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本书从电子设计竞赛培训和电子综合类课程的教学实际情况出发，具体分析了电子综合实验项目教学中的元器件、电路、算法等知识内容，详细介绍了电子设计竞赛培训的典型案例，对历年的电子设计竞赛真题进行了深入剖析，给出了详细的设计方案、典型电路、关键算法以及测试方法，设计实例均附有完整的电路结构和具体参数，同时付上国赛的最终提交报告，凝结了武汉大学电子设计竞赛教练组十余年的培训经验，所有方案和电路均经过实验验证并制作成实物，具有很强的实用性。

目    录
第1章  电路仿真软件	（1）
1.1  Multisim	（1）
1.1.1  软件界面	（1）
1.1.2  电路构建	（2）
1.2  TINA-TI	（4）
1.2.1  电路搭建示例	（5）
1.2.2  仿真	（8）
1.2.3  TINA用于运放参数仿真	（12）
1.2.4  滤波器仿真	（14）
1.2.5  小结	（16）
第2章  元器件	（17）
2.1  无源器件	（17）
2.1.1  电阻	（17）
2.1.2  电容	（18）
2.1.3  电感	（19）
2.2  运算放大器	（20）
2.2.1  运算放大器简介	（20）
2.2.2  运算放大器参数详述	（22）
2.2.3  精密型运放	（27）
2.2.4  高速型运放	（28）
2.2.5  仪表放大器	（30）
2.2.6  全差分放大器	（31）
2.2.7  射频宽带放大器	（32）
2.3  A/D转换器	（33）
2.3.1  A/D转换器的参数介绍	（33）
2.3.2  A/D转换器的选择和使用	（34）
2.3.3  A/D转换器的选择	（37）
2.3.4  A/D转换器的使用注意事项	（38）
2.3.5  高精度A/D转换器	（39）
2.4  D/A转换器	（59）
2.4.1  D/A转换器的选择与使用	（59）
2.4.2  常用DAC	（63）
2.5  集成DDS芯片AD9854	（70）
2.5.1  AD9854概述	（70）
2.5.2  AD9854引脚说明	（70）
2.5.3  AD9854应用	（71）
2.6  电压控制增益（VCA）芯片	（72）
2.6.1  VCA824	（74）
2.6.2  AD8367	（75）
2.7  集成滤波器芯片	（76）
2.7.1  开关电容原理	（77）
2.7.2  LTC1068	（77）
2.7.3  MAX29X	（78）
第3章  电路	（81）
3.1  运算放大器基本电路	（81）
3.1.1  基本放大电路	（81）
3.1.2  基本运算电路	（83）
3.2  限幅放大电路	（86）
3.2.1  限幅电路	（86）
3.2.2  限幅放大电路	（87）
3.3  锁相环电路	（87）
3.3.1  锁相环概述	（87）
3.3.2  锁相环应用举例	（88）
3.3.3  集成锁相环芯片介绍	（89）
3.4  峰值、有效值测量的模拟电路实现	（94）
3.4.1  峰值检测电路	（94）
3.4.2  真有效值检波	（96）
3.4.3  真功率检测芯片	（98）
3.5  AGC电路	（99）
3.5.1  场效应管和运放实现	（100）
3.5.2  CPU控制实现	（100）
3.5.3  AD603实现	（101）
3.5.4  AD8367实现	（102）
3.6  功率放大器	（102）
3.6.1  功率放大器的工作状态	（103）
3.6.2  具体电路实现	（104）
3.7  恒流源电路	（111）
3.7.1  三极管型恒流源	（112）
3.7.2  双运放恒流源电路	（112）
3.7.3  可调三端稳压芯片型	（113）
3.7.4  开关电源型	（114）
3.8  滤波电路	（114）
3.8.1  有源滤波器的电路实现与分析	（115）
3.8.2  无源滤波器的电路实现与分析	（127）
3.8.3  无源滤波器的电路实现与分析	（143）
3.9  采样保持电路	（144）
3.9.1  采样保持电路的主要技术指标	（144）
3.9.2  采样保持电路的实现	（145）
3.10  信号发生电路	（148）
3.10.1  通用元器件实现	（148）
3.10.2  直接数字频率合成技术（DDS）实现	（153）
3.10.3  数字锁相环（PLL）频率合成技术	（154）
3.11  阻抗匹配电路	（155）
3.11.1  L形匹配网络	（155）
