電子設計從零開始 第2版本書作者
主任委員： 楊 欣 張延強 萊·諾克斯 王玉鳳 劉湘黔
委員： 劉 傑 劉 文 張鎧麟 張浩翔 李哲謙 劉長煥 支瑞聰 王兆偉 徐媛媛 趙 文 閆 冰 趙興東 傅予嘉 陳 偉 趙東旭 胡文錦 容春霞 王正浩 陳 新 昌文婷 何 帥
內容簡介
電子設計涉及的知識面廣、難度大，初學者往往不知從何入手。本書結合了作者多年的學習與輔導學生進行電路設計的經驗編寫而成，書中集模擬電路、數字電路、單片機的基礎知識和設計技能為一體，把初學電子電路設計所需要掌握的內容表現得淋漓盡致，並結合Multisim2001仿真軟體進行學習和設計。
本書語言生動活潑、平實易懂，講解內容循序漸進。全書按照科學的學習方法來設定章節，將電子電路設計的基礎知識變成了一粒粒珍珠，交給讀者朋友們串起來，既授人以魚，也授人以漁。
全書渾然一體，章節與章節之間經過精心設計具有緊密的聯繫。第1章從一個光控報警器實例開始，引入模擬電子電路中常用元器件及其套用。第2、3章由單管收音機、測謊儀引出了收音機電路、無線發射電路、電源電路的設計方法以及用萬用板、麵包板、印製電路板進行電路實驗等工藝內容。第4、5章介紹三極體放大器並最終教會大家如何設計並製作一台多媒體音箱。第6章至第8章介紹振盪器、運算放大器及其套用、感測器和其他常用電子元器件。第9章至第11章開啟了數字電路設計的思考，內容包括邏輯門、布爾代數、組合邏輯、觸發器、計數器等。第12章至第17章通過實例學習單片機及套用系統開發，最後以設計一個線上溫度計為例，對全局的知識進行梳理性套用。
本書適合作為電類本、專科學生全面掌握電子設計基礎知識的參考書；也可作為電子愛好者的實例參考用書；對於學有餘力的非電類工科學生以及對電子設計感興趣的中學生朋友來說，也是一本很好的全面了解電子設計基礎知識的入門讀物。
英國院士－序
皮特·維爾斯 教授 英國最高級巴思爵士
英國皇家學會會員
英國皇家工程院院士
英國醫學科學院院士
英國加的夫大學特聘教授
自1947年威廉·肖克利、約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓發明電晶體之後，電子學有了長足的發展。很自然地，電子學和與之相關的計算機技術在相互促進中有了極大的提高，哪怕就在《電子設計從零開始》（第1版）問世後的這5年內也不例外。楊欣、萊·諾克斯、王玉鳳、劉湘黔已完成的第二版，更新和擴展了每一個學生、專業電子工程師、計算機研究人員所需掌握的電子技術的精華。
本書由17章組成，先介紹模擬電路的基礎，從基本原理出發，知識點遍及無線電通信、儀器設計、三極體電路、積體電路、感測器，接著介紹數字電路的基礎，最後是單片機及其套用實例。
第一作者楊欣，及他的同事們寶貴的動手實踐經驗凝結成本書最大的財富，這將最大程度地滿足讀者學習電子電路設計的需要。近年來，楊欣在英國加的夫大學主要從事利用超聲技術研究微血管的課題，所以他對電子學和計算機技術在這個重要實踐領域的套用有非常深刻的認識。楊欣及他的同事已經出版了5本圖書，其中包括本書的第1版。其他幾本有關電子技術、電路設計、單片機套用的專業圖書都吸引了大批的讀者。我相信《電子設計從零開始》（第2版）將會超越前一版的成功。
作為工程師，我懷著極大的喜悅向大家推薦《電子設計從零開始》（第2版），我相信在未來的幾年內，無論它作為教材或是參考書都蘊含巨大的價值。
前言
本書是在廣大讀者的幫助與支持下對5年前《電子設計從零開始》一書的修訂與補充。這5年無論是電子技術還是計算機技術都有了非常大的進步，所以第一版中的某些內容顯得有些跟不上科技的發展了。另外，筆者這5年來在英國學習的一些心得也對本書內容的更新產生了積極的影響。
一、特色
本書集模擬電路、數字電路、單片機的基礎知識和設計技能為一體，把初學電子電路設計所需要掌握的內容表現得淋漓盡致。
