《电子系统设计与实践》实验教程.docx

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《电子系统设计与实践》实验教程

肇庆学院光机电一体化综合性实验教学示范中心实验教材之十一

电子系统设计与实践

实验教程

肇庆学院电子信息与机电工程学院编

二00八年九月

内容简介

本教程是与《电子设计制作与调试》、《电子系统设计与实践》相配套的实验教材。

本教程设计开发了一批实验项目，整个教程内容主要分几个模块：

综合设计性实验、SOPC系统设计实验、历届全国大学生电子设计竞赛题目集等。

各种实验的安排由浅入深，学生可根据不同能力层次选择相应的实验项目。

本教程是学生在修完模拟电子技术、数字电子技术、高频电子技术、单片机原理、可编程逻辑器件等课程后的后继综合性设计性实践课程，是对上述课程内容的继承和综合。

该教程以实验为主，理论辅导为辅，部分实验为自选实验，可供学生利用课外实验室开放时间进行开放设计性实验，通过自行设计、自己动手实验，在完成比较复杂的综合实验过程中，加深对课本上理论和概念的理解，培养独立获取知识的自学能力、解决问题的实践技能和创新设计的综合能力。

本教程可作为高等院校电子信息、电气工程及其自动化等相关专业的电子系统设计实验教材，也可作为部分课程设计、毕业设计选题参考书。

前言

随着数字电子技术的高速发展，30年前从未有过的大量学科纷纷出现在高等教育的课程设置中。

如DSP技术、SOC设计、EDA技术、计算机组成与设计、数字通信、嵌入式系统、工业自动化、硬件描述语言、面向用户的微电子技术、软件无线电、硬件智能演化技术等等。

这其中许多被列为当今的核心科技学科，自主型科学技术的重心，引领着未来电子技术的发展方向，也预示着前景良好的就业取向。

本教程采用开放式实验教学模式。

所谓开放式实验教学,是指由学生自己根据实验题目的要求,独立拟定实验设计方案,设计实验电路,完成实验过程,辅导老师只负责对实验方案进行审查,在实验过程中给予必要的启发与引导,实验完成以后对实验结果和报告进行评价。

实验内容及要求应具有开放性、探索性和创新性,让学生在“开放的空间”里自由开动脑筋,形成自由学习的氛围。

为了使学生能在这种开放、宽松的实验环境下，充分发挥自己的主观能动性和聪明才智，将实验做得更好、收获更大，特对教程内容进行大幅增删，按照开放式实验教程建设的指导思想:

加强基础、突出创新、开拓思维、培养能力、提高素质。

大幅压缩验证性实验,保证必要的基础性实验,改造传统实验方法，加强综合设计性实验,加强基础知识和现代工程技术的融合。

构建以“基本技能培养→综合设计能力培养→创新设计能力培养”三个培养层次的开放式实验教学体系。

在有效地保证大面积学生教学质量的同时,使优秀学生能脱颖而出，使学生创新能力和实践动手能力得到一定程度的锻炼。

本实验教程具有如下一些特点：

（一）突出强调以学生为主，独立自主地完成实验

每次实验前提供一份实验任务书，学生根据任务书的要求，独立选用设计方案，独立进行实验操作，灵活安排实验进程，独立对实验结果进行分析评定，最后独立完成综合实验报告（其格式参照附录A）。

