电子技能训练(2)2014.2.25(基础类).

1、1电子技能训练（电子技能训练（2 2） 实验中心实验中心 张晓力张晓力2 基础（放大）类竞赛题分析基础（放大）类竞赛题分析3第一部分第一部分 概述概述第二部分第二部分 基础知识基础知识第三部分第三部分 基本技能基本技能第四部分第四部分 设计举例设计举例4第一部分第一部分 概概 述述5 大学生电子设计竞赛题目涉及的知识面很广，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和基本技能的特点是极其重要重要，又非常容易被老师和，又非常容易被老师和同学们同学们忽略忽略。 61 1、是有以基础知识为

2、主要内容的竞赛试题。像、是有以基础知识为主要内容的竞赛试题。像宽带宽带放大器、功率放大器放大器、功率放大器和从和从20112011年开始增加的年开始增加的综合测综合测评评都是以基础知识为主；都是以基础知识为主；2 2、是各类题目中均包含基础知识的内容；、是各类题目中均包含基础知识的内容；3 3、基本技能是参加电子设计竞赛的必备能力。、基本技能是参加电子设计竞赛的必备能力。 7 容易被忽略是因为：这些知识或技能太基础了，容易被忽略是因为：这些知识或技能太基础了，加之涉及的内容宽泛、培训时间有限、训练过程枯燥加之涉及的内容宽泛、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

3、解。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，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、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。不完整，造成测试失败，甚至全军覆没。8第二部分第二部分 基础知识基础知识 9基础知识应包含以下几方面的内容：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一、模拟与数字电路的基本知识1.1.基本放大器基本放大器2.2.功率放大器功率放大器3.3.滤波器滤波器4.4.基本组合逻辑电路与时序逻辑电路基本组合逻辑电

4、路与时序逻辑电路基础知识的范畴基础知识的范畴105. FPGA5. FPGA电路电路6. A/D,D/A6. A/D,D/A电路电路7. 7. 运算放大器应用电路运算放大器应用电路8. 8. 常用传感器电路常用传感器电路9. 9. 电源电路电源电路10. 10. 简单的信息处理知识与算法简单的信息处理知识与算法 基础知识的范畴基础知识的范畴11二、最小系统二、最小系统1.1.处理器（包含储备一些基本的通用软件模块）处理器（包含储备一些基本的通用软件模块）2.2.接口电路接口电路3.3.外设电路外设电路基本知识的范畴基本知识的范畴12第三部分第三部分 基本技能基本技能13一、电路设计基本技能一、

5、电路设计基本技能1.1.印刷电路板设计印刷电路板设计 通常采用通常采用ProtelProtel绘图软件，需要了解元件器的规格、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。尺寸；对各电路模块合理布局。2.2.元器件选择元器件选择 熟悉各种基本元器件和常用的集成电路芯片的特性。熟悉各种基本元器件和常用的集成电路芯片的特性。3.3.仿真软件仿真软件 MultisimMultisim、ProteusProteus、AltiumAltium Designer Designer。基本技能基本技能143. 3. 焊接焊接 焊接和连线：可靠、规整、方便连接。焊接和连线：可靠、规整、方便连接。4

6、. 4. 结构结构 电路模块化设计，利于调试与故障检查；接口要方便电路模块化设计，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；注意试验个框架（或平板）结构上，增加电路的可靠性；注意试验台的整洁，规范操作。台的整洁，规范操作。基本技能基本技能15电动车跷跷板电动车跷跷板20072007年大学生电子设计竞赛全国一等奖年大学生电子设计竞赛全国一等奖基本技能基本技能16单工无线呼叫系统单工无线呼叫系统 20052005年大学生电子设计竞赛全国二等奖年大学生电子设计竞赛全国二等

7、奖基本技能基本技能17二、基本仪器使用与电路调试二、基本仪器使用与电路调试1 1常用仪器：万用表、稳压电源、信号发生器、常用仪器：万用表、稳压电源、信号发生器、示波器（模拟、数字）、功率表、扫频仪、逻辑分示波器（模拟、数字）、功率表、扫频仪、逻辑分析仪等仪器的使用。析仪等仪器的使用。2 2调试调试基本技能基本技能18系统设计与制作的过程：系统设计与制作的过程：1.1.方案设计；方案设计；2.2.电路模块设计；电路模块设计；3.3.元器件选择与购买；元器件选择与购买；4.PCB4.PCB版图设计（元器件布局）；版图设计（元器件布局）；5.5.元器件、电路板检查；元器件、电路板检查；6.6.焊接；

