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1、Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,*,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,,Tianjin University,56,大學(xué)生電子設(shè)計競賽系列講座,,基礎(chǔ)篇,報告人：劉開華,2012,年,11,月,各位領(lǐng)導(dǎo)、,老師上午好！,第一部分 概述,第二部分 基礎(chǔ)知識,第三部分 基本技能,第

2、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)計競賽題目涉及的知識面很廣，幾乎涵蓋了信息技術(shù)類各領(lǐng)域的內(nèi)容。其中基礎(chǔ)知識和基本技能的特點是極其,重要,，又非常容易被老師和同學(xué)們,忽略,。,,重要是因為：,1,、是有以基礎(chǔ)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,2011,年開始增加的,綜合測評,都是以基礎(chǔ)知識為主；,2,、是各類題目中均包含基礎(chǔ)知識的內(nèi)容；,3,、基本技能是參加電子設(shè)計競賽的必備能力。,,,容易被忽略是因為：這些知識或技能太基礎(chǔ)了，加之涉及的內(nèi)容寬泛、培訓(xùn)時間有限、訓(xùn)練過程枯燥乏味等諸多因素使多數(shù)參賽學(xué)生們只

3、能做到一知半解。結(jié)果競賽時，學(xué)生們思路窄、入門慢，設(shè)計不盡合理，指標上不去，或在規(guī)定的時間內(nèi)完成的作品不穩(wěn)定、不完整，造成測試失敗，甚至全軍覆沒。,因此，在參加競賽的培訓(xùn)過程中，一定要加強對基礎(chǔ)知識和基本技能的培訓(xùn)和訓(xùn)練。雖然這是老生常談，但一定要引起各位指導(dǎo)教師的重視，認認真真的準備、扎扎實實的訓(xùn)練。,,,第二部分 基礎(chǔ)知識,,,歸納起來，基礎(chǔ)知識應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：,一、模擬與數(shù)字電路的基本知識,1.,基本放大器,2.,功率放大器,3.,濾波器,4.,基本組合邏輯電路與時序邏輯電路,基礎(chǔ)知識的范疇,5.FPGA,電路,6.A/D,D/A,電路,7.,運算放大器應(yīng)用電路,8.,常用傳

4、感器電路,9.,電源電路,10.,簡單的信息處理知識與算法,,基礎(chǔ)知識的范疇,二、最小系統(tǒng),,1.,處理器（包含儲備一些基本的通用軟件模塊）,2.,接口電路,3.,外設(shè)電路,基本知識的范疇,第三部分 基本技能,一、電路設(shè)計基本技能,1.,印刷電路板設(shè)計,通常采用,Protel,繪圖軟件，需要了解元件器的規(guī)格、尺寸；對各電路模塊合理布局。,2.,元器件選擇,熟悉各種基本元器件和常用的集成電路芯片的特性。,基本技能,3.,焊接,焊接和連線：可靠、規(guī)整、方便連接。,4.,結(jié)構(gòu),電路模塊化設(shè)計，利于調(diào)試與故障檢查；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）結(jié)構(gòu)上

5、，增加電路的可靠性；注意試驗臺的整潔，規(guī)范操作。,基本技能,電動車蹺蹺板,2007,年大學(xué)生電子設(shè)計競賽全國一等獎,基本技能,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,基本技能,二、基本儀器使用與電路調(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使用。,,2,．調(diào)試,基本技能,系統(tǒng)設(shè)計與制作的過程：,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,版圖設(shè)計（元器件布局）；,5.,元器件、電路板檢查；,6.,焊接；,7.,分模塊調(diào)試，聯(lián)調(diào)。,基本技能,,這里特別要提醒大家的是，在培訓(xùn)中應(yīng)高度注意學(xué)生科學(xué)研究

