5大學(xué)生電子設(shè)計競賽系列講座基礎(chǔ)篇

大學(xué)生電子設(shè)計競賽系列講座根底篇報告人：劉開華2021年11月各位指點、教師上午好！第一部分概述第二部分根底知識第三部分根本技藝第四部分設(shè)計舉例報告內(nèi)容第一部分概述大學(xué)生電子設(shè)計競賽標題涉及的知識面很廣，幾乎涵蓋了信息技術(shù)類各領(lǐng)域的內(nèi)容。其中根底知識和根本技藝的特點是極其重要，又非常容易被教師和同窗們忽略。重要是由于：1、是有以根底知識為主要內(nèi)容的競賽試題。像寬帶放大器、功率放大器和從2021年開場添加的綜合測評都是以根底知識為主；2、是各類標題中均包含根底知識的內(nèi)容；3、根本技藝是參與電子設(shè)計競賽的必備才干。容易被忽略是由于：這些知識或技藝太根底了，加之涉及的內(nèi)容廣泛、培訓(xùn)時間有限、訓(xùn)練過程枯燥乏味等諸多要素使多數(shù)參賽學(xué)生們只能做到一知半解。結(jié)果競賽時，學(xué)生們思緒窄、入門慢，設(shè)計不盡合理，目的上不去，或在規(guī)定的時間內(nèi)完成的作品不穩(wěn)定、不完好，呵斥測試失敗，甚至全軍覆沒。因此，在參與競賽的培訓(xùn)過程中，一定要加強對根底知識和根本技藝的培訓(xùn)和訓(xùn)練。雖然這是老生常談，但一定要引起各位指點教師的注重，認仔細真的預(yù)備、扎扎實實的訓(xùn)練。第二部分根底知識歸納起來，根底知識應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：一、模擬與數(shù)字電路的根本知識1.根本放大器2.功率放大器3.濾波器4.根本組合邏輯電路與時序邏輯電路根底知識的范疇5.FPGA電路6.A/D,D/A電路7.運算放大器運用電路8.常用傳感器電路9.電源電路10.簡單的信息處置知識與算法根底知識的范疇二、最小系統(tǒng)1.處置器〔包含貯藏一些根本的通用軟件模塊〕2.接口電路3.外設(shè)電路根本知識的范疇第三部分根本技藝一、電路設(shè)計根本技藝1.印刷電路板設(shè)計通常采用Protel繪圖軟件，需求了解元件器的規(guī)格、尺寸；對各電路模塊合理規(guī)劃。2.元器件選擇熟習(xí)各種根本元器件和常用的集成電路芯片的特性。根本技藝3.焊接焊接和連線：可靠、規(guī)整、方便銜接。4.構(gòu)造電路模塊化設(shè)計，利于調(diào)試與缺點檢查；接口要方便且留有足夠的測試點；應(yīng)將系統(tǒng)的各個電路模塊固定在一個框架〔或平板〕構(gòu)造上，添加電路的可靠性；留意實驗臺的整潔，規(guī)范操作。根本技藝電動車蹺蹺板2007年大學(xué)生電子設(shè)計競賽全國一等獎根本技藝單工無線呼叫系統(tǒng)2005年大學(xué)生電子設(shè)計競賽全國二等獎根本技藝二、根本儀器運用與電路調(diào)試1．常用儀器：萬用表、穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等儀器的運用。2．調(diào)試根本技藝系統(tǒng)設(shè)計與制造的過程：1.方案設(shè)計；2.電路模塊設(shè)計；3.元器件選擇與購買；4.PCB幅員設(shè)計〔元器件規(guī)劃〕；5.元器件、電路板檢查；6.焊接；7.分模塊調(diào)試，聯(lián)調(diào)。根本技藝這里特別要提示大家的是，在培訓(xùn)中應(yīng)高度留意學(xué)生科學(xué)研討素質(zhì)的培育。經(jīng)過培訓(xùn)使學(xué)生初步養(yǎng)成：實事求是的任務(wù)原那么、一絲不茍的任務(wù)態(tài)度、勤于思索的任務(wù)方法、百折不饒的任務(wù)精神和精益求精的任務(wù)作風(fēng)。