天津大学刘开华教授报告-大学生电子设计竞赛系列讲座基础知识

1、大学生电子设计竞赛(jngsi)系列讲座 基础知识报告(bogo)人：刘开华2014年11月共六十七页各位领导、老师(losh)下午好！共六十七页第一(dy)部分 概述第二部分 基础知识第三部分 设计案例报 告 内 容共六十七页第一(dy)部分概 述共六十七页 大学生电子设计竞赛题目范围(fnwi)很广，其中涉及的基础理论、基本技能很多，也很重要，但是许多指导老师和参赛同学们并没有给与足够的重视。共六十七页重要体现在：1、有以基础知识为主要内容的竞赛试题。像放大器类题目(tm)和从2011年开始增加的综合测评题目；2、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。

2、共六十七页 在竞赛过程中出现(chxin)的：学生们思路窄、创新性差、新知识入门慢，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，甚至全军覆没等诸多问题，都是基础知识不扎实的反映，说明对基础知识缺乏足够的重视。共六十七页 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(zhnbi)、扎扎实实的训练。 共六十七页 第二(d r)部分 基 础 知 识 共六十七页 归纳起来，基础知识应包含以下(yxi)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

3、.滤波器4.基本组合逻与时序逻辑电路（FPGA）基础知识共六十七页5.运算放大器应用电路6.A/D,D/A电路7.常用传感器电路8.电源电路9.简单的信息处理知识(zh shi)与算法基础知识共六十七页二、最小系统1.处理器（包含储备一些基本的通用软件模块，也有参赛队使用FPGA模块实现(shxin)处理器功能）。2.接口电路。3.外设电路。基础知识共六十七页三、基本技能1. 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(xunz) 熟悉各种基本元器件和常用的集成电路芯片的特性。基础知识共六十七页3. 焊接 焊接和连线：可靠、规整

4、、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(gg)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；注意试验台的整洁，规范操作。基础知识共六十七页电动车跷跷板2007年大学生电子设计竞赛(jngsi)全国一等奖基础知识共六十七页单工无线呼叫系统(xtng)2005年大学生电子设计竞赛全国二等奖基本知识共六十七页射频宽带(kun di)放大器2013年大学生电子设计竞赛基本知识共六十七页射频(sh pn)宽带放大器2013年大学生电子设计竞赛基本知识共六十七页射频(sh pn)宽带放大器2013年大学生电子设计竞赛基本知识共六

5、十七页5、基本仪器使用与电路(dinl)调试常用仪器：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。调试：基本知识共六十七页 系统设计(shj)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。基本知识共六十七页 这里特别要提醒大家的是，在培训(pixn)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、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。基本技能共六十七页三、报告撰写 按照要求，重点介绍方

6、案比较、电路模块设计、器件(qjin)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。基本技能共六十七页第三(d sn)部分 设 计 案 例共六十七页出题思想1.上手容易，整体要有难度，并且难度要有梯度。2. 改变目前学生培养的弱项，推动实验教学改革的发展（高频段）。3. 体现技术发展趋势，和工程实际应用背景。（宽带，新器件，新技术，动态范围，阻抗匹配，工艺）。4. 重点要求基本指标，包括(boku)增益（增益可调）、带宽和带负载

7、能力（输出电压）。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页一、任务设计并制作一个射频宽带放大器。二、要求(yoqi)1基本要求（1）电压增益Av 20dB，输入电压有效值Ui 20mV。Av在020dB范围内可调。（2）最大输出正弦波电压有效值Uo200mV，输出信号波形无明显失真。（3）放大器BW-3dB的下限频率fL 0.3MHz，上限频率fH20MHz，并要求在1MHz15MHz频带内增益起伏1dB。 （4）放大器的输入阻抗 = 50，输出阻抗 = 50 。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页2发挥部分（1）电压增益Av 60dB，输入电压有效值Ui

8、1 mV。Av在060dB范围内可调。（2）在Av 60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp 100mV。（3）放大器BW-3dB的下限频率fL 0.3MHz，上限频率fH100MHz，并要求在1MHz80MHz频带内增益起伏1dB。该项目要求在Av 60dB（或可达到(d do)的最高电压增益点），最大输出正弦波电压有效值Uo 1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。（4）最大输出正弦波电压有效值Uo 1V，输出信号波形无明显失真。 （5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页3. 说明1）要求负载电阻两端预留测试(csh)端

9、子。最大输出正弦波电压有效值应在RL=50条件下测试（要求RL阻值误差5 %），如负载电阻不符合要求，该项目不得分。2）评测时参赛队自备一台220V交流输入的直流稳压电源。3）建议的测试框图如图1所示，可采用点频测试法。信号源射频宽带放大器示波器/高频毫伏表自备直流稳压电源UiUo图1 测试(csh)框图例一 宽带放大器（2013年）共六十七页图2 幅频特性示意图 例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 该题目的考点主要有：带宽、增益（高增益、可调、带内波动）、带负载(fzi)能力、动态范围（增益分配）、阻抗匹配、降低噪声、测量方法。 带宽指标主要通过选择新型高性能的运算放大

