自学指南(初始版本)
自学指南
西华大学电气信息学院
创新实验室
自学指南
版本：1.0
最后修改：2011年11月6日
自学指南
版本历史 版本 修改时间 备注
由08同学归纳的初始版本
实验室学习过程：
以下3个框图概括了创新实验室同学的自学3大阶段：电子线路基础——智能电子设计——专业方向培养。
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第一部分：基础
1.1电子元器件认识和相关参数的查询
1.1.1参考书：
《电子线路设计 实验 测试》 华中科技大学出版社
1.1.2说明：
电子元器件的认识是进入电子的世界的第一步，主要掌握对各种基本元器件的种类、参数、型号的认识与了解，要想达到熟练认识电子元器件的水平，除了理解书本上所介绍的相关知识外，更重要的是结合实际元件加深理解，并最终达到看到实际元件就能说出它的类型、参数和基本用法。对于元件的其他参数，并不会标注在元件的封装上面，所以我们需要通过读元件的PDF来获取相关信息。我们可以通过元件查询网站搜索元件的PDF文件（即**.pdf），打开后可以查询到元件的相关介绍和我们需要的参数。学会读元器件的PDF对于以后的元件使用和电路设计来说是必不可少的基本功。
1.1.3练习题：
1. 色环电阻的读法
2. 电阻、电容、电感的种类、作用
3. 二极管、三极管、场效应管的认识
4. 查询任意一款运放的PDF，并将运放的特点和基本参数罗列出来。
5. 发光二级管、数码管……
6. 集成电路
7. 继电器
1.2工具软件使用
1.2.1参考书：
相关软件帮助文档
《电子技术基础 模拟部分》(第五版) 康华光 主编
《单片机原理及应用》 张毅刚 主编
《51系列单片机高级实例开发指南》 李军 等主编
《MATLAB实用教程》（第二版） （美）穆尔 ，高会生
《EDA技术与VHDL》（第三版）清华大学出版社。
1.2.2练习题：
1. 使用ISIS仿真一个低通、高通、带通、带阻、滤波器。观察波特图，幅频相频特性曲线。
2. 使用ISIS仿真一个单片机数字红系统，实现数字钟，要求可以调节时间，有多个闹钟，有多种闹钟铃声。(使用Keil C和 ISIS级联调试)
3. 用Keil C51编写程序实现2中的功能，附加功能：显示年月日，并且可以显示农历。
4. 实现2，3功能后，添加功能，显示节日信息。
5. 实现2，3，4功能后，添加功能，可以添加备忘记录。
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6.
7.
8.
9. 使用protel软件完成2中的原理图和PCB的制作 熟悉MATLAB工作环境，练习常用命令 编写一个M文件，实现序列的卷积功能 使用simulink中的DSP/Builder设计FIR、DDS等（DSP/Builder可实现很多复杂的算法，通过此工具可节省很多人力资源）
1.3模拟电路
1.3.1参考书：
1、《电子技术基础 模拟部分》（第五版） 主编：康华光 高等教育出版社
2、《电子技术基础（习题全解）》 第五版 主编：陈大钦 高等教育出版社
3、《电子线路设计•实验•测试》（第三版） 主编：谢自美 华中科技大学出版社
4、《OP放大电路设计》 主编：【日】岗村廸夫 科学出版社
5、《电力电子技术》（第四版） 西安交通大学 王兆安 黄俊 主编 机械工业出版社
6、《测量电子电路设计—模拟篇》（从OP放大器实践电路到微弱信号的处理） 主编：
【日】远坂俊昭
7、《电路原理》（第二版） 主编：周守昌 高等教育出版社
1.3.2练习题：
1、 常见的二极管有哪几类？他们的主要作用是什么？分别画出二极管做整流、保护（输入或输出）、限幅、钳位、克服交越失真的应用电路。
2、 直流稳压电源由哪几部分组成？画出整体电路。
3、 波形变换（方波→三角波→正弦波）。注意每一部分电路的特征。
4、 用三极管设计一个20dB的电压放大电路。（注意参数的选取，管子的工作区间）
5、 无源滤波器的设计。
6、 有源波器的设计。
7、 比较无源滤波器和有源波器的区别，注意各自的应用环境。
