内容简介

本书的主要内容包括：理想与现实，连接、组件、数字、信号。嵌入式系统架构设计。根据应用、速度、距离选择数字接口。多电压电源供应。高频电源完整性。电池和充电系统。EMI（电磁干扰）降低和ESD（静电放电）保护。驱动和传感外围设备。数字反馈控制系统。功耗和成本优化。特殊系统：消费类、医疗类、工业类、汽车类、航空航天类。包括可制造性、产量和低噪声的PCB（印刷电路板）设计。

目录

前言 1

第1章 基本概念 9
1.1 基础电子学 9
1.2 学术界的理想简化 12
1.3 互连 12
1.4 基本组件 17
1.4.1 电容 17
1.4.2 电阻 21
1.4.3 电感器 23
1.4.4 电压源和电池 25
1.4.5 电流源 26
1.4.6 开关和继电器 26
1.4.7 运算放大器 27
1.4.8 电压比较器 28
1.5 非理想数字设备 29
1.6 信号完整性 33
1.7 总结和结论 34
1.8 拓展阅读 35

第2章 系统架构 37
2.1 传统设计方法 38
2.1.1 仿真或构建 38
2.1.2 通孔/引线元件（已过时） 38
2.1.3 离散门电路（已过时） 38
2.2 现代设计方法 39
2.2.1 主流数字设计. 42
2.2.2 DSP方法：多功能性和局限性 43
2.2.3 数字控制方法：DCU、MCU、MPU、FPGA、CPLD、ASIC 46
2.3 MCU和MPU规范中的术语 47
2.4 硬件控制器 49
2.5 软件控制器 50
2.6 计算机与控制器 51
2.6.1 树莓派RPi（MPU）与Arduino（MCU） 51
2.6.2 多用途MCU和专用MCU 52
2.7 芯片集方法 53
2.8 系统架构选项 55
2.8.1 确定外设和互连 60
2.8.2 避免串行通信瓶颈 65
2.8.3 使用直接内存访问（DMA）传输数据 65
2.8.4 确定DSP的方法 66
2.8.5 检查DSP瓶颈 68
2.8.6 提高DSP速度 70
2.8.7 确定DCU内部功能 71
2.9 物理封装注意事项 76
2.10 片外功能和支持 77
2.11 整合 79
2.12 选择DCU配置和MCU/MPU 79
2.12.1 特色功能或特点 79
2.12.2 多MCU系统 80
2.12.3 通用MCU系统 80
2.12.4 选择特定的MCU 81
2.13 总结和结论 81
2.14 拓展阅读 82

第3章 鲁棒的数字通信 85

第4章 电力系统 145

第5章 电池电源 179

第6章 电磁干扰和静电放电 219

第7章 数据转换器：ADC和DAC 271

第8章 驱动外围设备 291

第9章 传感外围设备 331

第10章 数字反馈控制 375

第11章 PCB原理图 443

第12章 软件和编码 507

第13章 特殊系统和应用 529

第14章 创造杰出的产品 579

缩略语 591

前言/序言

前言

我为什么写这本书

尽管多数学术教程已经详述了电子学的理想理论，本书中介绍的方法却不尽相同，这里更多聚焦于在充满挑战的现实环境中能够行之有效的设计方法。这些主题的灵感来自我为客户那些不可靠的或有问题的设备进行故障排查的经验。本书内容来源于过去我对有缺陷的电子产品的维修经验，以及用于指导设计师在开发可靠产品过程中解决重要问题的辅导课程。许多类似的事件促使我发表了一系列涉及相关主题的杂志文章，自然而然地促使我想要创作这本书。

本书适合谁

这是一本适合工程师、科学家和其他任何想要设计一个电子系统的设计师阅读的参考书。应用型嵌入式电子学这一术语涵盖了各种各样的电子设备，包括嵌入式控制器、手机、医疗仪器、计算机和平板电脑、所有消费电子产品、工业机器人、自动化系统，以及数不胜数的其他系统。所有使用数字控制方法的电子设备都属于这个广义的范畴。