3.11.2  π形匹配网络	（156）
3.11.3  T形匹配网络	（156）
3.11.4  传输线变压器	（157）
3.11.5  软件仿真	（157）
第4章  典型应用技术	（159）
4.1  频率合成与DDS	（159）
4.1.1  信号产生方案与原理	（159）
4.1.2  DDS理论设计	（160）
4.1.3  DDS实现	（161）
4.2  等精度频率计的实现	（161）
4.2.1  频率测量方案	（162）
4.2.2  相关计数测频法的实现	（163）
4.2.3  宽带高精度测频的实现	（163）
4.3  快速傅里叶变换（FFT）	（164）
4.3.1  FFT结果分析	（164）
4.3.2  FFT算法实现	（166）
4.4  数字滤波器	（170）
4.4.1  数字滤波器基本结构	（171）
4.4.2  数字滤波器的设计实现 	（172）
4.4.3  其他数字滤波器	（177）
4.5  数字锁相环	（180）
4.5.1  DPLL的原理	（180）
4.5.2  DPLL的实现	（181）
第5章  基础算法	（184）
5.1  数字PID控制算法	（184）
5.1.1  PID控制系统简介	（184）
5.1.2  PID参数控制效果分析	（185）
5.1.3  数字PID控制的实现	（185）
5.1.4  PID算法的饱和特性	（186）
5.1.4  PID参数整定方法	（187）
5.2  大林算法	（190）
5.3  模糊控制算法	（191）
5.3.1  模糊控制概述	（191）
5.3.2  模糊控制原理	（192）
5.3.3  模糊控制器设计	（192）
5.3.4  小结	（193）
5.4  运动控制算法	（193）
5.4.1  产生线段的整数Bresenham算法	（193）
5.4.2  产生圆的整数Bresenham算法	（195）
5.5  其他控制算法	（198）
5.6  压缩算法	（199）
5.6.1  无损压缩	（199）
5.6.2  有损压缩	（200）
5.6.3  压缩算法应用	（201）
第6章  电子设计竞赛真题解析	（203）
6.1  频率特性测试仪（1999-C）	（203）
6.1.1  国赛要求	（203）
6.1.2  优秀报告	（204）
6.2  低频数字式相位测量仪（2003-C）	（204）
6.2.1  国赛要求	（204）
6.2.2  优秀报告	（206）
6.3  音频信号分析仪（2007-A）	（206）
6.3.1  国赛要求	（206）
6.3.2  优秀报告	（208）
6.4  数字示波器（2007-C）	（208）
6.4.1  国赛要求	（208）
6.4.2  优秀报告	（209）
6.5  数字频率计（2015-F）	（209）
6.5.1  国赛要求	（209）
6.5.2  优秀报告	（211）
6.6  80MHz～100MHz频谱分析仪（2015-E）	（211）
6.6.1  国赛要求	（211）
6.6.2  优秀报告	（213）
6.7  增益可调射频放大器（2015-D）	（213）
6.7.1  国赛要求	（213）
6.7.2  优秀报告	（214）
6.8  简易电子称（2012年TI杯模拟电子系统专题邀请赛-B）	（214）
6.8.1  题目要求	（214）
6.8.2  优秀报告	（215）
第7章  武汉大学2015年参赛选手总结	（216）
7.1  武汉大学王帅、王雷、曹建发组总结	（216）
7.2  武汉大学程宇、卢雲成、刘同同组总结	（217）
7.3  武汉大学宋洪亚、甘文霜、祁发瑞组总结	（219）
7.4  武汉大学谢德强、赵久瑞、姚彤彤组总结	（223）
7.5  武汉大学田震、项进喜、詹伟杰组总结	（225）
7.6  武汉大学王思捷、陈锐、马玉爽组总结	（228）
7.7  武汉大学张令、李俊、陈慧组总结	（231）
7.8  武汉大学李卓、李哲、李希希组总结	（232）
7.9  武汉大学唐海亮、魏佳琦、张赏月组总结	（234）
附录A  频率特性测试仪	（237）
附录B  低频数字式相位测量仪	（246）
附录C  音频信号分析	（255）
附录D  数字示波器	（266）
附录E  数字频率计	（274）
附录F  80MHz～100MHz频谱分析仪	（283）
附录G  增益可调射频放大器	（291）
附录H  简易电子称	（301）
附录I  电设培训推荐书籍	（307）

