目錄
前言 1
第1 章 基本概念 9
1.1 基礎(chǔ)電子學(xué) .9
1.2 學(xué)術(shù)界的理想簡(jiǎn)化 12
1.3 互連 .12
1.4 基本組件17
1.4.1 電容 17
1.4.2 電阻 21
1.4.3 電感器 23
1.4.4 電壓源和電池 25
1.4.5 電流源 26
1.4.6 開(kāi)關(guān)和繼電器 26
1.4.7 運(yùn)算放器 27
1.4.8 電壓比較器 28
1.5 非理想數(shù)字設(shè)備 29
1.6 信號(hào)完整性 33
1.7 總結(jié)和結(jié)論 34
1.8 拓展閱讀35
第2 章 系統(tǒng)架構(gòu) 37
2.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 .38
2.1.1 仿真或構(gòu)建 38
2.1.2 通孔/ 引線元件（已過(guò)時(shí)） 38
2.1.3 離散門電路（已過(guò)時(shí)） 38
2.2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 .39
2.2.1 主流數(shù)字設(shè)計(jì) 42
2.2.2 DSP 方法：多功能性和局限性 43
2.2.3 數(shù)字控制方法：DCU、MCU、MPU、FPGA、CPLD、ASIC 46
2.3 MCU 和MPU 規(guī)范中的術(shù)語(yǔ) 47
2.4 硬件控制器 49
2.5 軟件控制器 50
2.6 計(jì)算機(jī)與控制器 51
2.6.1 樹(shù)莓派RPi（MPU）與Arduino（MCU） 51
2.6.2 多用途MCU 和專用MCU .52
2.7 芯片集方法 53
2.8 系統(tǒng)架構(gòu)選項(xiàng) .55
2.8.1 確定外設(shè)和互連 60
2.8.2 避免串行通信瓶頸 .65
2.8.3 使用直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）傳輸數(shù)據(jù) 65
2.8.4 確定DSP 的方法 .66
2.8.5 檢查DSP 瓶頸 .68
2.8.6 提高DSP 速度 .70
2.8.7 確定DCU 內(nèi)部功能 71
2.9 物理封裝注意事項(xiàng) 76
2.10 片外功能和支持 .77
2.11 整合 79
2.12 選擇DCU 配置和MCU/MPU .79
2.12.1 特色功能或特點(diǎn) 79
2.12.2 多MCU 系統(tǒng) 80
2.12.3 通用MCU 系統(tǒng) .80
2.12.4 選擇特定的MCU .81
2.13 總結(jié)和結(jié)論 81
2.14 拓展閱讀 .82
第3 章 魯棒的數(shù)字通信 .85
3.1 數(shù)字信號(hào)、物理考慮因素和連接 .86
3.1.1 地參考數(shù)字信號(hào)的局限性 86
3.1.2 低壓差分信號(hào) 87
3.1.3 組織互連以提高速度和信號(hào)完整性 89
3.1.4 集合式網(wǎng)絡(luò)與分布式網(wǎng)絡(luò) 91
3.1.5 時(shí)鐘分配 .99
3.2 數(shù)字通信：并行端口與串行端口 104
3.3 串行端口的時(shí)鐘方法 105
3.3.1 起始邊沿同步 .105
3.3.2 并行時(shí)鐘 106
3.3.3 曼徹斯特代碼自時(shí)鐘106
3.3.4 嵌入式時(shí)鐘和游程長(zhǎng)度受限碼 107
3.4 數(shù)字通信：特征和定義 108
3.5 串行數(shù)據(jù)：共享接地，低速 . 111
3.5.1 通用異步收發(fā)器 111
3.5.2 集成電路和系統(tǒng)管理總線 113
3.5.3 串行外設(shè)接口 . 115
3.5.4 單線接口 116
3.6 串行數(shù)據(jù)：共享接地，高速 . 117
3.7 板之間或系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)：有線方法 . 118
3.7.1 RS-232：通過(guò)電纜傳輸?shù)拇�行�?shù)據(jù) 119
3.7.2 RS-485：通過(guò)電纜傳輸?shù)牟罘执�行�?shù)據(jù) .121
3.7.3 控制器局域網(wǎng) .123
3.8 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù) 124
3.8.1 通用串行總線 .125
3.8.2 串行ATA 127
3.8.3 快速外設(shè)組件互連PCIe 128
3.8.4 以太網(wǎng) 130
3.9 無(wú)線串行接口 132
3.9.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi .132
3.9.2 藍(lán)牙 .133
3.9.3 低功耗藍(lán)牙 .134
3.9.4 ZigBee 135
