电子设计从零开始(第2版)

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内容简介: 电子设计涉及的知识面广、难度大,初学者往往不知从何入手。本书结合作者多年的学习与辅导学生进行电路设计的经验编写而成,书中集模拟电路、数字电路、单片机的基础知识和设计技能为一体,把初学电子电路设计所需要掌握的内容表现得淋漓尽致,并结合Multisim 2001仿真软件进行学习和设计。
全书按照科学的学习方法来设置章节,章节与章节之间经过精心设计具有紧密的联系,每一章几乎都使用一个实例进行贯穿。第1章从一个光控报警器实例开始,引入模拟电子电路中常用元器件及其应用。第2、3章由单管收音机、测谎仪引出了收音机电路、无线发射电路、电源电路的设计方法以及用万用板、面包板、印刷电路板进行电路实验等工艺内容。第4、5章介绍三极管放大器并最终教会大家如何设计并制作一台多媒体音箱。第6章至第8章介绍振荡器、运算放大器及其应用、传感器和其他常用电子元器件。第9章至第11章开启了数字电路设计的思考,内容包括逻辑门、布尔代数、组合逻辑、触发器、计数器等。第12章至第17章通过实例学习单片机及应用系统开发,最后以设计一个在线温度计为例,对全局的知识进行梳理性应用。
本书适合作为电类本、专科学生全面掌握电子设计基础知识的参考书,也可作为电子爱好者的实例参考用书;对于学有余力的非电类工科学生以及对电子设计感兴趣的中学生朋友来说,也是一本很好的全面了解电子设计基础知识的入门读物。

目录: 第1章 走进电子技术 1
1.1 从一个光控报警器的例子开始 1
1.1.1 电池 2
1.1.2 电阻器 3
1.1.3 光敏电阻 7
1.1.4 电位器 9
1.1.5 开关 11
1.1.6 第一次电路分析 13
1.2 利用计算机学习电子电路 14
1.2.1 Multisim 2001登场 14
1.2.2 打开、新建和保存 16
1.2.3 元器件栏和虚拟仪器栏 18
1.2.4 绘制第一张电路图 21
1.2.5 用Multisim 2001进行简单分析 26
1.3 探索半导体器件 27
1.3.1 二极管 27
1.3.2 三极管 36
1.4 例子的最终分析 42
1.4.1 蜂鸣器 43
1.4.2 第一个三极管 43
1.4.3 第二个三极管 44
1.4.4 “合适”的偏置电压 44
1.4.5 例子的扩展 46
第2章 收音机里蕴含的知识 48
2.1 解密电磁波 48
2.1.1 电磁波的简要回顾 48
2.1.2 无线电通信频段 50
2.1.3 单管收音机电路图 51
2.2 小功率无线发射机 52
2.2.1 电声元件 52
2.2.2 电容器 56
2.2.3 电感器 65
2.2.4 扩音器中的三极管 66
2.2.5 调制与解调 69
2.2.6 天线 70
2.2.7 AM与FM 71
2.3 收音机的故事 76
2.3.1 收音机的进化 76
2.3.2 调谐 77
2.3.3 解调 80
2.3.4 单管收音机的最终分析 85
第3章 制作第一件电子作品 87
3.1 制作一个测谎仪 87
3.1.1 面包板 87
3.1.2 插面包板 90
3.1.3 万用板与印刷电路板 91
3.1.4 电路设计过程 96
3.1.5 从电路原理图到印刷电路板图 98
3.1.6 自制印刷电路板 104
3.1.7 焊装 108
3.2 为电子系统设计一个直流稳压电源 112
3.2.1 变压器 113
3.2.2 整流 119
3.2.3 电源滤波 124
3.2.4 稳压 127
3.2.5 设计直流稳压电源 134
第4章 从扩音机中学小信号放大器 136
4.1 放大器的踪影 136
4.1.1 小信号放大 136
4.1.2 小信号放大及功率放大 138
4.1.3 扩音器系统中的小信号放大器 139
4.2 全面了解三极管 141