全書語言生動活潑、平實易懂。沒有過多複雜的計算（只有乘、除法），也沒有生澀的大理論，更沒有讀不懂的過程。只要知道歐姆定律的朋友就可以在本書的引導下掌握電子電路的設計知識。書中插圖豐富，力求用圖讓讀者來形象地理解知識及過程，加深印象。
本書特別注重知識的鋪墊和循序漸進。電子電路的內容多、難度大，沒有基礎的朋友一時可能不知道從哪裡開始學習、如何開始學習。我們在全面介紹各種電子元器件、電路結構、工藝技巧的同時，按照科學的學習方法設定章節，使電子電路設計的基礎知識變成了一粒粒珍珠，交給讀者朋友們串起來，既授人以魚，也授人以漁。
全書渾然一體，章節與章節之間經過精心設計具有緊密的聯繫。前面章節講到的一些實例和知識點會被後續章節提到，一些學習過程中自然產生的疑問會在後續章節中得到解答。這樣就形成了一個立體式的閱讀和學習過程，有利於知識的強化。
二、內容
本書的內容包括模擬電子電路、數字電路基礎和單片機套用基礎並通過“講故事”的形式將這3部分內容逐步展開，而且結合電路仿真軟體Multisim2001對許多實例進行了演示和驗證。這三大部分內容是我們進行電子系統開發、電子儀器設計的基礎。本書著眼技術的套用，並不苛求計算和過於複雜的理論。
每一章幾乎都使用了一個實例進行貫穿，實例都是日常生活中常常能見到的電子產品中的電路。一章之內把實例中的知識點、設計技巧全面解決，並引出豐富的電子元器件和電路設計知識。
模擬電路是數字電路和單片機套用的基礎。第1章從一個光控報警器實例開始，漸漸引入模擬電子電路中常用元器件的知識及它們的套用範例。Multisim作為學習電路的好幫手也在一開始進行了詳細的介紹。利用實例結合仿真的方法感受三極體開關在光控報警器中的作用。
第2章通過一個單管收音機帶出了電磁波、無線發射等內容，便於讀者初步了解收音機電路、無線發射電路的設計方法。第3章中的測謊儀電路帶給我們的是電路實驗和電子工藝方面的知識，比如如何用萬用板和麵包板進行實驗、電路如何從設計變成製作、印製電路板如何設計、電源電路如何設計等都結合實例進行講解。
第4、5章介紹了電路中難但很重要的內容——三極體放大器，其中巧妙地結合實例及仿真介紹了三極體、小信號放大器、功率放大器，最終教會大家如何設計並製作一台多媒體音箱。
第6章利用振盪器來鞏固反饋的設計思想，並以幾個實用的例子來解答設計中的問題。第7章以運算放大器及其套用為例，揭示在電路設計中使用積體電路原來如此輕鬆。第8章把感測器和其他常用電子元器件作為設計知識的擴充。
第9章至第11章是數字電路部分，開啟了數字電路設計的思考，內容包括邏輯門、布爾代數、組合邏輯、觸發器、計數器等。
第12章到第17章都在談單片機，通過實例學習單片機控制外設的能力。同時也對單片機套用系統開發的過程、單片機結構進行簡要介紹。單片機的內容從控制一個發光二極體開始，慢慢深入並逐步介紹I/O口、中斷、定時/計時器、串口通信等知識。最後還以設計一個線上溫度計為例，對全局的知識進行梳理性套用。
通過本書的學習，掌握書中知識後，設計並完成一個綜合性較強、具有一定技術含量的電路系統是沒有問題的。
三、對象
本書可以作為大學、中專院校開展電子製作和科技創新的參考書，也可作為電子愛好者的實例參考書。在學習過程中如果遇到什麼問題，可以訪問電路飛翔網其中有大量翔實的幫助和實驗指導。
想進一步學習Multisim仿真和Protel電路設計的朋友可以參考本書的姊妹書《電路設計與仿真——基於Multisim 8與Protel 2004》；如想對單片機及實戰系統套用設計進行更全面紮實了解的朋友可以參考《51單片機套用從零開始》、《51單片機套用實例詳解》等書。
由於筆者水平有限，書中難免有介紹不清楚的地方，歡迎讀者發電子郵件）來共同探討問題和提供意見，也歡迎企業界的朋友向我們推薦好的學習產品作為今後寫作的實例。
四、特別感謝
