電子設(shè)計大賽完整1(6)

電路設(shè)計與EDA技術(shù)三、EDA技術(shù)二、歷屆題目分析一、電子系統(tǒng)設(shè)計基本原則目錄1.1電子系統(tǒng)設(shè)計的基本原則滿足系統(tǒng)功能和性能的要求。這是電子電路系統(tǒng)設(shè)計時必須滿足的基本條件。電路簡單，成本低，體積小。系統(tǒng)集成技術(shù)是簡化系統(tǒng)電路的最好方法。電磁兼容性好。電磁兼容特性是現(xiàn)代電子電路的基本要求?？煽啃愿?、性價比高。系統(tǒng)的集成度高、節(jié)能。調(diào)試簡單方便。生產(chǎn)工藝簡單。

一、電子系統(tǒng)設(shè)計的基本原則1.2電子系統(tǒng)設(shè)計步驟調(diào)查研究→方案選擇與可行性論證→單元電路設(shè)計和元器件選擇→生成PCB圖→組裝與調(diào)試→編寫設(shè)計文檔與總結(jié)報告一、電子系統(tǒng)設(shè)計的基本原則1.3電子電路設(shè)計的設(shè)計方法—自頂向下一、電子系統(tǒng)設(shè)計的基本原則一、要求1、基本要求

（1）輸入阻抗≥1kΩ；單端輸入，單端輸出；放大器負(fù)載電阻600Ω。（2）3dB通頻帶10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。（3）最大增益≥40dB，增益調(diào)節(jié)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。（4）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。

2.1寬帶放大器（2003年）設(shè)計二、歷屆題目分析2、發(fā)揮部分

（1）最大輸出電壓有效值≥6V。（2）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)節(jié)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。（3）增加自動增益控制（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)（詳見說明4）。（4）輸出噪聲電壓峰-峰值VoN≤0.5V。（5）進一步擴展通頻帶、提高增益、提高輸出電壓幅度、擴大AGC范圍、減小增益調(diào)節(jié)步進間隔。（6）其它。二、歷屆題目分析二、分析與設(shè)計首先分析題目的考核點。該題目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(fù)載上的輸出電壓有效值達到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。

二、歷屆題目分析

根據(jù)題目要求，系統(tǒng)應(yīng)采用處理器加模擬放大器的技術(shù)方案。由于處理器電路屬于最小系統(tǒng)，這里不再詳細(xì)介紹，而主要介紹模擬放大關(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+分立器件目前基本以采用后兩種方式為主。

二、歷屆題目分析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)）改變反饋電阻。（2）利用數(shù)字電位器改變反饋電阻。（3）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。二、歷屆題目分析在03年的競賽中，選擇最多的是AD603。AD603有三種工作模式。模式一，90M帶寬，增益范圍：-10dB--+30dB；模式二，30M帶寬，增益范圍：0dB--+40dB；模式三，9MHz帶寬，增益范圍：10dB--+50dB。各種工作方式均可滿足6MHz帶寬的要求，但是單級放大器的增益不滿足≥60dB的指標(biāo)，需要采用兩級AD603級聯(lián)的方式構(gòu)成高增益放大器。二、歷屆題目分析

輸入阻抗設(shè)計：由于AD603的輸入阻抗為100Ω，如達到Ri≥1KΩ的要求，前面需要加緩沖級電路?？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。

二、歷屆題目分析輸出電路設(shè)計：

AD603的輸出電壓為有效值2V左右。為了達到輸出有效值6V的要求，在兩級AD603之后，需要增加一級放大?？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，一般均參考成熟電路，如有可能，在培訓(xùn)時要實際制作一下。

二、歷屆題目分析二、歷屆題目分析增益調(diào)整實現(xiàn)通過在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)三種工作模式。所以可利用處理器控制一只DAC輸出模擬電壓信號，實現(xiàn)精確的增益控制。

二、歷屆題目分析

AGC功能實現(xiàn)

放大器的AGC功能可通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，輸送給AD603的增益控制腳，實現(xiàn)AGC功能。二、歷屆題目分析

系統(tǒng)噪聲控制措施主要是在第一級放大器考慮，可選擇低噪聲的寬帶運放，如OPA642、AD818。同時在作品制作過程中，采用同軸電纜傳輸信號、采用屏蔽盒，數(shù)字地和模擬地分離且嚴(yán)格一點接地，盡量采用引線短的元器件，如貼片封裝等措施。

二、歷屆題目分析這樣，放大器的主要部分設(shè)計完成。從該設(shè)計過程可以感受到，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，性能也一般。而若選擇適用的集成芯片，會收到事半功倍的效果。二、歷屆題目分析開關(guān)穩(wěn)壓電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源按用途主要分為Buck電路，Boost電路，Buck－Boost電路。這里主要介紹Buck和Boost電路二、歷屆題目分析2.2開關(guān)電源（2011年）設(shè)計2011年A題體現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容

設(shè)計并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8VDC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)（見圖1）。DC/DC模塊1DC/DC模塊2負(fù)載電阻UO=8.0VIINI1I2UIN=24VIO+-+-圖1兩個DC/DC模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)主電路示意圖

二、歷屆題目分析2011年A題突出均流技術(shù)主要知識點是恒壓源并聯(lián)供電，強調(diào)負(fù)載變化時的均流技術(shù)。

UoE1E2I1I2r1r2RL穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路主電路示意圖二、歷屆題目分析主電路等效示意圖（此時忽略穩(wěn)壓電路，將端電壓等效為恒值）

Uo=C(8V)E1E2I1I2r1r2RL（2-2）根據(jù)基爾霍夫定律（1）（2）（2-1）2011年A題突出均流技術(shù)二、歷屆題目分析Uo=C(8V)E1E2I1I2r1r2RL（2-2）根據(jù)基爾霍夫定律（1）（2）（2-1）設(shè)r1=r2=r

做（4）+（5）且代入（2-1）得：即：

為RL的函數(shù)。

（4）（5）（6）將（2-2）代入方程（1）、（2）得：二、歷屆題目分析設(shè)計要求難點分析1）要求并聯(lián)工作

2）大功率/高效率

3）恒壓且電流比可調(diào)解決思路1）電流源可并聯(lián)

2）同步Buck結(jié)構(gòu)

3）內(nèi)/外雙環(huán)反饋二、歷屆題目分析總體方案1）DC/DC構(gòu)成了程控電流源，電流可獨立設(shè)置（內(nèi)環(huán)）

2）輸出電壓通過P.I.D反饋環(huán)路保證穩(wěn)定（外環(huán)）

3）高邊電流采樣，確保系統(tǒng)共地關(guān)鍵技術(shù)二、歷屆題目分析DC——DC主回路的論證與選擇

方案一：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路。該方案優(yōu)點是穩(wěn)壓效果好，紋波電壓小，電路簡單，易于實現(xiàn)。缺點是效率太低。而且，不易實現(xiàn)均流。

方案二：開關(guān)直流穩(wěn)壓電路。由題目要求，輸入電壓為24V，輸出8V，故采用降壓型DC/DC電路，即BUCK電路。此方案的優(yōu)點是效率高，缺點是紋波和脈動干擾較大。為實現(xiàn)均流及出于對高效率的最求，故選擇方案二。二、歷屆題目分析均流方法選擇的論證與選擇

常見的并聯(lián)均流方法有：主從設(shè)置法、平均電流自動均流法、最大電流自動均流法等。

本系統(tǒng)基于以上均流方法的基本原理結(jié)合本次設(shè)計的具體要求，采用復(fù)合式的主從設(shè)置法。它結(jié)合了主從設(shè)置法與最大電流自動均流的優(yōu)點，能較理想的實現(xiàn)均流要求。

復(fù)合式的主從設(shè)置法事先并不給定主模塊，而是根據(jù)設(shè)計要求給定兩個并聯(lián)模塊一穩(wěn)定的占空比，根據(jù)檢測電流分配比例確定主從模塊，即輸出電流小的為主模塊，大的為從模塊。主模塊采用電壓調(diào)節(jié)，F(xiàn)PGA通過調(diào)節(jié)占空比輸出對主電路的輸出電壓進行控制，使其穩(wěn)定在8V，然后通過調(diào)節(jié)的占空比對從模塊的輸出電流進行調(diào)節(jié)，使達到預(yù)定的比例。二、歷屆題目分析系統(tǒng)總體框圖二、歷屆題目分析主程序流程圖二、歷屆題目分析作品展示關(guān)鍵指標(biāo)均取得較好效果指標(biāo)要求實際指標(biāo)備注輸出:滿載8.0±0.4V滿載8.001V6-12V可任意設(shè)定電流:比例誤差2%誤差<0.2%效率:>60%94.5%過流:4.5±0.2A4.490A二、歷屆題目分析2.3集成運算放大器應(yīng)用（2011年）二、歷屆題目分析四運算放大器LM324（一）LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用下圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。

