电子系统设计复习课

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date电子系统设计复习课电子系统设计复习课一、填空题（第一章）1）由于增益与带宽的乘积基本上是恒定的，因此，降低增益可以增加带宽。通过负反馈，可以扩展放大器的带宽。2）用放大器处理大振幅的高频输出，除了放大器的带宽，还应考虑运放的转换速率。当处理信号的频率发生变化时，转换速率维持不变，当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实际带宽起到主要的约束。3）假设运算放大器的转换速率为SR，欲输出信号的振幅为Vo（max），那么大振幅的频率带宽可用下式换算：fp（max）=SR/（2Vo（max）OPA552的单位增益带宽GBW为12MHz，SR为24V/S，用其构成放大倍数为5的反相放大器，其小信号带宽为12MHz/5=2.4MHz，当输出信号的峰-峰值为10V时，其fp（max）=SR/（2Vo（max）=764（kHz）4）集成运放按工艺可分为双极型（Bipolar）、结型场效应管（JFET）和互补金属氧化物（CMOS）三种类型。双极型运放具有低失调电压、低温度漂移、高开环增益及高共模抑制比的特点，广泛应用于各种电源阻抗较低、且要求放大倍数较大的应用场合。结型场效应管运放具有非常低的输入偏置电流，适用于信号源阻抗非常高的场合。需要注意的是JFET型运放的偏置电流岁温度升高会发生显著变化，当温度变化范围较宽时，该特性会影响系统精度。CMOS型运放具有低电压、低功耗、轨对轨（Rail to Rail，是指输出达到或接近电源电压）、低成本和体积小等特性。5）运算放大器是由多级基本放大电路直接耦合而组成的高增益放大器。通常由输入级、中间放大级、低阻输出级和偏置电路组成。6）当运算放大电路与外部电路连接组成各种功能电路时，从系统角度看，无需关心其复杂的内部电路，而是着重研究其外特性。运算放大器LM741的主要参数为：。7）反相放大器的基本电路结构如图1.2-1所示。其闭环电压放大倍数：（1.2-1）R1R2vo+-viA图1.2-1 反相放大器原理图用反相放大器可以很方便地实现各种增益的放大电路。要想改变放大电路的电压增益，无需改变运放本身，只需调整电路中的电阻R1、R2的比值即可。如将一个幅值较小的电信号（假设vi=0.1V）放大为幅值较大的信号（假设vo=3V），这就要求反相放大器具有30倍的电压增益，上述放大器中R1取1K，R2取30K就可实现。8）当放大交流信号时，反相放大器的输入端和输出端应接入隔直电容，典型的交流放大器如图1.2-2所示。电容器C1和C2起隔离交流信号源直流成分的作用，能将输出交流信号的失真减至最小。此放大器电路可以代替晶体管进行交流放大，如用于扩音器前置放大等。C2C1R1R2vo+-viA图1.2-2 反相交流放大器原理图（第二章）5）有源滤波器由R、C和运算放大器构成，在减小体积和减轻重量方面得到显著改善，尤其是运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点可使有源滤波器提供一定的信号增益。滤波器的品质因素Q也称为滤波器的截止特性系数，其值决定了滤波器在附近的频率特性。按照附近频率特性特点，可将滤波器分为巴特沃斯（Butterworth）型、切比雪夫（Chebyshew）型、贝塞尔（Bessel）型三种类型。巴特沃斯滤波器的输出信号幅度随频率增高单调下降，具有最平坦的通带幅频特性，但相移与频率的关系不是很线性，阶跃响应有过冲。贝塞尔滤波器在通带内具有与巴特沃斯滤波器一样的最大平坦特性，相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降较缓慢。切比雪夫滤波器通带内增益有起伏（纹波），与巴特沃斯滤波器和贝塞尔滤波器相比过渡带曲线下降较快。6）从电路结构看，有二阶无限增益多重反馈滤波器(Multi-Feedback，MFB)和二阶电压控制电压源滤波器(Sallen-Key)两种类型。MFB滤波器是反相滤波器，含有一个以上的反馈路径，集成运放作为高增益有源滤波器使用，其优点是Q值和截止频率对元件改变的敏感度较低，缺点是滤波器增益精度不高。Sally-Key滤波器是同相滤波器，将集成运放当做有限增益有源器件使用，优点是具有高输入阻抗，增益设置与滤波器电阻电容元件无关，所有增益精度极高。二阶无限增益多重反馈滤波器基本电路的优点是电路有倒相作用，使用元件少，但增益调节对其性能参数会有影响。二阶电压控制电压源滤波器电路的优点是电路性能稳定，增益容易调节。