首先要特別感謝被譽為人類B超之父的英國最高級巴思爵士獲得者、英國皇家學會會員、英國皇家工程院院士、英國醫學科學院院士、英國加的夫大學特聘教授Peter NT Wells為本書作序。同時感謝他以80歲的高齡依然在為人類的健康、醫用超聲發展持續貢獻。筆者感到莫大的榮幸在博士後期間與他一同工作在超聲輔助加速器癌症治療等課題中。
另外還要感謝英國帝國勳章獲得者、英國皇家物理學家和科學家、英國加的夫大學特聘教授 John P woodcock對本書諸多內容的精心指導以及對筆者科研、論文的幫助。
本書的完成，得到了英國加的夫大學電子物理醫學研究機構首席科學家Len DM Nokes教授的傾力幫助，他在運動損傷的診斷及治療、超聲成像等醫學工程研究中給筆者許多有益的思路和具體指導。
本書第一、第二版的問世都與北京交通大學的王玉鳳和劉湘黔兩位教授的幫助與支持緊密難分。書中的點點滴滴都在他們長達10年的關懷、支持、鼓勵下得以沉澱，他們在教書育人、科學研究中傾注的畢生精力為社會創造了平凡而偉大的財富。
還要特別感謝北京交通大學生物醫學工程系主任劉傑教授和北京軍區總醫院計量科主任劉文教授，他們多年以來在電子物理醫學領域給予的長期精心指導，以及在諸多生物醫學工程項目的合作中使筆者能夠迅速成長起來。
本書中許多電路實例、程式設計都與北京交通大學的張延強、張鎧麟、支瑞聰、劉長煥、王正浩、陳新、昌文婷等幾位博士共同完成，本書還得到了趙興東、趙東旭、傅予嘉、陳偉、胡文錦、何帥、Alqahtani Mahdi、Hamid Bidi的幫助，在此對他們的辛勤付出表示誠摯的謝意。
此外，還要對北京交通大學計算機學院院長韓臻教授、黨委書記楊曉暉教授、黨委副書記余亞光教授給予的支持與幫助表示極大的感謝。另外對物理系的成正維、牛原、楊甦、蔡天芳、滕永平等幾位教授和“關工委”的岳兆宏教授表示最崇高的敬意。
另外，還要感謝英國加的夫大學臨床醫院的Dr. Neil Pugh和Dr. Declan Coleman、倫敦帝國理工學院的Dr. Roy Clement、倫敦瑪麗女皇學院的Dr. Deric Jones和Dr. Hazel Screen等的幫助。
特別要感謝深圳職業技術學院副校長溫希東教授對本書內容的指導和肯定。還要感謝宋榮、賈方亮老師在具體電路、設計思路上給予的大力幫助。
還要由衷地感謝劍橋大學的Dr. Dong F Liang和Dr. Xiao L Wang夫婦的幫助；並對《電子製作》、《電子測試》、《家庭影院技術》和《家電維修》雜誌社的總編陳忠、社長陳曉筱、副主編楊來英、編務王雪珍等老師表示最大的感謝；此外還要感激清華大學的韋思健教授和中國科學技術大學的趙文教授及夫人對內容的指導；還要對北京城市學院的汪仁里老師及其夫人表示感謝。同時對本書提供了許多寶貴建議的科學出版社的王淑蘭老師表示感謝。
當然還要感謝梁麗麗、張晟、周萍、趙少雲和雷麗明幾位老師，他們對筆者的成長起了至關重要的作用。
最後，要感謝我的父母和祖父母等家人，他們多年來養育了我；另外還要感謝摯友崔捷10多年來給予的莫大幫助。 楊 欣
Cardiff University
United Kingdom
2010-5
目錄
第1章 走進電子技術 1
1.1 從一個光控報警器的例子開始 1
1.1.1 電池 2
1.1.2 電阻器 3
1.1.3 光敏電阻 7
1.1.4 電位器 9
1.1.5 開關 11
1.1.6 第一次電路分析 13
1.2 利用計算機學習電子電路 14
1.2.1 Multisim 2001登場 14
1.2.2 打開、新建和保存 16
1.2.3 元器件欄和虛擬儀器欄 18
1.2.4 繪製第一張電路圖 21
1.2.5 用Multisim 2001進行簡單分析 26
1.3 探索半導體器件 27
1.3.1 二極體 27
1.3.2 三極體 36
1.4 例子的最終分析 42
1.4.1 蜂鳴器 43