4.2.1 三极管的3个直流特性 141
4.2.2 再谈三极管开关 150
4.3 用三极管放大小信号之前 155
4.3.1 分压器为三极管放大创造直流工作环境 155
4.3.2 静态工作点 160
4.4 三极管小信号放大器 163
4.4.1 直击小信号放大器 163
4.4.2 共e极放大器(分压器偏置) 166
4.4.3 共e极放大器(c极反馈偏置) 172
4.4.4 e极跟随器 173
4.4.5 共b极放大器 178
4.4.6 多级放大器 180
4.5 反馈及放大器的频率特性 183
4.5.1 反馈 183
4.5.2 影响放大器频率特性的因素 186
4.5.3 幅频特性与相频特性 188
4.6 完成扩音机的制作 192
4.6.1 扩音机电路 192
4.6.2 制作与调试 193
第5章 从多媒体音箱中看功率放大器 195
5.1 多媒体音箱的蓝图 195
5.1.1 立体声多媒体音箱 197
5.1.2 音箱箱体及材料选择 198
5.2 信号功率的提升——功率放大器 201
5.2.1 Class A放大器 202
5.2.2 Class B放大器 211
5.2.3 Class C放大器 226
5.2.4 Class D放大器 228
5.3 多媒体音箱设计及制作 231
5.3.1 前置放大器 231
5.3.2 功率放大器 236
5.3.3 分频器 242
5.3.4 电源电路及布线 247
5.3.5 实用音响电路大放送 252
第6章 振荡器的丰富多彩 256
6.1 信号波形与调理电路 256
6.1.1 常见信号波形 256
6.1.2 信号的调理 259
6.1.3 RC电路——微分器与积分器 267
6.1.4 RC电路——无源滤波器 271
6.2 振荡器面面观 278
6.2.1 振荡的原理 279
6.2.2 多谐振荡器 281
6.2.3 射频振荡器 289
6.3 振荡器的应用 293
6.3.1 灰太狼闪光胸针 293
6.3.2 施密特触发器 295
6.3.3 声控摇头驴 296
6.3.4 电话机挂机提醒/通话限时器 298
第7章 集成电路ABC 301
7.1 集成电路基础知识 302
7.1.1 一开始 304
7.1.2 集成电路分类 307
7.1.3 集成电路的电路符号 313
7.1.4 集成电路的技术参数 314
7.2 运算放大器的神奇 317
7.2.1 运放正式登场 319
7.2.2 了解运放的若干参数 320
7.2.3 同相放大器与反相放大器 322
7.2.4 比较器 329
7.2.5 加法放大器 334
7.2.6 差分放大器 338
7.2.7 有源微分器和积分器 343
7.2.8 有源滤波器 346
第8章 传感器及其他器件 355
8.1 传感器 355
8.1.1 传感器有哪些 356
8.1.2 压力传感器 358
8.1.3 光电传感器 362
8.1.4 温度传感器 364
8.2 其他常用的元器件 367
8.2.1 发光二极管 367
8.2.2 光耦 368
8.2.3 场效应三极管 370
8.2.4 可控硅 372
8.2.5 继电器 374
第9章 数字启航 376
9.1 开始数字逻辑的思考 376
9.1.1 从磁带到MP3 376
9.1.2 数字电路的语言 379
9.1.3 数制和编码 380
9.2 逻辑门 382
9.2.1 与门、或门、非门 382
9.2.2 与非门和或非门 386
9.2.3 逻辑门集成电路 387
第10章 逻辑门的应用 389
10.1 简单的逻辑运算 389
10.1.1 布尔代数及运算规则 389
10.1.2 用布尔代数分析逻辑电路 391
10.1.3 用布尔表达式描述真值表 394
10.1.4 卡诺图 396
10.1.5 七段数码管 398
10.2 组合逻辑的功能器件 400
10.2.1 与或门 400
10.2.2 加法器 402