7）开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。开关电容网络通过MOSFET开关周期性地作用于MOS电容来模拟电阻，使得开关电容滤波器的时间常数取决于电容的比值而不是RC乘积。因此，开关电容滤波器可以提供稳定的截止频率或中心频率。开关电容电路是根据电荷储存和转移原理而构成的电路。开关电容滤波器使用时基本上不需要外接元件，频率响应函数是固定的，只需要确定其截止频率。由于滤波器截止频率与时钟频率有一定的比例关系，因此，滤波器的设计任务仅仅是对时钟频率的选择。7. 有源滤波器由R、C和运算放大器构成，在减小体积和减轻重量方面得到显著改善，尤其是运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点可使有源滤波器提供一定的信号增益。8. 有源滤波器随频率变化的特性行为称为频率响应。并以传递函数表示。9.有源滤波器按幅频特性可分为低通、高通、带通和带阻4种类型。（第三章）（第六章）7）C8051F360单片机复位后，内部高频振荡器被默认为系统时钟。内部高频振荡器出厂时的校准频率为24.5MHz，其输出频率可以通过OSCICL寄存器进行微调。（第4章）从目前的技术发展和应用状况来看，可编程逻辑器件有两种：复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device, CPLD）现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）基于乘积项技术、E2PROM工艺的可编程逻辑器件称为CPLD；基于查找表技术，SRAM工艺，要外挂配置用的FlashROM的可编程器件称为FPGACPLD是由 简单可编程逻辑器件发展起来的 ,其主体结构仍是与或阵列 。CPLD由逻辑阵列块LAB、可编程内连阵列PIA和I/O控制块等几部分构成。宏单元是CPLD的最小逻辑单元，能单独组成组合逻辑和时序逻辑。宏单元由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和一个可编程触发器组成。每个宏单元的与门阵列可产生5个乘积项，乘积项选择矩阵将与门阵列产生的乘积项分配到或门和异或门实现组合逻辑函数，另外乘积项选择矩阵也可将乘积项送到宏单元内的触发器，为触发器提供时钟、清零、置数、使能等信号。（第5章）数字系统是指对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。它的输入、输出都是数字量。数字系统一般可划分为控制单元和数据处理单元。数据处理单元完成数据处理，产生系统的输出信号，并产生数据运算状态信息。数据处理单元主要由寄存器、运算器、数据选择器等部件组成。控制单元根据外部控制信号，并从数据单元得到状态信号，产生控制信号序列，以决定何时进行何种数据运算。控制单元属于时序逻辑电路，一般由同步状态机实现。现代数字系统设计方法：自顶而下（from top to down）从上而下的划分过程中，最重要的是将系统或子系统划分成控制单元和数据处理单元。（第11章）CAN总线标准包括物理层、数据链路层，其中链路层定义了不同的信息类型、总线访问的仲裁规则及故障检测与故障处理的方式。当CAN 总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。每组报文开头的11位字符为标识符(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。当一个节点要向其它节点发送数据时，该节点的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时，网上的其它节点处于接收状态。每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。CAN总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN总线特点如下：（1）多主机方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。（2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。 （3）采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。（4）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。