 存储器： RAM（随机存取存储器）： 用于存储程序和数据，可读写，断电后丢失。 ROM（只读存储器）： 用于存储固定程序和数据，通常不可写，断电后不丢失。 Flash存储器： 可擦写，断电后数据不丢失，常用于存储固件。 输入/输出（I/O）接口： 用于CPU与外部设备进行数据交换。 并行接口与串行接口。 中断机制。 4.2 微处理器的指令周期与执行流程 取指令（Fetch）： CPU从存储器中获取指令。 指令译码（Decode）： CPU解析指令的功能。 执行指令（Execute）： CPU执行指令的操作。 写回结果（Writeback）： 将执行结果写回存储器或寄存器。 4.3 嵌入式系统的概念与特点 定义： 集成在特定设备中，完成特定功能的计算机系统。 特点： 专用性强： 为特定应用设计。 资源受限： 处理器性能、存储空间、功耗等通常有限。 实时性要求高： 许多嵌入式系统需要及时响应外部事件。 可靠性要求高： often应用于关键领域。 成本敏感： often需要控制成本。 4.4 嵌入式系统的构成 硬件平台： 微控制器（MCU）： 集成CPU、RAM、ROM、I/O接口等在一个芯片上的系统。 微处理器（MPU）+ 外围芯片： 如ARM处理器搭配专用外围芯片。 SoC（System on Chip）： 将整个系统集成到一个芯片上，实现高度集成。 软件平台： 裸机程序（Bare-metal）： 直接在硬件上运行，不使用操作系统。 嵌入式操作系统（RTOS）： Real-Time Operating System，提供任务调度、内存管理、设备驱动等功能，保证实时性。 中间件： 如网络协议栈、文件系统等。 应用软件： 实现具体功能的应用程序。 4.5 嵌入式系统开发流程 硬件选型： 根据应用需求选择合适的微处理器、存储器、传感器、执行器等。 软件开发： 环境搭建： 交叉编译环境、调试工具链。 驱动程序开发： 控制硬件设备。 操作系统移植（如果使用RTOS）： 应用软件开发： 系统集成与调试： 将软硬件结合，进行联调。 测试与优化： 性能、功耗、可靠性测试。 部署与维护： 4.6 嵌入式系统常用接口与通信协议 串行通信接口： UART、SPI、I2C。 并行通信接口： GPIO。 总线接口： USB、Ethernet、CAN。 无线通信： Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee。 4.7 嵌入式系统应用实例 智能家居： 智能照明、温控器、安防系统。 汽车电子： 发动机控制单元（ECU）、车载娱乐系统、ADAS（高级驾驶辅助系统）。 工业自动化： PLC（可编程逻辑控制器）、机器人控制、传感器网络。 医疗设备： 监护仪、输液泵、诊断设备。 消费电子： 智能手机、MP3播放器、数码相机。 本章将通过具体的微处理器架构介绍（如ARM Cortex-M系列），以及一个简单的嵌入式项目开发流程演示，让读者掌握嵌入式系统的设计与开发技能。我们将强调软硬件协同设计的重要性，以及如何在资源受限的环境下进行高效的开发。 第五章 电子系统仿真技术 仿真技术在现代电子系统设计中扮演着至关重要的角色，它能够帮助工程师在物理原型制作之前，对设计进行验证、优化和故障分析，极大地提高设计效率，降低开发成本，并有效规避风险。本章将详细介绍电子系统仿真的基本概念、常用仿真工具以及仿真在不同设计阶段的应用。 5.1 仿真技术的基本概念 仿真（Simulation）： 通过数学模型和计算程序，模拟真实系统的行为。 模型（Model）： 描述电子元器件、电路或系统的数学表示。 仿真器（Simulator）： 执行仿真模型，输出仿真结果的软件工具。 仿真类型： 直流仿真（DC Analysis）： 分析电路的稳态直流工作点。 交流仿真（AC Analysis）： 分析电路的频率响应。 瞬态仿真（Transient Analysis）： 分析电路在时间域内的行为。 噪声仿真（Noise Analysis）： 分析电路中的噪声。 傅里叶分析（Fourier Analysis）： 分析信号的频谱成分。 参数扫描（Parameter Sweep）： 改变某个参数，观察其对电路性能的影响。 蒙特卡洛仿真（Monte Carlo Simulation）： 考虑元器件参数的随机性，进行统计分析。 