10.2.3 比较器 403
10.2.4 译码器和编码器 404
第11章 翻转与计数 406
11.1 锁存器与触发器 406
11.1.1 锁存器 406
11.1.2 边沿触发器 409
11.1.3 触发器应用 411
11.2 触发器与振荡器 414
11.2.1 施密特触发器 414
11.2.2 单稳态多谐振荡器 416
11.2.3 555定时器 417
11.3 计数器 422
11.3.1 异步计数器 422
11.3.2 同步计数器 426
第12章 单片机就在我们身边 431
12.1 身边的单片机 431
12.1.1 单片机在哪里 431
12.1.2 单片机的特点 431
12.2 开发准备 433
12.2.1 单片机是什么样子的 433
12.2.2 有哪些单片机 434
12.2.3 最简单片机系统 435
第13章 单片机和LED 438
13.1 如何控制一个发光二极管 438
13.1.1 功能确定 438
13.1.2 电路设计 439
13.1.3 程序设计 440
13.1.4 程序开发软件 443
13.1.5 程序下载 448
13.2 按钮控制的发光二极管 449
13.2.1 功能确定 449
13.2.2 电路设计 449
13.2.3 程序设计 449
13.2.4 谈谈延时子程序 451
13.2.5 用中断实现的控制方案 452
第14章 给单片机下命令 458
14.1 谈谈基础知识 458
14.1.1 整体特点和结构 458
14.1.2 管脚描述 459
14.1.3 时钟信号 461
14.1.4 程序存储器 462
14.1.5 数据存储器 463
14.2 单片机如何执行指令 469
14.2.1 单片机是怎样执行指令的 469
14.2.2 寻址方式 470
14.3 指令系统 471
14.3.1 算术指令 471
14.3.2 逻辑指令 475
14.3.3 片内数据装载指令 478
14.3.4 查表指令 480
14.3.5 布尔指令 481
14.3.6 调用子程序指令 482
14.3.7 跳转与循环指令 484
第15章 跑马灯 487
15.1 开发一个跑马灯系统 487
15.1.1 任务的提出及电路图 487
15.1.2 多种程序方案 488
15.2 定时器与计数器 490
15.2.1 什么是定时/计数? 490
15.2.2 Timer相关寄存器 491
15.2.3 Timer的4种工作模式 493
15.2.4 把定时器应用于跑马灯 495
15.2.5 一个计数器的例子 497
第16章 秒表与时钟 499
16.1 制作一个秒表 499
16.1.1 秒表任务及电路图 499
16.1.2 秒表程序 500
16.2 制作一个时钟 501
16.2.1 七段数码管的扫描方式 501
16.2.2 时钟任务及电路图 503
16.2.3 时钟程序 504
第17章 在线温度计 508
17.1 在线温度计系统规划 508
17.1.1 如何规划系统 508
17.1.2 温度信号的采集与放大 509
17.2 模数转换 510
17.2.1 初识ADC 510
17.2.2 ADC与单片机 513
17.2.3 在线温度计系统电路 515
17.3 串行口通信 517
17.3.1 串行发送数据给跑马灯 517
17.3.2 与串行口通信有关的寄存器 520
17.3.3 串行口工作模式及波特率 521
17.3.4 计算机上的串行口 523
17.3.5 用Visual Basic编写一个串口通信程序 527
17.3.6 单片机与计算机通信 532
17.3.7 在线温度计的程序设计思路 534
附录A 标准EIA电阻阻值表 536
附录B Multisim 2001的安装 539
B1 安装环境要求 539
B2 安装Multisim 2001程序 539
