电子设计大赛培训讲义汇编

1、电子大赛培训(pixn)讲义哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun) 刘 宏共九十七页电子大赛培训(pixn)计划1全国大赛题目分析2测控系统基本结构分析3前向通道设计分析4人机对话与数据通信5基本数据处理算法6后向通道设计分析哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页一、全国大赛(d si)题目分析哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页电子大赛题目(tm)分类测、控系统1通信及总线2电 源3哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页测、控系统典型(dinxng)题题目测控第一届题目一 简易数控直流电源 XO第二届题目四 简易电阻、电容和电感

2、测试仪 OX第三届C题 水温控制系统 OO第四届B题 数字式工频有效值多用表 OX第五届C题 自动往返电动小汽车 OO第六届液体点滴速度监控装置（F题） OO第七届悬挂运动控制系统（E题） OO哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页通信(tng xn)/网络系统典型题题目类型第一届题目二 多路数据采集系统现场总线/分布式采集第二届题目三 简易无线电遥控系统 编码/调制解调第三届D题 调幅广播收音机 调制解调第四届E题数字化语音存储与回放系统 编码第五届E题 数据采集与传输系统 现场总线第六届液体点滴速度监控装置（F题） 现场总线第七届单工无线呼叫系统（D题） 调制解调哈尔滨学

3、院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页电源(dinyun)典型题题目第一届题目一 简易数控直流电源 第二届题目二 实用信号源的设计和制作 第三届A题 直流稳定电源 第四届第五届D题 高效率音频功率放大器 第六届第七届7、三相正弦波变频电源（G题）哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页大赛(d si)题目发展趋势1、多项知识综合-数据采集与传输系统 2、基础理论扎实，用简单元件实现复杂功能-集成运放(yn fn)测试仪，电压控制LC振荡器 3、题目趣味性增强-悬挂运动控制系统 4、专业性较强的题目增多-三相正弦波变频电源 5、测控类题目仍然是主流哈尔滨学院理工学院共九

4、十七页二、测控系统(xtng)基本结构分析哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页典型的工业过程控制(kngzh)环路前向通道(tngdo)后向通道哈尔滨学院理工学院共九十七页测控(c kn)系统功能块分析中央处理单元人机交互界面/通信模拟信号前向通道数字信号模拟输出后向通道数字信号哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页系统(xtng)总体方案设计1、根据输入类型(lixng)确定前向通道电路方案2、根据输出类型确定后向通道电路方案3、根据输入、输出的数量、类型和数据流量确定所使用的中央处理器。哈尔滨学院理工学院共九十七页典型测、控系统涉及(shj)的技术传感

5、器技术-智能传感器(Smart Sensor)微处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器智能传感器网络化传感器(Networked Sensor)将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的ROM中时，就产生子网络传感器。为解决现场总线(zn xin)的多样性问题，IEEEl4512工作组建立了智能传感器接口模块(STIM)标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬件和软件接口，是IEEEl451网络传感器标准的重要组成部分，为使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。重要组成部分，为使传感器能与各种网络连接提供了条

6、件和方便。另外802154无线发射 接收网络也为低成本的无线传感器网络互连提供了协议支持。哈尔滨学院理工学院共九十七页A/D等新器件的发展将显著增强(zngqing)仪器的功能与测量范围 单片机、DSP等嵌入式处理器的广泛应用 ASIC、FPGACPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术电力电子技术电器控制微电机及电机拖动哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页三、前向通道(tngdo)设计分析哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页典型(dinxng)的前向通道1传感器将被测的量由非电量转换为电量（电压或电流等电信号）。2放大器若电信号太小，

7、则需用放大器放大，以便使其幅值与 A/D 转换器的转换范围相匹配，以充分发挥模数转换器的功能。3有源滤波器在A/D转换前，尽可能地滤除信号中不希望的频率分量（用的较多的是低通滤波器）。4采样和保持器简称采保器。它的主要作用是将被测电平采集并保持下来，使连续模拟量离散化（特别是对于快速变化的信号它是必须的，直流及变化缓慢的信号它可省去）。5A/D转换器对采样信号进行量化，转变为数字信号，送往(sn wn)计算机保存与处理。 如果需要信号的远距离传输，需要增加变送器 哈尔滨学院理工学院共九十七页前、后向通道信号(xnho)类型确定输入、输出类型： 几何量：长度、角度、相互位置、位移、距离 机械量：