1.4.2 第一個三極體 43
1.4.3 第二個三極體 44
1.4.4 “合適”的偏置電壓 44
1.4.5 例子的擴展 46
第2章 收音機里蘊含的知識 48
2.1 解密電磁波 48
2.1.1 電磁波的簡要回顧 48
2.1.2 無線電通信頻段 50
2.1.3 單管收音機電路圖 51
2.2 小功率無線發射機 52
2.2.1 電聲元件 52
2.2.2 電容器 56
2.2.3 電感器 65
2.2.4 擴音器中的三極體 66
2.2.5 調製與解調 69
2.2.6 天線 70
2.2.7 AM與FM 71
2.3 收音機的故事 76
2.3.1 收音機的進化 76
2.3.2 調諧 77
2.3.3 解調 80
2.3.4 單管收音機的最終分析 85
第3章 製作第一件電子作品 87
3.1 製作一個測謊儀 87
3.1.1 麵包板 87
3.1.2 插麵包板 90
3.1.3 萬用板與印製電路板 91
3.1.4 電路設計過程 96
3.1.5 從電路原理圖到印刷電路板圖 98
3.1.6 自製印刷電路板 104
3.1.7 焊裝 108
3.2 為電子系統設計一個直流穩壓電源 112
3.2.1 變壓器 113
3.2.2 整流 119
3.2.3 電源濾波 124
3.2.4 穩壓 127
3.2.5 設計直流穩壓電源 134
第4章 從擴音機中學小信號放大器 136
4.1 放大器的蹤影 136
4.1.1 小信號放大 136
4.1.2 小信號放大及功率放大 138
4.1.3 擴音器系統中的小信號放大器 139
4.2 全面了解三極體 141
4.2.1 三極體的3個直流特性 141
4.2.2 再談三極體開關 150
4.3 用三極體放大小信號之前 155
4.3.1 分壓器為三極體放大創造直流工作環境 155
4.3.2 靜態工作點 160
4.4 三極體小信號放大器 163
4.4.1 直擊小信號放大器 163
4.4.2 共e極放大器（分壓器偏置） 166
4.4.3 共e極放大器（c極反饋偏置） 172
4.4.4 e極跟隨器 173
4.4.5 共b極放大器 178
4.4.6 多級放大器 180
4.5 反饋及放大器的頻率特性 183
4.5.1 反饋 183
4.5.2 影響放大器頻率特性的因素 186
4.5.3 幅頻特性與相頻特性 188
4.6 完成擴音機的製作 192
4.6.1 擴音機電路 192
4.6.2 製作與調試 193
第5章 從多媒體音箱中看功率放大器 195
5.1 多媒體音箱的藍圖 195
5.1.1 立體聲多媒體音箱 197
5.1.2 音箱箱體及材料選擇 198
5.2 信號功率的提升——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 多媒體音箱設計及製作 231
5.3.1 前置放大器 231
5.3.2 功率放大器 236
5.3.3 分頻器 242
5.3.4 電源電路及布線 247
5.3.5 實用音響電路大放送 252
第6章 振盪器的豐富多彩 256
6.1 信號波形與調理電路 256
6.1.1 常見信號波形 256
6.1.2 信號的調理 259
6.1.3 RC電路——微分器與積分器 267
6.1.4 RC電路——無源濾波器 271
6.2 振盪器面面觀 278
6.2.1 振盪的原理 279
6.2.2 多諧振盪器 281
6.2.3 射頻振盪器 289
6.3 振盪器的套用 293
6.3.1 灰太狼閃光胸針 293
6.3.2 施密特觸發器 295
6.3.3 聲控搖頭驢 296
6.3.4 電話機掛機提醒/通話限時器 298
第7章 積體電路ABC 301
7.1 積體電路基礎知識 302
7.1.1 一開始 304
7.1.2 積體電路分類 307
