零基础学电子系统设计——从元器件、工具仪表、电路仿真到综合系统设计

本书语言生动活泼、平实易懂，书中没有生涩的理论，也没有复杂的计算。本书图文并茂，力求用插图帮助读者生动形象地理解知识。本书在全面介绍电子元器件、电路结构、工艺技巧的同时，按照科学的学习方法设置章节，使电子电路设计简明易懂。书中系统讲述了常用的电子电路、微控制器和FPGA仿真与开发工具，并给出了详细的软硬件应用实例，具体内容包括：
电子设计与制作； 
基本电子元器件； 
电子系统中的通信技术； 
集成运算放大器的应用与仿真； 
集成运放放大器电路设计实例； 
传感器与驱动器电路设计； 
电源电路设计； 
印制电路板设计——Altium Designer；
模拟电路仿真——Multisim；
数字电路仿真——Proteus；
电子系统设计——51单片机
电子系统设计——Arm微处理器；
电子系统设计——FPGA可编程逻辑器件。

 

本书详细讲述了模拟电路、数字电路、通信技术、传感器、电源、微控制器、FPGA 的基础知识和设计实 例,把初学电子电路设计所需要掌握的内容展现得淋漓尽致。书中不仅讲述了多种电子线路、微控制器和 FPGA 仿真与开发工具,并给出了详细的软硬件应用实例;还讲述了国产 Wi-FiMCU 芯片及其应用和 STC单片机。全书共分为15章,主要内容包括:绪论、电子设计与制作、基本电子元器件、电子系统中的通 信技术、电 路 设 计 与 仿 真———Altium Designer、电 子 电 路 仿 真———Multisim、集 成 运 算 放 大 器 的 应 用 与 Multisim 仿真、集成运算放大器电路设计实例、传感器与驱动器电路设计、电源电路设计、数字电路、电路 设计与数字仿 真———Proteus及 其 应 用、电 子 系 统 综 合 设 计———51 单 片 机 及 其 应 用、电 子 系 统 综 合 设 计———Arm 微处理器及其应用、电子系统综合设计———FPGA 可编程逻辑器件及其应用。全书内容丰富, 体系先进,结构合理,理论与实践相结合,尤其注重工程技术的应用。 本书可作为高等院校自动化、机器人、自动检测、机电一体化、人工智能、电子与电气工程、计算机应 用、信息工程、物联网等相关专业的本科、专科学生及研究生的电子竞赛、科技创新的参考书,也可作为电 子系统和嵌入式系统开发工程技术人员的参考用书。

李正军：山东大学教授，1984.7山东大学数学系毕业，同年留原山东大学数学系任教；担任“211工程”重点建设项目“现场总线技术实验室”负责人、控制科学与工程学院微机课程负责人，硕士研究生导师，山东大学优秀教师。中国电气工业协会设备网现场总线分会理事、中华人民共和国机械行业标准《低压电气通信规约》审稿人，全国电器设备网络通信接口标准化委员会委员。设计的产品在国内外市场具有很大的影响，所指导的学生在国内外各大公司担任重要岗位，并具有丰厚的待遇。发表科研与教学论文50余篇，出版著作12部，承担省部级与企业科研课题30余项，主要研究方向为：嵌入式系统、计算机控制、现场总线应用技术、电力网络监测仪表、电力电子技术、家用呼吸机等。