B2.1.1 安装步骤 539
B2.1.2 激活Multisim 2001 541
附录C Multisim 2001的菜单栏 543
附录D Multisim 2001中的虚拟仪器 547
D1 虚拟仪器的基本操作 547
D2 虚拟仪器的功能和使用 547
D2.1.1 数字万用表(Multimeter) 547
D2.1.2 函数信号发生器(Function Generator) 549
D2.1.3 瓦特计(Wattmeter) 550
D2.1.4 示波器(Oscilloscope) 551
D2.1.5 波特计(Bode Plotter) 553
D2.1.6 字信号发生器(Word Generator) 555
D2.1.7 逻辑分析仪(Logic Analyzer) 557
D2.1.8 逻辑转换仪(Logic Donverter) 559
D2.1.9 失真度分析仪(Distortion Analyzer) 560
D2.1.10 频谱分析仪(Spectrum Analyzer) 561
D2.1.11 网络分析仪(Network Analyzer) 562
附录E 自制矿石收音机 563
附录F 常用元器件电路符号及外形 567
附录G 稳压二极管1N5333~1N5388(5W)参数表 575
附录H 三极管2N3904器件手册 576
附录I 光控报警器分析 583
附录J 常用三极管参数表 584
附录K 300W功率放大器 587
附录L 具有待机、静音功能的100W功率放大器TDA7293 591
附录M 主流电子元器件生产商网址 592
附录N 常用数字集成电路型号 594
附录O 数字电路综合设计——数字钟 597
附录P 51单片机指令集 601
附录Q AT89S51单片机特殊功能寄存器一览表 606
附录R 指令的执行代码表 614
附录S ASCII码表 621
参考文献 625

前言: 前 言
本书是在广大读者的帮助与支持下对5年前出版的《电子设计从零开始》一书的修订与补充。这5年无论是电子技术还是计算机技术都有了非常大的进步,所以第1版中的某些内容显得有些跟不上科技的发展了。另外,笔者这5年来在英国学习的一些心得也对本书内容的更新产生了积极的影响。
一、特色
本书集模拟电路、数字电路、单片机的基础知识和设计技能为一体,把初学电子电路设计所需要掌握的内容表现得淋漓尽致。
全书语言生动活泼、平实易懂。没有过多复杂的计算(只有乘、除法),也没有生涩的大理论,更没有读不懂的过程,只要知道欧姆定律的朋友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,力求用图让读者来形象地理解知识及过程,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,没有基础的朋友一时可能不知道从哪里开始学习、如何开始学习。我们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。
全书浑然一体,章节与章节之间经过精心设计具有紧密的联系。前面章节讲到的一些实例和知识点会被后续章节提到,一些学习过程中自然产生的疑问会在后续章节中得到解答。这样就形成了一个立体式的阅读和学习过程,有利于知识的强化。
二、内容
本书的内容包括模拟电子电路、数字电路基础和单片机应用基础并通过“讲故事”的形式将这3部分内容逐步展开,而且结合电路仿真软件Multisim 2001对许多实例进行了演示和验证。这3大部分内容是我们进行电子系统开发、电子仪器设计的基础。本书着眼于技术的应用,并不苛求计算和过于复杂的理论。
本书每一章几乎都使用了一个实例进行贯穿,实例都是日常生活中经常见到的电子产品中的电路。一章之内把实例中的知识点、设计技巧全面解决,并引出丰富的电子元器件和电路设计知识。