10、器实现，如OPA847、OPA690、THS3091、OPA2694 、AD8321 高增益均采用多级放大器实现，典型的设计方案是采用3级放大器，也有采用4级放大的方案。 由于题目对增益可调功能没有程控、步进的要求。所以，可简单的使用手动调整方案。如选择程控增益解决方案，有两种实现方法。1.采用可程控增益运放；2.采用可程控衰减器实现。 带内增益波动指标通过极间阻抗匹配、补偿等解决。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 动态范围（增益分配）指标主要是做好增益分配。今年全国复测时比赛区测试多了一项输入(shr)20mV时测输出电压。结果，不少的队因为增益分配不太合理，输出失真

11、，丢了分。主要原因是一些队为了降低噪声，将第一级的增益设置过高且不可调。结果输入稍大，第一级就饱和了，后面再衰减或调整也起不了作用，造成输出失真。 阻抗匹配。该题目要求输入、输出阻抗均为50 ，并要求负载为50 。所以，需要在输入端和输出端设置阻抗匹配网络。其中输出端最好为可方便摘下来的负载电阻，但实际很少有这样做的。当运放的输出电阻很小时，还要考虑先在运放输出端串一个50 的电阻，然后再接50 负载。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 降低噪声。主要(zhyo)是选器件、好布局。 测量方法。信号源内阻为50 ，先将信号源信号幅度设置为1mV，然后，再设置为20mV。示波

12、器采用高阻输入方式，作品带着负载电阻测试。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页系统方案设计 大多数作品采用固定增益放大器（THS3201）、可调增益放大器（AD8367）和输出功率放大器（THS3901）构成的三级放大方案。 部分作品采用固定增益放大器（OPA847）、程控步进衰减(shui jin)模块（PE4306）、压控增益放大器（VCA821）和输出功率放大器（AD8009，THS3201）构成的四级放大方案。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 模块设计 可控增益放大器设计 方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管可变电阻区（或三

13、极管等效为压控电阻）实现增益控制，由于题目要求的频带(pndi)较高。该方案采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。 方案二：采用多路选择器来来改变放大器跨接的电阻的值实现增益控制。该方案需求每一级放大器都要加多路选择器，不能实现连续调节，影响高频的频率特性。 方案三：根据放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现（如VCA820，VCA821，AD603 ，AD8367）。其特点是以dB为单位进行调节，可控增益约40dB,可以用单片机方便的预制增益。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 宽带放大模块设计 方案一：采用电压反馈放大器OPA846、OPA847、OP

14、A657、OPA690等电压放大器，该系列(xli)的运算放大器的增益带宽积很高，需要仔细设计PCB电路板。 方案二：采用电流反馈放大器OPA691，OPA2694、THS3201。 例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页输出级电路设计方案一：使用双极型三级管组成互补乙类推挽功率放大器，单倍增益跟随(n su)，增大输出电流，提高带负载能力。匹配、调试复杂。方案二：使用压摆率高、电流输出能力较大的电流反馈运算放大器，如THS3091等。此种方案可以提供一定的输出电流，利于系统稳定。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 系统稳定性设计（1）放大器板上运放电源

15、线及数字信号线均加磁珠和电容滤波，磁珠可滤除电流上的毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。安装时尽量靠近IC电源和地。（2）信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。（3）在两个焊接(hnji)板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地电源地一点相连。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页增益控制模块设计 方案一：在电源+5V和地之间使用可调电位器来给集成压控增益放大器

16、的电压控制管脚（1号管脚）提供一个稳定的电压，改变可变电位器的分压即可控制增益的变化。改变可变电位器的分压即可控制增益的变化。此方案为手动调节。 方案二：通过单片机进行运算并控制D/A芯片(xn pin)输出来给提供控制电压，从而实现较精确的数控。此方案为程序控制。 综合比较这两种方案，各有优势。手动控制能实现连续调节，而程序控制又比较直观、方便。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 4.增益分配 由于要求输入电压有效值1mV Ui 20mV；输出端噪声(zoshng)电压的峰峰值UoNpp 100mV；在1MHz80MHz频带内增益起伏1dB。 某设计选择低噪输入级OPA

17、690增益为5倍，第二级为-10dB30dB，第三放大级OPA847增益为10倍，输出驱动级THS3091增益为2倍。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页频带内增益(zngy)起伏控制1） 选增益曲线平坦的器件 如THS3092。2） 极间阻抗匹配。 3） 输出频率补偿。4） 合理利用芯片的特性。例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页系统(xtng)框图例一 宽带(kun di)放大器（2013年）共六十七页 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