第1章绪论

1.1电子系统

1.2电子系统设计的基本内容与方法

1.3电子系统的设计步骤

1.4嵌入式系统

1.4.1嵌入式系统概述

1.4.2嵌入式系统和通用计算机系统比较

1.4.3嵌入式系统的特点

1.5嵌入式系统的组成

1.6嵌入式系统的软件

1.6.1无操作系统的嵌入式软件

1.6.2带操作系统的嵌入式软件

1.6.3嵌入式操作系统的分类

1.6.4嵌入式实时操作系统的功能

1.6.5典型嵌入式操作系统

1.7嵌入式系统的应用领域

1.8嵌入式微处理器分类

1.8.1嵌入式微处理器

1.8.2嵌入式微控制器

1.8.3嵌入式DSP

1.8.4嵌入式SoC

第2章电子设计与制作

2.1电子制作概述

2.1.1电子制作基本概念

2.1.2电子制作基本流程

2.2电子制作常用工具

2.2.1板件加工工具

2.2.2焊接工具

2.2.3验电笔

2.2.4万用表

2.2.5示波器

2.2.6信号源

2.2.7逻辑分析仪

2.2.8晶体管特性图示仪

2.2.9其他工具与材料

2.3电子制作装配技术

2.3.1电子元器件的安装

2.3.2电子制作的装配技术

2.4电子制作调试与故障排查

2.4.1电子制作测量

2.4.2电子制作调试

2.4.3调试过程中的常见故障

2.4.4调试过程中的故障排查法

第3章基本电子元器件

3.1电阻器的简单识别与型号命名法

3.1.1电阻器的分类

3.1.2电阻器的型号命名

3.1.3电阻器的主要性能指标

3.1.4电阻器的简单测试

3.1.5选用电阻器常识

3.1.6电阻器和电位器选用原则

3.2电容器的简单识别与型号命名法

3.2.1电容器的分类

3.2.2电容器型号命名法

3.2.3电容器的主要性能指标

3.2.4电容器质量优劣的简单测试

3.2.5选用电容器常识

3.3电感器的简单识别与型号命名法

3.3.1电感器的分类

3.3.2电感器的主要性能指标

3.3.3电感器的简单测试

3.3.4选用电感器常识

3.4半导体器件的简单识别与型号命名法

3.4.1半导体器件型号命名法

3.4.2二极管的识别与简单测试

3.4.3三极管的识别与简单测试

3.5半导体集成电路型号命名法

3.5.1集成电路的型号命名法

3.5.2集成电路的分类

3.5.3集成电路的生产商和封装形式

第4章电子系统中的通信技术

4.1串行通信基础

4.1.1串行异步通信数据格式

4.1.2连接握手

4.1.3确认

4.1.4中断

4.1.5轮询

4.1.6差错检验

4.2RS232C串行通信接口

4.2.1RS232C端子

4.2.2通信接口的连接

4.2.3RS232C电平转换器

4.3RS485串行通信接口

4.3.1RS485接口标准

4.3.2RS485收发器

4.3.3应用电路

4.3.4RS485网络互联

4.4蓝牙通信技术

4.4.1蓝牙通信技术概述

4.4.2无线多协议SoC

4.4.3nRF5340的主要规格参数

4.4.4nRF5340的开发工具

4.4.5低功耗蓝牙芯片nRF51822及其应用电路

4.5ZigBee无线传感器网络

4.5.1ZigBee无线传感器网络通信标准

4.5.2ZigBee开发技术

4.6W601 WiFi MCU芯片及其应用实例

4.6.1W601/W800/W801/W861概述

4.6.2ALIENTEK W601开发板

4.6.3W601 LED灯硬件设计

4.6.4W601 LED灯软件设计

第5章电路设计与仿真——Altium Designer

5.1Altium Designer简介

5.1.1Altium Designer 23的主要特点

5.1.2PCB 总体设计流程

5.2电路原理图简介

5.2.1Altium Designer 23的启动

5.2.2Altium Designer 23的主窗口

5.2.3Altium Designer 23的开发环境

5.2.4原理图设计的一般流程

第6章电子电路仿真——Multisim

6.1Multisim 软件简介

6.2Multisim 软件版本简介

6.3Multisim 基本功能和主要特点

6.3.1Multisim基本功能

6.3.2Multisim 主要特点

6.4Multisim的安装

6.5Multisim的基本界面

6.5.1菜单栏

6.5.2标准工具栏

6.5.3视图工具栏

6.5.4主工具栏

6.5.5仿真工具栏

6.5.6元件工具栏

6.5.7仪器工具栏

6.5.8设计工具箱

6.5.9电路工作区

6.5.10电子表格视窗

6.5.11状态栏

6.5.12其他

第7章集成运算放大器的应用与Multisim仿真