（5）直接通信距离最远可达6km（速率10Kbps以下）。（6）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长30m）。（7）节点数实际可达110个。（8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。（9）每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率极低。（10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。（11）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。CAN的报文及结构标准帧 11位标识符扩展帧 29位标识符帧类型： 数据帧、远程帧、错误帧和过载帧数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。总线上传输的大多是这个帧。远程帧：由总线单元发出，请求发送具有同一识别符的数据帧。数据帧（或远程帧）通过帧间空间与其他各帧分开。错误帧：任何单元一但检测到总线错误就发出错误帧。过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。 数据帧中的仲裁场、控制场、数据场由单片机给出，除此之外都是CAN控制器发送数据时自动加上去的。由仲裁场、控制场、数据场构成的数据帧通常称为报文。数据帧数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧2种格式。它们用一个帧间空间与前面的帧分隔。数据帧由7个不同的位场组成：帧开始（stsrt of frame）、仲裁场（arbitration frame）、控制场（control frame）、数据场（data frame）、CRC场（CRC frame）、应答场（ACK frame）和帧结尾（end of frame）。数据场的长度可以为0.v 位仲裁的核心： 拥有最小二进制数值标识符的报文有最高的优先级； 具有相同标识符的数据帧和远程帧，数据帧的优先级高。二、判断题（第一章）1. 理想运算放大器的开环增益为无穷大可以近似满足。2. 一般来说，我们可以认为理想运算放大器的失调电压、失调电流和内部噪声均为0。3. 理想运算放大器的同向输入端和反相输入端的电流近似为0，即iN=iP=0。这一结论是由理想运放输入电阻ri=而得到的。4. 理想运算放大器的两个输入端电压差趋于0，即vN=vP，这一结论是由理想运放的Avo=、输出电压为有限值而得到的。5. 运算放大器是由多级基本放大电路直接耦合而组成的高增益放大器。通常由输入级、中间放大级、低阻输出级和偏置电路组成。（第二章）6. 有源滤波器的传递函数的一般表达式为： 分母的阶决定滤波器的阶次。三、简答题（第一章）1） 简单叙述理想运算放大器的主要参数1. 输入偏置电流和输入失调电流2. 输入失调电源3. 开环增益BW和单位增益带宽GBW4. 转换速率5. 共模抑制比CMRR6. 最大差模输入电压和最大共模输入电压2） 集成运放按参数可分为以下几种1. 通用型运算放大器2. 高阻型运算放大器3. 精密运算放大器4. 高速运算放大器5. 高电压、高电流运算放大器3）当确定好某一类运放以后，可按以下顺序选择运算放大器型号：（1）供电电源电压。根据运放输出电压范围，选择运放的电源电压。（2）带宽。小信号时要考虑运算放大器的增益带宽积。（3）转换速率。大幅度信号输出时应考虑运算放大器的压摆率。（4）精度。选用失调电压较小的运放可以降低设计难度。4）理想运算放大器的模型如图1.1-2所示。理想运算放大器具有以下特性:（1）开环电压增益AVO；（2）输入电阻ri= ；（3）输出电阻ro=0；（4）上限截止频率fH=；（5）共模拟制比KCMR=；（6）失调漂移、内部噪声均为0。 图1.1-2 理想运算放大器模型5）实际运算放大器的模型如图1.1-3所示。实际运算放大器的模型包括以下典型参数：（1）差分输入电阻ri；（2）电压增益AVO；（3）输出电阻rO；（4）差分输入电压vid=vP-vN。图1.1-3 实际运算放大器的模型（第二章）6）从电路结构看，有二阶无限增益多重反馈滤波器(Multi-Feedback，MFB)和二阶电压控制电压源滤波器(Sallen-Key)两种类型。简单介绍这两种滤波器的电路结构特点和各自的优缺点。