本书讨论的主题对于以上这些设备都是通用的。这里强调的是硬件设计，也就是实际电路和系统，同时也会简要介绍下编码和软件问题。

如果本书的读者具有一定的工程或科学背景并掌握一些基础电子学知识，那么本书的内容将会更加容易被理解。

不断发展的设计方法：一种不同的方法

电子学教科书往往分为三类。第一类包括学术界向工程专业学生介绍特定主题的教科书。这些书使用一种理论方法，通常进行了简化并重点关注没有二阶效应和问题的理想情况。

第二类包括向业余爱好者和非专业试验者解释电子产品的书籍。尽管这些书拥有量的追随者，但它们往往只介绍一些众所周知的基础知识，并专注于商业产品中未使用的方法。

第三类则主要是供执业工程师参考的书籍。这些书深入探讨了技术的特定方面，却没有深入研究在功能产品中使用这些技术时所需关注的周边问题。

本书采用了不同于以上三类的方式。现代科技已经发展到“系统级芯片”（SoC）时代，量的“深度技术研究”已被集成到专用集成芯片（ASIC）中。因此，IC 设计者需要有技术深度，但系统和印刷电路板（PCB）设计师则需要一种不同的系统设计方法。

本书的重点是针对整个系统，并特别关注那些确保系统在所有条件下都能可靠且正常运行的重要部分。本书的观点是，现代电子产品应尽可能使用SoC 方法，而创作者需要根据“设计要点”将这些设备整合到一个更的系统中。为此，这里的重点是解释所有电子系统共有的重要概念，并使用量图形和最小方程来说明这些概念。

电子系统的发展呈现出两种截然不同的趋势。首先，数字信号处理和数字控制方法会尽可能取代模拟方法。在现代电子系统中，现实世界的模拟信息会被尽快等价转换为数字数据。

其次，不断追求更高水平的集成。从历史上看，曾经有无数的分立式晶体管和电路演变成更加模块化的运算放器、宽带放器、ADC、DAC 和逻辑门。

模块化水平随着所针对的特定应用进一步发展到更高级别的集成。

只要产品数量使其具有成本效益，专用IC 就会不断被创造，进而实现单芯片覆盖整个系统。对于这些单芯片产品，只需要添加一个电源和外部连接，（理论上）你就可以实现相应的功能。

更复杂的系统通过一系列特定应用的模拟前端（AFE）连接到外部世界，并为数字控制器提供数据接口。理想情况下，设计人员只需选择合适的数字控制器并编写代码来处理和控制数据流，他们就拥有了一个产品。

现代电子系统的问题往往出现在噪声干扰信号、数据链路可靠性、电源系统稳定性、电池容量不足、辐射EMI、驱动器和传感器电路故障、反馈控制配置不当、监管测试失败，以及代码编写不当等。通过本书列出的方法，设计人员可以避免上述这些问题并开发出可靠且鲁棒性高的产品。

随着电子产品的发展，设计师的技能也发生了变化。晶体管级电路现在是IC设计师的领域，现代电子系统设计师已经变得更加熟练于编码和数字方法。

本书的结构

本书的许多主题相互交织，需要从不同的角度进行讨论。在本书中，“进一步讨论”（FDI）代表这里有交叉引用（例如“FDI: Essentials”“FDI: Architecture”“FDI: EMI & ESD”“FDI: Power”等），相应的补充信息可以在本书的其他地方找到。此外，每一章都包含一个“拓展阅读”部分，供那些寻求更多资源的人使用。

本书涵盖以下主题：

第1 章，基本概念（Essentials）

首先，本章确保所有读者对现实世界的电子产品有共同的基础知识。本章会向读者介绍电子产品的非理想本质、学术简化如何产生误导、连接阻抗如何影响性能、寄生耦合问题、非理想接地和接地反弹，以及非理想组件等许多问题。

第2 章，系统架构（Architecture）

这一切是如何结合在一起的？你应该使用什么处理器？每个系统都有要监测的东西、要控制的东西和要处理的信号。本章讨论了设计系统架构时总体的考虑因素，包括了解数字控制