在教学方式上表现出以学生独立操作为主，教师指导为辅，教师只是在学生经过了反复实验、深入思考仍存在疑问时才给予必要的指点。

同时，实验任务有一定的难度和一定的工作量，其模式模仿电子设计竞赛的格式，一般以三人为一设计小组，实验课题需要学生经过团队的不懈努力和团队协助才可以很好地完成。

因此，课程的整个学习过程是教师帮助学生形成自己的问题，学生自觉地控制自己的学习行为。

（二）强调实验的设计性与实践探索性

整门实验课程的学习充分体现了实验的设计性与实践探索性。

设计性：

学生根据设计任务书的要求，通过自行到图书馆查阅相关文献资料，通过比较推敲，选定设计方案，并制定相应的实现过程。

实践探索性：

学生制定的设计方案是否完全可行、如何对实验现象进行合理解释，如何对实验效果进行评定，需要学生自己通过严格的实验来探索、检验、分析和修正，并提出正确的解决方案。

特别是，我们要求设计结果实现的系统性能不要局限于基本要求，尽可能拓展功能，以实现越多功能越好。

这就要求学生必须查阅更多资料并具有更高的实践动手能力。

提高了学生的分析问题和解决问题的能力，又锻炼了学生的实验技能和动手能力。

设计性与实践探索性相结合践行了理论联系实践的教学思想，设计性体现出理论知识的具体应用，实践探索性体现出通过实践深化对理论知识的理解，既丰富了学生的理论知识，又培养了学生的创新意识和求真务实的科学精神。

（三）采用指定题目和可选题目相结合的实验模式，提高学生选题的自由度和兴趣

指定实验题目，是学生必须按照规定的内容去完成实验要求；可选实验模块，是学生可根据提供的实验模块内容，自主选择感兴趣的实验题目。

由于这些实验全部是综合性、设计性实验,涉及的知识面较广,所以将实验的选择权交给了学生。

对于指定题目的实验，由于设计的内容需要用到规定章节的知识点，一般都限定了题目方向，学生的思维自由度不高，但可对内容实现的功能进行扩展；对于可选题目，学生根据自己的特长爱好选择其中1～2个项目进行研究,设计范畴涉及到:

气压、温度、超声波、位移等检测技术和声光报警、电机控制等控制技术。

如音乐播放器、水塔水位自动控制系统、出租车计价器设计等。

然后再进行理论性设计,并以科技论文的形式撰写实验报告。

若有兴趣,还可以在课外进入开放实验室进行设计制作。

这种选择模式打破了“学生为做实验而做实验”的局面,真正做到“学生想做实验而做实验”的格局,创造出一种严谨、宽松的氛围。

（四）改革实验教学方式,采取了独立自主、分散进行的开放式实验教学模式

由于实验有一定的难度，学生对实验设备和操作技术比较陌生，容易在实验过程中出错。

因此，允许每位学生根据自己的学习生活具体情况安排各自的实验，实验室对学生开放，这样就使每位学生都有充裕的时间进行实验，而不会因为时间紧迫胡乱对付完成实验，实验失败的同学可以安排时间重做实验，有浓厚兴趣的同学可以安排时间尝试创新，如改进和增加新的功能，例如在数字钟设计实验中，除了必须完成基本的时分秒计时和显示功能外，还可加校时、报时、万年历、触摸报时、测温度等功能。

这样既充分发挥了学生的主观能动性使其能够更好地完成实验，又充分利用了设备并避免了因实验条件有限对学生实验的影响，从而保证了实验教学的高质量和良好效果。

总的来说,这种实验模式营造了一种学生独立完成科学实验的学术氛围，有利于提高学生学习的主动性和自觉性,更利于发挥学生的聪明才智,培养学生的工程意识和创新能力。

最后要强调的是，本实验教程旨在引路，不会带领同学们掌握更深层次的设计开发，更高级的设计应用要依靠同学们自己去学习和挖掘。

本教程适合作为电子信息、电气工程及其自动化等专业电子系统设计实验指导教材。

作者相信同学们只要认真、勤奋地实践教程中的内容，就能体会到由实践而带来的一次又一次的成就感；而成就感是学习过程中的快乐源泉，学习效率也会因此而提高。

最后感谢肇庆学院省级光机电一体化综合性实验教学示范中心对本教程的资助，使本教程得以快速编写印刷。

本教程由元泽怀执笔编写，由于作者的水平有限，加上时间紧迫，书中内容难免有疏忽、不恰当甚至错误的地方，恳请各位同行、老师及同学们不吝指正，以便修订。

编者

2008年8月

第1章综合设计性实验

本章实验分两部分，第一部分为限选实验题目，主要是结合课堂教学需要而安排的实验选题；第二部分为自选实验题目，可供期末综合考核选题，或学生进行实验室开放实验参考选题，供学生利用计划课时外时间进行设计训练。