模拟电路是数字电路和单片机应用的基础。第1章从一个光控报警器实例开始,渐渐引入模拟电子电路中常用元器件的知识及它们的应用范例。Multisim作为学习电路的好帮手也在一开始进行了详细的介绍。利用实例结合仿真的方法感受三极管开关在光控报警器中的作用。
第2章通过一个单管收音机带出了电磁波、无线发射等内容,便于读者初步了解收音机电路、无线发射电路的设计方法。第3章中的测谎仪电路带给我们的是电路实验和电子工艺方面的知识,比如如何用万用板和面包板进行实验、电路如何从设计变成制作、印刷电路板如何设计、电源电路如何设计等都结合实例进行讲解。
第4、5章介绍了电路中难但很重要的内容——三极管放大器,其中巧妙地结合实例及仿真介绍了三极管、小信号放大器、功率放大器,最终教会大家如何设计并制作一台多媒体音箱。
第6章利用振荡器来巩固反馈的设计思想,并以几个实用的例子来解答设计中的问题。第7章以运算放大器及其应用为例,揭示在电路设计中使用集成电路原来如此轻松。第8章把传感器和其他常用电子元器件作为设计知识的扩充。
第9章至第11章是数字电路部分,开启了数字电路设计的思考,内容包括逻辑门、布尔代数、组合逻辑、触发器、计数器等。
第12章到第17章都在谈单片机,通过实例学习单片机控制外设的能力。同时也对单片机应用系统开发的过程、单片机结构进行简要介绍。单片机的内容从控制一个发光二极管开始,慢慢深入并逐步介绍I/O口、中断、定时/计时器、串口通信等知识。最后还以设计一个在线温度计为例,对全局的知识进行梳理性应用。
通过对本书的学习,掌握了书中知识后,设计并完成一个综合性较强、具有一定技术含量的电路系统是没有问题的。
三、对象
本书可以作为大学、中专院校开展电子制作和科技创新的参考书,也可作为电子爱好者的实例参考书。在学习过程中如果遇到什么问题,可以访问电路飞翔网(http://www. circuitfly.com),其中有大量翔实的帮助和实验指导。
想进一步学习Multisim仿真和Protel电路设计的朋友可以参考本书的姊妹书《电路设计与仿真——基于Multisim 8与Protel 2004》;想对单片机及实战系统应用设计进行更全面扎实了解的朋友可以参考《51单片机应用从零开始》、《51单片机应用实例详解》等书。
由于水平有限,书中难免有介绍不清楚的地方,欢迎读者发电子邮件(E-mail: Eedesign
@163.com)来共同探讨问题和提出意见,也欢迎企业界的朋友向我们推荐好的学习产品作为今后写作的实例。
四、说明
由于本书的电路图使用Altium Designer 6和Multisim 2001软件绘制,其中一些电路符号与国内现行的略有差别。为了读者朋友能对应起来,我们制作了一个简表如下,其中同一栏中的两个电路符号等价,左边的是国内现行的标准,右边的是本书中使用的。
整流二极管 发光二极管 稳压二极管 光电二极管 隧道二极管 肖特基二极管
五、特别感谢
首先要特别感谢被誉为人类B超之父的英国最高级巴思爵士获得者、英国皇家学会会员、英国皇家工程院院士、英国医学科学院院士、英国加的夫大学特聘教授Peter NT Wells为本书作序。同时感谢他以80岁的高龄依然在为人类的健康、医用超声发展持续贡献。笔者为在博士后期间与他一同工作在超声辅助加速器癌症治疗等课题中感到莫大的荣幸。
另外还要感谢英国帝国勋章获得者、英国皇家物理学家和科学家、英国加的夫大学特聘教授 John P Woodcock对本书诸多内容的精心指导以及对笔者科研、论文的帮助。
本书的完成,得到了英国加的夫大学电子物理医学研究机构首席科学家Len DM Nokes教授的倾力帮助,他在运动损伤的诊断及治疗、超声成像等医学工程研究中给笔者许多有益的思路和具体指导。
本书第1、第2版的问世都与北京交通大学的王玉凤和刘湘黔两位教授的帮助与支持紧密难分。书中的点点滴滴都在他们长达10年的关怀、支持、鼓励下得以沉淀,他们在教书育人、科学研究中倾注的毕生精力为社会创造了平凡而伟大的财富。