7.1运算放大器的模型

7.1.1理想运算放大器模型

7.1.2实际运算放大器模型

7.2集成运算放大器

7.2.1集成运算放大器的主要技术参数

7.2.2使用集成运算放大器需要注意的几个问题

7.3集成运算放大器的线性应用电路设计基础

7.3.1反相放大电路

7.3.2同相放大电路

7.3.3电压跟随器

7.3.4求差电路

7.3.5积分运算电路

7.3.6微分运算电路

7.4实验电路的设计与测试

7.4.1反相放大电路的设计与实现

7.4.2反相加法电路的设计与实现

7.4.3同相放大电路的设计与实现

7.4.4求差电路的设计与实现

7.4.5积分运算电路的设计与实现

7.4.6微分运算电路的设计与实现

7.5集成电压比较器

7.5.1双电压比较器LM393

7.5.2四电压比较器LM339

7.6实验电路的设计与测试

7.6.1RC桥式正弦波振荡电路的设计与测试

7.6.2迟滞电压比较器的设计与测试

7.6.3窗口电压比较器的设计与测试

第8章集成运算放大器电路设计实例

8.1常见的运算放大器电路

8.1.1运算放大器基本原理

8.1.2运算放大器计算

8.1.3常见的放大电路

8.2特殊放大器电路设计

8.2.1功率放大器电路

8.2.2仪用放大器电路

8.2.3可控放大器电路

8.2.4自动增益控制电路

第9章传感器与驱动器电路设计

9.1传感器

9.1.1传感器的定义和分类及构成

9.1.2传感器的基本性能

9.1.3传感器的应用领域

9.2常见的模拟传感器电路

9.2.1温度传感器

9.2.2流量传感器

9.2.3热释电红外传感器

9.2.4位移传感器

9.2.5PM2.5传感器

9.2.6红外传感器

9.2.7气体传感器

9.2.8压力传感器

9.3常见的数字传感器电路

9.3.1数字式气流传感器

9.3.2数字摄像头电路

9.3.3数字电感传感器LDC1314

9.3.4数字电容传感器FDC2214

9.3.5数字温湿度传感器

9.3.6数字加速度与陀螺仪传感器

9.3.7加速度传感器

9.4常见的功率驱动电路

9.4.1电机驱动基本原理

9.4.2常见的电机驱动电路

第10章电源电路设计

10.1并联稳压电路

10.1.1稳压二极管工作原理

10.1.2稳压二极管组成的并联稳压工作电路

10.2串联稳压电路

10.2.1串联稳压原理

10.2.2三端稳压器简介

10.2.3三端稳压器电路设计

10.3整流电路

10.3.1半波整流原理

10.3.2全波整流原理

10.3.3桥式整流原理

10.3.4桥式整流电路设计

10.4开关电源原理

10.4.1开关电源与线性电源比较

10.4.2常见的开关电源拓扑结构

10.5降压开关电源电路设计

10.5.1单片开关电源芯片LM2596

10.5.2LM2596降压电路设计

10.6升压开关电源电路设计

10.6.1单片开关电源芯片LM2577

10.6.2LM2577升压电路设计

10.7负压开关电源电路设计

10.7.1单片开关电源芯片 TPS5430

10.7.2TPS5430反压电路设计

第11章数字电路

11.1基本逻辑门电路

11.1.1与门

11.1.2或门

11.1.3非门

11.1.474HC/LS/HCT/F系列芯片的区别

11.1.5布尔代数运算法则

11.2数字电路设计步骤及方法

11.2.1数字电路的设计步骤

11.2.2数字电路的设计方法

第12章电路设计与数字仿真——Proteus及其应用

12.1EDA技术概述

12.2Proteus EDA软件的功能模块

12.3Proteus 8体系结构及特点

12.3.1Proteus VSM的主要功能

12.3.2Proteus PCB

12.3.3嵌入式微处理器交互式仿真

12.4Proteus 8的启动和退出

12.5Proteus 8窗口操作

12.5.1主菜单栏

12.5.2主工具栏

12.5.3主页

12.6Schematic Capture 窗口

12.7Schematic Capture 电路设计

12.8STM32F103驱动LED灯仿真实例

12.8.1实例描述

12.8.2硬件绘制

12.8.3STM32CubeMX配置工程

12.8.4编写用户代码

12.8.5仿真结果

12.8.6代码分析

12.9AT89C51单片机实现DS18B20温度测量仿真实例

12.9.1新建项目

12.9.2添加程序文件

第13章电子系统综合设计——51单片机及其应用

13.1MCS51系列及其兼容单片机

13.251单片机开发板的选择

13.351单片机的GPIO输出应用实例

