大學生電子設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計舉例報告內容第一部分概述大學生電子設計競賽標題涉及的知識面很廣，幾乎涵蓋了信息技術類各領域的內容。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容；3、根本技藝是參與電子設計競賽的必備才干。容易被忽略是由于：這些知識或技藝太根底了，加之涉及的內容廣泛、培訓時間有限、訓練過程枯燥乏味等諸多要素使多數參賽學生們只能做到一知半解。結果競賽時，學生們思緒窄、入門慢，設計不盡合理，目的上不去，或在規定的時間內完成的作品不穩定、不完好，呵斥測試失敗，甚至全軍覆沒。因此，在參與競賽的培訓過程中，一定要加強對根底知識和根本技藝的培訓和訓練。雖然這是老生常談，但一定要引起各位指點教師的注重，認仔細真的預備、扎扎實實的訓練。第二部分根底知識歸納起來，根底知識應包含以下幾方面的內容：一、模擬與數字電路的根本知識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.外設電路根本知識的范疇第三部分根本技藝一、電路設計根本技藝1.印刷電路板設計通常采用Protel繪圖軟件，需求了解元件器的規格、尺寸；對各電路模塊合理規劃。2.元器件選擇熟習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、規整、方便銜接。4.構造電路模塊化設計，利于調試與缺點檢查；接口要方便且留有足夠的測試點；應將系統的各個電路模塊固定在一個框架〔或平板〕構造上，添加電路的可靠性；留意實驗臺的整潔，規范操作。根本技藝電動車蹺蹺板2007年大學生電子設計競賽全國一等獎根本技藝單工無線呼叫系統2005年大學生電子設計競賽全國二等獎根本技藝二、根本儀器運用與電路調試1．常用儀器：萬用表、穩壓電源、信號發生器、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等儀器的運用。2．調試根本技藝系統設計與制造的過程：1.方案設計；2.電路模塊設計；3.元器件選擇與購買；4.PCB幅員設計〔元器件規劃〕；5.元器件、電路板檢查；6.焊接；7.分模塊調試，聯調。根本技藝這里特別要提示大家的是，在培訓中應高度留意學生科學研討素質的培育。經過培訓使學生初步養成：實事求是的任務原那么、一絲不茍的任務態度、勤于思索的任務方法、百折不饒的任務精神和精益求精的任務作風。根本技藝三、報告撰寫按照要求，重點引見方案比較、電路模塊設計、器件選擇、實際推導、軟件流程圖、調試方法、運用儀器、測試結果〔數據和波形〕、結果分析、參考資料。普通電路圖和程序可作為附錄放在后面。再有就是格式規范，內容全面，詳略得當，圍繞要求下筆，常識性或無關緊要的內容盡量簡述。根本技藝第四部分設計舉例一、義務設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頻帶內增益起伏≤1dB。〔3〕最大增益≥40dB，增益調理范圍10dB～40dB〔增益值6級可調，步進間隔6dB，增益預置值與實測值誤差的絕對值≤2dB〕，需顯示預置增益值。〔4〕最大輸出電壓有效值≥3V，數字顯示輸出正弦電壓有效值。〔5〕自制放大器所需的穩壓電源。例一寬帶放大器〔2003年〕2、發揚部分〔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頻帶內增益起伏≤1dB)，增益調理范圍10dB～58dB〔增益值9級可調，步進間隔6dB，增益預置值與實測值誤差的絕對值≤2dB〕，需顯示預置增益值。〔3〕添加自動增益控制〔AGC〕功能，AGC范圍≥20dB，在AGC穩定范圍內輸出電壓有效值應穩定在4.5V≤Vo≤5.5V內〔詳見闡明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、擴展AGC范圍、減小增益調理步進間隔。〔6〕其它。例一寬帶放大器〔2003年〕三、分析與設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〔20KHz—5MHz頻段內增益≥60dB，至少9級可調〕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。關鍵是增益與帶寬的關系、增益可調和較高的輸出電壓。例一寬帶放大器〔2003年〕根據標題要求，系統應采用途置器加模擬放大器的技術方案。由于處置器電路屬于最小系統，這里不再詳細引見，而主要引見模擬放大關鍵電路設計與功能實現。1、方案設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。實現增益高且可調〔AGC功能〕的要求，可以：〔1〕利用繼電器〔模擬開關〕改動反響電阻。〔2〕利用數字電位器改動反響電阻。〔3〕利用DA轉換器的電阻網絡，結合運放實現增益可調。4．采用集成可變增益運算放大器芯片，如AD603。5．