5大学生电子设计竞赛系列讲座基础篇1116.ppt

1、大学生电子设计竞赛系列讲座 基础篇,报告人：刘开华 2012年11月,各位领导、 老师上午好！,第一部分 概述 第二部分 基础知识 第三部分 基本技能 第四部分 设计举例,报 告 内 容,第一部分 概 述,大学生电子设计竞赛题目涉及的知识面很广，几乎涵盖了信息技术类各领域的内容。其中基础知识和基本技能的特点是极其重要，又非常容易被老师和同学们忽略。,重要是因为： 1、是有以基础知识为主要内容的竞赛试题。像宽带放大器、功率放大器和从2011年开始增加的综合测评都是以基础知识为主； 2、是各类题目中均包含基础知识的内容； 3、基本技能是参加电子设计竞赛的必备能力。,容易被忽略是因为：这些知识或技能

2、太基础了，加之涉及的内容宽泛、培训时间有限、训练过程枯燥乏味等诸多因素使多数参赛学生们只能做到一知半解。结果竞赛时，学生们思路窄、入门慢，设计不尽合理，指标上不去，或在规定的时间内完成的作品不稳定、不完整，造成测试失败，甚至全军覆没。,因此，在参加竞赛的培训过程中，一定要加强对基础知识和基本技能的培训和训练。虽然这是老生常谈，但一定要引起各位指导教师的重视，认认真真的准备、扎扎实实的训练。,第二部分 基础知识,归纳起来，基础知识应包含以下几方面的内容： 一、模拟与数字电路的基本知识 1.基本放大器 2.功率放大器 3.滤波器 4.基本组合逻辑电路与时序逻辑电路,基础知识的范畴,5.FPGA电路

3、 6.A/D,D/A电路 7.运算放大器应用电路 8.常用传感器电路 9.电源电路 10. 简单的信息处理知识与算法,基础知识的范畴,二、最小系统 1.处理器（包含储备一些基本的通用软件模块） 2.接口电路 3.外设电路,基本知识的范畴,第三部分 基本技能,一、电路设计基本技能 1. 印刷电路板设计 通常采用Protel绘图软件，需要了解元件器的规格、尺寸；对各电路模块合理布局。 2. 元器件选择 熟悉各种基本元器件和常用的集成电路芯片的特性。,基本技能,3. 焊接 焊接和连线：可靠、规整、方便连接。 4. 结构 电路模块化设计，利于调试与故障检查；接口要方便且留有足够的测试点；应将系统的各个

4、电路模块固定在一个框架（或平板）结构上，增加电路的可靠性；注意试验台的整洁，规范操作。,基本技能,电动车跷跷板 2007年大学生电子设计竞赛全国一等奖,基本技能,单工无线呼叫系统 2005年大学生电子设计竞赛全国二等奖,基本技能,二、基本仪器使用与电路调试 1常用仪器：万用表、稳压电源、信号发生器、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等仪器的使用。 2调试,基本技能,系统设计与制作的过程： 1.方案设计； 2.电路模块设计； 3.元器件选择与购买； 4.PCB版图设计（元器件布局）； 5.元器件、电路板检查； 6.焊接； 7.分模块调试，联调。,基本技能,这里特别要提醒大家的是，在培训中应高度注意学生科

5、学研究素质的培养。通过培训使学生初步养成：实事求是的工作原则、一丝不苟的工作态度、勤于思考的工作方法、百折不饶的工作精神和精益求精的工作作风。,基本技能,三、报告撰写 按照要求，重点介绍方案比较、电路模块设计、器件选择、理论推导、软件流程图、调试方法、使用仪器、测试结果（数据和波形）、结果分析、参考资料。一般电路图和程序可作为附录放在后面。 再有就是格式规范，内容全面，详略得当，围绕要求下笔，常识性或无关紧要的内容尽量简述。,基本技能,第四部分 设计举例,一、任务 设计并制作一个宽带放大器。 二、要求 1、基本要求 （1）输入阻抗1k；单端输入，单端输出；放大器负载电阻600。 （2）3dB通

6、频带10kHz6MHz，在20kHz5MHz频带内增益起伏1dB。 （3）最大增益40dB，增益调节范围10dB40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值2dB），需显示预置增益值。 （4）最大输出电压有效值3V，数字显示输出正弦电压有效值。 （5）自制放大器所需的稳压电源。,例一 宽带放大器（2003年）,2、发挥部分 （1）最大输出电压有效值6V。 （2）最大增益58dB (3dB通频带10kHz6MHz，在20kHz5MHz频带内增益起伏1dB)，增益调节范围10dB58dB（增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值2dB），需显示预置