3.9.5 Z-Wave 137
3.9.6 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?137
3.10 其他數(shù)據(jù)通信方法 137
3.10.1 紅外線 .137
3.10.2 光纖數(shù)據(jù)：又快又遠(yuǎn) 137
3.10.3 JTAG：用于測(cè)試和配置的PCB 訪問(wèn) .138
3.11 總結(jié)和結(jié)論 .140
3.12 拓展閱讀 141
第4 章 電力系統(tǒng) . 145
4.1 分相交流電源 146
4.2 交流電源安全性：定義問(wèn)題 .147
4.2.1 高低壓分區(qū) .147
4.2.2 安全故障方法和單一故障安全場(chǎng)景 149
4.2.3 過(guò)流保護(hù)方法和最薄弱環(huán)節(jié) 150
4.3 交流/ 直流轉(zhuǎn)換 152
4.3.1 經(jīng)典方法：60Hz 變壓器 152
4.3.2 離線切換器 .153
4.4 多PCB 系統(tǒng)：使用局部電源調(diào)節(jié) .154
4.5 直流/ 直流轉(zhuǎn)換：線性與開(kāi)關(guān) .155
4.5.1 線性穩(wěn)壓器：概念 155
4.5.2 發(fā)射極跟隨穩(wěn)壓器與低壓差線性穩(wěn)壓器LDO 156
4.5.3 開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器 157
4.5.4 開(kāi)關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器 160
4.5.5 開(kāi)關(guān)降壓?C 升壓轉(zhuǎn)換器 .161
4.6 選擇穩(wěn)壓器并配置電源系統(tǒng) .162
4.6.1 使用電源監(jiān)視器 166
4.6.2 電源旁路、去耦和濾波 .166
4.6.3 降低輻射噪聲：RC 緩沖器、鐵氧體和濾波器 .167
4.6.4 降低功率輸出噪聲：阻尼LPF 網(wǎng)絡(luò)和級(jí)聯(lián)穩(wěn)壓器 .168
4.7 數(shù)字邏輯導(dǎo)致電網(wǎng)電流浪涌 .168
4.7.1 低阻抗電源和接地層169
4.7.2 電源旁路濾波：分布式穩(wěn)定 170
4.7.3 高頻旁路電容器 171
4.7.4 電源旁路電容值和分布 .173
4.8 總結(jié)和結(jié)論 176
4.9 拓展閱讀.177
第5 章 電池電源 . 179
5.1 電池基礎(chǔ)知識(shí)：定義 179
5.1.1 可充電或一次性電池的決策指南 .184
5.1.2 定義電源要求 .185
5.1.3 電池放電與功能電壓范圍的關(guān)系 .186
5.1.4 按化學(xué)成分分類的電池類型 187
5.1.5 電池的放電行為 191
5.2 設(shè)計(jì)電池組：?jiǎn)未问褂煤投喙?jié)電池195
5.3 設(shè)計(jì)可充電定制電池組 198
5.4 電池充電.204
5.5 智能電池.206
5.6 電池法規(guī)和安全 .208
5.7 其他能量存儲(chǔ)和訪問(wèn)方法 .209
5.7.1 超級(jí)電容 210
5.7.2 氫燃料電池 .210
5.7.3 液流電池 211
5.7.4 無(wú)線充電 212
5.7.5 固態(tài)電池 214
5.8 總結(jié)和結(jié)論 215
5.9 拓展閱讀.216
第6 章 電磁干擾和靜電放電 219
6.1 初步想法.220
6.1.1 固有噪聲 221
6.1.2 處理EMI 的總體策略 222
6.1.3 法規(guī)和要求 .223
6.1.4 噪聲耦合的可視化 225
6.1.5 EMI 頻域分析 227
6.2 接地 234
6.3 減少交流電源的傳導(dǎo)輻射 .238
6.4 電纜互連策略 239
6.5 從源頭減少噪聲產(chǎn)生 241
6.5.1 時(shí)鐘更慢，過(guò)渡更柔和 .242
6.5.2 使用LVDS 的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可降低EMI 243
6.5.3 使用擴(kuò)頻時(shí)鐘降低EMI 243
6.5.4 降低開(kāi)關(guān)模式電源的EMI 244
6.5.5 意料之外的EMI 天線 246
6.5.6 電機(jī)上的EMI 抑制 .246
6.6 減少板載設(shè)備之間的噪聲耦合 247
6.6.1 識(shí)別話家和敏感的傾聽(tīng)者 248
6.6.2 針對(duì)噪聲對(duì)PCB 進(jìn)行平面規(guī)劃 249
6.6.3 遏制或防止EMI 的法拉第籠方法 251
6.7 降低電路對(duì)噪聲的敏感度 .252
6.7.1 噪聲敏感的高阻抗節(jié)點(diǎn) .252
6.7.2 差分信號(hào)的抗噪性 253
6.7.3 通過(guò)帶寬限制實(shí)現(xiàn)抗噪性 254