8、焊接；7.7.分模块调试，联调。分模块调试，联调。基本技能基本技能19三、报告撰写三、报告撰写 按照要求，重点介绍方案比较、电路模按照要求，重点介绍方案比较、电路模块设计块设计( (Protel) )、器件选择、理论推导、软、器件选择、理论推导、软件流程图（件流程图（Microsoft Visio）、调试方法、）、调试方法、使用仪器、测试结果（数据和波形）、结果使用仪器、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分析、参考资料。一般电路图和程序可作为附录放在后面。附录放在后面。 再有就是格式规范，内容全面，详略得再有就是格式规范，内容全面，详略得当，围绕要求下笔，常识性

9、或无关紧要的内当，围绕要求下笔，常识性或无关紧要的内容尽量简述。容尽量简述。基本技能基本技能20第四部分第四部分 设计举例设计举例21一、任务一、任务 设计并制作一个宽带放大器。设计并制作一个宽带放大器。 二、要求二、要求 1 1、基本要求、基本要求 （1 1）输入阻抗）输入阻抗1k1k；单端输入，单端输出；放大器负载电阻；单端输入，单端输出；放大器负载电阻600600。 （2 2）3dB3dB通频带通频带10kHz10kHz6MHz6MHz，在，在20kHz20kHz5MHz5MHz频带内增益起伏频带内增益起伏1dB1dB。 （3 3）最大增益）最大增益40dB40dB，增益调节范围，增益调

10、节范围10dB10dB40dB40dB（增益值（增益值6 6级可调，步级可调，步进间隔进间隔6dB6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值，增益预置值与实测值误差的绝对值2dB2dB），需显示预置增），需显示预置增益值。益值。 （4 4）最大输出电压有效值）最大输出电压有效值3V3V，数字显示输出正弦电压有效值。，数字显示输出正弦电压有效值。 （5 5）自制放大器所需的稳压电源。）自制放大器所需的稳压电源。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）222 2、发挥部分、发挥部分 （1 1）最大输出电压有效值）最大输出电压有效值6V6V。 （2 2）最大增益）最大增益58dB (3dB58

11、dB (3dB通频带通频带10kHz10kHz6MHz6MHz，在，在20kHz20kHz5MHz5MHz频带内频带内增益起伏增益起伏1dB)1dB)，增益调节范围，增益调节范围10dB10dB58dB58dB（增益值（增益值9 9级可调，步进间隔级可调，步进间隔6dB6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值，增益预置值与实测值误差的绝对值2dB2dB），需显示预置增益值。），需显示预置增益值。 （3 3）增加自动增益控制（）增加自动增益控制（AGCAGC）功能，）功能，AGCAGC范围范围20dB20dB，在，在AGCAGC稳定范围稳定范围内输出电压有效值应稳定在内输出电压有效值应稳定在 4.

12、5VVo5.5V4.5VVo5.5V内（详见说明内（详见说明4 4）。）。 （4 4）输出噪声电压峰）输出噪声电压峰- -峰值峰值VoNVoN 0.5V 0.5V。 （5 5）进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大）进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGCAGC范围、范围、减小增益调节步进间隔。减小增益调节步进间隔。 （6 6）其它。）其它。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）23三、分析与设计三、分析与设计 首先分析题目的考核点。该题目的难点在于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（同时要求宽带、高增益且步进可调（20

13、KHz20KHz5MHz5MHz频段内增益频段内增益60dB60dB，至少，至少9 9级可调）和高输级可调）和高输出电平（出电平（600600负载上的输出电压有效值达到负载上的输出电压有效值达到6V6V），以及自动增益控制（），以及自动增益控制（AGCAGC）功能。关键是）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。增益与带宽的关系、增益可调和较高的输出电压。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）24 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 1、方案设计、方案设计

14、 分立器件分立器件 集成运算放大器集成运算放大器 集成运算放大器集成运算放大器+ +分立器件分立器件 目前基本以采用后两种方式为主。目前基本以采用后两种方式为主。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）252 2、带宽和增益设计、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，如选择集成运放的方案之后，首先挑选宽带运放，如AD603AD603、AD818AD818等，其带宽在较高增益时，仍满足要求。等，其带宽在较高增益时，仍满足要求。 实现增益高且可调（实现增益高且可调（AGCAGC功能）的要求，可以：功能）的要求，可以： （1 1）利用继电器（模拟开关）改变反馈电阻。）利

