大学生电子设计竞赛系列讲座基础篇.ppt

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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：这些知识或技能太基础了，加之涉

2、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6.A/D,D/A电路7.

3、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；

4、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

5、、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通频带10kHz6MHz，在20kHz5MHz频带内增益起伏1dB。（3）最大增益40dB

6、，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

7、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

8、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（20

9、03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

10、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

11、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

12、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Vi10 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）

13、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

14、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280mA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

15、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

16、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、uo

17、2 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

18、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，555电路应用）、数字电路知识（组合电路、逻辑电路）。如果涉及处理器，至少会提

19、供最小系统的全套元器件和电路板。,几点体会与建议,总之，综合测评将是基本功的比拼，不大可能通过短期突击，就能掌握这么多的内容，需要在平时多加努力。在学习相关课程时，就要将基本概念和关键知识点学好，并打牢基础。还有就是加强实践和基本技能的训练。,几点体会与建议,年轻的指导教师应该在一、两个领域深入钻研，打铁先得自身硬，你有足够的技术储备，才能给学生做好指导。指导教师应关注新器件、新技术的发展。同时，长期积累，不断总结，特别是在竞赛指导中，尽量采用使用过的器件与方案。所以，在竞赛过程中选题应选择最熟悉的类型，器件也应尽量采用培训过程中使用过的器件与芯片。,几点体会与建议,电子设计竞赛的特点是最终将设计实际做出来，并需要系统能运行、演示。因此竞赛对学生的培养是多方面的，不仅可以有效的培养学生的实际动手能力和创新能力；还因完成课题需要理论分析与系统设计相结合，可引导学生将之前学习的知识串起来，形成系统的概念。,几点体会与建议,全国大学生电子设计竞赛经过了18年的积累与沉淀，为在校学生搭建了开拓视野、促进理论和实践的结合的平台，也为电子信息产业搭建了人才储备的平台并成为目前最受大学生欢迎、最受政府重视、最受社会与企业认可的学生科技活动与竞赛。希望报告对大家能有所帮助，也希望大家能在竞赛中取得好的成绩！,谢 谢 大 家！,