7.1.3 積體電路電路符號 313
7.1.4 積體電路的技術參數 314
7.2 運算放大器的神奇 317
7.2.1 運放正式登場 319
7.2.2 了解運放的若干參數 320
7.2.3 同相放大器與反相放大器 322
7.2.4 比較器 329
7.2.5 加法放大器 334
7.2.6 差分放大器 338
7.2.7 有源微分器和積分器 343
7.2.8 有源濾波器 346
第8章 感測器及其他器件 355
8.1 感測器，感知世界 355
8.1.1 感測器有哪些 356
8.1.2 壓力感測器 358
8.1.3 光電感測器 362
8.1.4 溫度感測器 364
8.2 其他常用的元器件 367
8.2.1 發光二極體 367
8.2.2 光耦 368
8.2.3 場效應三極體 370
8.2.4 可控矽 372
8.2.5 繼電器 374
第9章 數字啟航 376
9.1 開始數字邏輯的思考 376
9.1.1 從磁帶到MP3 376
9.1.2 數字電路的語言 379
9.1.3 數制和編碼 380
9.2 邏輯門 382
9.2.1 與門、或門、非門 382
9.2.2 與非門和或非門 386
9.2.3 邏輯門積體電路 387
第10章 邏輯門的套用 389
10.1 簡單的邏輯運算 389
10.1.1 布爾代數及運算規則 389
10.1.2 用布爾代數分析邏輯電路 391
10.1.3 用布爾表達式描述真值表 394
10.1.4 卡諾圖 396
10.1.5 七段數碼管 398
10.2 組合邏輯的功能器件 400
10.2.1 與或門 400
10.2.2 加法器 402
10.2.3 比較器 403
10.2.4 解碼器和編碼器 404
第11章 翻轉與計數 406
11.1 鎖存器與觸發器 406
11.1.1 鎖存器 406
11.1.2 邊沿觸發器 409
11.1.3 觸發器套用 411
11.2 觸發器與振盪器 414
11.2.1 施密特觸發器 414
11.2.2 單穩態多諧振盪器 416
11.2.3 555定時器 417
11.3 計數器 422
11.3.1 異步計數器 422
11.3.2 同步計數器 426
第12章 單片機就在我們身邊 431
12.1 身邊的單片機 431
12.1.1 單片機在哪裡 431
12.1.2 單片機的特點 431
12.2 開發準備 433
12.2.1 單片機是什麼樣子的 433
12.2.2 有哪些單片機 434
12.2.3 最簡單片機系統 435
第13章 單片機和LED 438
13.1 如何控制一個發光二極體 438
13.1.1 功能確定 438
13.1.2 電路設計 439
13.1.3 程式設計 440
13.1.4 程式開發軟體 443
13.1.5 程式下載 448
13.2 按鈕控制的發光二極體 449
13.2.1 功能確定 449
13.2.2 電路設計 449
13.2.3 程式設計 449
13.2.4 談談延時子程式 451
13.2.5 用中斷實現的控制方案 452
第14章 給單片機下命令 458
14.1 談談基礎知識 458
14.1.1 整體特點和結構 458
14.1.2 管腳描述 459
14.1.3 時鐘信號 461
14.1.4 程式存儲器 462
14.1.5 數據存儲器 463
14.2 單片機如何執行指令 469
14.2.1 單片機是怎樣執行指令的 469
14.2.2 定址方式 470
14.3 指令系統 471
14.3.1 算術指令 471
14.3.2 邏輯指令 475
14.3.3 片內數據裝載指令 478
14.3.4 查表指令 480
14.3.5 布爾指令 481
14.3.6 調用子程式指令 482
14.3.7 跳轉與循環指令 484