8、 正弦波振荡器的设计。
9、 什么是零点漂移、温度漂移？抑制零点漂移的办法有哪？
10、 学会判断正或负、电压或电流、并联或串联反馈电路，弄清他们的区别和各自的应用领域。
11、 学会认识电器元件以及他们的属性，慢慢适应阅读英文资料的pdf。
12、自己试着动手做一个直流稳压电源和一个功率放大器。
1.4数字电路基础
1.4.1参考书：
康华光，北京-高等教育出版社，《电子技术基础-数字部分》•第五版
谢自美，武汉，华中科技大学出版社，《电子线路设计•实验•测试》•第三版
1.4.2知识点掌握：
TTL与CMOS电平，基本逻辑运算，卡诺图，锁存器和触发器，时序逻辑，74和40系列集成数字芯片了解应用
1.4.3练习题：
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1. 基于555的单/双稳态振荡器，多谐振荡器设计
2. 触摸开关
3. 编码/译码电路设计
4. 数码管驱动
5. 点阵驱动设计
6. 时钟信号发生器（低频，高频）
7. 频率计设计
8. 8位流水设计
9. 定时器设计
10. 数字时钟设计
11. 十字路口交通灯设计
12. +5V产生-5V电压
13. 抢答器设计
1.5 C语言基础
1.5.1参考书：
《C语言程序设计》（第三版） 清华大学出版社 谭浩强
1.5.2练习题：
1. 使用VC++6.0或者VS练习冒泡排序
2. 给出一个时间，然后输出此时间的下一秒，注意考虑闰年、大小月。
3. 求ax2 + bx + c = 0 方程的解。
4. 输入两个整数m和n，求其最大公约数和最小公倍数。
5. 输出一下杨辉三角形（要求输出10行）。
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
…....
6. 用递归方法求n！。
7. 了解指针，并找相关题目练习。
8. 了解共用体，并找相关题目练习。
9. 了解链表，并找相关题目练习。
1.6单片机基础
1.6.1参考书：
《单片机原理及应用》 张毅刚 主编 高等教育出版社
《MCS51单片机应用设计》 张毅刚 主编 哈尔滨工大学出版时
1.6.2练习题：
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1. IO类：
1) 流水灯。
2) 4*4按键扫描。
3) 驱动LCD1602。
2. 定时器：
1)报警产生器：输出标准1KHz的脉冲信号。
2) 测量外部脉冲信号脉宽。
3. 串口：
1)实现双机通信：两单片机通过串口交换数据。
2)与上位机通信如：与VB应用程序通信。
4. 外部中断：
1)基于外部中断的按键扫描。
2)对外部脉冲计数。
5. 外围接口：
1)驱动IIC接口的芯片如：EEPROM芯片AT24C02。
2)驱动SPI接口的芯片，自找常见于AD/DA芯片。
3)驱动单总线的芯片如：温度传感器DS18B20。
4)了解RS485，USB，CAN等总线协议。
6. 总线：
a) 熟悉单片机的总线最小系统。
b) 用总线方式选做以上实验。
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第二部分：软件
2.1Windows平台应用软件
2.1.1参考书：
《programming windows》即《windows程序设计》（作者：Charles Petzold） 孙鑫的VC++视频
《C++ primer》作者：Stanley B.Lippman
《VC串口通讯编程实践》作者：龚建伟 熊光明
2.1.2说明：
编写Windows平台下的应用软件，为设备编写上位机程序。可以选择使用MFC、VB、VC++.Net、VB.net、C#.net、Labview等。上述参考书中都是偏向c++或者VC，原因是目前上位机主要是用VB和VC。VB做上位机的话，只需参考下你们目前使用的教材即可，然后再从网上搜索下有关MSCOMM控件的资料即可。使用VC做上位机则较为灵活，可以使用MSCOMM控件，也可以自己编写串口通讯类。PS:强烈建议同学们在学VC前先看下C++ primer这本教材，在学习VC的时候，配合孙鑫的VC视频效果尤甚。 涉及知识：VB、VC 、MFC
