1.1　电子系统的定义及组成

21世纪20年代，人类已经跨入信息时代。科学技术的进步使人类的生活方式与行为发生了巨大的变化。从移动电话到因特网，从大型计算机到多媒体PC，从家庭娱乐使用的MP3、数码照相机、高清晰电视机到军用雷达、医用CT仪、北斗全球定位系统等，电子系统在人类的生活中已无处不在，且密不可分。电子系统已深入到人类社会的方方面面，在工业、农业、科技、国防、医学等各领域发挥着极其重要的作用，在技术上的每项革新和突破都影响着各行各业的发展，且都为其带来巨大的变革。电子系统在计算机的辅助设计下达到了相当的规模和极高的复杂程度。因此，掌握电子系统的设计方法并付诸实践，是电类各专业大学生的必备技能。

1.1.1　电子系统的定义

通常将由电子元器件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体称为电子系统，如通信系统、雷达系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等。它们都是能够完成某种任务的电子系统。这些电子系统在功能结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。其中的两个过程链为：传感器检测信息输入→信号调理→信号处理决策→放大变换→控制驱动执行输出→对象→反馈→信号处理决策；人为控制→信号处理决策→放大变换→控制驱动执行输出→对象→反馈→信号处理决策。

1.1.2　电子系统的组成

图1.1为电子系统基本组成框图。外界信息通过传感器或输入电路，变换成电信号或实现系统与信源间的藕合匹配后进行预处理，即信号处理，主要解决信号的放大、衰减、滤波等，经处理的信号，在幅度及其他方面都比较适合做进一步的分析和处理。信号处理主要完成信息的采集、分析、计算、变换、传输和决策等。整个系统通过控制电路完成对各部分的控制，使各部分能协调有序地工作。电源是电子系统必不可少的部分，为电路正常工作提供动力。目前，电源基本上都采用标准化电路，有许多成品可供选择。

一般，一个电子系统可分为4级，即系统级、子系统级、单元级和元件级。系统级被称为顶级，元件级被称为底级。一个电子系统可能包含若干个子系统，每个子系统可能包含若干个功能单一的单元电路。每个单元电路又由若干个元器件组成。见图1.1，整个电子系统可分为信号输入/输出、信号处理和控制三大子系统级。其中，信号处理这个子系统又包含放大电路、衰减电路、滤波电路等单元电路，而单元电路，如放大电路，显然是由电子元器件组成的，这就是底层的元件级。

VCD播放机和DVD播放机看似普通，却均属于集多种高新技术的复杂系统，均以VLSI微电子技术为基础。DVD播放机的电子系统结构框图如图1.2所示。

1.1.3　电子系统的基本类型

电子系统主要包括如下基本类型。

1.模拟电子系统

模拟电路是构成各种电子系统的基础。模拟电子系统是将各类待处理的物理量通过不同种类的传感器转换为电信号，使电信号的电压、电流、相位、频率等参数与某物理量具有直接的对应关系。经过处理的电信号，有的需要还原成模拟量，如电视系统将光信号转换成电信号，再将电信号转换成光信号；有的需要转换成其他物理量，如测量温度的仪表将温度转换成电信号后，经处理再转换成磁信号，通过指针指示温度值。模拟电子系统的主要优点：在整个处理过程中，电信号的有关参数始终与原始的物理量有着直接的对应关系——模拟关系。放大电路、滤波电路、信号处理电路、驱动电路是组成模拟电子系统的主要单元电路。一般来说，模拟电子系统的输入电路主要用来完成系统与信号源的阻抗匹配、信号幅度的变换等，输出电路主要用来与负载或被控对象的阻抗匹配、负载驱动等。不论模拟电子系统还是数字电子系统，都要用到模拟电子电路，切不可将模拟电子系统与数字电子系统混为一谈，认为在某个领域中，模拟电子系统将被取代，或模拟电子系统被数字电子系统取代。目前，模拟电子系统的设计有两种方法：人工设计与计算机辅助设计（CAD）。

