电子噪声与低噪声设计
本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播问题，介绍各种噪声源相关的机制和模型，说明不同噪声的特性和传播方式，以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法，并详细介。。。内容简介电子噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通信系统中,噪声可能导致信息传输错误本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播冋题,介绍各种噪声源相关的机制和模型,说明不同噪声的特性和传播方式,以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法,并详细介绍各种不同噪声的抑制方法,给出大量实例,总结出低噪声设计的规则和要点。木书可用作电子工程、自动化、测试技术与仪器等专业的本科生或研究生教材,也可供涉及电子噪声和电磁兼容性的工程技术人员参考。本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933图书在版编目(CIP)数据电子噪声与低噪声设计/高晋占编著.一北京:清华大学出版社,2016ISBN978-7302-43559-4I.①电…Ⅱ.①高…Ⅲ.①电子系统一噪声②电子系统一低噪声一设计ⅣN.①TN911.4②TN722.3中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第081960号责任编辑:王一玲封面设计:常雪影责任校对:梁毅责任印制:沈露出版发行:清华大学出版社pogtlt:http://www.tup.com.cn,http://www.wqbook.com地址:北京清华大学学研大厦A座邮编:100084社总机:010-62770175邮购:010-62786544投稿与读者服务:010-62776969,c-service(@tup.tsinghua.edu.cn质量反馈:010-62772015, zhiliang tup. tsinghua.edu.cn印装者:清华大学印刷厂经销:全国新华书店开本:185mm×260mm印张:21字数:522千字版次:2016年6月第1版印次:2016年6月第1次印刷印数:1~1500定价:59.00元产品编号:06269401在电子电路和系统中,噪声是个重要问题。噪声污染有用信号,并使信号包含的信息增加了不确定性。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通信系统中,噪声可能导致信息传输错误。即使在噪声阈值较高的数字电路和计算机系统中,严重的噪声可能造成存储位的变化和程序运行混乱噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。内部固有噪声是由载流子的随机运动引起的,有些固有噪声源可以通过在制造过程中提高加工质量加以控制,但其中大多数是基础噪声,不取决于技术。而外部干扰噪声是由外部噪声源发岀,经过某种耦合渠道对电路污染的结果。这两种噪声具有不同原因,它们需要不同的处理方法,在多数书籍和文献中,这两种噪声都是分别对待的,外部干扰噪声通常是电磁兼容性(EMC)相关书籍的主题。但是,这两种噪声引起的问题是类似的,应该综合在一起考虑。在处理其中的一种噪声时,有理由必须把另一种噪声也考虑在内。例如,当处理弱信号的电路无法正常工作时,污染了有用信号的噪声是源自于该电路本身还是从外部拾取的,从用户的角度来看都是无关紧要的。在这两种情况下噪声都会掩盖信号,在最坏的情况下则不能恢复信息内容。因此,只努力抑制电路的固有噪声,但缺乏抵御干扰噪声的保护手段,电路的噪声特性就会大打折扣。另外,在设计屏蔽措施时,努力把干扰噪声降低到固有噪声幅度之下,往往没有多大意义。本书涵盖上述两种噪声,致力于分析和解释电子系统中各种噪声的来源和性质,介绍各种噪声源的机制和模型,说明不同噪声的特性和耦合方式,以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法,介绍各种噪声的抑制措施,给出低噪声设计的规则和方法。许多种噪声具有随机性,其描述方式和分析方法不同于确定性信号,不太容易理解,本书第1章首先介绍随机噪声的基本原理和特性,这是后续各章及延续阅读的理论基础。第2~5章致力于固有噪声,这种噪声取决于电子器件和电路设计。第2章介绍各种固有噪声源的特性和描述方法;第3章介绍各种噪声参数和噪声分析方法;第4章介绍电子系统中常见的电子器件的噪声源、噪声模型和噪声特性;第5章介绍常用的噪声性能测量方法。