2.1.3练习题：
1.使用自己熟悉的语言和开发平台编写一个简单窗体程序（基本控件）。
2.利用VB以及MSCOMM控件编写一个上位机程序
3.精选C++ primer这本书中每章课后的习题并完成之
4.利用VC编写上位机
5.利用VC编写串口助手（难度较大，有兴趣的可以试试）
2.2 Linux平台应用软件
参考书：……
说明：QT编程
涉及知识：
2.3嵌入式平台应用软件
参考书：……
说明：winCE、windowsmobile、ARMLinux、android等系统应用软件
涉及知识：
练习题
2.4系统驱动程序
参考书：……
说明：各种操作系统的驱动开发
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涉及知识：
2.5远距离通信
2.5.1说明：
485、can总线及Modbus协议等
2.5.2涉及知识：
通讯协议、总线的电气特性。
2.5.3练习题：
1. 使用RS485实现2机通信。
2. 利用RS232实现多机通信。
3. RS232和RS485的使用场合。
4. 使用Modbus实现多机通信。
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第三部分：模拟、数字电路
3.1PCB layout
3.1.1说明：
全称印刷电路板（Printed Circuit Board)设计。印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，缩短项目研发时间。
3.1.2涉及知识：
电源PCB设计、各种信号走线注意事项
3.1.3练习题：
１.正负电源ＰＣＢ设计
２.开关电源ＰＣＢ设计
３.贴片封装的原件ＰＣＢ设计（如单片机、ＣＰＬＤ等）
４.各种信号PCB设计
3.2 FPGA、CPLD
3.2.1参考书：
电子技术基础(数字部分) ，数字系统设计与Verilog HDL，SOPC 嵌入式系统实验教程(一) ，SOPC 嵌入式系统实验教程(二) ，现代DSP设计与实践教程(一) ，现代DSP设计与实践教程(二)
3.2.2说明：
FPGA、CPLD的学习要着重区别与MCU编程的区别。以下实验内容较少，FPGA的学习需要更多的知识，希望参考的同学以以下实验为点展开全面的学习。学习需要循序渐进，没有良好的基础功底，前面的路将会越来越窄，也将越来越艰难。具体硬件和软件根据实际情况而定。
3.2.3涉及知识：
基本数字电路设计，SOPC技术，DSP Builder技术
3.2.4练习题：
基本数字电路设计阶段
硬件准备：普通FPGA、CPLD开发板
软件准备：Quartus II
1. 8位全加器的设计。
2.三态逻辑设计。
3.定制PLL和RAM的学习。
4.通过状态机的学习控制AD0804数据采集。
5.多功能数字钟的设计。
7.学习单片机与FPGA的通信，进而实现DDS的功能。
8.在FPGA上嵌入MCS51单片机。
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SOPC技术阶段
硬件准备：较高档次的FPGA开发板，开发板必须有SDRAM和FLASH，还需要较多的IO口和逻辑单元(因为NIOS核将占用较多的IO和逻辑单元) 。所以建议使用主控FPGA型号为CYCLON II系列EP2C5Q208C7。CPLD不能使用SOPC技术。
软件准备：Quartus II，NIOS II
9.通过SOPC定制NIOS核，并调试通过。
10.为NIOS核配置中断和定时器，学习NIOS核的基本应用。
11.通过使用QUARTUS II自带的逻辑分析仪，调试AD采样。
12.通过上网查询资料学习Avalon总线，学会PWM的IP核的设计。
13.自己设计多功能交流信号测试控制器IP核的设计，硬件直接用高速AD，再通过FPGA控制采样，计算出频率、幅度、周期等参数，最后将AD控制器封装成IP核。