7、增益值。 （3）增加自动增益控制（AGC）功能，AGC范围20dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在 4.5VVo5.5V内（详见说明4）。 （4）输出噪声电压峰-峰值VoN 0.5V。 （5）进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔。 （6）其它。,例一 宽带放大器（2003年）,三、分析与设计 首先分析题目的考核点。该题目的难点在于同时要求宽带、高增益且步进可调（20KHz5MHz频段内增益60dB，至少9级可调）和高输出电平（600负载上的输出电压有效值达到6V），以及自动增益控制（AGC）功能。关键是增益与带宽的关系、增益可调和较高的输

8、出电压。,例一 宽带放大器（2003年）,根据题目要求，系统应采用处理器加模拟放大器的技术方案。由于处理器电路属于最小系统，这里不再详细介绍，而主要介绍模拟放大关键电路设计与功能实现。 1、方案设计 分立器件 集成运算放大器 集成运算放大器+分立器件 目前基本以采用后两种方式为主。,例一 宽带放大器（2003年）,2、带宽和增益设计 选择集成运放的方案之后，首先挑选宽带运放，如AD603、AD818等，其带宽在较高增益时，仍满足要求。 实现增益高且可调（AGC功能）的要求，可以： （1）利用继电器（模拟开关）改变反馈电阻。 （2）利用数字电位器改变反馈电阻。 （3）利用DA转换器的电阻网络，结

9、合运放实现增益可调。 4采用集成可变增益运算放大器芯片，如AD603。 5采用数字可变增益放大器。,例一 宽带放大器（2003年）,在03年的竞赛中，选择最多的是AD603。AD603有三种工作模式。 模式一，90M宽带， 增益范围：-10dB-+30dB； 模式二，30M宽带， 增益范围：0dB-+40dB； 模式三，9MHz带宽，增益范围：10dB-+50dB。 各种工作方式均可满足6MHz带宽的要求，但是单级放大器的增益不满足60dB的指标，需要采用两级AD603级联的方式构成高增益放大器。,例一 宽带放大器（2003年）,输入阻抗设计： 由于AD603的输入阻抗为100，如达到Ri1K

10、的要求，前面需要加缓冲级电路。可以采用分立的晶体管射随器，也可以采用宽带、高速运算放大器，如AD818，OPA642等。,例一 宽带放大器（2003年）,输出电路设计： AD603的输出电压为有效值2V左右。为了达到输出有效值6V的要求，在两级AD603之后，需要增加一级放大。可以选择两级晶体管构成的对称互补放大器，也可以选择集成运放，如AD818 。 输入和输出级电路设计，一般均参考成熟电路，如有可能，在培训时要实际制作一下。,例一 宽带放大器（2003年）,例一 宽带放大器（2003年）,张 展，余 涵，张安安，电子世界，2004.3,增益调整实现 通过在AD603的控制电压输入管脚施加模

11、拟控制信号VG可实现其增益调整。AD603的VG信号在-500mv-+500mv范围内变化时，可实现40dB/V(即25mv/dB)线性增益控制，增益G（dB）=40VG+G0i(i=1,2,3)。G0i对应三种工作模式。所以可利用处理器控制一只DAC输出模拟电压信号，实现精确的增益控制。,例一 宽带放大器（2003年）,AGC功能实现 放大器的AGC功能可通过将输出电压信号取回并数字化，由单片机按照要求的AGC传输特性曲线生成控制信号，经DAC转换成模拟信号VG，输送给AD603的增益控制脚，实现AGC功能。,例一 宽带放大器（2003年）,系统噪声控制措施主要是在第一级放大器考虑，可选择低

12、噪声的宽带运放，如OPA642、AD818。同时在作品制作过程中，采用同轴电缆传输信号、采用屏蔽盒，数字地和模拟地分离且严格一点接地，尽量采用引线短的元器件，如贴片封装等措施。,例一 宽带放大器（2003年）,这样，放大器的主要部分设计完成。从该设计过程可以感受到，放大器的输入与输出电路，如采用分立器件设计，不但复杂，性能也一般。而若选择适用的集成芯片，会收到事半功倍的效果。下面会看到，在09年宽带直流放大器设计过程中，这种情况更加明显。,例一 宽带放大器（2003年）,一、任务： 设计并制作一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源。 二、要求 （1）最大电压增益AV60dB，输入电压有效值Vi

