电子设计大赛培训讲义

电子大赛培训讲义哈尔滨学院理工学院刘宏哈尔滨学院理工学院电子大赛培训方案1全国大赛题目分析2测控系统基本结构分析3前向通道设计分析4人机对话与数据通信5基本数据处理算法6后向通道设计分析哈尔滨学院理工学院一、全国大赛题目分析哈尔滨学院理工学院电子大赛题目分类测、控系统1通信及总线2电源3哈尔滨学院理工学院测、控系统典型题题目测控第一届题目一简易数控直流电源XO第二届题目四简易电阻、电容和电感测试仪OX第三届C题水温控制系统OO第四届B题数字式工频有效值多用表OX第五届C题自动往返电动小汽车OO第六届液体点滴速度监控装置（F题）OO第七届悬挂运动控制系统（E题）

OO哈尔滨学院理工学院通信/网络系统典型题题目类型第一届题目二多路数据采集系统现场总线/分布式采集第二届题目三简易无线电遥控系统编码/调制解调第三届D题调幅广播收音机调制解调第四届E题数字化语音存储与回放系统编码第五届E题数据采集与传输系统现场总线第六届液体点滴速度监控装置（F题）现场总线第七届单工无线呼叫系统（D题）调制解调哈尔滨学院理工学院电源典型题题目第一届题目一简易数控直流电源第二届题目二实用信号源的设计和制作第三届A题直流稳定电源第四届第五届D题高效率音频功率放大器第六届第七届7、三相正弦波变频电源（G题）哈尔滨学院理工学院大赛题目开展趋势1、多项知识综合-数据采集与传输系统2、根底理论扎实，用简单元件实现复杂功能-集成运放测试仪，电压控制LC振荡器3、题目趣味性增强-悬挂运动控制系统4、专业性较强的题目增多-三相正弦波变频电源5、测控类题目仍然是主流哈尔滨学院理工学院二、测控系统根本结构分析哈尔滨学院理工学院典型的工业过程控制环路前向通道后向通道哈尔滨学院理工学院测控系统功能块分析中央处理单元人机交互界面/通信模拟信号前向通道数字信号模拟输出后向通道数字信号哈尔滨学院理工学院系统总体方案设计1、根据输入类型确定前向通道电路方案2、根据输出类型确定后向通道电路方案3、根据输入、输出的数量、类型和数据流量确定所使用的中央处理器。哈尔滨学院理工学院典型测、控系统涉及的技术传感器技术-智能传感器(SmartSensor)微处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器——智能传感器网络化传感器(NetworkedSensor)将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的ROM中时，就产生子网络传感器。为解决现场总线的多样性问题，IEEEl451．2工作组建立了智能传感器接口模块(STIM)标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬件和软件接口，是IEEEl451网络传感器标准的重要组成局部，为使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。重要组成局部，为使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。另外802．15．4无线发射／接收网络也为低本钱的无线传感器网络互连提供了协议支持。哈尔滨学院理工学院A/D等新器件的开展将显著增强仪器的功能与测量范围单片机、DSP等嵌入式处理器的广泛应用ASIC、FPGA／CPLD技术LabVlEW等图形化软件技术网络与通信技术电力电子技术电器控制微电机及电机拖动哈尔滨学院理工学院三、前向通道设计分析哈尔滨学院理工学院典型的前向通道1．传感器——将被测的量由非电量转换为电量〔电压或电流等电信号〕。2．放大器——假设电信号太小，那么需用放大器放大，以便使其幅值与A/D转换器的转换范围相匹配，以充分发挥模数转换器的功能。3．有源滤波器——在A/D转换前，尽可能地滤除信号中不希望的频率分量〔用的较多的是低通滤波器〕。4．采样和保持器——简称采保器。它的主要作用是将被测电平采集并保持下来，使连续模拟量离散化〔特别是对于快速变化的信号它是必须的，直流及变化缓慢的信号它可省去〕。5．A/D转换器——对采样信号进行量化，转变为数字信号，送往计算机保存与处理。如果需要信号的远距离传输，需要增加变送器