MFB滤波器是反相滤波器，含有一个以上的反馈路径，集成运放作为高增益有源滤波器使用，其优点是Q值和截止频率对元件改变的敏感度较低，缺点是滤波器增益精度不高。Sally-Key滤波器是同相滤波器，将集成运放当做有限增益有源器件使用，优点是具有高输入阻抗，增益设置与滤波器电阻电容元件无关，所有增益精度极高。二阶无限增益多重反馈滤波器基本电路的优点是电路有倒相作用，使用元件少，但增益调节对其性能参数会有影响。二阶电压控制电压源滤波器电路的优点是电路性能稳定，增益容易调节。7）滤波器设计中考虑的原则：1. 关于电路类型的选择MFB滤波器和Sallen-key滤波器各有优缺点，应根据实际需要选用。在选择带通滤波器时，当带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好。2. 阶数的选择滤波器的阶数主要根据对带外衰减特性的要求来确定。每一阶低通或高通滤波器可获得-20dB/十倍频程衰减。多级滤波器串接时，传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。3. 运放的选择一般可选用通用型运算放大器。为了获得足够深的反馈以保证所需滤波器特性，运放的开环增益应在80dB以上。对运放的频率特性要求，由其工作频率上限确定。如果滤波器输入信号较小，应选用低漂移运放。4. 模拟有源滤波器在使用中的不足：由于元件参数的容差和运算放大器非理想性的影响，实际滤波器的响应很有可能偏离理论上预期滤波器参数易受环境温度影响从有源滤波器的参数公式来可知，H0和Q通常与元件的比值有关，而则与元件的乘积有关。虽然可以通过采用对温度和时间有良好跟踪能力的元件使比值保持恒定，却很难保持乘积恒定。滤波器带宽不易调整滤波器外围元件多，体积大（第三章）8）直流稳压主要有以下技术指标：（1）最大稳压电流 （2）输出电压（3）纹波电压（4）电压调整率和负载调整率（5）输出电阻9）线性直流稳压电源的特点：输出电压比输入电压低输出纹波较小工作产生的噪声低发热量大、效率较低、体积大10）直流稳压电源的组成整流电路 利用二极管的单向导电性，将正弦交流电压转换成单向脉动电压。半波整流、全波整流、桥式整流。滤波电路 滤除整流电压中的纹波。电容滤波电路、电感滤波电路、型滤波电路稳压电路 最关键的一部分（第六章）11）交叉开关在将数字资源连接到I/O引脚时，遵循以下原则：被XBR0、XBR1寄存器选中的内部数字资源被连到I/O引脚，没有选中的数字资源则不连接到I/O引脚分配I/O引脚时总是从P0口的最低位开始安排，唯一例外的是，UART0总是被连接到P0.1和P0.2。如果系统中需要使用某些I/O引脚，只需将PnSKIP寄存器中对应位置1.12）C8051F360 I/O端口初始化步骤（1）使用端口输入模式寄存器PnMDIN，选择所有端口的输入模式（模拟或者数字）；（2）使用端口输出模式寄存器PnMDOUT，选择所有端口的输出模式（漏极开路还是推拉式输出）；（3）使用端口跳过寄存器PnSKIP，选择需要跳过的I/O引脚；（4）使用XBRn选择内部数字资源；（5）使能交叉开关（XBRAE=1）。13）单片机最小系统是指用最少的元件组成的可以独立工作的单片机系统。单片机最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出、扩展接口等。14）I/O端口初始化包括以下几个步骤：（1）使用端口输入模式寄存器PnMDIN，选择所有端口的输入模式（模拟或者数字）；（2）使用端口输出模式寄存器PnMDOUT，选择所有端口的输出模式（漏极开路还是推拉式输出）；（3）使用端口跳过寄存器PnSKIP，选择需要跳过的I/O引脚；（4）使用XBRn选择内部数字资源；（5）使能交叉开关（XBRAE=1）。高速的8051微控制器内核CIP-51内核70%的指令只需要执行1或2个系统时钟周期，只有4条指令需要执行超过4个系统时钟周期，最高系统时钟为100MHz。10位逐次逼近型ADC。转换速率为200ksps；多达21个外部输入，可被编程为单端输入或差分输入；参考电压可来自内部参考电压，外部参考电压或电源VDD，可以有多种转换启动方式。10位电流输出DAC其满量程输出电流可由软件设置。两个模拟电压比较器CP1和CP0。电压比较器的回差电压可软件设置，其输出可用于产生中断，也可以通过交叉开关连接到I/O引脚。片内锁相环PLLPLL通过对内部振荡器和外部振荡时钟信号的倍频，使CPU的运算速度可达100MIPS扩充中断处理系统。存储器。256字节内部RAM；1024字节XRAM，这部分数据存储器虽然在单片机内部，但占用64KB外部数据存储器空间，用MOVX指令访问；32KB闪存存储器，主要用于程序存储器，具有在系统编程功能。