标签: 硬件电路设计

本文基于USB2．0中的全速USB设备控制器的全硬件设计的实现方案，通过仔细分析USB的传输原理和通信协议，研究USB设备控制器物理模块的整体结构构成，将其分成几个主要的模块：收发器、协议层、数据缓冲区和功能控制模块，然后采用Top．Down的流程与模块化的方法用VerilogHDL语言实现了该USB设备控制器的数字逻辑电路设计。接下来，本文还采用Modelsim仿真软件对各个模块的功能实现进行了仿真验证，通过对其枚举过程响应过程的分析，证明了其能缩短响应的时间，提高通信速度的正确性。

本文主要从提高信号调理通道信噪比和提高采集电路有效位数两方面着手设计了高精度示波器模块的硬件电路，底噪仅有0.1%满量程的高精度示波器具有出色的精确测量性能。本课题的研究内容主要包括以下几个部分：1)高精度示波器模块信号调理通道及采集电路噪声分析：分别建立了电阻热噪声模型和集成运放的等效输入噪声模型，并在此基础上建立了运算放大电路等效输入噪声模型；推导了基本运算放大电路的噪声计算方法；研究了采集电路与信号调理电路噪声分配关系，并根据系统总体噪声指标要求，对采集电路与信号调理通道的噪声水平提出指标要求。2)高精度示波器模块低噪声信号调理通道设计：围绕高精度示波器模块低噪声、大动态范围、高精度、高带宽等指标要求分析设计了信号调理通道的无源衰减网络、阻抗变换电路、可控增益放大电路、固定增益与偏移调节电路、ADC驱动器等功能电路模块；并分别计算了各模块的噪声水平和电路总的噪声水平。3)高精度示波器模块高有效位数采集电路设计：分析了ADC采样时钟抖动对采集系统有效位数的影响，并根据采集电路的指标要求对采样时钟性能提出要求；结合时钟电路设计软件分析设计了低抖动采样时钟电路；为避免ADC采样过程中信号带外高频噪声与有用信号发生混叠，降低采集电路输出数据有效位数，分析设计了ADC前端抗混叠滤波器。

本文基于近红外光谱分析技术，研制了高速、高精度的数据采集系统，同时基于项目组自主研发的近红外光谱仪，设计和开发了多功能、高性能的近红外微型光谱仪并实现了近红外光谱检测，论文的主要研究内容和成果综述如下：1.介绍了本课题的研究背景，分析了近红外光谱仪研究的意义，并在此基础上阐述了近年国内外微型光谱仪的类型以及发展现状。2.介绍了光谱仪及近红外光谱分析技术的基本原理，近红外光谱分析技术的具体步骤及其优势。3.搭建了探测系统的整体框架，通过采用FPGA+ARM的硬件架构，实现了数据协同处理一体化的集成设计理念。基于近红外微型光谱仪的应用与元器件价格的考量，选用了高云GW1N系列FPGA芯片，滨松公司C14384MA的CMOS光电探测器件，亚德诺公司LTC2368CMS的AD转换器件以及意法半导体STM32系列微处理器。逐步完成了C14384MA的驱动电路设计，并根据CMOS器件输出信号分析设计了LTC2368CMS驱动电路、设计了FPGA配置电路、FPGA时钟电路、微处理器的最小电路系统及其外部设备电路设计和FPGA系统的电源电路设计。4.基于GOWIN软件对FPGA进行开发设计，包括：驱动模块、模拟前端接口模块、数据存储和处理模块以及控制模块。利用Verilog语言编写源文件设计驱动脉冲时序，ModelSim(QuestaSim)等软件进行仿真，最后通过Synplifypro软件生成资源报告。5.将FPGA配置文件下载到FPGA芯片中进行板级验证，通过对大豆光谱的检测验证了光谱仪系统的功能性，实现了光谱仪的微型化。