第15章 跑馬燈 487
15.1 開發一個跑馬燈系統 487
15.1.1 任務的提出及電路圖 487
15.1.2 多種程式方案 488
15.2 定時器與計數器 490
15.2.1 什麼是定時/計數 490
15.2.2 Timer相關暫存器 491
15.2.3 Timer的4種工作模式 493
15.2.4 把定時器套用於跑馬燈 495
15.2.5 一個計數器的例子 497
第16章 秒表與時鐘 499
16.1 製作一個秒表 499
16.1.1 秒表任務及電路圖 499
16.1.2 秒表程式 500
16.2 製作一個時鐘 501
16.2.1 七段數碼管的掃描方式 501
16.2.2 時鐘任務及電路圖 503
16.2.3 時鐘程式 504
第17章 線上溫度計 508
17.1 線上溫度計系統規劃 508
17.1.1 如何規劃系統 508
17.1.2 溫度信號的採集與放大 509
17.2 模數轉換 510
17.2.1 初識ADC 510
17.2.2 ADC與單片機 513
17.2.3 線上溫度計系統電路 515
17.3 串列口通信 517
17.3.1 串列傳送數據給跑馬燈 517
17.3.2 與串列口通信有關的暫存器 520
17.3.3 串列口工作模式及波特率 521
17.3.4 計算機上的串列口 523
17.3.5 用Visual Basic編寫一個串口通信程式 527
17.3.6 單片機與計算機通信 532
17.3.7 線上溫度計的程式設計思路 534
附錄A 標準EIA電阻阻值表 536
附錄B MULTISIM 2001的安裝 539
B1 安裝環境要求 539
B2 安裝MULTISIM 2001程式 539
B2.1.1 安裝步驟 539
B2.1.2 激活Multisim 2001 541
附錄C MULTISIM 2001的選單欄 543
附錄D MULTISIM 2001中的虛擬儀器 547
D1 虛擬儀器的基本操作 547
D2 虛擬儀器的功能和使用 547
D2.1.1 數字萬用表（Multimeter） 547
D2.1.2 函式信號發生器（Function Generator） 549
D2.1.3 瓦特計（wattmeter） 550
D2.1.4 示波器（oscilloscope） 551
D2.1.5 波特計（Bode Plotter） 553
D2.1.6 字信號發生器（Word Generator） 555
D2.1.7 邏輯分析儀（Logic Analyzer） 557
D2.1.8 邏輯轉換儀（Logic Donverter） 559
D2.1.9 失真度分析儀（Distortion Analyzer） 560
D2.1.10 頻譜分析儀（Spectrum Analyzer） 561
D2.1.11 網路分析儀（Network Analyzer） 562
附錄E 自製礦石收音機 563
附錄F 常用元器件電路符號及外形 567
附錄G 穩壓二極體1N5333~1N5388（5W）參數表 575
附錄H 三極體2N3904器件手冊 576
附錄I 光控報警器分析 583
附錄J 常用三極體參數表 584
附錄K 300W功率放大器 587
附錄L 具有待機、靜音功能的100W功率放大器TDA7293 591
附錄M 主流電子元器件生產商網址 592
附錄N 常用數字積體電路型號 594
附錄O 數字電路綜合設計——數字鐘 597
附錄P 51單片機指令集 601
附錄Q AT89S51單片機特殊功能暫存器一覽表 606
附錄R 指令的執行代碼表 614
附錄S ASCII碼錶 621
參考文獻 625
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