1.1限选实验题目

1.1.1函数发生器设计

一、设计任务：

设计并制作一个函数（波形）发生器。

其参考设计电路见下图1-1所示。

二、设计要求：

1．基本要求

（1）能输出频率f=20Hz~2kHz并连续可调的正弦波，三角波和方波。

正弦波：

峰-峰值Vp-p≈3V,非线形失真系数≤5%

三角波：

Vp-p≈5V

方波：

Vp-p≈10V

（2）能输出频率f=20Hz~500Hz并连续可调的锯齿波和矩形波。

锯齿波：

Vp-p≈3V,负斜率连续可调。

矩形波：

Vp-p≈12V,占空比为50%~90%并连续可调。

（3）用±12V电源供电。

2．扩展功能

（1）可通过键盘设定信号输出频率,并加入显示电路,将测试频率结果显示出来。

（2）能输出扫频波,并要求扫频频率按步进值为10HZ进行扫频测试。

（3）设计图形显示电路,显示输出的函数信号。

★设计提示：

采用8038+单片机的设计方案，比较容易实现系统的扩展功能！

图1-1函数信号发生器参考电路图

注：

将k置于1，将整个电路分成函数波形发生器部分和锯齿波，矩形波发生器部分；当开关k打到2位时，ICL8038输出的是扫频信号。

1.1.2数控直流稳压电源设计

一、设计任务：

设计并制作出有一定输出电压范围和功能的数控电源。

其原理示意图如下：

图1-2数控直流稳压电源系统组成框图

二、设计要求：

1．基本要求

（1）输出电压：

范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；

（2）输出电流：

500mA；

（3）输出电压值由数码管显示；

（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；

（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。

2．发挥部分

（1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；

（2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；

　（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）；

（4）其它功能。

1.1.3音频功放器设计

一、设计任务：

设计并制作一音响放大器，要求具有电子混响延时，音调输出控制、卡拉OK伴唱，对话筒与录音机的输出信号进行扩音。

二、技术指标

额定功率P0≥1W（γ＜3％）；

负载阻抗RL=8Ω；

截止频率fL=40Hz，fH=10kHz；

音频控制特性1kHz处增益为0dB，100Hz和10kHz处有上±12dB的调节范围，AVL=AVH≥20dB；

话放级输入灵敏度5mV；

输人阻抗Ri<<20Ω。

三、设计要求：

1．基本要求

（1）测试结果基本符合技术指标要求；

（2）音响音质基本没有电流声，整体性能较好。

2．扩展功能

（1）提升输出功率，如100W；

（2）增加数字音量控制及指示电路；

（3）增加其它功能。

1.1.4数字电压表设计

一、设计任务

设计并制作一3位半数字电压表。

二、技术指标

直流电压测量范围（0～200）V，共分4档：

200mV、2V、20V和200V；

测量速度（2～5）次/s任选；

分辨率0.1mV；

测量误差γ<±0.1%。

三、设计要求

1．基本要求：

（1）具有正、负电压极性显示。

（2）小数点显示。

（3）超量程显示。

（4）量程自动转换等。

2．扩展功能：

（1）拓展显示位数，如4位半等。

（2）增加测电流、电阻等功能，将电压表拓展为数字万用表。

1.1.5频率合成器设计

一、设计任务

已知电源电压VDD=±5V，晶振频率为1MHZ，用CC4046设计一频率合成器。

二、技术指标

工作频率范围为100HZ~100KHZ，分为三个频段。

100HZ~1KHZ，频率间隔为100HZ；

1KHZ~10KHZ，频率间隔为1KHZ；

10KHZ~100KHZ，频率间隔为10KHZ。

三、设计要求

1．基本要求

（1）设计其组成电路及确定电路各参数。

（2）测量频率合成器的基准频率、工作频率范围、频率间隔。

（3）改变电源电压VDD=±12V，重新测量

（2）内容。

2．发挥部分

（1）实现频率显示。

（2）采用其它器件或设计方法设计频率合成器。

1.1.6多功能数字钟设计

一、设计任务

设计并制作一多功能数字钟

二、设计要求

1．基本要求

（1