13、10 mV。 （2）在AV60dB时，输出噪声电压的峰峰值VONPP0.3V。 （3）3dB通频带010MHz；在09MHz通带内增益起伏1dB。 （4）最大输出电压正弦波有效值Vo10V，输出信号波形无明显失真。 （5）放大器的输入电阻50，负载电阻（502）。 （6）电压增益AV可预置并显示，预置范围为060dB，步距为5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、 10MHz 两点）。 （7）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。,例二 宽带直流放大器（2009年）,该题明显比03年的宽带放大器提高了要求，一是带宽提高到了0-10MHz，且是直流放大器。二是对输出电

14、压幅度和带负载能力提出新的要求。其中带宽和增益可调的指标可采用03年的方法，选择宽带增益可控运算放大器实现。该题主要需要关注的是在50负载条件下，输出电压达到有效值10V（输出功率达到了2W ）、带宽预置和直流调零。,例二 宽带直流放大器（2009年）,根据题意，该系统应包括可调增益放大、程控滤波、功率放大和电源等几部分。 其中，增益可调放大功能可参考03年宽带放大器的思路，采用AD603、AD818等增益可控集成运放。 由于该放大器的输入阻抗要求50，多种运放可满足要求，仅需要在输入端做好阻抗匹配即可。,例二 宽带直流放大器（2009年）,另外，该放大器输出功率达到了2W，峰值电流达到280

15、mA以上。可以采用分立器件构成功率放大器，但是难度较大。又因为许多单片集成芯片最大输出电流在200mA左右，不能满足要求。所以在09年竞赛中，基本上是采用集成电路芯片并联扩流的方式实现宽带功率放大。 带宽预置功能由继电器切换低通滤波器实现。,例二 宽带直流放大器（2009年）,设计直流放大器，需要考虑运放直流零点漂移补偿。,例二 宽带直流放大器（2009年）,Vin,DAC输出,廖艳闺，唐晓庆，李刚，电子制作 2009年 12期,从2011年开始，大学生电子设计竞赛增加了 “综合测评”环节，参加对象为赛区推荐报全国评奖的优秀参赛队，并在各赛区以封闭方式进行。测试题目与评分标准由全国专家组负责统

16、一制定，并委托各赛区在当地组织，赛区专家组完成相应测试工作。全国专家组将排遣专家参加综合测评。 “综合测评”采用设计制作方式，其成绩按比例计入评审总分。,使用一片通用四运放芯片LM324 组成图1所示电路框图，实现下述功能：使用低频信号源产生的正弦波信号， 加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1， uo1 如图所示， T1=0.5ms，允许T1有5%的误差。 图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2 经选频滤波器滤除uo1 频率分量，选出f0 信号为uo2，uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 信号再经比较器后在

17、1k 负载上得到峰峰值为2V 的输出电压uo3。电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源和其它型号运算放大器。要求预留ui1、ui2、uo1、uo2 和uo3 的测试端子。,例三 集成运算放大器应用（2011年）,例三 集成运算放大器应用,例三 集成运算放大器应用,该题目的考核点： 怎样利用四只运算放大器构建框图所示电路。 2.采用单电源供电运放处理正弦波信号。,例三 集成运算放大器应用,分析与设计 通常三角波发生电路需要两只运放，加法器、比较器和滤波器各用一只运放，共需5只运放，但题目仅容许使用4只运放。必须寻找节省一只运放的方案。分析发现，三角波发生器的

18、指标要求不严格，可以采用一只运放产生方波信号，然后利用无源积分器电路实现三角波信号。,例三 集成运算放大器应用,例三 集成运算放大器应用,09年制作较好的参赛队均采用该种方案。 对于单电源运放处理正弦波信号，可通过在输入端加偏置电路的方法解决。,例三 集成运算放大器应用,怎样准备综合测评？请注意以下情况： 1.综合测评的时间是7个小时左右。该时间限制了作品的复杂度与规模。 2.测评期间不容许上网，资料资源有限，限制了作品的知识覆盖面和器件覆盖面。 3.考核对象是大本三年级的学生，知识面和技能水平有限。,几点体会与建议,因此，我个人认为综合测评涉及的知识是基础的；应用的元器件应是基本、通用的（学生比较熟悉）；出题应侧重基础知识、基本技能和电路设计技巧的结合。 所以要重点关注：模拟电路知识（特别是运算放大器应用