哈尔滨学院理工学院前、后向通道信号类型确定输入、输出类型：几何量：长度、角度、相互位置、位移、距离机械量：力、力矩、硬度、加速度与速度、振动热工量：温度、湿度、流量光学参数：光度、光谱、色度、激光测量时间频率：时间、频率、相位电磁量：交、直流电流、电压、功率、RLC参数、静电、磁参数电子参数：有源器件参数、无线电参数、频谱分析、动态信号等。哈尔滨学院理工学院前向通道信号转换模拟信号采集电路电压/时间电阻-电容-电压-电感-电压-电流-时间声光磁电压力加速度温度湿度模拟信号哈尔滨学院理工学院信号调理电路大多数传感器的满度输出都是相当小的电压、电流、电阻、电容变化。因此在作进一步处理之前，必须对它们的输出作适当调理。在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理〔SignalConditioning〕，相应的执行电路统称为信号调理电路。信号调理电路的主要作用：放大、电平变换、零点校正、电隔离、阻抗变换、线性化、滤波。哈尔滨学院理工学院运用前置放大器的依据多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。判断传感器信号“大〞还是“小〞和要不要进行放大的依据又是什么？放大器为什么要“前置〞,即设置在调理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？哈尔滨学院理工学院两种调理电路的比照调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。哈尔滨学院理工学院信号调理通道中的常用放大器

在信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。

哈尔滨学院理工学院(一)仪用放大器

仪用放大器的根本结构哈尔滨学院理工学院仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。那么放大器闭环增益为：假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，那么可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。哈尔滨学院理工学院在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。

哈尔滨学院理工学院1.非线性度

它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。当增益为1时，如果一个12位A/D转换器有0.025%的非线性偏差，当增益为500时，非线性偏差可达0.1%，相当于把12位A/D转换器变成10位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小的仪用放大器。

哈尔滨学院理工学院2.温漂温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生(1~50)

V/℃变化，这与仪用放大器的增益有关。

哈尔滨学院理工学院3.建立时间建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压到达并保持在给定误差范围内所需的时间。4.恢复时间恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。哈尔滨学院理工学院5.电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标那么是设计系统稳压电源的主要依据之一。哈尔滨学院理工学院6.共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时，在放大器输出端测量出电压变化值UCM，那么共模抑制比CMRR可用下式计算：CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信号有增益，对共模信号没有增益。但CMRR的计算却是折合到放大器输出端，这样就使CMRR随增益的增加而增大。哈尔滨学院理工学院(二)程控增益放大器程控放大器是常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量中，为了在整个测量范围内获取适宜的分辨力，常采用可变增益放大器。在测量中，可变增益放大器的增益由程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。哈尔滨学院理工学院程控放大器原理框图

哈尔滨学院理工学院(三)隔离放大器隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。哈尔滨学院理工学院由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1.能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2.泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能对直流和低频信号〔电压或电流〕进行准确、平安的测量。哈尔滨学院理工学院GF289集成隔离放大器哈尔滨学院理工学院GF289典型接法

哈尔滨学院理工学院A/D转换器及接口技术

A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般用一个称为量子Q的根本单位来度量。哈尔滨学院理工学院量化特性及量化误差哈尔滨学院理工学院理想ADC的传输特性和量化误差

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A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。

(1)分辨率

ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。

(2)转换时间

A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。

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(3)精度①绝对精度绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误差以及噪声等组成。

哈尔滨学院理工学院②相对精度相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比。③偏移误差。ADC的偏移误差定义为使ADC的输出最低位为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值1/2(Vr／2n)(即0.5LSB所对应的电压值)之差〔又称为偏移电压〕。哈尔滨学院理工学院④增益误差增益误差是指ADC输出到达满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。⑤线性度误差ADC的线性度误差包括积分线性度误差和微分线性度误差两种。a．积分线性度误差积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。哈尔滨学院理工学院b．微分线性度误差积分线性度误差是从总体上来看ADC的数字输出，说明其误差最大值。但是，在很多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴趣。微分线性度误差就是说明这种问题的技术参数，它定义为ADC传输特性台阶的宽度〔实际的量子值〕与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于Vr/2n的偏离值。哈尔滨学院理工学院ADC的积分线性度误差

ADC的微分线性度误差

哈尔滨学院理工学院与微分线性度误差直接关联的一个ADC的常用术语是失码〔MissingCord〕或跳码(SkippedCord)，也叫做非单调性。ADC的失码现象