8、力、力矩、硬度、加速度与速度、振动热工量：温度、湿度、流量光学参数：光度、光谱、色度、激光测量时间频率：时间、频率、相位电磁量：交、直流电流、电压、功率、RLC参数、静电、磁参数电子参数：有源器件(qjin)参数、无线电参数、频谱分析、动态信号等。哈尔滨学院理工学院共九十七页前向通道信号(xnho)转换模拟信号采集电路电压/时间电阻 - 电容 - 电压 - 电感 - 电压 - 电流 - 时间声光磁电压力加速度温度湿度模拟信号哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页信号调理(tio l)电路大多数传感器的满度输出都是相当小的电压、电流、电阻、电容变化。因此在作进一步处理(chl)

9、之前，必须对它们的输出作适当调理。在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。 信号调理电路的主要作用：放大、电平变换、零点校正、电隔离、阻抗变换、线性化、滤波。哈尔滨学院理工学院共九十七页运用前置放大器的依据多数传感器输出信号都比较小，必须选用(xunyng)前置放大器进行放大。判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端

10、？前置放大器的放大倍数应该多大？哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页 两种调理电路的对比(dub)调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页信号(xnho)调理通道中的常用放大器 在信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集(cij)电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。 哈尔滨学院理工学院共九十七页(一) 仪用放大器 仪用放大器的基本(jbn)结构 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，

11、R4R6，R5R7。则放大器闭环增益为：假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便(fngbin)地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页 在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大(fngd)器的以下主要性能指标确定具体的放大(fngd)电路。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页1. 非线性度 它是指放大器实际(shj)输出输入关系曲线与理想直线的偏差。当增益为1时，如果一个12位A

12、/D转换器有0.025%的非线性偏差，当增益为500时，非线性偏差可达0.1%，相当于把12位A/D转换器变成10位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小的仪用放大器。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页2. 温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化(binhu)而变化(binhu)的程度。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化(binhu)而发生(150)V/变化，这与仪用放大器的增益有关。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页3. 建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到(d do)并保持在给定误差范围内所需的时间。4. 恢

13、复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页5. 电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化(binhu)1%，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页6. 共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压(diny)变化值UI时，在放大器输出端测量出电压变化值UCM，则共模抑制比CMRR可用下式计

14、算：CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信号有增益，对共模信号没有增益。但CMRR的计算却是折合到放大器输出端，这样就使CMRR随增益的增加而增大。哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页(二) 程控增益放大器 程控放大器是常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用(ciyng)可变增益放大器。在测量中，可变增益放大器的增益由程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页程控放大

15、器原理(yunl)框图 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页(三) 隔离放大器 隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑(kol)在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页由于隔离(gl)放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提

16、供偏流返回通路。3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页GF289集成(j chn)隔离放大器哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页GF289典型(dinxng)接法 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页A/D转换器及接口技术 A/D转换(zhunhun)器是将模拟量转换(zhunhun)为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般用一个称为量子Q的基本单位来度量。 哈尔滨学院(x

17、uyun)理工学院(xuyun)共九十七页量化特性(txng)及量化误差 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页理想(lxing)ADC的传输特性和量化误差 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页 A/D转换器常用以下几项技术指标来评价(pngji)其质量水平。 (1) 分辨率 ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。 (2) 转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页 (3) 精度 绝对精度 绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压

18、与实际(shj)模拟输入电压的差值。 绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误差以及噪声等组成。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页相对精度相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字(shz)输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比。 偏移误差。ADC的偏移误差定义为使ADC的输出最低位为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值1/2(Vr2n)(即0.5LSB所对应的电压值)之差（又称为偏移电压）。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页增益误差增益误差是指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程

19、的百分数表示。 线性度误差ADC的线性度误差包括积分线性度误差和微分线性度误差两种。a积分线性度误差积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输(chun sh)特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页b微分线性度误差积分线性度误差是从总体上来看ADC的数字输出，表明其误差最大值。但是，在很多情况下往往(wngwng)对相邻状态间的变化更感兴趣。微分线性度误差就是说明这种问题的技术参数，它定义为ADC传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值

20、对于Vr/2n的偏离值。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页ADC的积分线性度误差(wch) ADC的微分线性度误差 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页与微分线性度误差直接关联的一个ADC的常用术语是失码（Missing Cord）或跳码(Skipped Cord)，也叫做(jiozu)非单调性。 ADC的失码现象(xinxing) 哈尔滨学院理工学院共九十七页温度对误差的影响 环境温度的改变会造成偏移、增益(zngy)和线性度误差的变化。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页ADC的转换原理(一) 比较型ADC比较型ADC可分为

21、反馈比较型及非反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型ADC是非(shfi)反馈的，常用的中速中精度的逐次逼近型ADC是反馈型 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页(二) 积分(jfn)型ADC双积分(jfn)ADC 哈尔滨学院理工学院共九十七页双积分式ADC的优点：对R、C及时钟脉冲Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度。微分线性度极好，不会有非单调性。因为积分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的,即从本质上说，不会发生丢码现象(xinxing)。积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积分式ADC是测量输入电压在定时积分时间T1内的平均值，对干扰有很强的抑制作