6、素質(zhì)的培養(yǎng)。,通過培訓(xùn)使學(xué)生初步養(yǎng)成：實事求是的工作原則、一絲不茍的工作態(tài)度、勤于思考的工作方法、百折不饒的工作精神和精益求精的工作作風(fēng)。,基本技能,三、報告撰寫,,按照要求，重點介紹方案比較、電路模塊設(shè)計、器件選擇、理論推導(dǎo)、軟件流程圖、調(diào)試方法、使用儀器、測試結(jié)果（數(shù)據(jù)和波形）、結(jié)果分析、參考資料。一般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。,基本技能,第四部分 設(shè)計舉例,一、任務(wù),設(shè)計并制作一個寬帶放大器。,二、要求,1,、基本要求,（,1,）輸入阻抗≥,1kΩ,；單端輸入，單端輸出；放大器負載電阻,600

7、Ω,。,（,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。,,例一 寬帶放大器（,2003,年）,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,20k

8、Hz,～,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。,例一 寬帶放大器（,2003,年）,三、分析與設(shè)計

9、,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。,,例一 寬帶放大器（,2003,年）,,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。,,例一 寬

10、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,。,例一 寬帶放大器（,2003,年）,在,03,年的競賽中，選擇最多的是,AD603,。,AD603,有三種工作模式。,模式一，,90M,寬帶

11、， 增益范圍：,-10dB--+30dB,；,模式二，,30M,寬帶， 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，需要采用兩級,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,，如達到,Ri,≥,1KΩ,的要求，前面需要加緩沖級電路。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

12、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。,,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),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--+5

13、00mv,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。,,例一 寬帶放大器（,2003,年）,,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。,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考慮

14、，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格一點接地，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。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、任務(wù)： 設(shè)計并制作一個寬帶直流放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。,二、要求,（,1,）

15、最大電壓增益,AV≥60dB,，輸入電壓有效值,Vi≤10 mV,。,（,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,。,（,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(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為,0,～,60dB,，步距為,5dB,（也可以連續(xù)調(diào)節(jié)）；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示（至少,5MHz,、,10MHz,兩點）。,（,7,）

16、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（,2009,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能力提出新的要求。其中帶寬和增益可調(diào)的指標可采用,03,年的方法，選擇寬帶增益可控運算放大器實現(xiàn)。該題主要需要關(guān)注的是,在,50Ω,負載條件下，輸出電壓達到有效值,10V,（輸出功率達到了,2W,,）、帶寬預(yù)置和直流調(diào)零。,,例二 寬帶直流放大器（,2009,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

17、思路，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，僅需要在輸入端做好阻抗匹配即可。,,例二 寬帶直流放大器（,2009,年）,另外，該放大器輸出功率達到了,2W,，峰值電流達到,280mA,以上。可以采用分立器件構(gòu)成功率放大器，但是難度較大。又因為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，基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（,2009,年）,設(shè)計直流放大器，需要考慮運放直流零點漂

18、移補償。,例二 寬帶直流放大器（,2009,年）,Vin,DAC,輸出,廖艷閨，唐曉慶，李剛，電子制作,2009,年,12,期,從,2011,年開始，大學(xué)生電子設(shè)計競賽增加了 “綜合測評”環(huán)節(jié)，參加對象為賽區(qū)推薦報全國評獎的優(yōu)秀參賽隊，并在各賽區(qū)以封閉方式進行。測試題目與評分標準由全國專家組負責(zé)統(tǒng)一制定，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)測試工作。全國專家組將排遣專家參加綜合測評。,,,“綜合測評”采用設(shè)計制作方式，其成績按比例計入評審總分。,使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：使用低頻信號源產(chǎn)生的正弦波信號， 加至加法器的輸入端，加法器的另

19、一輸入端加入由自制振蕩器產(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，用示波器觀察無明顯失真。,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)壓電源供給。不得使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

20、運算放大器應(yīng)用（,2011,年）,例三 集成運算放大器應(yīng)用,例三 集成運算放大器應(yīng)用,,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。,,例三 集成運算放大器應(yīng)用,,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)生器的指標要求不嚴格，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。,,例三 集成運算放大器應(yīng)用,例三 集成運算放大器應(yīng)用,,,09,年制作較好的參賽隊均采用該種方案。,,對于單電源運