数字资源。多达39个I/O引脚；UART、SMBus、SPI等。时钟源2个内部振荡器：精度为正负2%的24.5MHz内部高频振荡器、80kHz低频低功耗振荡器。外部振荡器驱动电路，外部振荡器可以使用外部晶振、RC电路、电容或外部时钟源产生的系统时钟。片内调试电路。提供全速、非侵入式的在系统调试，支持断点、单步运行，可观察和修改内部存储器和寄存器内容。（第7章）图为C8051f360单片机与DAC7512接口原理图I2C总线特点（1）所有I2C总线接口器件都包含了一个片上接口，使器件之间直接通过I2C 总线通讯。 （2）挂在I2C总线上的器件有主机和从机之分。（3）每个连接到I2C总线的器件都有唯一的地址。主机在发出起始信号以后，传送的第一个字节总是地址字节，以指示由哪个器件来接收该数据。I2C总线数据传送模式模式一：主机发送，从机接收，而且传输方向始终不变。 模式二：主机发送地址字节后立即读从机数据。 模式三：主机先向从机写数据，再向从机读数据。 四、综合分析题（第一章）1. 利用电阻电桥测量一个未知电阻的阻值。假设电阻RT的变化范围为2-200欧姆。采用仪表放大器设计信号调理电路，如图所示，使电阻RT从2-200欧姆变化时，对应的输出电压为0-2.4V。试计算仪表放大器应该达到的放大倍数。D2是稳压二极管，稳压值为2.5V（第一章 10分） 2. 加法电路常用于混合前置放大器，如磁带放音机的音乐信号与语音放大器的声音信号进行混合放大。加法电路也用于平移电路，如在D/A转换电路中，将单极性输出的模拟信号转换为双极性输出的模拟信号。试分析输出信号vo和v2的关系。当D/A转换器输出为正弦信号时，分别绘出vo和v2对应的关系曲线。D1D0D3D2D4D5D6D7AGNDfbRREFVOUT1IOUT2IDGNDA1+-R1R2v2vov1RfA2+-输入数字量+5V2k2k1k加法电路（第3章）2 降压型DC/DC变换原理电路如图所示，试画出分别当功率开关管饱和和截止时的等效电路。uBUH时T饱和导通， D截止，uE UI；L 储能，C 充电。uBUL时T截止， D导通， uE UD ；L 释放能量，C 放电。v 3. 设计一线性直流稳压电源，要求输出5V的直流电压，输出电流Io为1A。假设交流输入电压为220V、50Hz，电压波动范围+10% -10%。电容值的选取C2、 C3、 C6、 C7的作用是减少纹波、消振、抑制高频脉冲干扰，可采用0.10.47F的陶瓷电容；C4、 C8为稳压器输出侧滤波电容，起到减少纹波的作用，根据经验，一般选取47470F；C1、C5为稳压器输入侧的滤波电容，作用是将整流电路输出的直流脉动电压转换成纹波较小的直流电压。滤波电容值可以采用以下方法估算（第5章）v 设A=“101”，B=“011”，C=“111000”，D=“101010”，试求下述表达式的结果：Y=A&NOT B OR C ROR 2 AND Dv 有一4位二进制加法器add4b，其电路符号如图所示，其中a3.0，b3.0分别为4位加数，cin为来自低位的进位，s3.0为4位的和，cout为向高位进位，试写出其实体描述。ENTITY add4b ISPORT( A: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); B: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); CIN: IN STD_LOGIC; S: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);COUT: OUT STD_LOGIC);END add4b;v 时钟产生电路原理框（第6章）Void PortInit(void)SERPAGE=0x0f;P0MDIN=0xe7;P0MDOUT=0x83;P0SKIP=0xf9;XBR0=0x01;XBR1=0xc0;SERPAGE=0x00;return;（第7章）（第11章）MCU负责执行功能，如执行控制器、读传感器、处理人机接口等CAN控制器作为CAN总线的协议控制器，负责物理信令层和数据链路层的连接CAN收发器是CAN控制器和物理传输线路之间的接口，负责物理物理媒体连接层的连接CAN总线两端两个120的电阻，对应匹配总线阻抗，起着相当重要的作用。忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰及可靠性大大降低，甚至无法通信。-