序    言
随着电子信息技术的发展以及高校电子电路课程实验教学研究的深入，通过开展电子综合类实验项目来培养学生的综合应用能力和创新意识已经成为电子类学科教育者的共识。如何在教学中将庞杂的教学内容合理地组织起来，使学生建立清晰的知识体系和设计思路，一本高质量的教材就成为不可或缺的重要因素。
在过去的十几年中，笔者一直从事电子综合实验教学探索、全国大学生电子设计竞赛培训等方面的工作，经过团队多年的积累和总结，逐步凝炼了项目驱动的培训方式和成体系的训练内容与方案，并将其应用于“电子系统综合设计”实验课程的教学中。以综合性电子系统为设计内容，结合电子设计竞赛的真实选题和工程项目内容，通过自命题或命题方式组织实验教学，使学生了解通用电子系统的设计流程和设计方法，真正实现教师引导、学生自主、项目驱动的课程教学模式。实践证明，这些探索是有益的，不仅在各类学科竞赛中发挥了重要作用并取得一系列成果，也全面提高了我校电子信息类专业学生的创新实践能力、知识应用能力和综合素质。
随着电子系统综合设计课程建设的深入以及电子设计竞赛培训的逐年开展，团队在综合系统设计中的元件层级、电路层次、模块层次、算法层次乃至系统层次的教学素材的积累也愈见规模，并逐步衍生了以综合系统自底向上将各层次的常用知识进行整理以形成体系的思路。此法虽不具醍醐灌顶的大匠教学风范，然由微及著、自底向上的知识体系布局方式，也期望能够为综合系统的设计提供一个规范的方法和思路，为学生在开展综合设计初期提供有效的引导和帮助。同时，笔者更希望通过罗列这些系统元素，为卓见者提供一个标靶，以期能有真正的高屋建瓴、化繁为简的电子综合教材面试，为求知者提供福音。若得如此，幸甚！

周立青      
2016年10月26日
于武大珞珈山  

 
 