6.8 抑制進(jìn)出系統(tǒng)的噪聲：法拉第籠技術(shù) .257
6.9 靜電放電保護(hù) 260
6.10 總結(jié)和結(jié)論 .267
6.11 拓展閱讀 269
第7 章 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：ADC 和DAC . 271
7.1 DAC 性能基礎(chǔ)知識(shí) 271
7.2 ADC 性能基礎(chǔ) .277
7.3 ADC 輸入的抗混疊濾波器 281
7.4 脈沖寬度調(diào)制DAC 282
7.5 通過(guò)直接數(shù)字合成生成任意波形 287
7.6 總結(jié)和結(jié)論 289
7.7 拓展閱讀.289
第8 章 驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備 291
8.1 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路 292
8.1.1 高壓側(cè)和低壓側(cè)開(kāi)關(guān)292
8.1.2 功率負(fù)載隔離 294
8.1.3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)策略 .295
8.1.4 功率晶體管選擇 296
8.1.5 功率晶體管熱性能 301
8.1.6 驅(qū)動(dòng)LED 和蜂鳴器.304
8.2 選擇靜態(tài)顯示器 .308
8.3 流媒體視頻輸出 .310
8.4 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載 310
8.4.1 開(kāi)關(guān)電感器中的瞬態(tài)電流 310
8.4.2 驅(qū)動(dòng)電磁閥和繼電器312
8.5 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 314
8.6 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī) 317
8.6.1 電機(jī)選擇 318
8.6.2 有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 .319
8.6.3 無(wú)刷直流電機(jī)：?jiǎn)蜗嗪腿��?320
8.6.4 帶集成控制電子設(shè)備的電機(jī) 321
8.6.5 步進(jìn)電機(jī) 322
8.6.6 音圈電機(jī) 324
8.6.7 滯流和防止自毀 325
8.7 音頻輸出.327
8.8 總結(jié)和結(jié)論 328
8.9 拓展閱讀.329
第9 章 傳感外圍設(shè)備 331
9.1 無(wú)處不在的傳感器 .332
9.2 傳感器輸出類型 .333
9.3 傳感器數(shù)據(jù)采集和校準(zhǔn) 335
9.3.1 數(shù)據(jù)采集方法 .335
9.3.2 傳感器校準(zhǔn) .336
9.3.3 傳感器響應(yīng)時(shí)間 336
9.4 雙狀態(tài)器件：開(kāi)關(guān)、光斷路器和霍爾傳感器 337
9.5 位置和旋轉(zhuǎn)編碼器 .339
9.6 模擬線性傳感器：近距離觀察 341
9.6.1 模擬傳感器的特性 342
9.6.2 模擬傳感器的信號(hào)處理 .344
9.6.3 傳感器校準(zhǔn) .346
9.6.4 電流檢測(cè)方法 .348
9.6.5 電壓檢測(cè) 350
9.7 傳感器的具體應(yīng)用 .351
9.7.1 壓力傳感器 .351
9.7.2 溫度傳感器 .353
9.7.3 應(yīng)變儀 356
9.7.4 聲音和麥克風(fēng) .360
9.7.5 圖像傳感器和攝像機(jī)364
9.7.6 觸摸屏 367
9.8 總結(jié)和結(jié)論 371
9.9 拓展閱讀.372
第10 章 數(shù)字反饋控制 . 375
10.1 順序控制和反饋控制概述376
10.2 數(shù)字與模擬電路方法 .378
10.3 初步定義和概念 380
10.3.1 傳遞函數(shù)、框圖和基本反饋 381
10.3.2 瞬態(tài)響應(yīng)術(shù)語(yǔ) 383
10.4 DUC 性能選擇 385
10.5 順序控制 390
10.6 模擬控制系統(tǒng)的選擇重點(diǎn)395
10.6.1 線性系統(tǒng)和近似值 397
10.6.2 穩(wěn)定控制環(huán)的波特圖 399
10.6.3 增益和相位響應(yīng)的波特圖 .401
10.6.4 控制環(huán)路增益和相位的波特圖 403
10.6.5 積分和微分響應(yīng)的波特圖 .405
10.6.6 固定時(shí)間延遲的波特圖 406
10.7 過(guò)渡到數(shù)字控制 407
10.7.1 確定DUC 的穩(wěn)定性 .409
10.7.2 DAC 的性能要求 410