22、用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页(三) -型ADC 过采样-A/D变换器由于采用了过采样技术和-调制技术，增加了系统中数字(shz)电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字(shz)系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应了VLSI技术发展的要求。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页 过采样(ci yn)技术理想3位ADC转换(zhunhun)特性 哈尔滨学院理工学院共九十七页过采样(ci yn)技术原理图 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页-

23、调制及噪声整形(zhng xng)技术 带模拟(mn)滤波和数字滤波的过采样 哈尔滨学院理工学院共九十七页一阶- ADC 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页-调制器的频域线性化模型(mxng) 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页整形后的量化噪声(zoshng)分布哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页二阶- ADC 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页信噪比与阶数和过采样(ci yn)倍率之间的关系 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页(四) V/F型ADC常用的另一种ADC是V/F型ADC。

24、它主要由V/F转换器和计数器构成。V/F型ADC的特点(tdin)是：与积分式ADC一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页三、常用ADC集成芯片及其与微处理器的接口考虑到逐次逼近式ADC具有(jyu)转换速度快，精度较高，价格适中的优点，-型ADC具有转换精度高，价格低廉的优点，下面将介绍逐次逼近式ADC-AD574A和-型ADC-CS5360及其与CPU的接口。哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页(一) AD574A及其与微处理器的接口(ji ku

25、)AD574A的管脚图哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页ADC574A单极性和双极性输入(shr)接法 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页AD574的控制(kngzh)状态表：AD574的8位输出(shch)数据格式哈尔滨学院理工学院共九十七页AD574A启动(qdng)转换和读数据时序 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页AD574A与8031的接口(ji ku) 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页AD574系列产品主要性能(xngnng)比较哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页(二)

26、CS5360及其与微处理器的接口(ji ku) 1. CS5360简介u 真正的24位转换u 105dB的动态范围u 低噪声，总谐波(xi b)失真95dBu - A/D转换技术u 片内数字抗混叠滤波及电压参考u 最高采样率50KHzu 差动模拟输入u 单+5V电源供电哈尔滨学院理工学院共九十七页CS5360功能(gngnng)框图 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页2. CS5360与CPU的接口电路设计 在设计CS5360的接口电路时，需要考虑的一个主要问题是如何将其转换输出的24位串行数据读出并存储。有两种方案可以考虑：一是将CS5360的数据输出接口直接与MCU的

27、I/O口相连，利用MCU内部提供的串行接口或者采用软件(run jin)来实现数据的读出和保存，该方案对MCU的速度要求相对较高；另一方案是设计专门的硬件电路来实现数据的读出和存储，适用于采用低速MCU的应用场合。 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页数字(shz)接口电路功能框图 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页基于(jy)FPGA的数字接口电路部分的设计 接口功能(gngnng)框图 哈尔滨学院理工学院共九十七页串并转换(zhunhun)电路原理图 哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页工作(gngzu)时序图 哈尔滨学院(xu

28、yun)理工学院(xuyun)共九十七页前后向通道(tngdo)与CPU的接口关系串行接口：UART,SPI,IIC,IIS, 1-Wire协议(xiy) 串行接口的速度串行接口的抗干扰能力并行接口：哈尔滨学院理工学院共九十七页输入、输出数量：输入、输出数据(shj)流量：哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页模拟前端设计(shj)要点1234电路结构(jigu)合理正确选用元件合理布局布线注意接地关系信号调理电路关系到整体电路的精度和性能灵敏度、线性度、精度、响应速度、测量范围、长期稳定性（失调、漂移）哈尔滨学院理工学院共九十七页四、人机对话与数据通信哈尔滨学院(xuyun

29、)理工学院(xuyun)共九十七页人机对话的复杂性哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.TitleAdd your textThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页电子(dinz)大赛的发展趋势分析全国大学生电子设计大

30、赛历届题目1、测、控系统2、通信(tng xn)3、电源哈尔滨学院理工学院共九十七页 Cycle DiagramTextTextTextTextTextCycle nameAdd Your Text哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页DiagramTextTextTextAdd YourTitle TextText 1Text 2Text 3Text 4Text 5Add YourTitle TextText 1Text 2Text 3Text 4Text 5TextText哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页DiagramAdd Your TextAd

31、d Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your Text哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页DiagramAdd Your TitleAdd Your TitleAdd Your TitleThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Cont

32、ents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页DiagramThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents

33、 mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.TextTextText哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页Marketing DiagramConceptConceptconceptConcept哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页DiagramAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Y

34、our TextAdd Your TextText哈尔滨学院(xuyun)理工学院(xuyun)共九十七页Diagram1ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.2ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.3ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild D