智能电子产品设计与制作

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1、智能电子产品设计与制作课程简介本门课程主要任务：通过电子产品实际的制作的过程，掌握电子产品设计的一般步骤和方法，从而掌握电子产品在设计和制作的过程中应掌握的知识和技能。为在今后从事专业工作打下坚实的基础。课程简介学时：64学时课业评价方式：总成绩=实际作品（50%）+设计报告（30%）+过程考核（20%），作品在制作的过程中，有分阶段检查，根据制定的计划，进行检查。一、电子系统设计的基本方法传统的电子系统设计一般是采用搭积木式的方法进行，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统。系统常用的“积木

2、块”是固定功能的标准集成电路，如运算放大器、74/54系列（TTL）、4000/4500系列（CMOS）芯片和一些固定功能的大规模集成电路。设计者根据需要选择合适的器件，由器件组成电路板，最后完成系统设计。传统的电子系统设计只能对电路板进行设计，通过设计电路板来实现系统功能。电子系统已进入数字时代。在计算机、移动通信、VCD、HDTV、军用雷达、医用CT仪器等设备中，数字技术与数字电路构成的数字系统已经成为构成这些现代电子系统的重要部分。进入到20世纪90年代以后，EDA（电子设计自动化）技术的

3、发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化。在器件方面，微控制器、可编程逻辑器件等飞速发展。利用EDA工具，采用微控制器、可编程逻辑器件，正在成为电子系统设计的主流。采用微控制器、可编程逻辑器件通过对器件内部的设计来实现系统功能，是一种基于芯片的设计方法。设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和管脚，将电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，通过对芯片设计实现电子系统的功能。灵活的内部功能块组合、管脚定义等，可大大减轻电路设计和电路板设计的工作量和难度，有效地增强设计的灵活性，提高工作效率。

4、同时采用微控制器、可编程逻辑器件，设计人员在实验室可反复编程，修改错误，以期尽快开发产品，迅速占领市场。基于芯片的设计可以减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能和可靠性。采用微控制器、可编程逻辑器件芯片和EDA软件，在实验室里就可以完成电子系统的设计和生产。可以实现无芯片EDA公司，专业从事IP模块生产。也可以实现无生产线集成电路设计公司的运作。可以说，当今的电子系统设计已经离不开微控制器、可编程逻辑器件和EDA设计工具。二、现代电子系统的设计方法1.“Bottom-up”（

5、自底向上）设计方法传统的电子系统设计采用“Bottom-up”（自底向上）设计方法，设计步骤如图2.“Top－down”（自顶向下）设计方法现代电子系统的设计采用“Top－down”（自顶向下）设计方法，设计步骤如图6.1.2所示。在“Top－down”（自顶向下）的设计方法中，设计者首先需要对整个系统进行方案设计和功能划分，拟订采用一片或几片专用集成电路ASIC来实现系统的关键电路，系统和电路设计师亲自参与这些专用集成电路的设计，完成电路和芯片版图，再交由IC工厂投片加工，或者采用可编程ASI

6、C（例如CPLD和FPGA）现场编程实现。在“Top－down”（自顶向下）的设计中，行为设计确定该电子系统或VLSI芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本等。结构设计根据系统或芯片的特点，将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统，得到一个总体结构。这个结构可能包括信号处理，算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法状态机等。逻辑设计把结构转换成逻辑图，设计中尽可能采用规则的逻辑结构或采用经过考验的逻辑单元或信号处理模块。电路设计将逻辑图转换成电路图，一般都需进行硬件仿真，以最终确定

7、逻辑设计的正确性。版图设计将电路图转换成版图，如果采用可编程器件就可以在可编程器件的开发工具时进行编程制片。“Top－down”（自顶向下）设计方法的设计步骤3.设计的划分与步骤采用“Bottom-up”（自底向上）设计方法或者“Top－down”（自顶向下）设计方法，一般都可以将整个设计划分为系统级设计、子系统级设计、部件级设计、元器件级设计4个层次。对于每一个层次都可以采用3步进行考虑。例如设计一个数字控制系统，行为描述与设计完成传递函数和逻辑表达式，结构描述与设计完成逻辑图和电路图，物理描

8、述与设计确定使用的元器件、印制板设计、安装方法等。4.设计中应注意的一些问题在设计中采用“Top－down”（自顶向下）设计方法必须注意以下问题：（1）在设计的每一个层次中，必须保证所完成的设计能够实现所要求的功能和技术指标。注意功能上不能够有残缺，技术指标要留有余地。（2）注意设计过程中问题的反馈。解决问题采用“本层解决，下层向上层反馈”的原则，遇到问题必须在本层解决，不可以将问题传向下层。如果在本层解决不了，必须将问题反馈到上层，在上一层中解决。完成一个设计，存在从下层向上层多次反馈修改的过