13.3.151单片机的GPIO输出应用硬件设计

13.3.251单片机的GPIO输出应用软件设计

第14章电子系统综合设计——Arm微处理器及其应用

14.1Arm嵌入式微处理器简介

14.1.1Arm处理器的特点

14.1.2Arm体系结构的版本和系列

14.1.3Arm的RISC结构特性

14.1.4Arm CortexM处理器

14.2STM32微控制器概述

14.2.1STM32微控制器产品介绍

14.2.2STM32系统性能分析

14.2.3STM32F103VET6的引脚

14.2.4STM32F103VET6 最小系统设计

14.3STM32开发工具——Keil MDK

14.4STM32F103开发板的选择

14.5STM32仿真器的选择

14.6STM32的GPIO输出应用实例

14.6.1STM32的GPIO输出应用硬件设计

14.6.2STM32的GPIO输出应用软件设计

14.7STM32的GPIO输入应用实例

14.7.1STM32的GPIO输入应用硬件设计

14.7.2STM32的GPIO输入应用软件设计

第15章电子系统综合设计——FPGA可编程逻辑器件及其应用

15.1可编程逻辑器件概述

15.1.1PLD的发展历史

15.1.2PAL/GAL

15.1.3CPLD

15.1.4FPGA

15.1.5CPLD与FPGA的区别

15.1.6SOPC

15.1.7IP核

15.1.8FPGA框架结构

15.2FPGA的内部结构

15.2.1可编程输入/输出单元

15.2.2基本可编程逻辑单元

15.2.3嵌入式块RAM

15.2.4丰富的布线资源

15.2.5底层嵌入功能单元

15.2.6内嵌专用硬核

15.3Intel公司的FPGA

15.3.1Cyclone系列

15.3.2Cyclone Ⅳ系列芯片

15.3.3配置芯片

15.4FPGA的生产厂商

15.4.1Xilinx(赛灵思)

15.4.2Altera(阿尔特拉)

15.5FPGA的应用领域

15.6FPGA开发工具

15.7基于FPGA的开发流程

15.7.1FPGA设计方法概论

15.7.2典型FPGA开发流程

15.7.3FPGA的配置

15.7.4基于FPGA的SoC设计方法

15.8Verilog

15.8.1Verilog HDL和VHDL的发展

15.8.2Verilog HDL和VHDL的比较

15.8.3Verilog HDL基础

15.8.4Verilog概述

15.8.5Verilog基础知识

15.8.6Verilog 程序框架

15.9FPGA 开发板

15.10Quartus Ⅱ软件的安装

15.11Quartus Ⅱ软件的应用实例

15.11.1LED灯硬件设计

15.11.2LED灯程序设计

参考文献

现在电子系统设计越来越复杂，难度越来越大，要求设计者掌握多门知识。本书集模拟电路、数字电路、通信技术、传感器、电源、微控制器、FPGA的基础知识和设计技能于一体，把初学电子线路设计所需要掌握的内容展现得淋漓尽致，本书是多门课程的集成，通过本书的学习，可以全面掌握电子系统设计的知识和技术。

全书语言生动活泼、平实易懂，没有过多复杂的计算，也没有生涩的大理论，更没有读不懂的过程，只要知道欧姆定律就可以在本书的引导下掌握电子电路的设计知识。书中插图丰富，力求用图为读者形象地展示知识及过程，加深印象。

本书特别注重知识的铺垫和循序渐进。电子电路的内容多、难度大，没有基础的读者一时可能不知道从哪里开始学习、如何开始学习。本书在全面介绍各种电子元器件、电路结构、工艺技巧的同时，按照科学的学习方法设置章节，使电子电路设计的基础知识变成了一粒粒珍珠，交给读者朋友们串起来，既授人以鱼，也授人以渔。

书中讲述了多种电子电路、微控制器和FPGA仿真与开发工具，并给出了详细的软、硬件应用实例。仿真与开发工具介绍如下：

（1） Altium Designer 23电路设计与仿真软件

Altium Designer 23是Altium Designer第29次升级后的软件，整合了过去发布的一系列更新，包括新的PCB特性以及核心PCB和原理图工具的更新。作为新一代的板卡级设计软件，其独一无二的DXP技术集成平台为设计系统提供了所有工具和编辑器的兼容环境。

（2） Multisim 14.0电子电路仿真软件

Multisim 14.0是NI公司推出的以PC为载体的电子技术综合应用的最新仿真工具，秉承“把实验室装进PC中，软件就是仪器”的理念，集电子电路原理分析、设计、虚拟仿真于一体的电子设计自动化环境，在系统建模和电子仿真、科学工程设计及应用系统开发等方面有着广泛的应用。Multisim 14.0已成为高等院校教师和学生进行电子技术教与学的最青睐的仿真软件之一。