14.学习uc/osii操作系统，并移植到NIOS核上，并学会使用。
DSP Builder技术
硬件准备：较高档次的FPGA开发板，需有较多的IO口和逻辑单元。所以建议使用主控FPGA型号为CYCLON II系列EP2C5Q208C7。CPLD不能使用DSP Builder技术。
软件准备：Quartus II，NIOS II，DSP Builder，MATLAB，Modelsim
15、学习MATLAB和DSP Builder等软件的基本使用。
16、基于DSP Builder的DDS设计。
17、FIR数字滤波器的学习和使用。
18、FFT快速傅立叶变换的学习和使用。
3.3电源
3.3.1参考书：
《开关稳压电源——原理、设计及实用电路》 《精通开关电源设计》 《实用电源电路设计》
3.3.2说明：
注意PCB制版上的规则。
3.3.3涉及知识：
整流滤波，驱动方法，高频变压器，电容电感知识。
3.3.4练习题：
1、利用78XX系列芯片设计制作正负线性稳压电源（正负5V or 18V）。
2、选择设计制作降压、升压、极性反转开关电源（种数自定）。
3、利用MC34063设计制作电源。
4、设计制作数控开关电源（利用BUCK-BOOST结构）。
5、设计制作半桥或全桥的开关电源。
3.4模拟信号调理
3.4.1参考书：
电子线路设计、实验、测试，模电，运算放大器应用电路设计（马场清太郎）
3.4.2说明：
注意信号在电路中的走向
3.4.3涉及知识：
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器件选型，信号，噪声，滤波，简单运算等
3.4.4练习题：
1、利用运算放大器设计制作一个信号发生器（正弦、方波、三角波）
2、设计制作截止频率为5K的低通滤波器（有源、无源）
3、设计制作加减法电路（运放）
4、分别使用三种运放对不同信号进行放大（供电、失调、输入信号等）
5、设计制作功率放大电路（三极管+运放）
6、分别使用电双电源运放对信号进行放大
7、分别设计电压采样、电流采样（高、低端）电路
8、设计制作4—20mA的电路环电路
3.5传感器
3.5.1参考书：
《传感器与检测技术》（第2版） 电子工业出版社
3.5.2说明：
使用传感器要清楚的知道传感器的工作条件与环境，传感器的参数等。传感器主要分为 模拟传感器，数字传感器，开关传感器。
3.5.3涉及知识：
传感器的认识、传感器工作原理、传感器的参数选择
3.5.4练习题：
1、用线性光敏电阻测量光照强度。
2、用线性热敏电阻测量温度，能测量数百摄氏度。
3、用数字传感器测量空气温度、湿度。
4、用开关传感器测量直流电机的转速。
5、超声波传感器测量距离
6、霍尔传感器测量自行车速度，里程
7、用一体红外接收传感器做数据通信
8、用一体红外接收传感器做小车壁障
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第四部分：算法
4.1数字滤波
4.1.1参考书:
①《MATLAB程序设计与实例应用》 （高等教育出版社）
② 周立功Magic-SOPC实验指导书
4.1.2说明:
算法离不开MATLAB，想要学习好算法，大家应该学会使用MATLAB这个软件.涉及知识:高深的数学理论,基本的MATLAB操作。
FIR,IIR,自适应滤波,特殊模型构建(数字幅频均衡原理),等等
4.1.3涉及知识
①MATLAB中滤波器设计软件FDATOOL的使用。
②DSP-Builder设计滤波器的使用方法。
4.1.4练习题
①在MATLAB中使用FDATOOL工具设计各种滤波器。
②在DSP-Builder中设计各种滤波器。
4.2图像处理
4.2.1参考书:
百度,论坛,专业技术群.
4.2.2说明:图像还原,图像处理,图像分割,图像识别技术.
4.2.3涉及知识：
FPGA数据处理,图像缓存,FIFO数据处理,SDRAM封装成多口FIFO,图像数据FFT处理,MATLAB前期仿真,Simlink模型建立等等.