10.7.3 控制數(shù)學(xué)的準(zhǔn)確性 412
10.7.4 ADC 的性能要求 412
10.7.5 ADC 采樣率確定 412
10.7.6 ADC 和DAC 的最終選擇 .414
10.7.7 提高相位裕度的雙時(shí)鐘策略 414
10.7.8 數(shù)字梯形積分 415
10.7.9 數(shù)字積分：限制積分飽和 .416
10.7.10 基于相鄰樣本的數(shù)字微分 416
10.7.11 DSP 中的附加時(shí)間延遲 417
10.8 PID 控制實(shí)現(xiàn) .418
10.8.1 響應(yīng)變量：P、I、PI 和PID .421
10.8.2 增益調(diào)整的典型效果 425
10.8.3 Ziegler Nichols（Z-N）調(diào)諧 425
10.8.4 Chien-Hrones-Reswick（CHR）調(diào)諧 428
10.9 組件方差和控制調(diào)整 .431
10.10 自適應(yīng)控制方法.432
10.11 軌跡控制方法 .434
10.12 總結(jié)和結(jié)論 438
10.13 拓展閱讀 440
第11 章 PCB 原理圖 443
11.1 PCB 術(shù)語(yǔ) .444
11.2 PCB 設(shè)計(jì)（EDA）工具 447
11.3 入門 448
11.4 元件選擇 448
11.4.1 選擇RLC 組件 448
11.4.2 選擇板外電線的連接器 451
11.4.3 選擇IC 封裝 .452
11.4.4 核查元器件停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)與批量供應(yīng)能力 .453
11.5 測(cè)試訪問(wèn)和接口端口 .454
11.6 電路原理圖 .455
11.6.1 電路原理圖和一般組織結(jié)構(gòu) .455
11.6.2 集成電路的符號(hào)組織 458
11.6.3 占位符和不填充組件 .459
11.6.4 提供清楚的注釋 .459
11.6.5 避免模棱兩可 460
11.6.6 需要特別注意的事項(xiàng) 460
11.7 物料清單 461
11.8 定義物理層、控制層和數(shù)據(jù)層 .461
11.9 定義元件封裝 462
11.10 PCB 的機(jī)械定義 464
11.10.1 公制與英制測(cè)量 465
11.10.2 PCB 安裝 .465
11.10.3 通過(guò)機(jī)械安裝進(jìn)行電氣接地 466
11.10.4 鉆孔間距和保留區(qū) 466
11.10.5 連接PCB 的電纜 .467
11.10.6 PCB 對(duì)齊參考 467
11.10.7 保形涂層 .468
11.10.8 使用釘床的測(cè)試夾具 .468
11.11 定義PCB 層堆疊 469
11.12 層間電容 474
11.13 物理設(shè)計(jì)規(guī)則 .475
11.14 元件布局策略 .481
11.15 一般互連方法 .484
11.15.1 RLC 寄生效應(yīng)的簡(jiǎn)單估計(jì) 484
11.15.2 最走線電流 485
11.15.3 確定最小幾何走線要求 486
11.16 通孔和微通孔 .488
11.17 導(dǎo)熱通孔 491
11.18 專用互連方法 .493
11.18.1 差分信號(hào)布線 493
11.18.2 微帶傳輸線 .493
11.18.3 帶狀線傳輸線 494
11.18.4 差分微帶線和帶狀線 .495
11.18.5 開(kāi)爾文連接 .495
11.19 EMI 和ESD 策略 496
11.19.1 完整的接地層以降低EMI 496
11.19.2 淹沒(méi)式信號(hào)層接地以降低EMI.497
11.19.3 ESD 互連 .498
11.19.4 高頻電源旁路方法 499
11.20 制造和裝配特性 .499
11.20.1 一致的銅覆蓋率 500
11.20.2 面板化和分割方法 500
11.20.3 制作說(shuō)明 .501
11.20.4 制造（Gerber）文件 .503
11.21 總結(jié)和結(jié)論 504
11.22 拓展閱讀 505
第12 章 軟件和編碼 . 507
12.1 編碼語(yǔ)言 508
12.2 操作系統(tǒng) 508
12.2.1 選擇RTOS 509
12.2.2 其他RTOS 注意事項(xiàng) 513
12.3 配置端口和處理器 513
12.4 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 515
12.4.1 可移植性問(wèn)題 516
12.4.2 外設(shè)通信 516
12.4.3 啟動(dòng)外設(shè)通信 517
12.4.4 設(shè)備驅(qū)動(dòng)特性 518
12.4.5 DD 代碼的模塊化/ 層次結(jié)構(gòu) 518
12.4.6 DD 測(cè)試 .519
