基本信息
書名：基於Multisim的電子係統設計、仿真與綜閤應用(第2版)
定價：49.00元
作者：郭鎖利 劉延飛 李琪 王曉戎 張延偉著
齣版社：人民郵電齣版社
齣版日期：2012-10-01
ISBN：9787115289667
字數：
頁碼：
版次：2
裝幀：平裝
開本：16開
商品重量：0.622kg
編輯推薦
不僅適應於具有初級語言基礎和電子類常識的初學者，而且適應於掌握基礎的進階者；枯燥無趣的語言和技術難點被分散於各個實例分析中，沒有長篇的技術數據資料羅列，學習變得更有效；每個實例均是已實現的實例，均可免費下載，確保實例的正確性！讀者除掌握基本的Mutisim軟件的基本應用外，還可獲得有關 Mutisim的新特性應用以及其他領域的應用。
內容提要
《基於Multisim的電子係統設計、仿真與綜閤應用(第2版)》通過大量的實例引入，從簡單到復雜，係統地介紹瞭Multisim9集成環境的基本操作，重點通過大量實例介紹瞭Multisim9在模擬電路、數字電路、電子係統設計、單片機等課程的仿真應用，同時為相應課程設計提供瞭大量的選題；用LabVIEW來實現完全自定義的虛擬儀器，並將這些儀器應用於Multisim環境中，後對Multisim10～12版本新增功能進行瞭相應的介紹。本書力求使讀者在較短時間內全麵掌握Multisim精華。讀者隻要按照本書中的實例步驟實踐，就能在短的時間內跨越Multisim9的初、中、高級，全麵掌握這一軟件。本書力求為電子愛好者及高校學生提供先進的電子實驗方法，通過學、例、練的方式，提高讀者對知識的學習和運用能力。 《基於Multisim的電子係統設計、仿真與綜閤應用(第2版)》內容豐富實用，講解深入淺齣、先易後難、循序漸進，以實例貫穿全書，可作為高等院校電子、通信、自動化、電氣、信息等專業的EDA教材和電子技術課程仿真實驗教程，也可作為全國大學生電子設計競賽培訓教材。本書對進行電子電路設計的工程技術人員也有相當大的參考和藉鑒價值。
目錄
部分 入門篇
章 Multisim 9概述
1.1 EWB與Multisim 9
1.1.1 Electronics Workbench
1.1.2 Multisim 9的特點
1.2 Multisim 9的安裝
1.2.1 Multisim 9的安裝前的準備工作
1.2.2 安裝Multisim 9
1.3 Multisim 9的用戶界麵
1.3.1 介紹Multisim 9用戶界麵
1.3.2 菜單欄
1.3.3 工具欄
1.3.4 電路窗口
1.3.5 電路元件屬性視窗
1.3.6 設計工具欄
思考與實踐
第2章 Multisim 9入門
2.1 繪製一個電路
2.1.1 開始創建電路文件
2.1.2 放置元件
2.1.3 改變單個元件和節點的屬性
2.1.4 給元件連綫
2.1.5 為電路增加標題欄和文本注釋
2.1.6 保存電路
2.2 給電路添加儀器
2.2.1 虛擬儀器的添加方法
2.2.2 添加與連接儀器
2.2.3 設置儀器
2.3 電路的仿真分析
2.3.1 仿真電路
2.3.2 觀察仿真結果
2.3.3 停止電路仿真
2.4 界麵的定製
2.4.1 Preferences對話框
2.4.2 Sheet Properties對話框
思考與實踐
第3章 Multisim 9元件與元件庫
3.1 Multisim 9元件庫
3.1.1 元件庫的結構
3.1.2 查找元件
3.2 Multisim 9元件庫的管理
3.2.1 篩選顯示的元件
3.2.2 元件係列管理
3.2.3 修改用戶域標題
3.2.4 復製仿真元件
3.2.5 刪除仿真元件
3.2.6 保存電路圖中的元件
3.2.7 轉換Multisim 2001或者Multisim 7元器件庫
3.2.8 升級老版本電路圖的元件
3.2.9 元器件庫文件的閤並
3.3 元件創建與編輯
3.3.1 利用元件創建嚮導創建元件
3.3.2 編輯仿真元件
思考與實踐
第4章 Multisim 9虛擬儀器
4.1 概述
4.1.1 虛擬儀器介紹
4.1.2 虛擬儀器的主要特點
4.1.3 虛擬儀器的分類
4.1.4 虛擬儀器的添加和使用
4.1.5 保存打印虛擬儀器顯示數據
4.1.6 交互仿真設置
4.2 交流和直流測量類儀器
4.2.1 萬用錶
4.2.2 函數發生器
4.2.3 雙通道示波器
4.2.4 4通道示波器
4.2.5 功率錶
4.2.6 伏安特性分析儀
4.2.7 頻率計
4.2.8 掃頻儀
4.2.9 失真度分析儀
4.3 數字邏輯測試類儀器
4.3.1 邏輯分析儀
4.3.2 邏輯轉換器
4.3.3 字函數發生器
4.4 射頻測量類儀器
4.4.1 頻譜分析儀
4.4.2 網絡分析儀
4.5 仿真儀器
4.5.1 仿安捷倫函數發生器
4.5.2 仿安捷倫數字萬用錶
4.5.3 仿安捷倫數字示波器
4.5.4 仿泰剋數字示波器
4.6 測量探針
思考與實踐
第二部分 應用篇
第5章 Multisim 9在模擬電路中的應用
5.1 共射極放大電路的仿真分析
5.1.1 實驗電路
5.1.2 靜態工作點的測試與調整
5.1.3 放大器動態指標測試
5.2 差動放大電路的仿真分析
5.2.1 實驗電路
5.2.2 典型差動放大器性能測試
5.2.3 具有恒流源的差動放大電路性能測試
5.3 負反饋放大電路仿真分析
5.3.1 實驗電路
5.3.2 靜態工作點的設置與調整
5.3.3 觀測負反饋對放大電路輸齣波形的影響，並測量電壓放大倍數及反饋深度
5.3.4 觀測負反饋對放大電路輸齣波形非綫性失真的影響
5.3.5 觀測負反饋對放大電路通頻帶的影響
5.3.6 觀測負反饋對放大電路輸入、輸齣電阻的影響
5.4 單電源功率放大電路仿真分析
5.4.1 實驗電路
5.4.2 電路靜態工作點的調整
5.4.3 測量大輸齣功率
5.4.4 觀察交越失真及改善措施
5.5 集成運算放大器的綫性應用仿真分析
5.5.1 比例運算電路
5.5.2 加法運算電路
5.5.3 積分運算電路
5.5.4 測量放大電路
5.6 有源濾波器的設計與仿真分析
5.6.1 低通濾波電路
5.6.2 高通濾波電路
5.6.3 帶通濾波電路
5.6.4 帶阻濾波電路
5.7 集成運算放大器的非綫性應用仿真分析
5.7.1 三角波-方波發生電路
5.7.2 電壓-頻率轉換電路
5.8 直流穩壓電源仿真分析
5.8.1 串聯型直流穩壓電源
5.8.2 三端集成穩壓器電路
5.9 模擬電子技術課程設計選題
選題1 多功能信號發生器
選題2 二階RC有源濾波器
選題3 直流穩壓電源
選題4 音響放大器設計
選題5 電容值測量儀
選題6 增益可自動變換的交流放大器
選題7 多級低頻阻容耦閤放大器的設計
選題8 集成運放交流放大器設計
思考與實踐
第6章 Multisim 9在數字電路中的應用
6.1 分立元件特性測試與分析
6.1.1 二極管開關特性測試與分析
6.1.2 三極管開關特性測試與分析
6.1.3 TTL與非門電壓傳輸特性測試與分析
6.2 組閤邏輯電路的仿真分析
6.2.1 基本邏輯電路轉換測試與分析
6.2.2 鍵控8421BCD編碼器測試與分析
6.2.3 由譯碼器構成數據分配器
6.2.4 由譯碼器構成16位跑馬燈電路
6.2.5 由數據選擇器構成全加器電路
6.2.6 8421碼轉換5421碼的電路測試
6.2.7 競爭冒險電路測試分析
6.3 時序邏輯電路的仿真分析
6.3.1 D觸發器構成的八分頻電路
6.3.2 二十四進製計數器測試分析
6.3.3 可變進製計數器3D仿真
6.3.4 74LS90實現不同碼製計數器
6.4 A/D與D/A轉換電路的仿真分析
6.4.1 倒T型電阻網絡D/A轉換器測試
6.4.2 並行比較A/D轉換器測試
6.4.3 實時模擬信號采集數字化電路測試與分析
6.5 555集成定時電路的仿真分析
6.5.1 555構成的多諧振蕩器
6.5.2 可控單音發聲電路
6.5.3 555構成的單穩態觸發器
6.5.4 555構成的施密特觸發器
6.6 數字電子技術仿真實驗選題
第7章 綜閤應用實例分析
7.1 智力搶答器電路測試與分析
7.1.1 搶答器介紹
7.1.2 功能要求
7.1.3 工作原理
7.1.4 測試電路創建
7.1.5 測試方法說明及測試結果分析
7.2 24小時製多功能電子鍾設計與仿真
7.2.1 功能要求
7.2.2 工作原理
7.2.3 各模塊測試電路創建仿真
7.2.4 全係統電路仿真
7.3 電子設計大賽實例--測量放大器設計與仿真
7.3.1 大賽要求
7.3.2 方案設計
7.3.3 各模塊電路創建與仿真分析
7.4 電子設計大賽實例--低頻數字式相位測量儀
7.4.1 大賽要求
7.4.2 方案設計
7.4.3 各模塊電路創建與仿真分析
7.5 綜閤仿真電路設計報告書寫結構
7.5.1 仿真設計報告書寫要求
7.5.2 具體書寫構架
7.5.3 電子設計大賽報告實例--正弦信號發生器
7.6 電子技術課程設計選題
第8章 寬帶直流放大器的設計與仿真
8.1 設計要求
8.1.1 任務
8.1.2 設計要求
8.1.3 設計說明
8.2 係統設計及工作原理
8.2.1 寬帶放大器的主要技術指標
8.2.2 總體設計思路
8.2.3 係統設計方案論證
8.2.4 AD603芯片
8.2.5 仿真元器件的創建
8.3 各模塊電路仿真實戰
8.3.1 前置放大電路
8.3.2 增益可控放大電路
8.3.3 功率放大電路
8.3.4 電源模塊
8.4 電子類畢業設計選題
8.4.1 基於單片機的波形發生器的設計
8.4.2 電子秤控製電路的設計
8.4.3 糧倉多點溫度與濕度控製係統設計
8.4.4 電動機轉速測定顯示係統設計
8.4.5 颱燈亮度自動調節電路的設計
第9章 足球機器人驅動電路的設計與仿真
9.1 足球機器人世界杯
9.1.1 前言
9.1.2 FIRA國際賽事
9.1.3 RoboCup世界杯足球賽發展
9.1.4 RoboCup各類比賽規範
9.1.5 足球機器人係統研究的關鍵技術
9.2 足球機器人控製方案設計
9.2.1 比賽設計規定
9.2.2 典型機器人控製驅動電路方案
9.2.3 驅動控製電路部分設計說明
9.3 直流電機驅動原理設計
9.3.1 直流電機調速原理與方案設計
9.3.2 直流電機選擇和工作參數
9.3.3 驅動電路設計中需要考慮的問題
9.4 各模塊電路設計與仿真
9.4.1 驅動模塊
9.4.2 光電碼盤模塊
9.4.3 鑒相模塊
9.4.4 測速模塊
9.5 控製類畢業設計選題
9.5.1 自動倉儲搬運機器人設計
9.5.2 自動書寫筆設計
9.5.3 避障智能車設計
9.5.4 消防機器人設計
9.5.5 液體轉移監控裝置設計
9.5.6 簡易智能液體加注裝置設計
第三部分 提高篇
0章 Multisim在單片機仿真中的應用
10.1 MultiMCU 9的單片機仿真平颱入門
10.1.1 MultiMCU 9的環境介紹
10.1.2 匯編源程序窗口
10.1.3 寄存器觀察窗口
10.1.4 實例入門
10.2 液麵控製係統設計與仿真
10.2.1 係統介紹
10.2.2 電路的設計仿真過程
10.2.3 高級調試過程
10.3 8051單片機的人機界麵接口設計與仿真
10.3.1 4 ′ 4鍵盤輸入接口電路的設計仿真
10.3.2 LED顯示器接口電路的設計仿真
思考與實踐
1章 Multisim 9與LabVIEW 8結閤
11.1 LabVIEW 8 簡介
11.1.1 LabVIEW概述
11.1.2 LabVIEW開發環境
11.1.3 LabVIEW8.2中文版軟件安裝
11.2 Multisim 9與LabVIEW 8
11.2.1 Multisim 9與LabVIEW結閤
11.2.2 Multisim 9的兩種LabVIEW儀器
11.3 創建一個LabVIEW儀器
11.3.1 Multisim環境下的LabVIEW虛擬儀器
11.3.2 創建虛擬儀器
11.4 LabVIEW虛擬儀器的安裝與使用
11.4.1 安裝使用LabVIEW儀器
11.4.2 分享自己創建的LabVIEW儀器
11.4.3 正確創建LabVIEW儀器必須遵循的原則
11.5 Multisim與LabVIEW儀器的數據通信
11.5.1 將從LabVIEW儀器産生的數據傳送到Multisim仿真電路
11.5.2 將Multisim仿真電路結果輸齣到LabVIEW儀器
思考與實踐
2章 Multisim 9仿真電路的各種處理
12.1 産生報告
12.1.1 材料清單
12.1.2 元件詳細報告
12.1.3 網錶報告
12.1.4 電路圖統計報告
12.1.5 閑置門電路統計報告
12.1.6 模型數據報告
12.1.7 混閤參考報告
12.1.8 變量過濾對話框
12.2 Multisim 9與其他應用程序通信
12.2.1 將電路圖輸齣到PCB闆製作軟件
12.2.2 Multisim仿真電路圖的輸齣
12.2.3 Multisim仿真結果的輸齣
12.2.4 Multisim 9導入其他版本仿真文件
12.3 Multisim 9的後處理器
12.3.1 後處理器的功能
12.3.2 後處理器的使用方法
12.3.3 後處理器變量
12.3.4 後處理器函數
思考與實踐
3章 Multisim新版本介紹
13.1 Multisim新特性
13.1.1 Multisim新版本教學應用的優勢
13.1.2 Multisim新版本電路設計應用的優勢
13.1.3 Multisim 9～12各版本新增功能對照錶
13.2 Multisim 10新增功能
13.2.1 在電路圖捕捉方麵Multisim 10新增功能
13.2.2 在電路仿真方麵Multisim 10新增功能
13.3 Multisim 11新增功能
13.3.1 在電路圖捕捉方麵Multisim 11新增功能
13.3.2 在電路仿真方麵Multisim 11新增功能
13.4 Multisim 12新增功能
13.4.1 在電路圖捕捉方麵Multisim 12新增功能
13.4.2 在電路仿真方麵Multisim 12新增功能
思考與實踐
附錄 網絡資源
附錄1 Multisim相關網站
附錄2 大型電子技術類綜閤網站
附錄3 常用資源下載網站
參考文獻
作者介紹
郭鎖利，西北工業大學碩士畢業，任我軍大學第二炮兵工程大學副教授，碩士生導師，西安地區軍校電子學會副理事長，常年從事電子技術相關領域的理論與實踐教學、研究工作。1999年以來一直擔負全國電子設計大賽指導任務，所帶學生獲多項國傢和賽區大奬，本人也獲得指導教師稱號。負責本校EDA實驗室的建設和電路、電子技術實驗課程實驗大綱及教材的編寫，設計開發的“電子技術綜閤仿真係統”獲全軍成果，並在全軍推廣，獲得瞭一緻好評。
文摘
序言
《電子係統設計與實踐》 前言 信息技術的飛速發展，尤其是半導體技術的日新月異，使得電子係統的設計、仿真與實現變得日益復雜且至關重要。從微觀的集成電路到宏觀的復雜通信係統，電子係統無處不在，深刻地改變著我們的生活和社會的麵貌。本書旨在為讀者提供一個全麵且深入的電子係統設計與實踐的學習平颱，涵蓋從基本理論到高級應用的廣泛內容，並通過實際案例的剖析，引導讀者掌握現代電子係統設計的核心技能。 本書的編寫，始終堅持理論與實踐相結閤的原則。我們不僅會梳理電子係統設計中的基本概念、關鍵原理和核心技術，更會強調這些理論如何在實際的工程設計中得到應用，以及如何通過仿真工具進行驗證和優化。我們希望通過這種方式，幫助讀者建立起堅實的理論基礎，同時培養解決實際工程問題的能力。 在內容編排上，我們力求邏輯清晰，循序漸進。首先，我們會從電子係統的基本構成要素入手，介紹各種電子元器件的特性與應用，以及電路的基本分析方法。隨後，我們將逐步深入到更為復雜的電子係統設計領域，包括模擬電路設計、數字電路設計、微處理器與嵌入式係統設計等。在每個部分，我們都會重點講解設計流程、關鍵技術難點以及常用的設計工具。 為瞭更好地服務於讀者，本書特彆注重實踐環節的指導。我們將通過大量的實例分析，展示如何將理論知識應用於實際項目。這些實例將涵蓋不同領域，例如通信係統、電源管理係統、控製係統等，旨在讓讀者接觸到真實世界的電子係統設計挑戰，並學習如何應對。此外，我們還將介紹一些行業內常用的設計流程和方法論，幫助讀者瞭解標準化的工程實踐。 值得一提的是，在當今電子係統設計領域，仿真技術扮演著不可或缺的角色。它能夠極大地提高設計效率，降低開發成本，並有效規避潛在的設計風險。因此，本書將花費大量篇幅介紹各種仿真工具的應用，包括原理、使用方法和高級技巧。讀者將學會如何利用仿真來驗證電路性能、優化參數、甚至進行故障診斷。 本書的另一大亮點在於其對“係統綜閤”的深入探討。電子係統遠不止單個元器件的簡單堆砌，而是由眾多相互關聯的子係統構成，並最終實現特定的整體功能。我們將引導讀者理解係統層次的設計思維，如何進行係統分解，如何選擇閤適的子係統技術，以及如何進行係統級的集成與調試。這對於設計大型、復雜的電子係統尤為重要。 本書的目標讀者是電子工程、計算機科學、自動化等相關專業的學生，以及希望提升自身電子係統設計能力的工程師和技術愛好者。無論您是初學者還是有一定經驗的從業者，都能從中獲得有價值的知識和啓發。 我們相信，通過對本書內容的係統學習和實踐，讀者將能夠： 理解電子係統的基本原理和工作機製。 掌握各類電子元器件的特性與選擇方法。 熟練運用模擬電路和數字電路設計技術。 深入瞭解微處理器與嵌入式係統的設計與應用。 掌握主流的電子係統仿真工具的使用技巧。 建立起係統化的電子係統設計與綜閤能力。 瞭解電子係統開發的典型流程和最佳實踐。 我們對本書的編寫傾注瞭大量心血，並力求內容的準確性和前沿性。我們深知，電子技術領域日新月異，不斷更新，因此，本書在內容選擇上，也充分考慮瞭當前行業的發展趨勢和未來可能的發展方嚮。 希望本書能夠成為您在電子係統設計與實踐道路上的良師益友，助您在瞬息萬變的電子世界中，設計齣更優秀、更具創新性的電子係統。 第一章 電子係統的基本概念與構成 本章將為讀者建立對電子係統的宏觀認識，介紹電子係統的基本構成要素、分類以及其在現代社會中的重要作用。我們將從最基礎的層麵齣發，為後續深入的學習打下堅實的基礎。 1.1 什麼是電子係統？ 我們將首先定義電子係統，並闡述其核心特徵。電子係統是通過對電子信號的處理、傳輸、存儲和控製來實現特定功能的集閤。它通常包含硬件、軟件和固件等多個層麵，它們之間相互協作，共同完成預期的任務。我們將探討電子係統的層級結構，從最底層的電子元器件到復雜的係統級應用，讓讀者對電子係統的規模和復雜度有一個初步的認識。 1.2 電子係統的分類 電子係統種類繁多，根據不同的功能和應用場景，可以將其進行分類。本節將介紹幾種常見的分類方式： 按信號類型分類： 模擬電子係統（處理連續變化的信號，如音頻、射頻信號）和數字電子係統（處理離散的信號，如計算機數據）。我們將對比分析兩者的特點、優勢與劣勢，以及它們在實際應用中的典型場景。 按功能分類： 如通信係統、控製係統、信息處理係統、電源係統、測量係統等。通過列舉不同類彆的係統，讓讀者直觀感受電子係統的廣泛應用領域。 按集成度分類： 從分立元器件電路到大規模集成電路（LSI）和超大規模集成電路（VLSI），再到片上係統（SoC）。我們將探討集成度的提高如何帶來性能的飛躍和成本的降低。 1.3 電子係統的基本構成要素 任何電子係統都離不開核心的構成要素。本節將詳細介紹這些要素： 電子元器件： 無源器件： 電阻、電容、電感。我們將介紹它們的物理原理、伏安特性、在電路中的作用以及常用的類型和參數。 有源器件： 二極管、三極管（BJT、MOSFET）、場效應管、集成運放等。我們將重點講解它們的開關特性、放大特性以及在電路中的基本應用。 集成電路（IC）： 介紹IC的基本概念，包括模擬IC、數字IC、微處理器、FPGA等。我們將闡述IC如何將大量元器件集成在一起，實現復雜的功能。 互連與連接： 電綫、PCB（印刷電路闆）、連接器等。這些是構成係統各個部分之間通信的橋梁。 電源： 為電子係統提供工作所需的能量。我們將簡要介紹電源的類型和基本要求。 信息輸入與輸齣設備： 傳感器、執行器、顯示器、鍵盤等。它們是電子係統與外部世界進行交互的接口。 1.4 電子係統設計的基本流程 理解電子係統的設計流程是掌握電子係統設計的關鍵。本節將概述一個典型的電子係統設計流程： 需求分析與規格定義： 明確係統的功能需求、性能指標、成本約束等。 係統架構設計： 將係統分解為若乾個子係統，並確定它們之間的接口關係。 模塊設計與實現： 對各個子係統進行詳細設計，選擇閤適的元器件和技術。 仿真與驗證： 利用仿真工具對設計進行驗證，評估其性能和可靠性。 原型製作與測試： 製作實際硬件原型，並進行功能和性能測試。 調試與優化： 根據測試結果，對設計進行修改和優化。 文檔編寫： 記錄設計過程、技術細節和測試結果。 1.5 電子係統在現代社會中的作用 本節將通過生動的案例，展現電子係統在各個領域的廣泛應用，以及它們對人類社會發展産生的深遠影響。例如： 通信領域： 手機、互聯網、衛星通信等，連接世界，信息暢通。 計算領域： 計算機、服務器、嵌入式設備，處理海量數據，驅動智能化。 消費電子： 電視、音頻設備、智能傢電，提升生活品質。 工業自動化： 機器人、PLC、傳感器，提高生産效率和安全性。 醫療健康： 醫療影像設備、生命體徵監測儀、植入式醫療設備，守護生命健康。 交通運輸： 汽車電子、導航係統、航空航天，保障齣行安全與效率。 能源領域： 智能電網、新能源管理係統，推動可持續發展。 通過本章的學習，讀者將對電子係統有一個整體的、全麵的認識，為後續深入學習具體的電子係統設計技術奠定堅實的理論基礎。我們將強調係統思維的重要性，以及電子係統在現代科技和社會發展中不可或缺的地位。 第二章 模擬電子電路基礎 模擬電子電路是處理連續變化的電信號的電路，它們在信號的采集、放大、濾波、調製解調等方麵扮演著至關重要的角色。本章將深入探討模擬電子電路的核心概念、基本元器件和經典電路的設計與分析。 2.1 模擬信號的特性 我們將首先闡述模擬信號的定義，即信號的幅值和時間是連續變化的。我們將分析模擬信號的帶寬、動態範圍、信噪比等重要參數，以及它們對電路設計的影響。 2.2 基本模擬電子元器件 電阻器： 歐姆定律與基爾霍夫定律。 串聯與並聯電阻的計算。 電位器與可變電阻的應用。 電阻的功率損耗與選型。 電容器： 電容的充放電特性。 容抗的計算與頻率特性。 串聯與並聯電容的計算。 不同類型電容器（陶瓷電容、電解電容、鉭電容等）的特性與應用。 濾波電路中的應用。 電感器： 電感的感抗與頻率特性。 串聯與並聯電感的計算。 電感在濾波、振蕩電路中的應用。 電感器的漏感、寄生電容等實際問題。 二極管： PN結的形成與特性。 正嚮導通與反嚮擊穿。 各種類型的二極管：整流二極管、穩壓二極管（齊納二極管）、發光二極管（LED）、肖特基二極管等。 在整流、穩壓、限幅電路中的應用。 三極管（Bipolar Junction Transistor, BJT）： NPN型和PNP型三極管的結構與工作原理。 三極管的三個工作區域：截止區、放大區、飽和區。 共射、共集、共基放大電路的特性分析。 三極管作為開關和放大器的應用。 偏置電路的設計與穩定性。 場效應管（Field-Effect Transistor, FET）： JFET（結型場效應管）和MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應管）的結構與工作原理。 MOSFET的增強型與耗盡型。 MOSFET作為開關和放大器的應用。 與BJT的比較。 運算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）： 理想運放的模型與特性。 虛短與虛斷的概念。 基本運放電路：反相放大器、同相放大器、差分放大器、加法器、減法器。 積分電路與微分電路。 運放的頻率響應、增益帶寬積、壓擺率等參數。 實際運放的應用限製與補償。 2.3 模擬電路的基本功能模塊 放大器： 各種放大電路的增益、輸入輸齣阻抗、頻率響應分析。 功率放大器（甲類、乙類、丙類、丁類）的設計與選擇。 高頻放大器和低噪聲放大器的設計考慮。 濾波器： 濾波器的基本概念：低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 無源濾波器（RLC濾波器）和有源濾波器（基於運放）。 濾波器的階數、截止頻率、衰減特性。 巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾等濾波器逼近特性。 振蕩器： 振蕩器的原理：正反饋與選頻網絡。 RC振蕩器（相移振蕩器、文氏橋振蕩器）和LC振蕩器（哈特萊振蕩器、科瞭比特振蕩器）。 晶體振蕩器的穩定性。 穩壓器： 串聯型穩壓器和開關型穩壓器。 綫性穩壓器（如78xx係列）的工作原理。 開關穩壓器（DC-DC轉換器）的基本拓撲（降壓、升壓、升降壓）。 穩壓器的負載調整率和綫性調整率。 混頻器與倍頻器： 在通信係統中實現信號頻率的變換。 基於二極管或MOSFET的混頻器設計。 2.4 模擬電路的設計與分析方法 直流分析： 確定電路的靜態工作點。 交流分析： 確定電路的增益、頻率響應、帶寬等動態特性。 瞬態分析： 分析電路在輸入信號變化時的響應。 靈敏度分析： 評估元器件參數變化對電路性能的影響。 噪聲分析： 評估電路中的噪聲源及其對信號的影響。 2.5 實際模擬電路設計中的挑戰 元器件的非理想性： 寄生參數、容差、溫度漂移等。 乾擾與噪聲： 電磁乾擾（EMI）、熱噪聲、散粒噪聲等。 功耗與散熱： 設計優化以降低功耗和有效散熱。 穩定性與魯棒性： 確保電路在各種條件下都能穩定工作。 本章將通過大量的電路圖和計算示例，幫助讀者深入理解模擬電路的設計原理和分析方法。我們將強調實際工程中的考量，使讀者能夠設計齣高性能、高可靠性的模擬電子係統。 第三章 數字電子電路基礎 數字電子電路是處理離散信號（通常為0和1）的電路，它們構成瞭現代電子係統的核心，如計算機、微處理器、數字通信設備等。本章將介紹數字電子電路的基本概念、邏輯門、組閤邏輯電路、時序邏輯電路以及數字電路的常用設計方法。 3.1 數字信號與邏輯電平 我們將首先定義數字信號，以及其由高電平（通常代錶“1”）和低電平（通常代錶“0”）組成的特性。我們將介紹邏輯電平的定義，以及不同邏輯係列（如TTL、CMOS）的特點和區彆。 3.2 二進製數製與邏輯運算 二進製數製： 介紹二進製數的錶示方法，以及與十進製、十六進製之間的轉換。 基本邏輯門： AND門、OR門、NOT門（反相器）： 介紹它們的邏輯符號、真值錶和基本功能。 NAND門、NOR門、XOR門、XNOR門： 介紹它們的邏輯符號、真值錶和組閤功能。 通用門（NAND門和NOR門）： 強調它們可以通過組閤實現所有其他邏輯門的功能。 布爾代數： 布爾代數的公理和定理，如交換律、結閤律、分配律、德摩根定律等。 利用布爾代數進行邏輯錶達式的化簡。 卡諾圖（Karnaugh Map, K-map）： 介紹卡諾圖的繪製和使用方法。 利用卡諾圖化簡復雜的邏輯錶達式，以最小化邏輯門數量。 3.3 組閤邏輯電路 組閤邏輯電路的輸齣僅取決於當前的輸入，沒有記憶功能。 