前言第6~8章致力于外部干扰噪声,这种噪声受设备的物理结构和电路布局的影响很大。第6章介绍各种干扰噪声源和干扰耦合途径,除电磁噪声外,还特别介绍机械原因或温度扰动引起的噪声;第7章介绍干扰噪声抑制方法,重点是屏蔽和接地;第8章介绍常见干扰噪声源的噪声产生机制和预防措施。第9章介绍低噪声电路设计的方法和技术,包括选择低噪声有源器件,确定电路组态和工作点,噪声匹配的实现等,特别分析了反馈对噪声性能的影响。本书可用作电子、通信、自动化、测试技术与仪器等专业的高年级本科生或研究生教材,也可供涉及电子噪声和电磁兼容性的工程技术人员参考。由于作者水平所限,书中难免存在缺点和错误,恳请广大读者批评指正高晋占2015年10月于清华园符号說明1.基本符号X电抗的通用符号,单位为Ω频率通用符号,单位为Hz导纳的通用符号,单位为Sfo中心频率,单位为Hz阻抗的通用符号,单位为Ω截止频率,单位为Hz角频率通用符号,单位为rad/s电流通用符号,单位为A2.线性系统符号距离或长度,单位为mA(t)幅度函数电压通用符号,单位为V)相位函数器件内部的等效电阻,单位为9G(a)幅频特性函数B系统频带宽度,单位为Hz相频特性函数B电纳的通用符号,单位为Sh(t)冲激响应函数C电容的通用符号,单位为FH(j)频率响应函数E数学期望运算子H()传递函数电导的通用符号,单位为SH(x1)离散传递函数电流的有效值,单位为A3.随机噪声符号平均直流电流,单位为A噪声电压L电感的通用符号,单位为H噪声电流互感的通用符号,单位为H噪声电压的均方值P功率的通用符号,单位为W噪声电流的均方值R电阻或等效电阻,单位为ΩE电路的输入电阻,单位为Ω噪声电压的有效值,En=√eR电路的输出电阻,单位为噪声电流的有效值,n=√R负载电阻,单位为Ω噪声电压的平方根谱密度,单位R信号源内阻,单位为Ω为V/√Hz电压的有效值,单位为V噪声电流的平方根谱密度,单位热力学温度(旧称绝对温度),单为A/√Hz位为K热噪声电压符号说明热噪声电流共射接法下集射极之间的微变电散弹噪声电压阻散弹噪声电流场效应管漏源之间的等效电阻1/f噪声电压导通电阻1/f噪声电流二极管,场效应管的漏极F噪声系数( noise factor)场效应管的栅极噪声因数( noise figure),单位为dBS场效应管的源极S信噪比二极管电流,漏极电流B等效噪声带宽共射接法下的基极电流△f窄带宽度共射接法下的集电极电流p(x)x的概率密度函数共射接法下的发射极电流x的均值共基接法下的电流放大倍数,a=x的方差△Ic/△Ix的标准差共射接法下的电流放大倍数,B=x的均方值△Ic/△IBC2(x)x的自协方差函数共射接法下的直流电流放大倍Cx(x)x的归一化自协方差函数数,B=Ic/IBCx(z)x和y的互协方差函数5.其他符号Cx(x)x和y的归一化互协方差函数电磁辐射速度,c=2.998×10m/sR2(r)x的自相关函数h普朗克( Planck)常数,h=6.62R2(x)x和y的互相关函数1034JsS(f)噪声的功率谱密度函数k玻耳兹曼( Boltzmann)常数,k=S2(f)噪声电压的功率谱密度函数1.38×1023J/K(f)噪声电流的功率谱密度函数电子电荷,q=1.602×10-°C2(f)x的功率谱密度函数波长,mS2(f)x和y的互功率谱密度函数介质的介电常数p(x)x的归一化自相关函数自由空间的介电常数,Eo=8.85×(x)x和y的归一化互相关函数10 pF/mmJ|雅可比( Jacobi)行列式对自由空间的相对介电常数,En=4.半导体器件参数符号基极介质的磁导率C集电极自由空间的磁导率,A0=4x发射极10Hm1=4x×10pH/mmfr晶体管的特征频率,即共射接法对自由空间的相对磁导率,=下电流放大倍数为1的频率,单/0位为Hz介质的电导g跨导铜的电导,=5.82×107S/m基区体电阻对铜的相对电导,01=a/0rb’e发射结的微变等效电阻CMRR共模抑制比第1章随机噪声基础1.1随机噪声概述…………1.1.1噪声定义与分类1111.1.2内部固有噪声和外部干扰噪声比较1.1.3噪声的影响1.2随机噪声的概率分析方法…3471.3随机噪声的统计特征…1.3.1均值、方差与均方值········,····,·,,··,,,,,,······,·······,·,,1.3.2相关函数与协方差函数…1.3.3功率谱密度函数151.4常见随机噪声171.4.1白噪声与有色噪声171.4.2窄带噪声………………………………………………………191.5随机噪声通过电路系统的响应…211.5.1随机噪声通过线性系统的响应……………………………211.5.2随机噪声通过非线性系统的响应24第2章电子系统中的固有噪声源……………………………………………………292.1热噪声302.1.1热噪声的起源…302.1.2热噪声的特性……………………302.2扩散噪声……………………………………352.3散弹噪声362.4量子噪声………………………………………………………………………………39Ⅵ目录2.5产生-复合噪声(G-R噪声)…………………………………………………………402.61/f噪声…422.7爆裂噪声……………………………………………………………………452.8雪崩噪声…第3章噪声参数与噪声分析503.1.