现代电子技术

1.2 现代电子信息系统主要技术指标

电子信息系统的功能不同，其技术指标也不完全相同，但以下技术指标在设计电子信息系统时一般都予以考虑。

1.抗干扰能力

电子仪器中干扰主要来自于电子元件内部噪声、接地噪声、电源噪声、电路之间的干扰和外界干扰等，因此需要采取有效措施去除或减少各种噪声和干扰带来的影响，保证有用信号的获取、传输和利用。常用的方法有：选择低噪声元件、良好的布线和接地、电源去耦、滤波、调制解调方法、差动放大、隔离和屏蔽等。

2. 稳定性

电子仪器中电子元件的特性参数（如三极管的放大倍数、漏电流、运算放大器的失调电压、失调电流等）会随着温度变化而变化，元器件的老化、连接件的接触电阻的变化等原因也会是一起工作的稳定性受到影响。因此，在设计电路时尽量选择低漂移电路，对主要器件进行筛选，减少发热元件的影响，并采取温度补偿措施。

3.线性度和保真度

一般情况下，要求电路的输入和输出之间呈线性关系，实际电路并非如此，但通过硬件或软件可以对电路的非线性进行校正，以便于进行转换、显示等处理。线性度主要是对电路的输入和输出之间稳态关系的描述，而保真度反映波形通过电路后不失真程度。为使波形通电路系统以后无失真现象，不仅要求电路系统具有恒定不变的幅频特性，而且要求电路系统具有线性的相频特性。

4.输入输出阻抗

电路的输入和输出阻抗主要影响电路之间、电路和传感器之间以及电路和执行器之间的阻抗匹配，电路的输入阻抗和传感器的输入阻抗匹配。一般情况下，要求电路的输入阻抗为无穷大，以便于电路的加入不影响原来电压信号的大小，但输入阻抗大，输出端产生的噪声就大，而且为了获得最大功率输出，要求后级的输入阻抗等于前级输出阻抗，电源的输出阻抗越小，其后面负载对输出电压的影响越小，但在电流输出情况下，输出阻抗为无穷大。

5.响应速度

被测对象的信号频率越来越高，而且动态测量和快速控制是现代电子仪器的发展方向，这就要求处理电路由较快的响应速度，以便于进行实时测量和控制。如果电路的响应速度太低，会导致信号失真和回路振荡现象，使测量量精度降低或系统不稳定。

1.3 现代电子信息系统设计方法

现代电子信息系统的复杂程度随其应用的场合和功能、指标的不同而又很大差别。有些情况下只需要一个集成电路芯片及其外围元件即可实现所要实现的功能，如可燃气体报警器、遥控器等，而对于复杂的系统需要多块电路板和多个处理器，如综合测试系统、彩色超声和CT等。

现代电子信息系统设计除了满足系统功能和指标外，应该尽量考虑系统可靠性、电磁兼容性、人性化操作、成本、体积、节能、使用环境、测试维修方便、产品易升级等因素。

现代电子信息系统的设计一般按照以下流程进行。

1.总体方案设计

系统总体方案设计就是根据设计任务和具体功能、指标，确定系统中各个功能模块之间信息传递方式与协议的框图设计。在系统总体方案设计中需要重点考虑以下几个方面。

（1）处理器选择

采用处理器可以提高产品的性能、增加产品的功能。而各种处理器价格不断下降，因

此，在现代电子系统中，基本上都采用处理器。处理器主要类型有单片机、DSP、CPLD/FPGA、ARM和嵌入式计算机主板等。由于单片机集成了CPU、ROM、RAM、I/O口，有的单片机还集成有A/D 、D/A 、PWM输出、实时时钟、显示驱动和键盘控制等，有很强的接口性能，非常适合工业测量与控制。DSP具有很强的运算能力，主要用于数字信号处理，已经广泛应于通信、雷达、图像处理、航空、家用电器、医疗设备等领域。FPGA/CPLD是最近发展较快的可编程逻辑器件，通过EDA软件平台和自顶向下的设计思想，采用VHDL等硬件描述语言完成系统功能的设计与实现。由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构，修改软件程序就相当于改变了硬件结构，而且可以采用现成的IP 核，非常有利于产品的快速开发和改进。FPGA/CPLD已广泛应用于通信、医疗、工控、航天、消费电子、汽车电子、数字电视等领域。作为一种16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器，ARM微处理器目前已经成为应用最为广泛的嵌入式微处理器，其应用遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。嵌入式计算机带有标准的软驱、光驱、硬盘、irDA、并口、USB接口、串口、网卡、声卡、显示接口和PCI扩展接口，方便用户自行扩展多种外接功能组件，而且嵌入式计算机编程使用方便，且具有高速的数据缓冲和运算性能，非常使用与工业控制、数字安全监控、医疗用计算机、POS和游戏机等领域。在实际产品开发时，应根据数据来源、数据处理复杂程度和实时性要求、存储速度、存储容量、接口数量和类型、结果输出方式、使用环境和开发周期等因素选择合适的处理器。

（2）软件、硬件功能分配

电子系统的功能一般由硬件和软件共同完成。在总体方案设计时需要考虑各个完成的功能之间的接口关系。为降低产品成本和提高可靠性和稳定性，尽量考虑用软件实现系统功能。在实时性要求高的场合下考虑选择硬件实现方式。

（3）低功耗设计

低功耗是便携式产品的主要技术指标之一，系统总体方案设计时需要考虑系统各个部分的功率损耗。除了显示、执行单元功耗大，其他部分对便携式产品的功耗也有较大影响。因此，尽量采用低电压供电方式和低功耗电子元件。

（4）信号传输方式

在电子信息系统中，传感器与信息处理单元、系统各个信息处理单元之间以及信息处理单元和执行显示部分之间可以采用有线或无线通信方式。有线通信方式具有信号传输可靠、传输速度快等特点，但在布线困难和有线方式使用不便等情况下，考虑采用无线通信方式。

系统总体方案设计对系统实现的功能和技术指标有很大影响，是整个产品设计的关键步骤，需要综合考虑各个方面的影响因素。在某些因素位置的情况下，需要做预言性实验，为系统总体方案设计提供依据。

2. 单元电路方案设计

根据单元电路的实现功能、性能指标、单元电路输入和输出接口、工作环境等因素设计单元电路方案。应该尽量选择成熟的单元电路方案和高集成度芯片，保证所设计电路的可靠性。在确定单元电路方案时，要考虑各个单元电路之间接口，模拟电路之间的连接需要考虑信号大小匹配和相互影响，而数字电路之间的连接要考虑电平高低、驱动能力和时序的匹配。此外，随着CPLD和FPGA等编程器件的价格不断下降，采用CPLD 和FPGA实现数字电路可以提高可靠性和减小体积。

3.单元电路设计

根据单元电路的类型不同，单元电路的设计方法不同。

模拟电路的设计需要计算电路的参数、选择原器件。电路参数计算时选择元件和保证电