編碼器（Encoder）： 將多個輸入信號編碼成一個二進製輸齣（如按鍵編碼器）。 解碼器（Decoder）： 將二進製輸入信號譯碼成一個唯一的輸齣信號（如7段數碼管譯碼器）。 多路選擇器（Multiplexer, MUX）： 從多個輸入信號中選擇一個作為輸齣。 數據分配器（Demultiplexer, DEMUX）： 將一個輸入信號分發到多個輸齣中的一個。 加法器（Adder）： 半加器與全加器。 串行加法器與並行加法器。 超前進位加法器（Carry Lookahead Adder, CLA）以提高速度。 減法器（Subtractor）： 通常通過加法器和補碼實現。 比較器（Comparator）： 比較兩個二進製數的大小。 3.4 時序邏輯電路 時序邏輯電路的輸齣不僅取決於當前的輸入，還取決於電路的曆史狀態，具有記憶功能。 觸發器（Flip-Flop）： SR觸發器： 異步SR觸發器，瞭解其狀態轉移。 D觸發器： 存儲單元，具有數據保持功能。 JK觸發器： 功能更強大的觸發器，可實現置位、復位、翻轉等操作。 T觸發器： 翻轉觸發器。 主從觸發器： 解決邊沿觸發的毛刺問題。 邊沿觸發（上升沿/下降沿）： 理解時鍾信號在觸發器工作中的作用。 寄存器（Register）： 由多個觸發器組成的存儲單元，用於存儲一組二進製數據。 移位寄存器：用於數據的串行-並行轉換或並行-串行轉換，實現數據移位操作。 計數器（Counter）： 異步計數器（行波進位計數器）： 結構簡單，但速度受限製。 同步計數器： 所有觸發器同時接收時鍾信號，速度快。 加法計數器、減法計數器、可逆計數器。 進製計數器： 如十進製計數器（BCD計數器）。 應用： 分頻、定時、數碼顯示等。 3.5 可編程邏輯器件（PLD） PLA（可編程邏輯陣列）、PAL（可編程陣列邏輯）、GAL（通用陣列邏輯）： 介紹它們的結構和工作原理。 FPGA（現場可編程門陣列）： 介紹FPGA的基本結構（查找錶LUT、觸發器、布綫資源）。 FPGA的編程原理與應用。 HDL（硬件描述語言，如Verilog, VHDL）在FPGA設計中的作用。 3.6 數字電路設計流程與工具 邏輯設計： 從功能需求到邏輯錶達式的轉換。 綜閤（Synthesis）： 將HDL代碼轉換為門級網錶。 布局布綫（Place & Route）： 在目標器件上實現邏輯單元的物理映射。 時序仿真（Timing Simulation）： 驗證電路的時序性能。 仿真工具： ModelSim, Quartus Prime, Vivado等。 本章將通過大量的真值錶、邏輯圖和實例，幫助讀者掌握數字邏輯設計的基本原理和方法。我們將強調從高層抽象到具體實現的整個流程，為讀者設計復雜的數字係統打下堅實的基礎。 第四章 微處理器與嵌入式係統設計 微處理器是數字係統的“大腦”，而嵌入式係統則是將微處理器集成到特定應用中，實現智能化控製的完整係統。本章將深入探討微處理器的結構、工作原理，以及嵌入式係統的設計、開發與應用。 4.1 微處理器的基本結構與工作原理 CPU（中央處理器）： 算術邏輯單元（ALU）： 執行算術和邏輯運算。 控製單元： 負責指令的譯碼和執行。 寄存器組： 存儲臨時數據和指令。 指令集架構（ISA）： CISC（復雜指令集計算）與RISC（精簡指令集計算）的區彆。 存儲器： RAM（隨機存取存儲器）： 用於存儲程序和數據，可讀寫，斷電後丟失。 ROM（隻讀存儲器）： 用於存儲固定程序和數據，通常不可寫，斷電後不丟失。 Flash存儲器： 可擦寫，斷電後數據不丟失，常用於存儲固件。 輸入/輸齣（I/O）接口： 用於CPU與外部設備進行數據交換。 並行接口與串行接口。 中斷機製。 4.2 微處理器的指令周期與執行流程 取指令（Fetch）： CPU從存儲器中獲取指令。 指令譯碼（Decode）： CPU解析指令的功能。 執行指令（Execute）： CPU執行指令的操作。 寫迴結果（Writeback）： 將執行結果寫迴存儲器或寄存器。 4.3 嵌入式係統的概念與特點 定義： 集成在特定設備中，完成特定功能的計算機係統。 特點： 專用性強： 為特定應用設計。 資源受限： 處理器性能、存儲空間、功耗等通常有限。 實時性要求高： 許多嵌入式係統需要及時響應外部事件。 可靠性要求高： often應用於關鍵領域。 成本敏感： often需要控製成本。 4.4 嵌入式係統的構成 硬件平颱： 微控製器（MCU）： 集成CPU、RAM、ROM、I/O接口等在一個芯片上的係統。 微處理器（MPU）+ 外圍芯片： 如ARM處理器搭配專用外圍芯片。 SoC（System on Chip）： 將整個係統集成到一個芯片上，實現高度集成。 軟件平颱： 裸機程序（Bare-metal）： 直接在硬件上運行，不使用操作係統。 嵌入式操作係統（RTOS）： Real-Time Operating System，提供任務調度、內存管理、設備驅動等功能，保證實時性。 中間件： 如網絡協議棧、文件係統等。 應用軟件： 實現具體功能的應用程序。 4.5 嵌入式係統開發流程 硬件選型： 根據應用需求選擇閤適的微處理器、存儲器、傳感器、執行器等。 軟件開發： 環境搭建： 交叉編譯環境、調試工具鏈。 驅動程序開發： 控製硬件設備。 操作係統移植（如果使用RTOS）： 應用軟件開發： 係統集成與調試： 將軟硬件結閤，進行聯調。 測試與優化： 性能、功耗、可靠性測試。 部署與維護： 4.6 嵌入式係統常用接口與通信協議 串行通信接口： UART、SPI、I2C。 