功率和增益3.1.1功率的各种常用定义513.1.2资用功率和资用功率增益…3.1.3可交换功率和可交换功率增益553.2等效噪声带宽…563.3线性一端口的噪声参数……603.3.1等效噪声电阻…………………………………613.3.2等效噪声温度623.3.3其他噪声参数……633.4线性二端口的噪声模型与噪声参数653.4.1E-Ⅰ噪声模型及等效输入噪声电阻…………………3.4.2等效输入噪声温度………693.4.3工作噪声温度……………723.4.4噪声系数……733.4.5噪声测度………………………………………………………………813.5二端口噪声分析………833.5.1二端口的噪声模型变换…………………………………………………833.5.2等效噪声源相关时二端口的噪声分析…………84第4章电子器件噪声884.1电阻噪声………884.1.1电阻的噪声机制与噪声指标…………………………894.1.2低噪声电阻的选择4.2电容、电感和电池噪声934.3半导体二极管的噪声特性…………………………………………………………954.4双极型晶体管(BJT)的噪声特性……994.4.1BJT的结构、等效电路和噪声源………………………………………994.4.2BJT的噪声参数1024.4.3BJT噪声的频率分布……………………………………………………1044.5场效应管(FET)的噪声特性1075.1FET的结构与噪声源…………1074.5.2FET的噪声等效电路与噪声参数1104.6运算放大器的噪声特性………………………………………………………113目录4.6.1运算放大器的等效输入噪声模型………………………………1134.6.2运算放大器噪声性能计算1164.7传感器电路噪声分析………………………………………………………122第5章噪声性能测量1335.1噪声测量常用方法……1335.2噪声测量中的检波器和平均器………………………………………………………1365.3噪声功率和有效值的测量误差1404噪声功率谱密度测量………………………………………………………1425.5二端口等效输人噪声测量1465.6噪声系数测量…………………………………………………………………1475.7噪声温度测量……1545.8其他噪声性能的测量和计算………………………………………………1575.9噪声发生器160第6章干扰噪声1666.1外部噪声源………………………………………1676.1.1自然噪声源…1686.1.2电磁噪声源1706.1.3静电噪声源…1736.1.4非电起源的干扰噪声源………………………………………………1746.1.5干扰噪声的频谱分布1766.2干扰噪声耦合途径……………………………………………………………1776.2.1传导耦合…1796.2.2电场耦合………………………………………………………1836.2.3磁场耦合………1866.2.4电磁辐射耦合………1916.2.5耦合模式……………………………193第7章干扰噪声抑制方法…1967.1电磁屏蔽………………………………………………………………………1967.1.1场传播与波阻抗1977.1.2屏蔽层的吸收损耗……………………………………………………2007.1.3屏蔽层的反射损耗2027.1.4屏蔽层中的多次反射…………………………………………2067.1.5屏蔽效能分析与综合2087.1.6影响屏蔽效能的其他因素…………………………………2117.1.7屏蔽总结2147.2电缆屏蔽层接地216
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基于AUTOSAR规范的车用电机控制器软件开发.pdf