2.数字电子系统

数字电子系统主要用来对不随时间连续变化的数字信号进行传输、处理和控制。数字电子系统一般由控制器和若干逻辑功能较单一的子系统构成，如存储器、译码器、比较器、计数器等。控制器是数字电子系统中所必需的，也是区别系统和功能部件的标识。凡是有控制器的数字电路，不论规模大小，都称为数字电子系统，否则只能称其为部件。数字电子系统的规模大小不一，有的内部逻辑关系复杂，若直接对这样的系统进行逻辑电路级的设计是十分困难的，所以往往将较大规模的系统划分为若干校小规模的小型数字电子系统（简称子系统）后，再对各个小型数字电子系统进行逻辑电路级的设计（逻辑电路级设计是指选用具体的集成电路并设计出正确的连接关系，以实现逻辑要求）。数字电子系统可分为两大类——同步数字电子系统和异步数字电子系统。目前，异步数字电子系统还没有统一规范的设计方法，主要采用模块设计法——依靠经验，采用试凑的方法，包括寄存器传输语言RTL（RegisterTransferLanguage）设计法、ASM（AlgorithmicStateMachine）图设计法、MDS（MenmonicDocumentedStale）图设计法、MCU图设计法等。

3.模拟—数字混合电子系统

包含模拟电子电路和数字电子电路的系统被称为混合型电子系统。目前，在大多数仪器仪表和过程控制中，都采用模拟—数字混合电子系统实现功能，利用集成运算放大器、比较器、A/D转换器、D/A转换器、F/V转换器、V/F转换器等，采用微处理器，组成功能强大的功能电路。

图1.3给出了液体点滴速度监测与控制装置原理框图。这是一个以单片机为主控制器，适当扩展外围电路，用于完成液体点滴速度监控的应用电子系统。系统通过传感器将液体液位和点滴速度采集成可供测量的电压量，经放大、滤波等处理和模数转换后，转换成数字量输入单片机，单片机数据处理控制软件根据一定的算法给出电机控制指令，调节点滴速度，在速度超出设定范围或液面低于设定值时，给出声光报警指示信号。单片机通过键盘设置点滴速度和液位阈值，并将采集信息通过LED或LCD显示出来。该系统结构简单，测量精度高，是一个较典型的模拟—数字混合电子系统。

4.智能电子系统

所谓智能电子系统，是指具备一定智能行为的电子系统。具体来说，若对于一个问题的激励输入，系统能够产生求解问题的响应，则该系统即可称为智能电子系统。一般认为，智能电子系统应具备数据采集、处理、判断和控制输出的能力，在智能化程度较高的电子系统中还应具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习控制功能。以微处理器（单片机、专用智能IC、DSP芯片）为核心的电子系统，可以很容易地将计算机技术和实用技术结合在一起，组成新一代的智能电子系统，以应用为中心，以微处理器（单片机、专用智能IC）技术为基础，由软件和硬件两部分组成，并且软、硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。硬件用于实现具体的操作过程，软件用于实现处理过程和操作流程。

以硬件实现的DSP系统可在掌握DSP理论和算法的前提下，借助数字电子系统的设计方法完成设计；以软件实现的DSP系统可在掌握DSP的理论和算法的前提下，借助微型计算机系统的程序设计方法和硬件配置方法完成设计；混合系统可将模拟电子系统与数字电子系统的设计方法结合起来完成设计。现代大型、复杂的电子系统一般均是上述类型的集成，而一些简单的电子系统，可能只是其中的某一种。从设计的角度来说，掌握了模拟电子系统、数字电子系统、微处理器系统的基本设计方法，就能够设计出现代复杂的电子系统。

1.1.4　常用电子系统的设计方法

设计是构思和创造以最佳方式将设想向现实转化的活动过程，即在一定条件下，以当代先进技术满足社会需求为目标，寻求高效率、高质量完成目标的方法。设计一般是根据已经提出的技术设想，制定出具体明确并付诸实施的方案。它与研究和开发相比，具有更明确的目标，更多的约束条件和方案选择余地。

1.电子系统设计的基本原则

电子系统设计一般应遵守如下基本原则：

①满足系统功能和性能指标要求：好的设计，必须能完全满足系统所要求的功能特性和性能指标，是电子系统设计必须满足的基本条件。

②电路简单：在满足系统功能和性能指标要求的情况下，简单的电路对系统来说不仅是经济的，也是可靠的，所以电路应尽量简单。值得注意的是，系统集成技术是简化系统电路的最好方法。

③电磁兼容性好：电磁兼容性是现代电子电路应具备的基本特性，一个电子系统应当具有良好的电磁兼容性。实际设计时，其结果必须能满足给定的电磁兼容条件，以确保系统能够正常工作。