（3） Proteus电子电路和微控制器仿真软件

Proteus是英国Labcenter公司研发的目前世界上最完善、最优秀的EDA软件之一。它具有三十几年的发展历程，引入国内后，得到了高校和社会的一致好评。

（4） STM32Cube生态系统

STM32Cube生态系统的两个核心软件是 STM32CubeMX和STM32CubeIDE，且都是由ST公司官方免费提供的。使用STM32CubeMX可以进行MCU的系统功能和外设图形化配置； 可以生成MDKARM或STM32CubeIDE项目框架代码，包括系统初始化代码和已配置外设的初始化代码。

（5） FPGA开发软件Quartus Ⅱ

一个完整的FPGA开发环境主要包括运行于PC上的FPGA开发工具、编程器或编程电缆、FPGA开发板。Altera公司的开发工具包括早先版本的MAX＋plus Ⅱ、Quartus Ⅱ以及目前推广的Quartus Prime。Quartus Prime支持绝大部分Altera公司的产品，集成了全面的开发工具、丰富的宏功能库和IP核，因此，该公司的PLD产品获得了广泛的应用。

本书共15章，讲述了模拟电路、数字电路、通信技术、传感器、电源、微控制器、FPGA的基础知识和设计实例, 内容精练、图文并茂、循序渐进、重点突出，把初学电子电路设计所需要掌握的内容表现得淋漓尽致。书中讲述了多种电子线路、微控制器和FPGA仿真与开发工具，并给出了详细的软硬件应用实例，满足了读者对当前电子系统综合设计的学习需求。

本书结合编者多年的科研和教学经验，遵循循序渐进，理论与实践并重，共性与个性兼顾的原则，将理论实践一体化的教学方式融入其中。本书配有仿真代码、程序代码和电子配套资源。

对本书中所引用的参考文献的作者，在此向他们表示真诚的感谢。由于编者水平有限，加上时间仓促，书中不妥之处在所难免，敬请广大读者不吝指正。

 

编者

2024年1月

张承慧  山东大学讲席教授、控制科学与工程学院院长，教育厅长江学者特聘教授

国家基金委创新研究群体带头人，全国创新争先奖获得者，IEEE Fellow

《零基础学电子系统设计——从元器件、工具仪表、电路仿真到综合系统设计》由具有多年电子系统设计科研与教学经验的教师编写，讲述了模拟电路、数字电路、通信技术、传感器、电源、微控制器、FPGA的基础知识和设计实例，把初学电子电路设计所需要掌握的内容表现得淋漓尽致。书中讲述了多种电子线路、微控制器和FPGA仿真与开发工具，并给出详细的软硬件应用实例，满足读者对当前电子系统综合设计的学习需求。

方雷  美国匹兹堡大学教授，美国斯坦福大学博士                    

《零基础学电子系统设计——从元器件、工具仪表、电路仿真到综合系统设计》讲述了常用元器件、工具仪表、电路仿真到综合系统设计应用实例，内容精炼、图文并茂、循序渐进、重点突出。全书以应用为目标，内容安排逻辑性强、层次分明，是一部能快速帮助读者学习电子系统设计的优秀图书。

佟为明  哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院教授，龙江科技英才获得者                

《零基础学电子系统设计——从元器件、工具仪表、电路仿真到综合系统设计》集模拟电路、数字电路、通信技术、传感器、电源、微控制器、FPGA的基础知识和设计技能于一体，把初学电子系统设计所需要掌握的知识全面呈现出来。本书是多门课程的集成，通过本书的学习，读者可以全面掌握电子系统设计的知识和技术，培养动手实践能力。

蒋攀峰  赛默飞世尔科技（中国）有限公司创新中心研发总监        

《零基础学电子系统设计——从元器件、工具仪表、电路仿真到综合系统设计》采取项目引领、任务驱动的方式，强调“教—学—做”一体化，注重对读者工程实践能力的培养。书中讲述了多种电子电路、微控制器和FPGA仿真与开发工具，并给出了详细的软硬件应用实例，可以举一反三，类比开发电子系统项目。

李希志  青岛海信日立空调系统有限公司预研技术部变频技术所所长           

《零基础学电子系统设计——从元器件、工具仪表、电路仿真到综合系统设计》内容丰富、突出实践应用，配套提供完整的程序代码和仿真文件、教学大纲与教学课件，可供从事电子系统设计的读者参考。