根本技藝三、報告撰寫按照要求，重點引見方案比較、電路模塊設(shè)計、器件選擇、實際推導(dǎo)、軟件流程圖、調(diào)試方法、運用儀器、測試結(jié)果〔數(shù)據(jù)和波形〕、結(jié)果分析、參考資料。普通電路圖和程序可作為附錄放在后面。再有就是格式規(guī)范，內(nèi)容全面，詳略得當(dāng)，圍繞要求下筆，常識性或無關(guān)緊要的內(nèi)容盡量簡述。根本技藝第四部分設(shè)計舉例一、義務(wù)設(shè)計并制造一個寬帶放大器。二、要求1、根本要求〔1〕輸入阻抗≥1kΩ；單端輸入，單端輸出；放大器負載電阻600Ω。〔2〕3dB通頻帶10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB?！?〕最大增益≥40dB，增益調(diào)理范圍10dB～40dB〔增益值6級可調(diào)，步進間隔6dB，增益預(yù)置值與實測值誤差的絕對值≤2dB〕，需顯示預(yù)置增益值?！?〕最大輸出電壓有效值≥3V，數(shù)字顯示輸出正弦電壓有效值。〔5〕自制放大器所需的穩(wěn)壓電源。例一寬帶放大器〔2003年〕2、發(fā)揚部分〔1〕最大輸出電壓有效值≥6V?！?〕最大增益≥58dB(3dB通頻帶10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB)，增益調(diào)理范圍10dB～58dB〔增益值9級可調(diào)，步進間隔6dB，增益預(yù)置值與實測值誤差的絕對值≤2dB〕，需顯示預(yù)置增益值?！?〕添加自動增益控制〔AGC〕功能，AGC范圍≥20dB，在AGC穩(wěn)定范圍內(nèi)輸出電壓有效值應(yīng)穩(wěn)定在4.5V≤Vo≤5.5V內(nèi)〔詳見闡明4〕?！?〕輸出噪聲電壓峰-峰值VoN≤0.5V?！?〕進一步擴展通頻帶、提高增益、提高輸出電壓幅度、擴展AGC范圍、減小增益調(diào)理步進間隔?！?〕其它。例一寬帶放大器〔2003年〕三、分析與設(shè)計首先分析標題的考核點。該標題的難點在于同時要求寬帶、高增益且步進可調(diào)〔20KHz—5MHz頻段內(nèi)增益≥60dB，至少9級可調(diào)〕和高輸出電平〔600Ω負載上的輸出電壓有效值到達6V〕，以及自動增益控制〔AGC〕功能。關(guān)鍵是增益與帶寬的關(guān)系、增益可調(diào)和較高的輸出電壓。例一寬帶放大器〔2003年〕根據(jù)標題要求，系統(tǒng)應(yīng)采用途置器加模擬放大器的技術(shù)方案。由于處置器電路屬于最小系統(tǒng)，這里不再詳細引見，而主要引見模擬放大關(guān)鍵電路設(shè)計與功能實現(xiàn)。1、方案設(shè)計分立器件集成運算放大器集成運算放大器+分立器件目前根本以采用后兩種方式為主。例一寬帶放大器〔2003年〕2、帶寬和增益設(shè)計選擇集成運放的方案之后，首先挑選寬帶運放，如AD603、AD818等，其帶寬在較高增益時，仍滿足要求。實現(xiàn)增益高且可調(diào)〔AGC功能〕的要求，可以：〔1〕利用繼電器〔模擬開關(guān)〕改動反響電阻?！?〕利用數(shù)字電位器改動反響電阻?！?〕利用DA轉(zhuǎn)換器的電阻網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合運放實現(xiàn)增益可調(diào)。4．采用集成可變增益運算放大器芯片，如AD603。5．采用數(shù)字可變增益放大器。例一寬帶放大器〔2003年〕在03年的競賽中，選擇最多的是AD603。AD603有三種任務(wù)方式。方式一，90M寬帶，增益范圍：-10dB--+30dB；方式二，30M寬帶，增益范圍：0dB--+40dB；方式三，9MHz帶寬，增益范圍：10dB--+50dB。各種任務(wù)方式均可滿足6MHz帶寬的要求，但是單級放大器的增益不滿足≥60dB的目的，需求采用兩級AD603級聯(lián)的方式構(gòu)成高增益放大器。