还要特别感谢北京交通大学生物医学工程系主任刘杰教授和北京军区总医院计量科主任刘文教授,他们多年来在电子物理医学领域给予笔者长期精心指导,使笔者在诸多生物医学工程项目的合作中迅速成长起来。
本书中许多电路实例、程序设计由北京交通大学的张延强、张铠麟、支瑞聪、刘长焕、王正浩、陈新、昌文婷等几位博士共同完成。本书还得到了赵兴东、赵东旭、傅予嘉、陈伟、胡文锦、何帅、Alqahtani Mahdi、Hamid Bidi的帮助,在此对他们的辛勤付出表示诚挚的谢意。
此外,还要对北京交通大学计算机学院院长韩臻教授、党委书记杨晓晖教授、党委副书记余亚光教授给予的支持与帮助表示极大的感谢。另外对物理系的成正维、牛原、杨甦、蔡天芳、滕永平等几位教授和“关工委”的岳兆宏教授表示最崇高的敬意。
另外,还要感谢英国加的夫大学临床医院的Dr. Neil Pugh和Dr. Declan Coleman、伦敦帝国理工学院的Dr. Roy Clement、伦敦玛丽女皇学院的Dr. Deric Jones和Dr. Hazel Screen等的帮助。
特别要感谢深圳职业技术学院副校长温希东教授对本书内容的指导和肯定。还要感谢宋荣、贾方亮老师在具体电路、设计思路上给予的大力帮助。
还要由衷地感谢剑桥大学的Dr. Dong F Liang和Dr. Xiao L Wang夫妇的帮助;并对《电子制作》、《电子测试》、《家庭影院技术》和《家电维修》杂志社的总编陈忠、社长陈晓筱、副主编杨来英、编务王雪珍等老师表示最大的感谢;此外还要感激清华大学的韦思健教授和中国科学技术大学的赵文教授及夫人对内容的指导;还要对北京城市学院的汪仁里老师及其夫人表示感谢。同时对本书提供了许多宝贵建议的科学出版社的王淑兰老师表示感谢。
当然还要感谢梁丽丽、张晟、周萍、赵少云和雷丽明几位老师,他们对笔者的成长起了至关重要的作用。
最后,要感谢我的父母和祖父母等家人,他们多年来养育了我;另外还要感谢挚友崔捷10多年来给予的莫大帮助。
杨 欣
Cardiff University
United Kingdom
2010年5月

序言: 第1版 序
当今社会对优秀人才的评价,已不仅仅局限于其卷面分数,而更看重的是一个人的理论创新能力和解决实际问题的能力。特别对于当代大学生来说,其动手能力和工程素质的培养尤为重要。
为把握时代发展的脉搏,各高校都依据自身情况,通过各种途径增强对学生实践能力的培养。北京交通大学十分重视学生综合素质教育,除学校各学院积极开展以科技创新为主题的各种科技竞赛活动之外,学校每年还举行“挑战杯”学生课外科技作品大赛,并组织、培训学生参加国际、国内的各种科技竞赛,以鼓励优秀人才脱颖而出。
为深化高等工科教育教学改革,提高工科基础课程教学水平与人才质量,原国家教委1996年决定进行国家工科基础课程教学基地建设,北京交通大学承担了物理和电工电子教学基地的建设任务。国家工科基础课程教学基地是国家继开设重点学科和开放实验室之后,在高等工程基础教育方面实施的又一重大改革与建设项目,它代表国家同类基础课程教学的最高水平,在全国充分发挥了示范辐射作用。
《电子设计从零开始》一书的草本,作为国家工科基础课程物理教学基地学生创新实践的培训教材,在过去几年的实践检验中获得了好评。该书进一步完善后得以在清华大学出版社出版,是对本书编纂工作的充分肯定。
《电子设计从零开始》全面系统地介绍了进行电子设计与制作所需要的知识,内容丰富、结构清晰、文笔流畅。不光电类专业的学生应该读一读,物理、机械等其他专业的理工科学生也可以读一读,因为学科之间是交叉关联的。对于非电类专业的理工科学生来说,掌握一定的电子设计技能很有必要。同时,希望将来有志于成为电子设计工程师的中学生朋友也读一读,因为对于电子设计知识的初步了解,会对你们将来的大学专业学习大有裨益。
该书的作者杨欣是我校学生科技创新活动中的佼佼者,王玉凤和刘湘黔是学生科技创新实践活动的优秀辅导教师。相信他们的学识、经验和心血凝聚成的这本书,将会成为大家步入电子设计之门的一把钥匙。

北京交通大学校长