智能电子产品设计与制作
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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 ASIC（例如 CPLD和 FPGA）现场编程实现。
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“ Top－down”（自顶向下）设计方法 的设计精选步课件骤
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。
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三、电子作品设计制作步骤
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1 题目选择
选择题目按照如下原则进行： 1、明确设计任务，即“做什么？”。选择
题目应注意题目中不应该有知识盲点，即 要能够看懂题目要求。 2、明确系统功能和指标，即“做到什么程 度？”。 3、要确定是否具有完成该设计的元器件、 最小系统、开发工具、测量仪器仪表等条 件。
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2）. 明确方案的内容
（l）系统的外部特性 系统具有的主要功能？ 引脚数量？功能？ 输入信号和输出信号形式（电压？电流？
脉冲？等）、大小（量级？）、相互之间 的关系？ 输入信号和输出信号相互之间的关系？函 数表达式？线性？非线性？ 测量仪器仪表与方法？
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（2）系统的内部特性 系统的基本工作原理？ 系统的实现方法？数字方式？模拟方式？
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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。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。
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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，物理描述 与设计确定使用的元器件、印制板设计、 安装方法等。
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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：
数字模拟混合方式？ 系统的方框图？ 系统的控制流程？ 系统的硬件结构？ 系统的软件结构？ 系统中各子系统、部件之间的关系？接口？
尺寸？安装方法？
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3 安装制作与调试
安装制作与调试是保证设计是否成功的重要环节。 （1）安装制作需要考虑的问题有： 安装工具？ 元器件选择与采购？ 最小系统的采用？微控制器？可编程逻辑器件? 印制板设计与制作？低频？高频？数字？模拟？
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（3）功能和技术指标的实现采用子系统、 部件模块化设计。要保证每个子系统、部 件都可以完成明确的功能，达到确定的技 术指标。输入输出信号关系应明确、直观、 清晰。应保证可以对子系统、部件进行修 改与调整以及替换，而不牵一发动全身。
（4）软硬件协同设计，充分利用微控制器 和可编程逻辑器件的可编程功能，在软件 与硬件利用之间寻找一个平衡。软件/硬件 协同设计的一般流程如图所示。
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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。
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2 系统方案论证
题目选定后，需要考虑的问题是如何实现 题目的各项要求，完成作品的制作，即需 要进行方案论证。
方案论证可以分为总体实现方案论证、子 系统实现方案论证、部件实现方案论证几 个层次进行。
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1）.确定设计的可行性
方案论证最重要的一点是要确定设计的可 行性，需要考虑的问题有：
1. “ Bottom-up”（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
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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。
带、宽度、信噪比、失真度等？ 技术指标的精度、稳定性？ 测量仪器？ 调试方法？ 实现器件？
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2）. 确定设计方案
对于数字电路占主体的系统，我们的建议 是采用单片机或者可编程逻辑器件，不要 大量的采用中、小规模的数字集成电路， 中、小规模数字集成电路制作作品时非常 麻烦，可靠性也差。
（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程。
（1）原理的可行性？解决同一个问题， 可以有许多种方法，但有的方法是不能够 达到设计要求的，千万要注意。
（2）元器件的可行性？如采用什么器件？ 微控制器？可编程逻辑器件？能否采购得 到？
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（3）测试的可行性？有无所需要的测量仪器仪 表？
（4）设计、制作的可行性？如难度如何？本组 队员是否可以完成？
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1）. 明确设计要求
（1）对于数字子系统，需要明确的设计要 求有：
子系统的输入和输出？数量？ 信号形式？模拟？TTL？CMOS？ 负载？微控制器？可编程器件？功率驱动？
输出电流？ 时钟？毛刺？冒险竞争？ 实现器件？
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（2）对于模拟子系统，需要明确的设计要 求有：
输入信号的波形和幅度、频率等参数？ 输出信号的波形和幅度、频率等参数？ 系统的功能和各项性能指标？如增益、频
数模混合？地？EMC？ 子系统、部件安装制作的顺序？
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（2）调试需要考虑的问题有： 调试参数？ 调试方法？ 调试需要的仪器与仪表？ 软件/硬件的协同？修改软件？修改硬件？ 测量数据的记录与处理？
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建议的安装制作与调试步骤
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四、子系统的设计制作步骤
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1 单片机与可编程逻辑器件子系统设 计步骤
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系统集成完成软件与硬件联调与修改。在 软件与硬件联调过程中，需要认真分析出 现的问题，软件设计人员与硬件设计人员 需要进行良好的沟通，一些问题如非线性 补偿、数据计算、码型变换等用软件解决 问题会容易很多。采用不同的硬件电路， 软件编程将会完全不同，在软件设计与硬 件设计之间需要寻找一个平衡点。