39个常用外围硬件电路设计.docx

全书共14章，主要包括：电子系统设计概论，电子元器件的分类、功能及选型，模拟电路功能模块设计，数字电路单元设计，电源电路设计基础，电路设计与软件仿真，计算机辅助电路PCB设计，PCB加工及制作工艺，元器件装配、焊接及拆焊工艺，元器件参数测试、质量检测及等效代换，电路系统调试工艺，模拟电路课程设计示例，数字电路课程设计示例，电源电路课程设计示例等。目 录第1章 电子系统设计概论 11.1 电子系统设计的基本工作流程 11.2 分设计任务、查找参考方案、初步拟定设计方案 21.3 单元电路仿真及系统集成仿真 21.4 设计电路PCB 41.5 元器件选型 51.6 加工、制作电路PCB 61.7 电路的装配、焊接及调试 61.8 修改、升级原有设计方案，整理并完成设计文档 61.9  电子电路课程设计概述 6习题 7第2章 电子元器件的分类、功能及选型 82.1 元器件分类、参数及封装 82.1.1 元器件的参数标称值 82.1.2 元器件的型号及参数标注 92.2 电阻 132.2.1 常见的电阻类型 132.2.2 电阻的参数及选型 152.2.3 电阻的串联与并联 162.2.4 排阻 172.2.5 保险管 182.2.6 敏感电阻 192.3 电位器 212.3.1 电位器的内部结构及工作原理 212.3.2 电位器的基本工作电路 222.3.3 常用电位器的分类 222.3.4 电位器的参数及选型 252.4 电容 272.4.1 电容的功能 282.4.2 常见的电容类型 282.4.3 电容的参数及选型 332.4.4 电容的串联与并联 352.5 电感 362.5.1 电感的结构 372.5.2 电感的主要参数 402.5.3 电感的串联与并联 412.5.4 常用电感 422.6 变压器 442.6.1 变压器的种类、特性及设计 442.6.2 变压器的参数 442.6.3 变压器的分类 452.7 晶振 462.7.1 无源晶振 472.7.2 有源晶振 472.7.3 常用的晶振频率 482.8 电声器件 482.8.1 麦克风 482.8.2 扬声器 492.8.3 蜂鸣器 502.9 半导体二极管 512.9.1 二极管的结构工艺及封装 512.9.2 二极管的分类 522.9.3 二极管的参数及选型 552.10 发光二极管 562.10.1 LED的外形特征 562.10.2 LED应用电路 562.11 三极管（双极型晶体管） 572.11.1 三极管的常见类型 582.11.2 三极管型号的识别 582.11.3 三极管的选用原则及注意事项 582.12 场效应管 592.12.1 场效应管的分类 592.12.2 MOSFET的正确使用 592.13 集成芯片 592.13.1 常用集成芯片的基本分类及使用 602.13.2 集成芯片的型号命名规则 602.13.3 常用集成芯片的封装及引脚排列规律 612.13.4 集成芯片的正确使用 622.14 接插件 632.14.1 排针与排插 642.14.2 排针与杜邦线 642.14.3 接插件的防呆设计 652.14.4 集成芯片插座 652.14.5 其他常用接插件 672.15 开关与继电器 672.15.1 翻转开关 672.15.2 自复位按钮 712.15.3 电磁继电器 722.15.4 开关的机械抖动与消抖 73习题 75第3章 模拟电路功能模块设计 763.1 模拟电路的典型结构 763.2 集成运放基础 773.2.1 集成运放电路的实用分析方法及步骤 773.2.2 集成运放的电源供电 773.2.3 集成运放的输出调零 783.2.4 集成运放的负载驱动能力 793.3 电压放大及转换电路设计 793.3.1 同相比例运算放大电路 793.3.2 同相交流放大电路 803.3.3 反相比例运算放大电路 813.3.4 反相交流放大电路 813.3.5 交流信号分配电路 823.3.6 