12.5 防御性編碼方法 519
12.5.1 預(yù)處理數(shù)據(jù)輸入（無(wú)效數(shù)據(jù)） 520
12.5.2 預(yù)處理數(shù)據(jù)輸入（帶寬限制） 520
12.5.3 預(yù)處理數(shù)據(jù)（人工輸入） .520
12.5.4 后臺(tái)重新初始化 .521
12.5.5 看門狗定時(shí)器 523
12.5.6 多控制器編碼 524
12.6 對(duì)條理清晰代碼的幾點(diǎn)建議 525
12.7 總結(jié)和結(jié)論 .526
12.8 拓展閱讀 527
第13 章 特殊系統(tǒng)和應(yīng)用 . 529
13.1 不同電子產(chǎn)品用于不同的優(yōu)先事項(xiàng) 530
13.2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)事項(xiàng) 530
13.2.1 產(chǎn)品成本 530
13.2.2 質(zhì)量和可靠性 530
13.2.3 功耗 531
13.2.4 安全性 .531
13.2.5 向后兼容性531
13.2.6 堅(jiān)固耐用和用戶濫用 531
13.2.7 維修能力 532
13.3 對(duì)開(kāi)發(fā)流程的合規(guī)監(jiān)管要求 532
13.4 風(fēng)險(xiǎn)分析 537
13.5 航空電子（航空電子設(shè)備） 539
13.5.1 設(shè)計(jì)重點(diǎn) 540
13.5.2 特殊需求 540
13.5.3 法規(guī)、認(rèn)證和批準(zhǔn) 540
13.6 衛(wèi)星和航天器（航天電子設(shè)備） 541
13.6.1 輻射 542
13.6.2 熱極限 .543
13.6.3 振動(dòng)、沖擊和加速 543
13.6.4 真空環(huán)境 543
13.6.5 部件選擇和NASA 批準(zhǔn)的零件 544
13.6.6 PCB 材料和布局 545
13.6.7 航天器的有限壽命 545
13.6.8 法規(guī)、認(rèn)證和批準(zhǔn) 547
13.7 軍事電子 548
13.7.1 設(shè)計(jì)重點(diǎn)和獨(dú)特要求 549
13.7.2 法規(guī)、認(rèn)證和批準(zhǔn) 550
13.8 醫(yī)療器械 551
13.8.1 法規(guī)、認(rèn)證和批準(zhǔn) 553
13.8.2 整個(gè)EMC 測(cè)試中的功能正常 .555
13.8.3 特殊需求 555
13.8.4 軟件和固件的監(jiān)管要求 559
13.9 汽車 559
13.9.1 典型電子控制單元 560
13.9.2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)和特殊需求 562
13.9.3 法規(guī)、認(rèn)證和批準(zhǔn) 563
13.10 消費(fèi)電子產(chǎn)品 .567
13.10.1 設(shè)計(jì)重點(diǎn) .567
13.10.2 特殊興趣團(tuán)體、技術(shù)聯(lián)盟和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 569
13.10.3 法規(guī)、認(rèn)證和批準(zhǔn) .570
13.10.4 限制有害物質(zhì) 571
13.10.5 化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、許可和限制（REACH） .571
13.11 工業(yè)自動(dòng)化 571
13.12 總結(jié)和結(jié)論 574
13.13 拓展閱讀 575
第14 章 創(chuàng)造杰出的產(chǎn)品 . 579
14.1 創(chuàng)造能解決問(wèn)題或滿足需求的產(chǎn)品 580
14.2 確定目標(biāo)市場(chǎng) 581
14.3 確定客戶想要什么 581
14.4 研究競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品 583
14.5 定義價(jià)值主張 583
14.6 確定可行的定價(jià) 583
14.7 確定適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)窗口時(shí)間584
14.8 建立聯(lián)盟和戰(zhàn)略合作伙伴584
14.9 注重易用性 .585
14.10 確定所需資源 .586
14.11 獲得設(shè)計(jì)規(guī)范共識(shí) 586
14.12 最小設(shè)計(jì)和功能迭代 586
14.13 盡早識(shí)別障礙 .587
14.14 獲取用戶對(duì)原型的反饋 .587
14.15 易于制造 588
14.16 總結(jié)和結(jié)論 588
14.17 拓展閱讀 589
縮略語(yǔ) 591