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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。
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二、现代电子系统的设计方法
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2 数字/模拟子系统设计步骤
数字/模拟子系统的设计过程其步骤大致分为：明 确设计要求，确定设计方案和进行电路设计制作、 调试等步骤。在电子设计竞赛中，数字子系统多 采用单片机或者大规模可编程逻辑器件实现，但 也可以74/40等系列的数字集成电路实现，本节讨 论的数字子系统是基于74/40等系列数字集成电路 的。从第1章的题目分析可见，模拟与数字混合的 题目占多数。模拟子系统也是作品的重要组成部 分，设计制作通常包含有模拟输入信号的处理， 模拟输出信号、与数字子系统、单片机、可编程 器件子系统之间的接口等电路。
设计的可行性需要查阅有关资料，充分地进行 讨论、分析比较后才能确定。在方案设计过程 中要要提出几种不同的方案，从能够完成的功 能、能够达到的技术性能指标、元器件材料采 购的可能性和经济性、采用元器件、设计技术 的先进性、以及完成时间等方面进行比较，要 敢于创新，敢于采用新器件新技术，对上述问 题经过充分、细致的考虑和分析比较后，拟订 较切实可行的方案。
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模拟子系统的设计方案与所选择的元器件有很大 关系。我们的建议是：
a．根据技术性能指标、输入输出信号关系等确定 系统方框图；
b. 在子系统中，合理的分配技术指标，如增益、 噪声、非线性等。将指标分配到方框图中的各模 块，技术参数指标要定性和定量。
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最小系统板在竞赛中可以采用成品，但接 口电路，功率控制电路，A/D与D/A电路， 信号调理等电路需要自己设计制作。为了 使作品的整体性更好一点，建议将控制器 与外围电路设计在一块电路板上，这一部 分内容可以在竞赛前进行设计与制作，在 竞赛中根据需要进行修改。
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软件开发工具需要与所选择的硬件配套， 软件设计需要对软件功能进行划分，需要 确定数学模型，算法、数据结构、子程序 等程序模块。软件开发工具的使用需要在 竞赛前进行培训。常用的一些程序如系统 检测、显示器驱动、A/D、D/A、接口通信、 延时等程序，可以在竞赛前进行编程和调 试，在竞赛中根据需要进行修改。
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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。
在电子设计竞赛中，作为控制器，单片机 与可编程逻辑器件应用非常普遍，其设计 过程可以分为明确设计要求、系统设计、 硬件设计与调试、软件设计与调试、系统 集成等步骤。
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设计的第1步是明确设计要求，确定系统功 能与性能指标。一般情况下，单片机与可 编程逻辑器件最小系统是整个系统的核心， 需要确定最小系统板的功能、输入输出信 号特征等；需要考虑与信号输入电路、控 制电路、显示电路、键盘等电路的接口和 信号关系。
智能电子产品设计与制作
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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。
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课程简介
学时：6#43;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。
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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。
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“ Top－down”（自顶向下）设计方法 的设计精选步课件骤
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。
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三、电子作品设计制作步骤
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1 题目选择
选择题目按照如下原则进行： 1、明确设计任务，即“做什么？”。选择
题目应注意题目中不应该有知识盲点，即 要能够看懂题目要求。 2、明确系统功能和指标，即“做到什么程 度？”。 3、要确定是否具有完成该设计的元器件、 最小系统、开发工具、测量仪器仪表等条 件。
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2）. 明确方案的内容
（l）系统的外部特性 系统具有的主要功能？ 引脚数量？功能？ 输入信号和输出信号形式（电压？电流？
脉冲？等）、大小（量级？）、相互之间 的关系？ 输入信号和输出信号相互之间的关系？函 数表达式？线性？非线性？ 测量仪器仪表与方法？
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（2）系统的内部特性 系统的基本工作原理？ 系统的实现方法？数字方式？模拟方式？
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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。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。
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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，物理描述 与设计确定使用的元器件、印制板设计、 安装方法等。
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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：
数字模拟混合方式？ 系统的方框图？ 系统的控制流程？ 系统的硬件结构？ 系统的软件结构？ 系统中各子系统、部件之间的关系？接口？
尺寸？安装方法？
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3 安装制作与调试
安装制作与调试是保证设计是否成功的重要环节。 （1）安装制作需要考虑的问题有： 安装工具？ 元器件选择与采购？ 最小系统的采用？微控制器？可编程逻辑器件? 印制板设计与制作？低频？高频？数字？模拟？
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（3）功能和技术指标的实现采用子系统、 部件模块化设计。要保证每个子系统、部 件都可以完成明确的功能，达到确定的技 术指标。输入输出信号关系应明确、直观、 清晰。应保证可以对子系统、部件进行修 改与调整以及替换，而不牵一发动全身。
（4）软硬件协同设计，充分利用微控制器 和可编程逻辑器件的可编程功能，在软件 与硬件利用之间寻找一个平衡。软件/硬件 协同设计的一般流程如图所示。
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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。