同济大学出版的基于AUTOSAR规范的车用电机控制器软件开发，书中有英飞凌AURIX多核单片机的介绍、AUTOSAR基础理论介绍、AUTOSAR开方工具 Davinci Developer的介绍等内容仅供个人学习使用！！不允许被用作商业，更加不允许大面积宣传！！损害作者的利益！！基于 AUTOSAR规范的车用电机控制器软件开发朱元陆科吴志红著同大学出版社TONGJI UNIVERSITY PRI内容提要本书主要介绍了汽车电子的最新规范 AUTOSAR,以及如何开发符合 AUTOSAR规范的电机控制器软件的详细过程。全书分为基础篇和实战篇:基础篇介绍汽车电子软件开发趋势,以及多核单片机和AUTOSAR的相关概念;实战篇介绍了利用 Vector工具链基于 AURIX单片机开发电机控制器的思路和步骤。本书在编写中,力求内容正确,所有的内容都经过相关专家审阅,并经作者测试,步骤清晰,配图丰富。本书适合具有一定嵌入式软件开发基础知识的读者,可作为高等院校本科生、研究生学习嵌入式软件开发的参考书,也可供汽车电子行业软件工程师学习和参考。图书在版编目(CIP)数据基于 AUTOSAR规范的车用电机控制器软件开发/朱元陆科,吴志红著.-上海:同济大学出版社,2017.8ISBN978-7-5608-7134-9I.①基…Ⅱ.①朱…②陆…③吴…Ⅲ.①汽车电子系统一应用软件一高等学校一教材Ⅳ.①U463.6中国版本图书馆CIP数据核字(2017)第159351号基于 AUTOSAR规范的车用电机控制器软件开发朱元陆科吴志红著策划编辑赵泽毓责任编辑朱勇责任校对徐春莲封面设计陈益平出版发行同济大学出版社www.tongjipress.com.cn(地址:上海市四平路1239号邮编:200092电话:021-65985622)经销全国各地新华书店印刷常熟市大宏印刷有限公司开本787mm×1092mm1/16印张12.75字数318000版次2017年8月第1版2017年8月第1次印刷书号ISBN978-7-5608-7134-9定价56.00元本书若有印装质量问题,请向本社发行部调换版权所有侵权必究ForewordDear Readers.AUTOSAR is“ Today”,not“ Tomorrow”Automotive OEMs, suppliers, semi-conductor manufacturers and providers for basic software andrelated tools contributed a lot of effort on AUTOSAR in the past years. The goal is to introduce anew development methodology, a new architecture and new functionalities to face the challenge ofthe increasing complexity of Automotive E&.E. I am glad that AuTOSaR grows step by step andis accepted by automotive industry more and more. AUTOSAR achieved success in Europe firstly,and then was recognized by USA and Japan. Now it is ChinaThe good thing is: now the engineers in Europe, USA, Japan and China are usingAUTOSAR or studying autosar because they know it will be useful tomorrow. Moreand more Chinese engineers want to know AUTOSAR in detailed and practically. The badthing is: the tremendous growth of functionality from AUTSOAR release 1.0 to 4.3 reflectsthe complex requirements of automotive electronics and their fast increase directly. Thee newtechnologies like Multi-core, Functional Safety, Ethernet and Security raise the entry levelof AUTOSAR. The beginners may feel confused and painfulI totally understand the importance of native language to ease the access to new technologiesSo i really appreciate the work by Dr. Zhu Yuan, Dr. Wu