④可靠性高：电子系统的可靠性要求与实际用途、使用环境等因素有关。由于电子系统的可靠性是以概率统计为基础的，因此电子系统的可靠性只能是一种定性估计，所得的结果只能是具有统计意义的数值。实际上，电子系统可靠性的计算方法和计算结果与设计人员的实际经验有相当大的关系，设计人员应当注意积累经验，以提高设计的可靠性。

⑤系统集成度高：最大限度地提高集成度，是电子系统设计应当遵循的一个重要原则。高集成度的电子系统，必然具有电磁兼容性好、可靠性高、制造工艺简单、质量容易控制及性能价格比高等一系列优点。

⑥调试简单方便：要求设计人员必须考虑调试问题。如果一个电子系统不易调试或调试点过多，则质量是难以保证的。

⑦生产工艺简单：生产工艺是电子系统设计人员应当考虑的一个重要问题，无论是批量产品还是样品，生产工艺对电路的制作与调试都是相当重要的环节。

⑧操作简便：操作简便是现代电子系统的重要特征，难以操作的电子系统是没有生命力的。

2.电子系统设计的基本内容

通常所说的电子系统设计，一般包括拟定性能指标、电子系统的预设计、试验和修改设计等环节，分为方案论证、初步设计、技术设计、试制与实验、设计定型等五个阶段。衡量设计的标准：工作稳定可靠，能达到所要求的性能指标，并留有适当的余量；电路简单，成本低；所采用的元器件品种少，体积小，货源充足，便于生产、测试和维修。

电子系统设计的基本内容包括：

①明确电子系统设计的技术条件（任务书）；

②选择电源的种类；

③确定负荷容量（功耗）；

④设计电路原理图、接线图、安装图、装配图；

⑤选择电子元器件及执行部件，列出明细表；

⑥画出电动机、执行部件、控制部件及检测部件布局图；

⑦设计机箱、面板、印制电路板、接线板及非标准电气和专用安装部件；

⑧编写设计文档。

如果进行产品设计，还应该包括结构与工艺设计，即整机组装结构设计、热设计、结构的静力与动力计算、电磁兼容性结构设计、连接设计、人机工程学设计等内容。因此，电子系统设计是一个非常复杂的过程。

3.经典电子系统的设计方法

经典电子系统长期以来一直是采用传统的设计方法进行设计的。基于电子系统的功能要求和结构的层次性，通常有自底向上法、自顶向下法和以自顶向下为主导，并以自底向上为辅的综合方法这三种设计方法。

（1）自底向上法（Bottom-Up）

自底向上法是根据要实现的系统功能要求，首先从现有的可用元器件中选出合适的，设计成一个个的部件。当一个个的部件不能直接实现某个功能时，就需要设计由多个部件组成的子系统实现某个功能，一直到系统要求的全部功能都实现为止。该方法的优点是可以继承经过验证、成熟的部件与子系统，从而实现设计重用，减少重复劳动，提高设计效率；缺点是在设计过程中，设计人员的思想受限于现成可用的部件与子系统，不容易实现系统化、清晰易懂及可靠性高和维护性好的设计，一般用于小规模电子系统设计、组装及测试。

按照该方法设计一个语音处理系统的操作过程如图1.4所示。

①根据系统要求确定系统的性能参数，如带宽、传输速度、处理方式（滤波、提取、合成、编码）等，同时确定系统的控制流程，如系统可能要进行数据采集、传输、存储和处理等多项工作，控制流程就是确定如何控制这些工作协调进行，是数据采集后就传输数据还是先存储再传输。

②根据上一步划分功能模块，如划分为输入/输出模块、数据采集模块、编解码模块、存储系统模块和数字信号处理模块等。

③详细设计各功能模块。如对存储系统，必须确定容量、存取速度、功耗等。确定参数后，就要购买元器件，搭建电路，并进行调试。

④将设计完成的输入/输出模块、数据采集模块、编解码模块、存储系统模块和数字信号处理模块等连接起来调试。

⑤修改并完成整个系统的硬件设计。

由图1.4可知，当系统的总体规划和技术指标确定以后，系统设计是从各模块的具体电路设计和选择元器件（下层）开始的，然后完成各功能模块的设计，接着完成子系统的设计，最后将各子系统连接起来调试，完成整个系统（上层）的设计。在模块或系统的调试过程中，如果发现问题，则需要返回到初始阶段，重新修改电路设计。