18、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(piqin)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。 共六十七页使用一片通用四运放芯片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

19、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(yn sun)放大器。要求预留ui1、ui2、uo1、uo2 和uo3 的测试端子。例二 集成运算(yn sun)放大器应用（2011年）共六十七页例二 集成(j chn)运算放大器应用共六十七页例二 集成运算(yn sun)放大器应用共六十七页该题目的考核点：怎样利用四只运算(yn sun)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。 例二 集成(j chn)运算放大器应用共六十七页分析与设计 通

20、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(lyng)无源积分器电路实现三角波信号。 例二 集成运算(yn sun)放大器应用共六十七页例二 集成(j chn)运算放大器应用共六十七页09年制作较好的参赛队均采用该种方案。 对于单电源运放处理(chl)正弦波信号，可通过在输入端加偏置电路的方法解决。 例二 集成运算(yn sun)放大器应用共六十七页题目： 使用题目指定的综合测试板上的 555 芯片和一片通用四运放 324 芯

21、片，设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波的波形产生电路。设计制作要求：1、 同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波中的 一种(y zhn)波形，每通道输出的负载电阻均为 600 欧姆。 2、 四种波形的频率关系为 1：1：1：3（3 次谐波） ：脉冲波、锯齿波、正弦 波输出频率范围为 8kHz10kHz，输出电压幅度峰峰值为 1V；正弦波输出频率范围为24kHz30kHz，输出电压幅度峰峰值为9V；脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真。频率误差不大于10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。脉冲波占空比可调整。例三 波形发生器共六十七页3、

22、 电源只能选用+10V单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源。 4、 要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波和电源的测试端子。 5、 每通道输出的负载电阻 600 欧姆应标示清楚、置于明显位置，便于检查。 注意：不能外加(wiji) 555 和 324 芯片，不能使用除综合测试板上的芯片以外的其他任何器件或芯片。例三 波形发生器共六十七页题目分析： 该系统的工作频段不高，滤波器设计应该是竞赛培训的基本内容，且输出信号之间频率有关联。所以，该题目的考点应该在：利用555设计方波发生器电路；以及方波中含有多种谐波分量的概念和滤波器设计。由于，给各参赛队的资料(zlio)中包含有制作脉冲发生电路的

23、推荐方案，而方波中含有多次谐波分量是信号与系统课程的基本内容，应该说该题主要体现在占空比可调、谐波分量的概念、滤波器设计和工作量上，难度不大。例三 波形发生器共六十七页 555电路(dinl)介绍： 它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。例三 波形发生器共六十七页555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制(kngzh)RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，比较器2 的同相输入端的

24、电压为VCC /3。若触发输入端TR的电压小于VCC /3，则比较器2 的输出为0，可使 RS 触发器置1，则输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则比较器1的输出为0，比较器2的输出为1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。例三 波形发生器共六十七页主要应用（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路(dinl)；（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。例三 波形发生器共六十七页多谐振荡器设计多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状

25、态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行(zxng)触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行(zxng)相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。例三 波形发生器共六十七页接通电源后，输出假定是高电平，则T截止，电容(dinrng)C充电。充电回路是VCCR1R2C地，按指数规律上升，当上升到2Vcc/3时（TH、端电平大于Vc），输出翻转为低电平。Vo是低电平，T导通，C放电，放电回路为CR2T地，按指数规律下降，当下降到Vcc/3时（TH、端电平小于Vc），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得输出高电平时间 T=

26、(R1+R2)Cln2输出低电平时间T=R2Cln2振荡周期 T=(R1+2R2)Cln2输出方波的占空比 为例三 波形发生器共六十七页2.方案设计 由于四种信号的频率比例为1:1:1:3，则可以考虑首先设计规定频率的方波发生电路，然后由方波信号积分产生锯齿波信号。 正弦波I和正弦波II应该有多种方法产生，考虑到题目(tm)的器件数目的限制和正弦波信号频率与方波频率的相关性，一般采用从方波的基波和谐波中滤波的方式产生。例三 波形发生器共六十七页方波发生电路：根据刚才的介绍，采用555芯片设计的多谐振荡器产生方波波形比较容易。锯齿波：通过对方波信号积分的方法产生。正弦波I：从方波或锯齿波滤波取出基波即可得到。正弦波II：从方波中滤波取出三次谐波即可得到。脉冲波占空比可调整：通过设计充、放电回路不同，且总电阻保持(boch)恒定实现占空比可调。例三 波形发生器共六十七页V1输出(shch)方波，v2输出锯齿波，v3输出正弦波（一次谐波）共六十七页怎样准备综合测评？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(koh)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(thu)与建议共六十七页