並行通信接口： GPIO。 總綫接口： USB、Ethernet、CAN。 無綫通信： Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee。 4.7 嵌入式係統應用實例 智能傢居： 智能照明、溫控器、安防係統。 汽車電子： 發動機控製單元（ECU）、車載娛樂係統、ADAS（高級駕駛輔助係統）。 工業自動化： PLC（可編程邏輯控製器）、機器人控製、傳感器網絡。 醫療設備： 監護儀、輸液泵、診斷設備。 消費電子： 智能手機、MP3播放器、數碼相機。 本章將通過具體的微處理器架構介紹（如ARM Cortex-M係列），以及一個簡單的嵌入式項目開發流程演示，讓讀者掌握嵌入式係統的設計與開發技能。我們將強調軟硬件協同設計的重要性，以及如何在資源受限的環境下進行高效的開發。 第五章 電子係統仿真技術 仿真技術在現代電子係統設計中扮演著至關重要的角色，它能夠幫助工程師在物理原型製作之前，對設計進行驗證、優化和故障分析，極大地提高設計效率，降低開發成本，並有效規避風險。本章將詳細介紹電子係統仿真的基本概念、常用仿真工具以及仿真在不同設計階段的應用。 5.1 仿真技術的基本概念 仿真（Simulation）： 通過數學模型和計算程序，模擬真實係統的行為。 模型（Model）： 描述電子元器件、電路或係統的數學錶示。 仿真器（Simulator）： 執行仿真模型，輸齣仿真結果的軟件工具。 仿真類型： 直流仿真（DC Analysis）： 分析電路的穩態直流工作點。 交流仿真（AC Analysis）： 分析電路的頻率響應。 瞬態仿真（Transient Analysis）： 分析電路在時間域內的行為。 噪聲仿真（Noise Analysis）： 分析電路中的噪聲。 傅裏葉分析（Fourier Analysis）： 分析信號的頻譜成分。 參數掃描（Parameter Sweep）： 改變某個參數，觀察其對電路性能的影響。 濛特卡洛仿真（Monte Carlo Simulation）： 考慮元器件參數的隨機性，進行統計分析。 5.2 電子係統仿真工具概覽 我們將介紹幾類主流的電子係統仿真工具： 電路仿真軟件： SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）： 最基礎和廣泛使用的電路仿真器。 PSPICE： SPICE在個人計算機上的一個流行版本。 Multisim（ NI）： 集成瞭電路仿真、原理圖設計、PCB設計和虛擬儀器，易於學習和使用。 LTspice： Analog Devices公司推齣的免費SPICE仿真軟件，功能強大。 HSPICE, Spectre： 工業級的高級電路仿真器。 係統級仿真軟件： MATLAB/Simulink（MathWorks）： 強大的數學計算和模型化仿真平颱，廣泛應用於控製係統、通信係統、信號處理等領域。 LabVIEW（NI）： 圖形化編程語言，常用於儀器控製、數據采集和係統仿真。 數字邏輯仿真工具： ModelSim/QuestaSim： 廣泛用於HDL（Verilog, VHDL）代碼仿真。 Xilinx Vivado Simulator / Intel Quartus Prime Simulator： FPGA設計流程中的仿真工具。 5.3 使用仿真工具進行電路設計與分析 原理圖輸入： 使用仿真軟件提供的元器件庫，繪製電路原理圖。 設置元器件的參數（如電阻值、電容值、晶體管模型等）。 定義輸入信號（如電壓源、電流源、脈衝信號等）。 仿真設置： 選擇仿真類型（DC, AC, Transient等）。 設置仿真時間、步長、掃描範圍等參數。 運行仿真與結果分析： 查看仿真結果，如電壓、電流波形、頻率響應麯綫、直流工作點等。 使用探針（Probes）和遊標（Cursors）來測量特定點的值。 繪製波形圖、Bode圖、Nyquist圖等。 參數優化： 通過參數掃描，尋找最優的元器件參數值。 調整電路結構，優化性能指標。 5.4 仿真在不同設計階段的應用 概念驗證： 快速驗證初步的設計思路，評估可行性。 詳細設計： 精確分析電路性能，確定元器件規格。 故障診斷： 模擬各種故障情況，分析其對電路的影響，並找齣解決方案。 性能優化： 通過反復仿真和調整，提高電路的效率、速度、穩定性等。 係統集成： 仿真整個係統的行為，確保各個子係統能夠協同工作。 教育與培訓： 幫助學生理解電路原理，進行實驗操作。 5.5 仿真模型的選擇與準確性 理想模型 vs. 實際模型： 理想模型簡化瞭元器件的特性，便於初步分析。 實際模型（如SPICE模型）包含瞭元器件的非綫性特性、寄生參數等，可以獲得更精確的結果。 模型庫的構建與管理： 利用廠商提供的模型庫。 根據實際元器件特性，建立自定義模型。 仿真結果的驗證： 將仿真結果與理論計算或實際測量結果進行對比，評估模型的準確性。 理解仿真結果的局限性。 5.6 實際案例：使用仿真工具設計與分析一個簡單模擬濾波器 本節將通過一個具體的例子，演示如何使用仿真軟件（如Multisim或LTspice）來設計一個低通濾波器。我們將： 1. 根據設計要求（如截止頻率）計算理想元器件參數。 2. 在仿真軟件中繪製電路原理圖，並使用理想元器件。 3. 進行瞬態仿真，觀察濾波器的響應。 4. 進行交流仿真，繪製Bode圖，驗證截止頻率。 5. 替換為實際元器件模型，分析實際參數對性能的影響。 6. 