哈尔滨学院理工学院⑥温度对误差的影响环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。

哈尔滨学院理工学院ADC的转换原理(一)比较型ADC比较型ADC可分为反响比较型及非反响〔直接〕比较型两种。高速的并行比较型ADC是非反响的，常用的中速中精度的逐次逼近型ADC是反响型哈尔滨学院理工学院(二)积分型ADC双积分ADC哈尔滨学院理工学院双积分式ADC的优点：对R、C及时钟脉冲Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度。微分线性度极好，不会有非单调性。因为积分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的,即从本质上说，不会发生丢码现象。积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积分式ADC是测量输入电压在定时积分时间T1内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。

哈尔滨学院理工学院(三)Δ-Σ型ADC过采样Σ-ΔA/D变换器由于采用了过采样技术和Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的本钱实现高精度的A/D变换器，适应了VLSI技术开展的要求。哈尔滨学院理工学院①过采样技术理想3位ADC转换特性

哈尔滨学院理工学院过采样技术原理图

哈尔滨学院理工学院②Σ-Δ调制及噪声整形技术带模拟滤波和数字滤波的过采样

哈尔滨学院理工学院一阶Σ-ΔADC哈尔滨学院理工学院Σ-Δ调制器的频域线性化模型

哈尔滨学院理工学院整形后的量化噪声分布哈尔滨学院理工学院二阶Σ-ΔADC哈尔滨学院理工学院信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系

哈尔滨学院理工学院(四)V/F型ADC常用的另一种ADC是V/F型ADC。它主要由V/F转换器和计数器构成。V/F型ADC的特点是：与积分式ADC一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。

哈尔滨学院理工学院三、常用ADC集成芯片及其与微处理器的接口考虑到逐次逼近式ADC具有转换速度快，精度较高，价格适中的优点，Σ-Δ型ADC具有转换精度高，价格低廉的优点，下面将介绍逐次逼近式ADC-AD574A和Σ-Δ型ADC-CS5360及其与CPU的接口。哈尔滨学院理工学院(一)AD574A及其与微处理器的接口AD574A的管脚图哈尔滨学院理工学院ADC574A单极性和双极性输入接法

哈尔滨学院理工学院AD574的控制状态表：AD574的8位输出数据格式哈尔滨学院理工学院AD574A启动转换和读数据时序

哈尔滨学院理工学院AD574A与8031的接口

哈尔滨学院理工学院AD574系列产品主要性能比较哈尔滨学院理工学院(二)CS5360及其与微处理器的接口1.CS5360简介u

真正的24位转换u

105dB的动态范围u

低噪声，总谐波失真>95dBu

Δ-ΣA/D转换技术u

片内数字抗混叠滤涉及电压参考u

最高采样率50KHzu

差动模拟输入u

单+5V电源供电哈尔滨学院理工学院CS5360功能框图

哈尔滨学院理工学院2.CS5360与CPU的接口电路设计

在设计CS5360的接口电路时，需要考虑的一个主要问题是如何将其转换输出的24位串行数据读出并存储。有两种方案可以考虑：一是将CS5360的数据输出接口直接与MCU的I/O口相连，利用MCU内部提供的串行接口或者采用软件来实现数据的读出和保存，该方案对MCU的速度要求相对较高；另一方案是设计专门的硬件电路来实现数据的读出和存储，适用于采用低速MCU的应用场合。

哈尔滨学院理工学院数字接口电路功能框图

哈尔滨学院理工学院基于FPGA的数字接口电路局部的设计接口功能框图

哈尔滨学院理工学院串并转换电路原理图

哈尔滨学院理工学院工作时序图

哈尔滨学院理工学院前后向通道与CPU的接口关系串行接口：UART,SPI,IIC,IIS,1-Wire协议串行接口的速度串行接口的抗干扰能力并行接口：哈尔滨学院理工学院输入、输出数量：输入、输出数据流量：哈尔滨学院理工学院模拟前端设计要点1234电路结构合理正确选用元件合理布局布线注意接地关系信号调理电路关系到整体电路的精度和性能灵敏度、线性度、精度、响应速度、测量范围、长期稳定性〔失调、漂移〕哈尔滨学院理工学院四、人机对话与数据通信哈尔滨学院理工学院人机对话的复杂性哈尔滨学院理工学院ThemeGallery

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isaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.哈尔滨学院理工学院电子大赛的开展趋势分析全国大学生电子设计大赛历届题目1、测、控系统2、通信3、电源哈尔滨学院理工学院

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