5.2 电子系统仿真工具概览 我们将介绍几类主流的电子系统仿真工具： 电路仿真软件： SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）： 最基础和广泛使用的电路仿真器。 PSPICE： SPICE在个人计算机上的一个流行版本。 Multisim（ NI）： 集成了电路仿真、原理图设计、PCB设计和虚拟仪器，易于学习和使用。 LTspice： Analog Devices公司推出的免费SPICE仿真软件，功能强大。 HSPICE, Spectre： 工业级的高级电路仿真器。 系统级仿真软件： MATLAB/Simulink（MathWorks）： 强大的数学计算和模型化仿真平台，广泛应用于控制系统、通信系统、信号处理等领域。 LabVIEW（NI）： 图形化编程语言，常用于仪器控制、数据采集和系统仿真。 数字逻辑仿真工具： ModelSim/QuestaSim： 广泛用于HDL（Verilog, VHDL）代码仿真。 Xilinx Vivado Simulator / Intel Quartus Prime Simulator： FPGA设计流程中的仿真工具。 5.3 使用仿真工具进行电路设计与分析 原理图输入： 使用仿真软件提供的元器件库，绘制电路原理图。 设置元器件的参数（如电阻值、电容值、晶体管模型等）。 定义输入信号（如电压源、电流源、脉冲信号等）。 仿真设置： 选择仿真类型（DC, AC, Transient等）。 设置仿真时间、步长、扫描范围等参数。 运行仿真与结果分析： 查看仿真结果，如电压、电流波形、频率响应曲线、直流工作点等。 使用探针（Probes）和游标（Cursors）来测量特定点的值。 绘制波形图、Bode图、Nyquist图等。 参数优化： 通过参数扫描，寻找最优的元器件参数值。 调整电路结构，优化性能指标。 5.4 仿真在不同设计阶段的应用 概念验证： 快速验证初步的设计思路，评估可行性。 详细设计： 精确分析电路性能，确定元器件规格。 故障诊断： 模拟各种故障情况，分析其对电路的影响，并找出解决方案。 性能优化： 通过反复仿真和调整，提高电路的效率、速度、稳定性等。 系统集成： 仿真整个系统的行为，确保各个子系统能够协同工作。 教育与培训： 帮助学生理解电路原理，进行实验操作。 5.5 仿真模型的选择与准确性 理想模型 vs. 实际模型： 理想模型简化了元器件的特性，便于初步分析。 实际模型（如SPICE模型）包含了元器件的非线性特性、寄生参数等，可以获得更精确的结果。 模型库的构建与管理： 利用厂商提供的模型库。 根据实际元器件特性，建立自定义模型。 仿真结果的验证： 将仿真结果与理论计算或实际测量结果进行对比，评估模型的准确性。 理解仿真结果的局限性。 5.6 实际案例：使用仿真工具设计与分析一个简单模拟滤波器 本节将通过一个具体的例子，演示如何使用仿真软件（如Multisim或LTspice）来设计一个低通滤波器。我们将： 1. 根据设计要求（如截止频率）计算理想元器件参数。 2. 在仿真软件中绘制电路原理图，并使用理想元器件。 3. 进行瞬态仿真，观察滤波器的响应。 4. 进行交流仿真，绘制Bode图，验证截止频率。 5. 替换为实际元器件模型，分析实际参数对性能的影响。 6. 演示如何通过改变元器件参数来调整滤波器的性能。 通过本章的学习，读者将能够熟练掌握至少一种主流的电子系统仿真工具，并将其应用于实际的电路和系统设计中，提高设计质量和效率。我们将强调仿真在整个设计流程中的关键作用，以及如何正确理解和利用仿真结果。 第六章 电子系统综合与集成 电子系统综合（System Synthesis）是指将分散的、低层次的设计单元（如逻辑门、功能模块）组合成一个完整的、满足特定功能的系统。而系统集成（System Integration）则是将这些经过综合的子系统或模块连接起来，形成一个能够协同工作的整体。本章将深入探讨电子系统综合与集成的概念、方法论和关键技术。 6.1 系统层次的设计思维 自顶向下（Top-Down）设计： 从整体系统功能出发，逐步分解为更小的子系统和模块。 自底向上（Bottom-Up）设计： 从基础的元器件或功能模块出发，逐步构建成更复杂的系统。 混合式设计： 结合自顶向下和自底向上两种方法。 模块化设计： 将系统划分为独立的、可重用的模块，降低设计复杂度，提高可维护性。 