15、用继电器（模拟开关）改变反馈电阻。（2 2）利用数字电位器改变反馈电阻。）利用数字电位器改变反馈电阻。（3 3）利用）利用DADA转换器的电阻网络，结合运放实现增益可调。转换器的电阻网络，结合运放实现增益可调。3 3采用集成可变增益运算放大器芯片，如采用集成可变增益运算放大器芯片，如AD603AD603。4 4采用数字可变增益放大器采用数字可变增益放大器。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）26 在在0303年的竞赛中，选择最多的是年的竞赛中，选择最多的是AD603AD603。AD603AD603有三种工作模式。有三种工作模式。模式一，模式一，90M90M宽带，宽带， 增益范围：

16、增益范围：-10dB-+30dB-10dB-+30dB；模式二，模式二，30M30M宽带，宽带， 增益范围：增益范围：0dB-+40dB0dB-+40dB；模式三，模式三，9MHz9MHz带宽，增益范围：带宽，增益范围：10dB-+50dB10dB-+50dB。 各种工作方式均可满足各种工作方式均可满足6MHz6MHz带宽的要求，但带宽的要求，但是单级放大器的增益不满足是单级放大器的增益不满足60dB60dB的指标，需要的指标，需要采用两级采用两级AD603AD603级联的方式构成高增益放大器。级联的方式构成高增益放大器。宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）27 输入阻抗设计：输入

17、阻抗设计： 由于由于AD603AD603的输入阻抗为的输入阻抗为100100，如达到，如达到RiRi1K1K的要的要求，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，如器，也可以采用宽带、高速运算放大器，如AD818AD818，OPA642OPA642等。等。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）28输出电路设计：输出电路设计： AD603AD603的输出电压为有效值的输出电压为有效值2V2V左右。为了达到输左右。为了达到输出有效值出有效值6V6V的要求，在两级的要求，在两级AD603AD603之

18、后，需要增加一之后，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，如器，也可以选择集成运放，如AD818AD818 。 输入和输出级电路设计，一般均参考成熟电路。输入和输出级电路设计，一般均参考成熟电路。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）29宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）张 展，余 涵，张安安，电子世界，2004.330 增益调整实现：增益调整实现： 通过在通过在AD603AD603的控制电压输入管脚施加模拟控制信号的控制电压输入管脚施加模拟控制信号VGVG可实现其增益调整。可实现其增

19、益调整。AD603AD603的的VGVG信号在信号在-500mv-+500mv-500mv-+500mv范范围内变化时，可实现围内变化时，可实现40dB/V(40dB/V(即即25mv/dB)25mv/dB)线性增益控制，线性增益控制，增益增益G G（dBdB）=40VG+G0i(i=1,2,3)=40VG+G0i(i=1,2,3)。G0iG0i对应三种工作模对应三种工作模式。所以可利用处理器控制一只式。所以可利用处理器控制一只DACDAC输出模拟电压信号，输出模拟电压信号，实现精确的增益控制。实现精确的增益控制。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）31 AGCAGC功能实现功能

20、实现 放大器的放大器的AGCAGC功能可通过将输出电压信号取回并数字化，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由单片机按照要求的AGCAGC传输特性曲线生成控制信号，经传输特性曲线生成控制信号，经DACDAC转换成模拟信号转换成模拟信号VGVG，输送给，输送给AD603AD603的增益控制脚，实现的增益控制脚，实现AGCAGC功能。功能。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）32 系统噪声控制措施主要是在第一级放大器考虑，可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，如选择低噪声的宽带运放，如OPA642OPA642、AD818AD818。同

21、时在作品。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，尽量采用引线短的元器地和模拟地分离且严格一点接地，尽量采用引线短的元器件，如贴片封装等措施。件，如贴片封装等措施。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）33 这样，放大器的主要部分设计完成。从该设计过这样，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。而若选择适用的集器件设计，不但复杂，性能也一般。而若选择适用的集成芯

22、片，会收到事半功倍的效果。下面会看到，在成芯片，会收到事半功倍的效果。下面会看到，在0909年年宽带直流放大器设计过程中，这种情况更加明显。宽带直流放大器设计过程中，这种情况更加明显。 宽带放大器（宽带放大器（20032003年）年）34一、任务：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。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、要求二、要求（1 1）最大电压增益）最大电压增益AV60dBAV60dB，输入电压有效值，输入电压有效值Vi10 mVVi10 mV。（2 2）在）在AVAV60dB60dB时，输出噪声电压的峰峰值时，输出噪声电压的峰峰值VONPP0.