反相加法电路 823.3.7 差动减法电路 833.3.8 仪表放大器电路 843.3.9 反相积分电路 843.3.10 反相微分电路 853.3.11 峰值检测电路 853.3.12 精密整流电路 863.3.13 电流-电压转换电路 873.3.14 电压-电流转换电路 873.4 电压比较器电路设计 883.4.1 单限电压比较 883.4.2 迟滞电压比较 903.4.3 窗口电压比较 913.5 功率放大电路设计 923.5.1 OTL功放 923.5.2 OCL功放 933.5.3 BTL功放 943.6 波形发生器电路设计 943.6.1 正弦波振荡电路 943.6.2 矩形波振荡电路 963.6.3 矩形波-三角波振荡电路 973.7 晶体管驱动电路设计 983.7.1 NPN管实现信号反相 983.7.2 NPN型三极管功率负载驱动电路 983.7.3 PNP型三极管功率负载驱动电路 993.7.4 H桥驱动电路 993.8 有源滤波电路设计 993.8.1 滤波电路的计算机辅助设计 1003.8.2 低通滤波电路（LPF） 1023.8.3 高通滤波电路（HPF） 1033.8.4 带通滤波电路（BPF） 1043.8.5 带阻滤波电路（BEF） 104习题 105第4章 数字电路单元设计 1064.1 CMOS逻辑门 1064.1.1 逻辑门等效替换、多余引脚的处理 1074.1.2 提高CMOS逻辑门的驱动能力 1084.2 集成组合逻辑器件的设计应用 1084.2.1 二进制译码器74HC138 1084.2.2 显示译码器 1104.2.3 数值比较器74HC85 1124.2.4 数据选择器74HC151 1134.3 计数器电路设计 1144.3.1 同步计数器74HC160/161 1144.3.2 可逆计数器74HC192/193 1154.3.3 计数器的级联扩展设计 1154.4 移位寄存器电路设计 1164.4.1 74HC164 1164.4.2 74HC595 1174.4.3 74HC165与74HC166 1174.4.4 74HC194 1184.4.5 CD4017 1204.5 锁存器设计 1214.6 触发器设计 1224.7 单稳态触发器设计 1234.7.1 不可重复触发单稳态触发器 1234.7.2 可重复触发单稳态触发器 1244.8 多谐振荡电路设计 1244.8.1 CD4047构成多谐振荡电路 1244.8.2 CD4060构成多谐振荡/分频电路 1244.8.3 逻辑门构成多谐振荡电路 1254.8.4 采用晶振的多谐振荡电路 1274.9 模拟开关设计 1294.9.1 4路双向模拟开关74HC4066 1294.9.2 单8/双4路模拟开关ADG608/609 1304.10 555定时器设计 1304.10.1 多谐振荡电路设计 1304.10.2 单稳态电路设计 1314.10.3 施密特触发器设计 132习题 133第5章 电源电路设计基础 1345.1 线性直流电源电路设计 1345.1.1 整流电路 1345.1.2 滤波电路 1365.1.3 电压基准TL431 1375.1.4 串联反馈型稳压电源电路 1385.1.5 三端集成稳压器 1385.1.6 低压差LDO集成稳压电路 1395.2 开关电源电路 1395.2.1 降压型BUCK电路 1405.2.2 升压型BOOST电路 1405.2.3 负电源转换电路 1415.3 电流检测电路设计 141习题 142第6章 电路设计与软件仿真 1436.1 仿真软件的基本操作 1436.1.1 软件使用须知 1436.1.2 软件操作界面 1436.1.3 仿真元器件库 1456.1.4 虚拟仿真仪器库 1486.2 模拟电路的仿真 1486.2.1 放置与删除电气连线、电气节点 1496.2.2 设置参考地、直流电源、信号源 1496.2.3 虚拟示波器的设置 1516.2.4 