演示如何通過改變元器件參數來調整濾波器的性能。 通過本章的學習，讀者將能夠熟練掌握至少一種主流的電子係統仿真工具，並將其應用於實際的電路和係統設計中，提高設計質量和效率。我們將強調仿真在整個設計流程中的關鍵作用，以及如何正確理解和利用仿真結果。 第六章 電子係統綜閤與集成 電子係統綜閤（System Synthesis）是指將分散的、低層次的設計單元（如邏輯門、功能模塊）組閤成一個完整的、滿足特定功能的係統。而係統集成（System Integration）則是將這些經過綜閤的子係統或模塊連接起來，形成一個能夠協同工作的整體。本章將深入探討電子係統綜閤與集成的概念、方法論和關鍵技術。 6.1 係統層次的設計思維 自頂嚮下（Top-Down）設計： 從整體係統功能齣發，逐步分解為更小的子係統和模塊。 自底嚮上（Bottom-Up）設計： 從基礎的元器件或功能模塊齣發，逐步構建成更復雜的係統。 混閤式設計： 結閤自頂嚮下和自底嚮上兩種方法。 模塊化設計： 將係統劃分為獨立的、可重用的模塊，降低設計復雜度，提高可維護性。 6.2 係統綜閤的方法與技術 功能綜閤： 將抽象的功能描述轉化為硬件或軟件實現。 性能綜閤： 在滿足功能需求的前提下，優化係統的性能指標（如速度、吞吐量）。 資源綜閤： 在滿足功能和性能需求的前提下，最小化係統所需的硬件資源（如芯片麵積、功耗）。 硬件描述語言（HDL）與綜閤工具： Verilog和VHDL在係統綜閤中的作用。 綜閤工具（如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus）如何將HDL代碼轉化為門級網錶。 高層次綜閤（High-Level Synthesis, HLS）： 將C/C++等高級語言代碼自動轉化為硬件描述語言（HDL），以加速ASIC/FPGA設計。 HLS在設計流程中的地位和優勢。 6.3 係統集成的方法與流程 接口定義與協議標準化： 明確各個子係統之間的通信接口（如數據格式、時序、電平標準）。 采用通用的通信協議，如I2C, SPI, USB, Ethernet等。 總綫結構： 並行總綫： 如ISA, PCI。 串行總綫： 如USB, SATA, PCIe。 片內總綫： 如AMBA（ARM Advanced Microcontroller Bus Architecture）。 中斷管理： 設計閤理的中斷機製，確保係統能夠及時響應外部事件。 數據流與控製流： 分析數據在係統中的流動路徑和控製信號的傳遞方式。 時鍾與同步： 確保係統內各個模塊的時鍾同步，避免時序問題。 時鍾域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）的處理。 電源管理： 設計有效的電源分配和管理策略，滿足不同模塊的功耗需求。 係統級仿真與驗證： 使用係統級仿真工具（如Simulink）來驗證整個係統的行為。 聯閤仿真：將硬件仿真和軟件仿真結閤。 6.4 互連技術與PCB設計 PCB（Printed Circuit Board）設計： PCB布局與布綫規則。 信號完整性（Signal Integrity）與電源完整性（Power Integrity）分析。 EMC/EMI（電磁兼容性/電磁乾擾）設計考慮。 連接器與綫纜： 選擇閤適的連接器和綫纜，確保可靠的信號傳輸。 6.5 軟件與硬件的協同設計 軟硬件接口（Hardware-Software Interface, HSI）： 定義軟件如何通過寄存器、內存映射等方式訪問和控製硬件。 固件（Firmware）開發： 運行在硬件上的底層軟件，如BIOS, 驅動程序。 嵌入式軟件開發流程： 驅動程序、中間件、應用程序的開發與調試。 6.6 實際案例：設計一個簡單的嵌入式數據采集與處理係統 本章將通過一個實例，展示係統綜閤與集成的一般過程。例如，設計一個由傳感器、微控製器、通信模塊組成的簡單數據采集係統： 1. 係統需求分析： 明確需要采集的數據類型、采集頻率、數據處理功能、通信方式等。 2. 係統架構設計： 將係統劃分為傳感器接口模塊、微控製器核心模塊、通信模塊。 3. 模塊化設計： 針對每個模塊進行詳細設計。 傳感器接口：選擇閤適的ADC，設計數據讀取接口。 微控製器：選擇閤適的MCU，編寫驅動程序和核心處理算法。 通信模塊：選擇閤適的通信接口（如UART），編寫通信協議。 4. 接口定義： 確定傳感器與MCU之間、MCU與通信模塊之間的接口信號和協議。 5. 軟件開發： 編寫各個模塊的驅動程序和應用程序。 6. 係統集成： 將各個模塊連接起來，進行聯調。 7. 仿真與測試： 使用仿真工具模擬係統行為，並對實際硬件進行測試。 通過本章的學習，讀者將能夠理解電子係統設計的係統性，掌握將復雜功能分解為可管理模塊的方法，以及如何有效地將這些模塊集成在一起，構建齣功能完整、性能可靠的電子係統。我們將強調在設計過程中，始終保持全局觀，並注重軟硬件協同的重要性。 結論 本書從電子係統的基本概念齣發，逐步深入到模擬電路、數字電路、微處理器與嵌入式係統設計，並重點介紹瞭仿真技術在設計中的應用，最後探討瞭係統綜閤與集成的方法。我們力求內容全麵、條理清晰，並通過大量的實例和實踐指導，幫助讀者掌握現代電子係統設計所必備的核心知識和技能。 電子工程是一個不斷發展的領域，新的技術和概念層齣不窮。我們希望本書能夠為讀者打下堅實的基礎，激發他們進一步學習和探索的興趣。通過實踐，不斷提升設計能力，應對未來電子技術帶來的挑戰與機遇。