前    言
本书是针对电子综合实验教学、电子设计竞赛培训等带有综合型、自主设计特点课程的实验教材。编写的初衷就是让低年级的学生借助本书可以逐步开始电子设计的学习之路，从基础的元器件认识到简单的单路，再到一些实用的功能模块，最后结合算法实现一个完整的系统。希望这样的安排能够陪伴每一位爱好电子设计的同学从入门到提高，最后到精通，为大家在设计电子系统时提供设计思路和知识参考。教材从元件、电路、模块、算法、系统五个层次，分别介绍了常用的知识点和主要的设计方法，这一编写思路也体现了一个通用电子系统设计的层级概念。
本书共七章。除了之前介绍的元件、电路、模块、算法和系统外，在第一章介绍了电路设计中一个重要的环节——仿真，鉴于篇幅限制，该章简单地介绍了Multisim和TINA-TI两种常用的电路仿真软件的使用，以具体的实例设计仿真为例，介绍了软件使用、电路设计及仿真方法。虽然未能详尽说明，但是引导读者重视并养成设计仿真的习惯，避免一些电路设计中的低级错误，提高系统设计的效率。
第二章至第六章分别就元件、电路、模块、算法和系统五个层次，介绍了电子系统中常见的层级结构以及每个层次结构的常用知识点，更重要的是帮助读者树立起明确的系统层次观念，合理规划系统结构和功能框架，并逐步填充内容直至整个方案细化。第二章以元器件为主要内容，重点介绍了电子系统中的常用元器件及其电气特性、物理构造、分类、参数等，尤其突出了不同分类的元件在不同场合的应用特点。这一章内容从最基础的电阻、电容、电感的认知，到各种不同分类的运算放大器的特点，再到AD、DA以及部分集成专用芯片，为入门初学者提供了清晰的认知素材和使用指导，对初学者具有重要的参考作用。
第三章内容在基础元件的基础上，介绍了设计诸如放大、锁相、检波、滤波、匹配等常用电路。这部分内容是电子系统的基本积木单元，也是一个经验丰富的设计工程师和初级设计者之间差别较大的部分，该章内容介绍的电路将为系统设计提供直接的积木单元，可以直接应用于开发者的系统设计中。
第四章重点介绍了一些常用的功能模块设计，包括信号发生、频率测量、频谱测量、数字滤波等。作为电子系统中常用的功能模块，在具体的实现方法上一般会有多种途径，本章选择了目前主流的设计方法加以介绍，内容包括方法原理和具体实现技术，可以作为系统设计的重要参考。
第五章介绍了几种常见的算法，由于算法涵盖的范围很广、内容繁杂、应用多变，因此本章无法一一罗列，这里重点介绍了电子设计竞赛往年真题中常用的几种控制算法来作为系统中算法的代表，其作用更多的是体现算法在系统中的功能和角色。
作为针对电子系统综合设计的教材，第六章内容就历年来电子设计竞赛真题详细地介绍了系统的设计分析、总体框架、具体设计以及实现报告。案例赛题选择经过精心斟酌，既具有典型的电子系统结构，又要包含吩咐的经典电路知识；既有最新一届的比赛题目，又有过去十几年期间的经典真题；既有功能丰富、电路复杂的真题，也有电路相对简单、算法性能要求较高的真题，还有功能、电路和算法都较为适中的真题。因此从内容上既适合初学者入门学习使用，也可作为后期的培训指导。
本书在第6章和第7章分别介绍了武汉大学电子设计竞赛的部分优秀作品报告以及部分同学的实验室学习总结，这两项内容是参加2015年电子设计竞赛的武汉大学同学经过了两年的实验室培训，用自己的体会和经验凝结成文字，告诉后来的学习者他们是怎么度过这两年的，这一内容对于还处在大学迷茫期的同学，具有切身的指导意义。同样，由他们完成的优秀作品报告，在征得他们的许可后原文引用，作为后面学习者的参考学习之用。
本书在编写期间，得到了田震、王思捷、李卓、王帅等同学的大力支持，完成了大量的电路验证和资料整理工作。同时也感谢刘鑫、陈伟、张强、何明、许朋、乔龙飞、柳剑飞、刘秋明、李旭旭、占伟杰、田震、项进喜、王思捷、陈锐、马玉爽、李卓、李哲、李希希、张赏月、魏佳琦、唐海亮等同学提供的优秀作品报告。感谢王帅、王雷、曹建发、程宇、卢雲成、刘同同、宋洪亚、甘文霜、祁发瑞、谢德谦、赵久瑞、姚彤彤、田震、占伟杰、项进喜、王思捷、陈锐、马玉爽、张令、李俊、陈慧、李卓、李哲、李希希、唐海亮、魏佳琦、张赏月等同学给出的实验室学习心得总结，这些报告和总结相信会对在校的大学生具有非常重要的指导价值。
本书的编写得到了武汉大学电子信息学院相关领导的支持、关心与指导，得到了电子信息学院实验中心全体老师的大力支持与帮助，在此一并表示感谢。
本书可以作为电子综合实验和电子设计竞赛培训的教材，也可以作为大学生科研、课外设计的重要参考资料。书中所有的电路均是老师和同学在设计中真实使用、经过验证的电路，对读者的设计具有直接的借鉴和参考价值，可以作为电子工程师的参考手册。

科技-电子技术

周立青，武汉大学电子信息学院实验教学中心副主任，武汉大学电子设计竞赛教练，湖北省精品课程《电子系统综合设计》负责人。主要从事探地雷达系统研究工作。2011年编写《全国大学生电子设计竞赛教程：基于TI器件设计方法》由电子工业出版社出版，发表学术论文二十余篇。

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电子系统综合设计——基于大学生电子设计竞赛