Zhihong, Mr. Lu Ke and theirteam at CDHK Tongji University- Vector Automotive Technology Joint Laboratory. IaImsure that the first Chinese AUTOSaR book written by Dr. Zhu Yuan, Dr. Wu ZhihongMr. Lu Ke and their team is great news for Chinese engineers and students. With the help ofthis book, readers will get the system overview of AUtOSaR and learn how to create anAUTOSAR project with OS, BSWM, ECUM and so on. In the same time, I also thankInfineon Technologies and Shanghai Dajun Technologies, Inc. for their great supportI wish all readers a lot of fun reading this book and a lot of success when implementing theAUTOSAR approach in their projectsDr. Gunther HelingDirector for Embedded Software and SystemsVector Informatik gmbh前言为应对日益复杂的汽车电子软件开发、更新和维护的问题, AUTOSARAUTomotiveOpen System ARchitecture(汽车开放系统架构)联盟应运而生。在 AUTOSAR分层模型中软件模块及软件模块之间的接口定义更加标准化,使得整车厂、供应商、科硏机构之间可以方便地实现软件联合开发,为汽车工业的软件系统框架建立了一套开放的标准。与此同时,汽车电子控制单元对单片机的性能要求不断提高,车用32位多核处理器自2012年面世以来已逐渐广泛应用于汽车电子控制单元中。英飞凌科技和维克多( Vector)公司均为 AUTOSAR联盟的高级成员。英飞凌全新的32位多核架构单片机— AURIX引领全球最先进的车用微处理器技术,满足现在及未来汽车安全和安防所需要的应用要求; Vector在汽车电子开发工具、嵌入式软件组件和技术服务等方面具有领先地位。在上海大郡动力控制技术有限公司及徐性怡总裁的支持下,恰逢在国家重点研发计划资助课题——“电机控制器功能安全”(2016YFBO100804)中编者选用了英飞凌 AURIX产品家族系列中的单片机(TC275)和 Vector公司 AUTOSAR软件产品及工具来开发电机控制器软件系统。基于上述课题的研发经历及软件设计成果编著此书,旨在国内推广和普及遵循AUTOSAR规范的软件开发技术。本书分为基础篇和实战篇。基础篇包含1~3章。第1章概述了当前汽车电子软件的开发特点和趋势;第2章对比了多核单片机和单核单片机的特点,分析了多核单片机的优势和软件开发中的挑战;第3章介绍了 AUTOSAR的概念和架构,详细介绍了 AUTOSAR的基础软件层、实时运行环境层和应用层。实战篇包含4~9章,主要讲述基于 AURIX和 AUTOSAR的新能源汽车电机控制器的开发。其中,第4章介绍了新能源汽车发展趋势和电机控制器的开发方法,分别从控制算法、硬件结构和软件架构方面进行讲述;第5章介绍使用 VectorDa Vinci Developer开发电机控制器的软件架构,给出了配置SWC模块的实例;第6章介绍如何使用 Simulink进行应用层软件(例如控制算法)建模以及代码生成的相关内容;第7章介绍了使用 Vectorυ a Vinci Configurator Pro配置电机控制器的基础软件的详细步骤,包括CAN通信配置、MCAL配置以及其他基础软件模块配置等内容;第8章介绍了电机控制器算法的运行实体配置、 AUTOSAR多核OS设计和代码生成的相关内容;第9章介绍了软件代码的集成及其测试验证的相关内容本书由同济大学中德学院一维克多汽车技术联合实验室,同济大学一英飞凌汽车电子联合实验室编写。基础篇主要由朱元、吴志红编写,实战篇由朱元、陆科编写。全书由朱元组织统稿, Vector公司高路博士审阅。本书编写过程中得到了英飞凌科技和 Vector公司的大力支持,编者在此特别对英飞凌科技(中国)有限公司的徐辉女士、 Dirk geiger先生、杜曦先生、张立红先生、徐晶女士、陈汉顺先生,维克多汽车技术(上海)有限公司高路博士表示衷心的感谢。