自底向上法常常受到现有元器件和设计人员设计经验的限制，没有明显的规律可循。在设计过程中，通过调试发现问题到修改电路的循环次数，也会因系统的规模和设计人员的经验不同而不同。

（2）自顶向下法（Top-Down）

自顶向下法首先从系统级设计开始。系统级设计的任务：根据原始设计指标或用户的需求，将系统的功能全面、准确地描述出来，即将系统的输入/输出（I/O）关系全面准确地描述出来后，再进行子系统级设计。具体地讲，就是根据系统级设计所描述的功能，将系统划分和定义为一个个适当的能够实现某一功能的相对独立的子系统，且必须全面、准确地描述每个子系统的功能（输入/输出关系）及其之间的联系。例如，移动电话应有收信和发信功能，必须分别安排一个接收机子系统和一个发射机子系统，还必须安排一个微处理器作为之间的管理和用户操作界面管理的子系统。此外，天线和电源等子系统也必不可少。子系统的划分定义和互连完成后，从下级部件向上级进行设计，即设计或选用一些部件组成实现既定功能的子系统。部件级设计完成后，再进行最后的元件级设计，选用适当的元器件去实现该部件的功能。

自顶向下法是一种概念驱动的设计法。该方法要求在整个设计过程中，要尽量运用概念（抽象）描述和分析设计对象，不要过早地考虑实现设计的具体电路、元器件和工艺，以便抓住主要矛盾，避开具体细节，控制设计的复杂性。整个设计在概念上的演化从顶层到底层应当由概括到展开，由粗略到精细。只有当整个设计在概念上得到验证与优化后，才能考虑“采用什么电路、元器件和工艺实现该设计”这类具体问题。此外，设计人员在运用该方法时还必须遵循下列原则：

①正确性和完备性原则；

②模块化、结构化原则；

③问题不下放原则；

④高层主导原则；

⑤直观性、清晰性原则。

（3）以自顶向下为主导，并以自底向上为辅的综合方法（TD＆BUCombined）

近代的电子系统设计中，为实现设计可重复使用和对系统进行模块化测试，通常采用以自顶向下为主导，并以自底向上为辅的方法。这种方法既能保证实现系统化、清晰易懂及可靠性高、可维护性好的设计，又能减少设计的重复劳动，提高设计效率。这对于以IP核为基础的VLSI片上系统的设计特别重要，得到普遍采用。

进行一项大型的、复杂的系统设计，实际上是一个自顶向下的过程，是一个上下多次反复修改的过程。

在传统的电子系统设计方法中，设计人员总是根据系统的实际需要，到市场上购买通用的元器件搭建电路。这些元器件的功能是确定的，易于购买的，设计人员首先用这些通用元器件搭建功能模块，然后连接系统进行调试。在传统的硬件设计方法中，仿真和调试只有在系统硬件完成以后才能进行。因为进行仿真和调试的仪器一般为系统仿真器、逻辑分析仪和示波器等，只有系统硬件设计完成后，这些仪器才能接上使用。电子系统设计中存在的问题只有在系统研制的后期才能被发现。这样的设计方法对设计人员要求较高，一旦在设计时存在较大缺陷，就要重新设计整个电子系统，重新制作PCB，重新购买元器件，重新调试。这个过程耗费了大量的人力物力，使得设计周期大大延长，延误了产品的快速上市。使用传统设计方法完成电子系统设计后，所形成的硬件设计文件主要是由若干张电路原理图构成的。在电路原理图中详细标注了各元器件的名称和彼此间的信号连接关系，是用户使用和维护系统的依据。对于简单的小系统，电路原理固只要几十张至几百张就行了。但是对于比较复杂的大系统，硬件电路复杂，其电路原理图可能要有几千张、几万张，甚至几十万张。如此多的电路原理图给归档、阅读、修改和使用都带来了极大的不便，也不利于复杂电子系统的任务划分和综合。

传统的设计方法是随着电于技术早期的发展而形成的，已经沿用了几十年，也是目前被广大电子工程师所熟悉和掌握的方法。随着计算机技术和超大规模集成电路技术的发展，这种方法已经不能满足快速可靠地设计大规模复杂系统的需要了。