例一寬帶放大器〔2003年〕輸入阻抗設(shè)計：由于AD603的輸入阻抗為100Ω，如到達Ri≥1KΩ的要求，前面需求加緩沖級電路?？梢圆捎梅至⒌木w管射隨器，也可以采用寬帶、高速運算放大器，如AD818，OPA642等。例一寬帶放大器〔2003年〕輸出電路設(shè)計：AD603的輸出電壓為有效值2V左右。為了到達輸出有效值6V的要求，在兩級AD603之后，需求添加一級放大?？梢赃x擇兩級晶體管構(gòu)成的對稱互補放大器，也可以選擇集成運放，如AD818。輸入和輸出級電路設(shè)計，普通均參考成熟電路，如有能夠，在培訓(xùn)時要實踐制造一下。例一寬帶放大器〔2003年〕例一寬帶放大器〔2003年〕張展，余涵，張安安，電子世界，2004.3增益調(diào)整實現(xiàn)經(jīng)過在AD603的控制電壓輸入管腳施加模擬控制信號VG可實現(xiàn)其增益調(diào)整。AD603的VG信號在-500mv--+500mv范圍內(nèi)變化時，可實現(xiàn)40dB/V(即25mv/dB)線性增益控制，增益G〔dB〕=40VG+G0i(i=1,2,3)。G0i對應(yīng)三種任務(wù)方式。所以可利用途置器控制一只DAC輸出模擬電壓信號，實現(xiàn)準確的增益控制。例一寬帶放大器〔2003年〕AGC功能實現(xiàn)放大器的AGC功能可經(jīng)過將輸出電壓信號取回并數(shù)字化，由單片機按照要求的AGC傳輸特性曲線生成控制信號，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號VG，保送給AD603的增益控制腳，實現(xiàn)AGC功能。例一寬帶放大器〔2003年〕系統(tǒng)噪聲控制措施主要是在第一級放大器思索，可選擇低噪聲的寬帶運放，如OPA642、AD818。同時在作品制造過程中，采用同軸電纜傳輸信號、采用屏蔽盒，數(shù)字地和模擬地分別且嚴厲一點接地，盡量采用引線短的元器件，如貼片封裝等措施。例一寬帶放大器〔2003年〕這樣，放大器的主要部分設(shè)計完成。從該設(shè)計過程可以感遭到，放大器的輸入與輸出電路，如采用分立器件設(shè)計，不但復(fù)雜，性能也普通。而假設(shè)選擇適用的集成芯片，會收到事半功倍的效果。下面會看到，在09年寬帶直流放大器設(shè)計過程中，這種情況更加明顯。例一寬帶放大器〔2003年〕一、義務(wù)：設(shè)計并制造一個寬帶直流放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。二、要求〔1〕最大電壓增益AV≥60dB，輸入電壓有效值Vi≤10mV。〔2〕在AV＝60dB時，輸出噪聲電壓的峰－峰值VONPP≤0.3V。〔3〕3dB通頻帶0～10MHz；在0～9MHz通帶內(nèi)增益起伏≤1dB?！?〕最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10V，輸出信號波形無明顯失真?！?〕放大器的輸入電阻≥50，負載電阻〔50±2〕?！?〕電壓增益AV可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為0～60dB，步距為5dB〔也可以延續(xù)調(diào)理〕；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示〔至少5MHz、10MHz兩點〕。〔7〕其他〔例如改善放大器性能的其它措施等〕。例二寬帶直流放大器〔2021年〕該題明顯比03年的寬帶放大器提高了要求，一是帶寬提高到了0-10MHz，且是直流放大器。二是對輸出電壓幅度和帶負載才干提出新的要求。其中帶寬和增益可調(diào)的目的可采用03年的方法，選擇寬帶增益可控運算放大器實現(xiàn)。