23、3VVONPP0.3V。（3 3）3dB3dB通频带通频带0 010MHz10MHz；在；在0 09MHz9MHz通带内增益起伏通带内增益起伏1dB1dB。（4 4）最大输出电压正弦波有效值）最大输出电压正弦波有效值Vo10VVo10V，输出信号波形无明显失真。，输出信号波形无明显失真。 （5 5）放大器的输入电阻）放大器的输入电阻5050 ，负载电阻（，负载电阻（50502 2） 。（6 6）电压增益）电压增益AVAV可预置并显示，预置范围为可预置并显示，预置范围为0 060dB60dB，步距为，步距为5dB5dB（也可以连续调（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少节）；放大器的

24、带宽可预置并显示（至少5MHz5MHz、 10MHz 10MHz 两点）。两点）。（7 7）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。 宽带直流放大器（宽带直流放大器（20092009年）年）35 该题明显比该题明显比0303年的宽带放大器提高了要求，一是带年的宽带放大器提高了要求，一是带宽提高到了宽提高到了0-10MHz0-10MHz，且是直流放大器。二是对输出电，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可调的指标可采用0303年的方法，选择宽带增益可控运年

25、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算放大器实现。该题主要需要关注的是在在5050负载条负载条件下，输出电压达到有效值件下，输出电压达到有效值10V10V（输出功率达到了（输出功率达到了2W2W ）、带宽预置和直流调零。）、带宽预置和直流调零。 宽带直流放大器（宽带直流放大器（20092009年）年）36 根据题意，该系统应包括可调增益放大、程控滤根据题意，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。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其中，增益可调放大功能可参考0303年宽带放大器年宽带放大器的思路，采用的思路，采用AD603AD

26、603、AD818AD818等增益可控集成运放。等增益可控集成运放。 由于该放大器的输入阻抗要求由于该放大器的输入阻抗要求5050，多种运放，多种运放可满足要求，仅需要在输入端做好可满足要求，仅需要在输入端做好阻抗匹配阻抗匹配即可。即可。 宽带直流放大器（宽带直流放大器（20092009年）年）37 另外，该放大器输出功率达到了另外，该放大器输出功率达到了2W2W，峰值电流达到，峰值电流达到280mA280mA以上。可以采用分立器件构成功率放大器，但是难以上。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度较大。又因为许多单片集成芯片最大输出电流在200mA

27、200mA左右，不能满足要求。所以在左右，不能满足要求。所以在0909年竞赛中，基本上是采用年竞赛中，基本上是采用集成电路芯片并联扩流的方式实现宽带功率放大。集成电路芯片并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。带宽预置功能由继电器切换低通滤波器实现。 宽带直流放大器（宽带直流放大器（20092009年）年）38 从从20112011年开始，大学生电子设计竞赛增加了年开始，大学生电子设计竞赛增加了 “ “综综合测评合测评”环节，参加对象为赛区推荐报全国评奖的优秀环节，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。测试题目与评分参赛队，并在各

28、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。遣专家参加综合测评。 “ “综合测评综合测评”采用设计制作方式，其成绩按比例计采用设计制作方式，其成绩按比例计入评审总分。入评审总分。 集成运算放大器应用（集成运算放大器应用（20112011年）综合测评年）综合测评39使用一片通用四运放芯片使用一片通用四运放芯片LM324 LM324 组成图组成图1 1所示电路框图，实现下所示电路框图，实现下述功能：

29、使用低频信号源产生的正弦波信号，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加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1uo1， uo1 uo1 如图如图所示，所示， T1=0.5msT1=0.5ms，允许，允许T1T1有有5%5%的误差。的误差。图中要求加法器的输出电压图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1ui2=10ui1+uo1。ui2 ui2 经选频滤波器经选频滤波器滤除滤除uo1 uo1 频率分量，选出频率分量，选出f0 f0 信号为信号为uo2uo2，uo2 uo2 为峰峰值等于为峰

30、峰值等于9V 9V 的正的正弦信号，用示波器观察无明显失真。弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 uo2 信号再经比较器后在信号再经比较器后在1k 1k 负载上得到峰峰值为负载上得到峰峰值为2V 2V 的输出电压的输出电压uo3uo3。电源只能选用。电源只能选用+12V +12V 和和+5V +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。要求预留大器。要求预留ui1ui1、ui2ui2、uo1uo1、uo2 uo2 和和uo3 uo3 的测试端子。的测试端子。集成运算放大器应用（集成运算放大器应用（20112011年）综合测评年）综合测评40 集成运算放大器应用集成运算放大器应用41 集成运算放大器应用集成运算放大器应用42该题目的考核点：该题目的考核点：1.1.怎样利用四只运算放大器构建框图所示电路。怎样利用四只运算放大器构建框图所示电路。2.2.采用单电源供电运放处理正弦