6.2 系统综合的方法与技术 功能综合： 将抽象的功能描述转化为硬件或软件实现。 性能综合： 在满足功能需求的前提下，优化系统的性能指标（如速度、吞吐量）。 资源综合： 在满足功能和性能需求的前提下，最小化系统所需的硬件资源（如芯片面积、功耗）。 硬件描述语言（HDL）与综合工具： Verilog和VHDL在系统综合中的作用。 综合工具（如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus）如何将HDL代码转化为门级网表。 高层次综合（High-Level Synthesis, HLS）： 将C/C++等高级语言代码自动转化为硬件描述语言（HDL），以加速ASIC/FPGA设计。 HLS在设计流程中的地位和优势。 6.3 系统集成的方法与流程 接口定义与协议标准化： 明确各个子系统之间的通信接口（如数据格式、时序、电平标准）。 采用通用的通信协议，如I2C, SPI, USB, Ethernet等。 总线结构： 并行总线： 如ISA, PCI。 串行总线： 如USB, SATA, PCIe。 片内总线： 如AMBA（ARM Advanced Microcontroller Bus Architecture）。 中断管理： 设计合理的中断机制，确保系统能够及时响应外部事件。 数据流与控制流： 分析数据在系统中的流动路径和控制信号的传递方式。 时钟与同步： 确保系统内各个模块的时钟同步，避免时序问题。 时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）的处理。 电源管理： 设计有效的电源分配和管理策略，满足不同模块的功耗需求。 系统级仿真与验证： 使用系统级仿真工具（如Simulink）来验证整个系统的行为。 联合仿真：将硬件仿真和软件仿真结合。 6.4 互连技术与PCB设计 PCB（Printed Circuit Board）设计： PCB布局与布线规则。 信号完整性（Signal Integrity）与电源完整性（Power Integrity）分析。 EMC/EMI（电磁兼容性/电磁干扰）设计考虑。 连接器与线缆： 选择合适的连接器和线缆，确保可靠的信号传输。 6.5 软件与硬件的协同设计 软硬件接口（Hardware-Software Interface, HSI）： 定义软件如何通过寄存器、内存映射等方式访问和控制硬件。 固件（Firmware）开发： 运行在硬件上的底层软件，如BIOS, 驱动程序。 嵌入式软件开发流程： 驱动程序、中间件、应用程序的开发与调试。 6.6 实际案例：设计一个简单的嵌入式数据采集与处理系统 本章将通过一个实例，展示系统综合与集成的一般过程。例如，设计一个由传感器、微控制器、通信模块组成的简单数据采集系统： 1. 系统需求分析： 明确需要采集的数据类型、采集频率、数据处理功能、通信方式等。 2. 系统架构设计： 将系统划分为传感器接口模块、微控制器核心模块、通信模块。 3. 模块化设计： 针对每个模块进行详细设计。 传感器接口：选择合适的ADC，设计数据读取接口。 微控制器：选择合适的MCU，编写驱动程序和核心处理算法。 通信模块：选择合适的通信接口（如UART），编写通信协议。 4. 接口定义： 确定传感器与MCU之间、MCU与通信模块之间的接口信号和协议。 5. 软件开发： 编写各个模块的驱动程序和应用程序。 6. 系统集成： 将各个模块连接起来，进行联调。 7. 仿真与测试： 使用仿真工具模拟系统行为，并对实际硬件进行测试。 通过本章的学习，读者将能够理解电子系统设计的系统性，掌握将复杂功能分解为可管理模块的方法，以及如何有效地将这些模块集成在一起，构建出功能完整、性能可靠的电子系统。我们将强调在设计过程中，始终保持全局观，并注重软硬件协同的重要性。 结论 本书从电子系统的基本概念出发，逐步深入到模拟电路、数字电路、微处理器与嵌入式系统设计，并重点介绍了仿真技术在设计中的应用，最后探讨了系统综合与集成的方法。我们力求内容全面、条理清晰，并通过大量的实例和实践指导，帮助读者掌握现代电子系统设计所必备的核心知识和技能。 电子工程是一个不断发展的领域，新的技术和概念层出不穷。我们希望本书能够为读者打下坚实的基础，激发他们进一步学习和探索的兴趣。通过实践，不断提升设计能力，应对未来电子技术带来的挑战与机遇。