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2 系统方案论证
题目选定后，需要考虑的问题是如何实现 题目的各项要求，完成作品的制作，即需 要进行方案论证。
方案论证可以分为总体实现方案论证、子 系统实现方案论证、部件实现方案论证几 个层次进行。
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1）.确定设计的可行性
方案论证最重要的一点是要确定设计的可 行性，需要考虑的问题有：
1. “ Bottom-up”（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
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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。
带、宽度、信噪比、失真度等？ 技术指标的精度、稳定性？ 测量仪器？ 调试方法？ 实现器件？
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2）. 确定设计方案
对于数字电路占主体的系统，我们的建议 是采用单片机或者可编程逻辑器件，不要 大量的采用中、小规模的数字集成电路， 中、小规模数字集成电路制作作品时非常 麻烦，可靠性也差。
（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程。
（1）原理的可行性？解决同一个问题， 可以有许多种方法，但有的方法是不能够 达到设计要求的，千万要注意。
（2）元器件的可行性？如采用什么器件？ 微控制器？可编程逻辑器件？能否采购得 到？
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（3）测试的可行性？有无所需要的测量仪器仪 表？
（4）设计、制作的可行性？如难度如何？本组 队员是否可以完成？
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1）. 明确设计要求
（1）对于数字子系统，需要明确的设计要 求有：
子系统的输入和输出？数量？ 信号形式？模拟？TTL？CMOS？ 负载？微控制器？可编程器件？功率驱动？
输出电流？ 时钟？毛刺？冒险竞争？ 实现器件？
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（2）对于模拟子系统，需要明确的设计要 求有：
输入信号的波形和幅度、频率等参数？ 输出信号的波形和幅度、频率等参数？ 系统的功能和各项性能指标？如增益、频
数模混合？地？EMC？ 子系统、部件安装制作的顺序？
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（2）调试需要考虑的问题有： 调试参数？ 调试方法？ 调试需要的仪器与仪表？ 软件/硬件的协同？修改软件？修改硬件？ 测量数据的记录与处理？
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建议的安装制作与调试步骤
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四、子系统的设计制作步骤
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1 单片机与可编程逻辑器件子系统设 计步骤
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系统集成完成软件与硬件联调与修改。在 软件与硬件联调过程中，需要认真分析出 现的问题，软件设计人员与硬件设计人员 需要进行良好的沟通，一些问题如非线性 补偿、数据计算、码型变换等用软件解决 问题会容易很多。采用不同的硬件电路， 软件编程将会完全不同，在软件设计与硬 件设计之间需要寻找一个平衡点。
精选课件
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。
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二、现代电子系统的设计方法
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2 数字/模拟子系统设计步骤
数字/模拟子系统的设计过程其步骤大致分为：明 确设计要求，确定设计方案和进行电路设计制作、 调试等步骤。在电子设计竞赛中，数字子系统多 采用单片机或者大规模可编程逻辑器件实现，但 也可以74/40等系列的数字集成电路实现，本节讨 论的数字子系统是基于74/40等系列数字集成电路 的。从第1章的题目分析可见，模拟与数字混合的 题目占多数。模拟子系统也是作品的重要组成部 分，设计制作通常包含有模拟输入信号的处理， 模拟输出信号、与数字子系统、单片机、可编程 器件子系统之间的接口等电路。
设计的可行性需要查阅有关资料，充分地进行 讨论、分析比较后才能确定。在方案设计过程 中要要提出几种不同的方案，从能够完成的功 能、能够达到的技术性能指标、元器件材料采 购的可能性和经济性、采用元器件、设计技术 的先进性、以及完成时间等方面进行比较，要 敢于创新，敢于采用新器件新技术，对上述问 题经过充分、细致的考虑和分析比较后，拟订 较切实可行的方案。
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模拟子系统的设计方案与所选择的元器件有很大 关系。我们的建议是：
a．根据技术性能指标、输入输出信号关系等确定 系统方框图；
b. 在子系统中，合理的分配技术指标，如增益、 噪声、非线性等。将指标分配到方框图中的各模 块，技术参数指标要定性和定量。
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最小系统板在竞赛中可以采用成品，但接 口电路，功率控制电路，A/D与D/A电路， 信号调理等电路需要自己设计制作。为了 使作品的整体性更好一点，建议将控制器 与外围电路设计在一块电路板上，这一部 分内容可以在竞赛前进行设计与制作，在 竞赛中根据需要进行修改。
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软件开发工具需要与所选择的硬件配套， 软件设计需要对软件功能进行划分，需要 确定数学模型，算法、数据结构、子程序 等程序模块。软件开发工具的使用需要在 竞赛前进行培训。常用的一些程序如系统 检测、显示器驱动、A/D、D/A、接口通信、 延时等程序，可以在竞赛前进行编程和调 试，在竞赛中根据需要进行修改。
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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。
在电子设计竞赛中，作为控制器，单片机 与可编程逻辑器件应用非常普遍，其设计 过程可以分为明确设计要求、系统设计、 硬件设计与调试、软件设计与调试、系统 集成等步骤。
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设计的第1步是明确设计要求，确定系统功 能与性能指标。一般情况下，单片机与可 编程逻辑器件最小系统是整个系统的核心， 需要确定最小系统板的功能、输入输出信 号特征等；需要考虑与信号输入电路、控 制电路、显示电路、键盘等电路的接口和 信号关系。
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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。
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课程简介
学时：6#43;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。
精选课件
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。