采用數字可變增益放大器。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級聯的方式構成高增益放大器。例一寬帶放大器〔2003年〕輸入阻抗設計：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。可以采用分立的晶體管射隨器，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。可以選擇兩級晶體管構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計，普通均參考成熟電路，如有能夠，在培訓時要實踐制造一下。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增益調整實現經過在AD603的控制電壓輸入管腳施加模擬控制信號VG可實現其增益調整。AD603的VG信號在-500mv--+500mv范圍內變化時，可實現40dB/V(即25mv/dB)線性增益控制，增益G〔dB〕=40VG+G0i(i=1,2,3)。G0i對應三種任務方式。所以可利用途置器控制一只DAC輸出模擬電壓信號，實現準確的增益控制。例一寬帶放大器〔2003年〕AGC功能實現放大器的AGC功能可經過將輸出電壓信號取回并數字化，由單片機按照要求的AGC傳輸特性曲線生成控制信號，經DAC轉換成模擬信號VG，保送給AD603的增益控制腳，實現AGC功能。例一寬帶放大器〔2003年〕系統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計完成。從該設計過程可以感遭到，放大器的輸入與輸出電路，如采用分立器件設計，不但復雜，性能也普通。而假設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計過程中，這種情況更加明顯。例一寬帶放大器〔2003年〕一、義務：設計并制造一個寬帶直流放大器及所用的直流穩壓電源。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通帶內增益起伏≤1dB。〔4〕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。〔5〕放大器的輸入電阻≥50，負載電阻〔50±2〕。〔6〕電壓增益AV可預置并顯示，預置范圍為0～60dB，步距為5dB〔也可以延續調理〕；放大器的帶寬可預置并顯示〔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。該題主要需求關注的是在50Ω負載條件下，輸出電壓到達有效值10V〔輸出功率到達了2W〕、帶寬預置和直流調零。例二寬帶直流放大器〔2021年〕根據題意，該系統應包括可調增益放大、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。可以采用分立器件構勝利率放大器，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擴流的方式實現寬帶功率放大。帶寬預置功能由繼電器切換低通濾波器實現。例二寬帶直流放大器〔2021年〕設計直流放大器，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，大學生電子設計競賽添加了“綜合測評〞環節，參與對象為賽區引薦報全國評獎的優秀參賽隊，并在各賽區以封鎖方式進展。測試標題與評分規范由全國專家組擔任一致制定，并委托各賽區在當地組織，賽區專家組完成相應測試任務。全國專家組將排遣專家參與綜合測評。“綜合測評〞采用設計制造方式，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，實現下述功能：運用低頻信號源產生的正弦波信號，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，由穩壓電源供應。不得運用額外電源和其它型號運算放大器。要求預留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計通常三角波發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。必需尋覓節省一只運放的方案。分析發現，三角波發生器的目的要求不嚴厲，可以采用一只運放產生方波信號，然后利用無源積分器電路實現三角波信號。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雜度與規模。2.測評期間不允許上網，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生，知識面和技藝程度有限。幾點領會與建議因此，我個人以為綜合測評涉及的知識是根底的；運用的元器件應是根本、通用的〔學生比較熟習〕；出題應偏重根底知識、根本技藝和電路設計技巧的結合。所以要重點關