21、放處理正弦波信號，可通過在輸入端加偏置電路的方法解決。,,例三 集成運算放大器應(yīng)用,,怎樣準備綜合測評？請注意以下情況：,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.,測評期間不容許上網(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，知識面和技能水平有限。,幾點體會與建議,,因此，我個人認為綜合測評涉及的知識是基礎(chǔ)的；應(yīng)用的元器件應(yīng)是基本、通用的（學(xué)生比較熟悉）；出題應(yīng)側(cè)重基礎(chǔ)知識、基本技能和電路設(shè)計技巧的結(jié)合。,所以要重點關(guān)注：模擬電路知識（特別是運算放大器應(yīng)用，,555,電路應(yīng)用）、數(shù)字電路知識（組合電路、邏輯電路）

22、。,如果涉及處理器，至少會提供最小系統(tǒng)的全套元器件和電路板。,幾點體會與建議,,總之，綜合測評將是基本功的比拼，不大可能通過短期突擊，就能掌握這么多的內(nèi)容，需要在平時多加努力。在學(xué)習(xí)相關(guān)課程時，就要將基本概念和關(guān)鍵知識點學(xué)好，并打牢基礎(chǔ)。還有就是加強實踐和基本技能的訓(xùn)練。,幾點體會與建議,,年輕的指導(dǎo)教師應(yīng)該在一、兩個領(lǐng)域深入鉆研，打鐵先得自身硬，你有足夠的技術(shù)儲備，才能給學(xué)生做好指導(dǎo)。指導(dǎo)教師應(yīng)關(guān)注新器件、新技術(shù)的發(fā)展。同時，長期積累，不斷總結(jié)，特別是在競賽指導(dǎo)中，盡量采用使用過的器件與方案。所以，在競賽過程中選題應(yīng)選擇最熟悉的類型，器件也應(yīng)盡量采用培訓(xùn)過程中使用過的器件與芯片。,幾點體會與

23、建議,,電子設(shè)計競賽的特點是最終將設(shè)計實際做出來，并需要系統(tǒng)能運行、演示。因此競賽對學(xué)生的培養(yǎng)是多方面的，不僅可以有效的培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新能力；還因完成課題需要理論分析與系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合，可引導(dǎo)學(xué)生將之前學(xué)習(xí)的知識串起來，形成系統(tǒng)的概念。,幾點體會與建議,,全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽經(jīng)過了,18,年的積累與沉淀，為在校學(xué)生搭建了開拓視野、促進理論和實踐的結(jié)合的平臺，也為電子信息產(chǎn)業(yè)搭建了人才儲備的平臺并成為目前最受大學(xué)生歡迎、最受政府重視、最受社會與企業(yè)認可的學(xué)生科技活動與競賽。,,希望報告對大家能有所幫助，也希望大家能在競賽中取得好的成績！,謝 謝 大 家！,,謝謝觀看,/,歡迎下載,B

24、Y FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,內(nèi)容總結(jié),大學(xué)生電子設(shè)計競賽系列講座。像寬帶放大器、功率放大器和從2011年開始增加的綜合測評都是以基礎(chǔ)知識為主。4.基本組合邏輯電路與時序邏輯電路。6.A/D,D/A電路。（2）3dB通頻帶10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。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。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。一、任務(wù)： 設(shè)計并制作一個寬帶直流放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。（1）最大電壓增益AV≥60dB，輸入電壓有效值Vi≤10 mV。（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。該題主要需要關(guān)注的是在50Ω負載條件下，輸出電壓達到有效值10V（輸出功率達到了2W ）、帶寬預(yù)置和直流調(diào)零。設(shè)計直流放大器，需要考慮運放直流零點漂移補償。指導(dǎo)教師應(yīng)關(guān)注新器件、新技術(shù)的發(fā)展。謝謝觀看/歡迎下載,