二、歷屆題目分析LM324的特點：

1.短路保護輸出

2.真差動輸入級

3.可單電源工作：3V-32V

4.低偏置電流：最大100nA

5.每封裝含四個運算放大器。

6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?/p>

7.共模范圍擴展到負(fù)電源

8.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列

9.輸入端具有靜電保護功能四運算放大器LM324（二）二、歷屆題目分析運放類型:低功率放大器數(shù)目:4帶寬:1.2MHz針腳數(shù):14工作溫度范圍:0°Cto+70°C封裝類型:SOIC

-3dB帶寬增益乘積:1.2MHz變化斜率:0.5V/μs器件標(biāo)號:324器件標(biāo)記:LM324AD增益帶寬:1.2MHz工作溫度最低:0°C工作溫度最高:70°C放大器類型:低功耗溫度范圍:商用電源電壓最大:32V電源電壓最小:3V芯片標(biāo)號:324表面安裝器件:表面安裝輸入偏移電壓最大:7mV運放特點:高增益頻率補償運算邏輯功能號:324額定電源電壓,+:15四運算放大器LM324（三）二、歷屆題目分析二、歷屆題目分析二、歷屆題目分析

該題目的考核點：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理正弦波信號。

二、歷屆題目分析

分析與設(shè)計通常三角波發(fā)生電路需要兩只運放，加法器、比較器和濾波器各用一只運放，共需5只運放，但題目僅容許使用4只運放。必須尋找節(jié)省一只運放的方案。分析發(fā)現(xiàn)，三角波發(fā)生器的指標(biāo)要求不嚴(yán)格，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。

二、歷屆題目分析二、歷屆題目分析綜合測評因賽前基本功訓(xùn)練充分，綜合測評輕松完成，全部達標(biāo)。二、歷屆題目分析放大器電路設(shè)計常見問題一個電阻連接在運算放大器的輸入端與地之間,從而為輸入偏置電流提供了一個回路二、歷屆題目分析輸入偏置電流流經(jīng)耦合電容,給其充電,直到超過放大器輸入電路的額定共模電壓或超過輸出限值。根據(jù)輸入偏置電流的極性,電容充電或者向正電源電壓方向,或者向負(fù)電源電壓方向。這個偏置電壓會被放大器的閉環(huán)直流增益放大。這一過程可能較長。例如,對于一個帶有場效應(yīng)晶體管(FET)輸入端的放大器,若其偏置電流為1pA,通過一個0.1μF的電容進行耦合,則其IC充電率I/C為10-12/10-7=10μV/s；合600μV/min。如果增益為100,則輸出漂移為0.06V/min可見,如果采用交流耦合示波器做短時間的測試可能無法檢測出這一問題,電路要在數(shù)小時后才會發(fā)生故障?？傊?避免這一問題是非常重要的。二、歷屆題目分析EDA工具軟件：電路仿真電路/PCB設(shè)計數(shù)字仿真/設(shè)計濾波器設(shè)計單片機開發(fā)三、EDA技術(shù)3.1直流穩(wěn)壓電源電路的仿真分析在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，廣為各種電子設(shè)備所采用。向調(diào)整電路（穩(wěn)壓電路）輸送一個不穩(wěn)定的脈動的直流電壓U。因U或穩(wěn)壓電路輸出電流I的變動而引起輸出電壓UO變化時,調(diào)整電路使UO保持原值或者只有極小的變動。調(diào)整電路中的調(diào)整管工作在線性放大區(qū)的稱為線性穩(wěn)壓電源，工作在非線性區(qū)的則稱為開關(guān)穩(wěn)壓電源。

三、EDA技術(shù)線性穩(wěn)壓電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低(現(xiàn)在經(jīng)?？吹腖DO就是為了解決效率問題而出現(xiàn)的)；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。線性穩(wěn)壓電源（一）三、EDA技術(shù)線性穩(wěn)壓電源（二）一般來說，線性穩(wěn)壓電源由調(diào)整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護電路，啟動電路等部分。左圖是一個比較簡單的線性穩(wěn)壓電源原理圖（省略了濾波電容等元件），取樣電阻通過取樣輸出電壓，并與參考電壓比較，比較結(jié)果由誤差放大電路放大后，控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，使輸出電壓保持穩(wěn)定。