软件无线电
参考书: 百度,论坛,专业技术群.
说明:通信专业的可以加深学习.学习得时候硬件可以依托DSP处理器或者FPGA.
设计知识:高速AD/DA的使用,快速数据处理,硬件乘法器,流水线处理,数字调制原理及方法,数字解调原理及方法等等.
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第五部分：综合设计
5.1运动控制
5.1.1电机驱动
参考书：
《电机学》（第二版）张广溢 郭前岗 重庆大学出版社2006 2其他
说明：
电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备，电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。
涉及知识：
掌握电机基本模型以及常用电机种类和相关特性，掌握直流电机和步进电机驱动方式如：单臂驱动，推挽驱动，H桥驱动，PWM原理和波形的产生。了解交流电机，尤其是变频变压驱动。了解同异步电机及特殊电机如伺服电机。（注重电机的调速原理和启动制动方式以及保护）
练习题目：
1. PWM的产生（以及调制原理）
2. 步进电机驱动（注意项数和接线方式）
3. 步进电机驱动细分（软件细分的方法）
4. 直流电机驱动（H桥-分立和集成模块）
5. 交流电机驱动（如使用变频器）
6. 舵机驱动（精确控制转角）
7. 无刷电机驱动（了解原理，主要是时序）
8. 伺服电机应用
5.1.2相关传感器
参考书：
《传感器与检测技术》（第2版） 电子工业出版社
《经典滤波算法》
相关传感器的PDF
说明：
我们使用传感器在初步只需掌握它的基本原理和传感器与控制器的接口。就传感器的原理来说，应该多参考相应的书籍和相关型号的PDF来学习，在这里不再一一列举；从接口来说，可以分为模拟接口和数字接口，模拟接口一般需要相应的信号处理电路，
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将传感器的信号变换到一定范围，以便我们使用AD将模拟信号转变为数字信号供控制器运算和处理。要达到以上要求，就需要我们对基本信号处理电路和运放、三极管、AD等器件能熟练运用。而对于数字接口，传感器会采用各种总线与控制器相接，比如：I2C、SPI等等，这时候就需要我们熟悉基本总线的操作和理解操作时序图。除了以上提到的，要想使用好传感器还需要对程序有一定的了解，用AD采得的数据可能含有我们不需要的部分，这时我们要采用相应的滤波算法滤除这些无用数据，相关滤波算法可以参考相应书籍。
涉及知识：、基本信号处理电路；运放、三极管、AD使用；I2C、SPI等总线操作、时序图的理解。
5.1.3相关算法
参考书：《自动控制原理》舒欣梅 、《信号与系统》
说明：
以上两本书中说明了相关算法的理论、原理，理解原理后再用程序来实现以上算法。 涉及知识：PID算法、滤波（FIR、IIR）
练习题目：
1.实现PID算法：所用器件：51单片机、AD、DA
程序设定一个电压值，然后AD去采DA的输出电压值，通过PID算
法后送给DA，通过整定PID参数来时DA输出的电压值与设定值相
等并纹波尽量小。
2.实现FIR滤波器：建议用MATLAB中的simulink来进行仿真，还可以用simulink中的DSP/Builder来设计FIR滤波器并下载到FPGA中去，最终做成一个真实的FIR滤波器。
5.1.4相关练习题
1.循迹小车
使用光电器件作为传感器，以单片机为控制核心，驱动小车前进和驱动舵机转向，使小车沿黑线行驶。
2.循光小车
使用光敏电阻作为传感器，以单片机为控制核心，驱动小车跟着光源行驶。
3.直流电机调速
设计直流电机驱动电路，用光电或者霍尔传感器作为转速检测设备，使用PID算法闭环控制直流电机转速。
4.小车跷跷板（全国竞赛题目）
5.倒立摆
6.单摆（2011全国竞赛题目）
6.两轮自平衡小车
7.四轴飞行器
8.三轴数控钻床