該題主要需求關(guān)注的是在50Ω負載條件下，輸出電壓到達有效值10V〔輸出功率到達了2W〕、帶寬預(yù)置和直流調(diào)零。例二寬帶直流放大器〔2021年〕根據(jù)題意，該系統(tǒng)應(yīng)包括可調(diào)增益放大、程控濾波、功率放大和電源等幾部分。其中，增益可調(diào)放大功能可參考03年寬帶放大器的思緒，采用AD603、AD818等增益可控集成運放。由于該放大器的輸入阻抗要求≥50Ω，多種運放可滿足要求，僅需求在輸入端做好阻抗匹配即可。例二寬帶直流放大器〔2021年〕另外，該放大器輸出功率到達了2W，峰值電流到達280mA以上?？梢圆捎梅至⑵骷?gòu)勝利率放大器，但是難度較大。又由于許多單片集成芯片最大輸出電流在200mA左右，不能滿足要求。所以在09年競賽中，根本上是采用集成電路芯片并聯(lián)擴流的方式實現(xiàn)寬帶功率放大。帶寬預(yù)置功能由繼電器切換低通濾波器實現(xiàn)。例二寬帶直流放大器〔2021年〕設(shè)計直流放大器，需求思索運放直流零點漂移補償。例二寬帶直流放大器〔2021年〕VinDAC輸出廖艷閨，唐曉慶，李剛，電子制造2021年12期從2021年開場，大學(xué)生電子設(shè)計競賽添加了“綜合測評〞環(huán)節(jié)，參與對象為賽區(qū)引薦報全國評獎的優(yōu)秀參賽隊，并在各賽區(qū)以封鎖方式進展。測試標題與評分規(guī)范由全國專家組擔(dān)任一致制定，并委托各賽區(qū)在當(dāng)?shù)亟M織，賽區(qū)專家組完成相應(yīng)測試任務(wù)。全國專家組將排遣專家參與綜合測評?！熬C合測評〞采用設(shè)計制造方式，其成果按比例計入評審總分。運用一片通用四運放芯片LM324組成圖1所示電路框圖，實現(xiàn)下述功能：運用低頻信號源產(chǎn)生的正弦波信號，加至加法器的輸入端，加法器的另一輸入端參與由自制振蕩器產(chǎn)生的信號uo1，uo1如圖２所示，T1=0.5ms，允許T1有±5%的誤差。圖中要求加法器的輸出電壓ui2=10ui1+uo1。ui2經(jīng)選頻濾波器濾除uo1頻率分量，選出f0信號為uo2，uo2為峰峰值等于9V的正弦信號，用示波器察看無明顯失真。uo2信號再經(jīng)比較器后在1kΩ負載上得到峰峰值為2V的輸出電壓uo3。電源只能選用+12V和+5V兩種單電源，由穩(wěn)壓電源供應(yīng)。不得運用額外電源和其它型號運算放大器。要求預(yù)留ui1、ui2、uo1、uo2和uo3的測試端子。例三集成運算放大器運用〔2021年〕例三集成運算放大器運用例三集成運算放大器運用該標題的考核點：怎樣利用四只運算放大器構(gòu)建框圖所示電路。2.采用單電源供電運放處置正弦波信號。例三集成運算放大器運用分析與設(shè)計通常三角波發(fā)生電路需求兩只運放，加法器、比較器和濾波器各用一只運放，共需5只運放，但標題僅允許運用4只運放。必需尋覓節(jié)省一只運放的方案。分析發(fā)現(xiàn)，三角波發(fā)生器的目的要求不嚴厲，可以采用一只運放產(chǎn)生方波信號，然后利用無源積分器電路實現(xiàn)三角波信號。例三集成運算放大器運用例三集成運算放大器運用09年制造較好的參賽隊均采用該種方案。對于單電源運放處置正弦波信號，可經(jīng)過在輸入端加偏置電路的方法處理。例三集成運算放大器運用怎樣預(yù)備綜合測評？請留意以下情況：1.綜合測評的時間是7個小時左右。該時間限制了作品的復(fù)雜度與規(guī)模。2.測評期間不允許上網(wǎng)，資料資源有限，限制了作品的知識覆蓋面和器件覆蓋面。3.考核對象是大本三年級的學(xué)生，知識面和技藝程度有限。幾點領(lǐng)會與建議因此，我個人以為綜合測評涉及的知識是根底的；運用的元器件應(yīng)是根本、通用的〔學(xué)生比較熟習(xí)〕；出題應(yīng)偏重根底知識、根本技藝和電路設(shè)計技巧的結(jié)合。所以要重點關(guān)