三、EDA技術(shù)常用的線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源芯片有：78XX系列（正電壓型），79XX系列（負(fù)電壓型）（實際產(chǎn)品中，XX用數(shù)字表示，XX是多少，輸出電壓就是多少。例如7805，輸出電壓為5V）；LM317（可調(diào)正電壓型），LM337（可調(diào)負(fù)電壓型）；1117（低壓差型，有多種型號，用尾數(shù)表示電壓值。如1117-3.3為3.3V，1117-ADJ為可調(diào)型）。線性穩(wěn)壓電源（三）三、EDA技術(shù)線性穩(wěn)壓電源（四）LM317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時能夠提供超過1.5安的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用三、EDA技術(shù)線性穩(wěn)壓電源（五）三、EDA技術(shù)線性穩(wěn)壓電源（六）穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）+I2*R2。（I2=100uA，所以可以忽略）僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是1.25V—37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范圍只能是0—28.6三、EDA技術(shù)線性穩(wěn)壓電源（七）其次是317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時（如圖所示），沒有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大

三、EDA技術(shù)線性穩(wěn)壓電源（八）要解決317穩(wěn)壓塊最小穩(wěn)定工作電流的問題，可以通過設(shè)定R1和R2阻值的大小，而使317穩(wěn)壓塊空載時輸出的電流大于或等于其最小穩(wěn)定工作電流，從而保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作。此時，只要保證Vo/（R1＋R2）≥1.5mA，就可以保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作。上式中的1.5mA為317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流。當(dāng)然，只要能保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作，Vo/（R1＋R2）的值也可以設(shè)定為大于1.5mA的任意值。經(jīng)計算可知R1的最大取值為R1≈0.83KΩ。又因為R2/R1的最大值為28.6。所以R2的最大取值為R2≈23.74KΩ。在使用317穩(wěn)壓塊的輸出電壓計算公式計算其輸出電壓時，必須保證R1≤0.83KΩ，R2≤23.74KΩ兩個不等式同時成立，才能保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作

三、EDA技術(shù)整流濾波電路1、橋式整流電路圖3-1橋式整流濾波電路三、EDA技術(shù)圖3-2C=50uF橋式整流濾波輸出電壓波形三、EDA技術(shù)圖3-3C=100uF橋式整流濾波輸出電壓波形三、EDA技術(shù)2、半波整流濾波圖3-4半波整流濾波電路三、EDA技術(shù)由波形圖可看出，和圖3-2相比，在同樣的負(fù)載和濾波電容參數(shù)下，半波整流濾波后的電壓波形由于只利用了正弦波的半個周期波形，紋波系數(shù)大。同時變壓器的利用率也較大。當(dāng)負(fù)載較輕，需提供的能量較小，同時對電壓波形要求不高時，可采用半波整流濾波電源。為減小紋波系數(shù)，可適當(dāng)增大濾波電容圖3-5半波整流濾波輸出電壓波形三、EDA技術(shù)穩(wěn)壓電路1、并聯(lián)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖3-6并聯(lián)型穩(wěn)壓整流濾波電路三、EDA技術(shù)圖3-7R2=500Ω并聯(lián)穩(wěn)壓電路輸入輸出電壓波形三、EDA技術(shù)圖3-8R2=200Ω并聯(lián)穩(wěn)壓電路輸入輸出電壓波形三、EDA技術(shù)由波形圖可看出，當(dāng)V2=20V時（變壓器變比為11），在如圖參數(shù)下，輸出電壓可以穩(wěn)定在15V。當(dāng)增大負(fù)載電阻R2或電網(wǎng)電壓波動±10%時，輸出電壓均可穩(wěn)定；當(dāng)此時再繼續(xù)減小負(fù)載電阻到200Ω（即負(fù)載加重），電壓不能穩(wěn)定，波形會在整流濾波的低谷處出現(xiàn)下降，如圖3-8所示；當(dāng)此時將穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值往上調(diào)整，或增大限流電阻R1，輸出電壓均會在整流濾波的低谷處不能穩(wěn)定?？梢姡ＷC該穩(wěn)壓電路電壓的穩(wěn)定，必須使輸入電壓高于輸出電壓一定的值，且在某個負(fù)載變化范圍內(nèi)，限流電阻R1需根據(jù)負(fù)載范圍、輸入輸出電壓確定一個合適的限流電阻阻值。三、EDA技術(shù)2、串聯(lián)穩(wěn)壓