同时真挚地感谢 Math Works公司杜建福博士百忙之中为本书6.1和6.2章节提供了素材,并亲自编写了部分初稿。最后感谢本实验室胡力兴、赵建宁、李清晨、罗梦、王磊、董涛、王惜嘉、顾尉松、李超、张翟辉、仇里森、牛佳辉、周东东、韩光江等同学的资料整理、录人工作。本书适合具有一定嵌入式软件开发基础知识的读者,可作为高等院校本科生、研究生学习嵌入式软件开发的参考书,也可供汽车电子行业软件工程师学习和参考本书在编写过程中力求内容正确,书中所有的内容都经过英飞凌科技和 Vector专家审阅,也经过作者测试,并在科研项目中得到实际的应用。但由于我们的水平有限,编写时间紧张,缺点和错误之处在所难免,敬请读者指正著者2017年5月于同济大学目录目录Foreword前言基础篇第1章汽车电子的软件开发………………………………………………………………………………………31.1汽车电子系统简介…31.1.1概念1.1.2分类1.1.3工作原理1.1.4发展情况…………………………1.2汽车电子系统的开发…1.2.1汽车电子的组成部分:硬件和软件1.2.2硬件的开发方法5666781.2.3软件的开发方法1.3基于 AUTOSAR自顶向下地开发电机控制器1.4汽车电子系统的安全性第2章多核单片机在汽车电子系统中的应用……………………………………112.1单核单片机在汽车电子系统中的应用及局限性………………………………112.2多核单片机在汽车电子系统中的优势和软件开发中的挑战112.2.1多核处理器的优势…112.2.2多核软件开发所面临的问题122.2.3 AUTOSAR规范的应用……………………………………………………………122.3英飞凌 AURIX单片机的特点介绍132.3.1 AURIX系列单片机简介…132.3.2 AURIX的整体架构……………………142.3.3 AURIX系列单片机特色模块介绍…………………………………………………15第3章 AUTOSAR理论基础233.1 AUTOSAR简介…233.1.1目标……………………………………………………………………243.1.2、方法论263.2 AUTOSAR基础软件层…283.2.1微控制器抽象层…30基于 AUTOSAR规范的车用电机控制器软件开发3.2.2ECU抽象层……………………373.2.3服务层……………………………………………………………………………393.2.4 AUTOSAR操作系统183.2.5复杂驱动…………………………………………563.3 AUTOSAR运行时环境…………583.4 AUTOSAR应用层593.4.1 AUTOSAR软件组件593.4.2 AUTOSAR通信61实战篇第4章新能源汽车电机控制器…654.1新能源汽车及发展趋势…………………………………………………………………654.2电机控制器的开发…………………………………………………………………674.2.1控制算法674.2.2硬件结构…·:·4.2.3软件框架第5章使用 Da vinci Developer开发电机控制器软件架构………765.1 Vector相关工具链介绍5.2 Da Vinci Developer简介775.3 Da Vinci Developer入门……………785.3.1 Da vinci Developer安装方法5.3.2 Da vinci Developer界面说明……………………………………835.4使用 Da Vinci Developer配置SWC…5.4.1软件组件设计……………………………………………………………………………875.4.2通信接口设计…895.4.3通信端口设计………………………………………………………………915.4.4运行实体设计…………………………………………………………………935.4.5函数间变量设计…………………………………………………………………………95第6章使用 Simulink开发应用层6.1 MATLAR/ Simulink和 Embedded coder工具链介绍976.1.1 MATLAB/ Simulink基于模型的设计工具……76.1.2 Stateflow-建模和仿真决策工具986.1.3 Embedded coder代码生成和优化工具…………………………………996.2开发符合 AUTOSAR规范的应用层……………………………………………1006.2.1 AUTOSAR客户端、服务器…………1006.2.2 AUTOSAR标定参数…1036.2.3 AUTOSAR组件行为……………………………………………………………105
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