虚拟万用表的设置 1556.2.5 电位器的参数调整 1556.2.6 模拟电路的仿真、调试 1566.3 数字电路的仿真 1566.3.1 数字集成芯片 1566.3.2 时钟源、电源及数字地 1576.3.3 虚拟函数信号发生器 1586.3.4 虚拟逻辑分析仪 1586.3.5 运行数字电路仿真 1596.3.6 绘制总线 1606.3.7 按钮与开关在数字电路中的应用 1626.4 支电路 1636.4.1 创建支电路 1636.4.2 支电路的内部电路搭建 1636.4.3 支电路输入/输出端口的设定 1636.4.4 调用支电路进行仿真 164习题 164第7章 计算机辅助电路PCB设计 1657.1 PCB设计概述 1657.1.1 PCB的演变历史 1657.1.2 PCB设计的任务及要求 1657.1.3 基于Altium Designer的PCB设计流程 1667.2 电路原理图设计 1667.2.1 新建并保存PCB工程文件、电路原理图文件 1677.2.2 加载原理图库文件 1687.2.3 原理图库元器件在绘图工作区中的操作 1707.2.4 电气连线 1777.3 设计PCB 1797.3.1 PCB设计的基本流程 1797.3.2 新建PCB文件 1807.3.3 PCB图层的概念 1807.3.4 PCB的长度计量单位 1817.3.5 PCB板框的规划设计 1827.3.6 将电路原理图导入PCB设计文件 1837.3.7 元器件在PCB中的布局 1857.3.8 设定PCB的布线规则 1877.3.9 对PCB进行电气布线 1907.4 编辑原理图库元器件 1967.4.1 新建原理图库文件 1967.4.2 创建并编辑原理图库元器件 1967.4.3 修改并编辑系统自带的原理图库元器件 2007.5 创建PCB封装库元器件 2027.5.1 新建并保存PCB库文件 2027.5.2 PCB封装库元器件的创建流程 2027.5.3 加载自制的PCB封装库文件 206习题 206第8章 PCB加工及制作工艺 2078.1 PCB制板工艺概述 2078.1.1 敷铜板 2078.1.2 PCB 2088.2 丝网印刷制板工艺 2098.3 手绘制板工艺 2108.4 紫外曝光制板工艺 2108.5 雕刻制板工艺 2118.5.1 手工雕刻制板工艺 2118.5.2 机械雕刻制板工艺 2128.5.3 激光雕刻制板工艺 2128.6 热转印制板工艺 2128.6.1 热转印制板工艺的特点 2138.6.2 针对热转印制板工艺对PCB进行修改 2138.6.3 热转印制板工艺的基本流程 2148.7 金属墨滴制板工艺 2198.8 外协加工制板工艺 219习题 219第9章 元器件装配、焊接及拆焊工艺 2209.1 装配工艺 2209.1.1 直插元器件在PCB中的插装 2209.1.2 元器件插装前的准备工作 2229.1.3 元器件插装过程中的典型故障 2249.2 常规电子焊接工艺 2259.2.1 电子焊接工艺概述 2259.2.2 常用焊接工艺的分类 2259.2.3 锡焊的基本条件 2269.2.4 焊料 2279.2.5 助焊剂 2289.2.6 电烙铁 2299.2.7 其他焊接辅助工具 2349.2.8 手工焊接工艺 2399.2.9 特殊元器件的焊接工艺 2429.3 拆焊工艺 2449.3.1 毁坏式拆焊工艺 2449.3.2 9

随着信息技术和半导体工艺的发展与进步，装备中集成电路的占比越来越高。为了保证装备的可靠性及安全性，可测性设计成为电路设计中必须考虑的一个步骤。通信系统作为直接决定装备能否正常工作的核心模块，因此设计针对通信设备的机内测试系统十分必要。机内测试的目的是将故障定位到外场或内场可更换单元，进而快速的完成对故障单元的更换，保障装备的作战能力

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