基础知识(2015全国大学生电子设计竞赛)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
14
基础知识
电动车跷跷板 2007年大学生电子设计竞赛全国一等奖
Tianjin University
15
基本知识
单工无线呼叫系统 2005年大学生电子设计竞赛全国二等奖
Tianjin University
16
基本知识
射频宽带放大器 2013年大学生电子设计竞赛
Tianjin University
Tianjin University
23
第三部分
设
计
案
例
Tianjin University
24
例一
出题思想
宽带放大器（2013年）
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
Tianjin University
34
例一
宽带放大器（2013年）
宽带放大模块设计
方案一：采用电压反馈放大器OPA846、 OPA847、OPA657、OPA690等电压放大器，该系 列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。
百折不饶的工作精神和精益求精的工作作风。
Tianjin University
22
基本技能
三、报告撰写
按照要求，重点介绍方案比较、电路模 块设计、器件选择、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。
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，包括增益（增益可调）、带
宽和带负载能力（输出电压）。
Tianjin University
25
例一 宽带放大器（2013年）
一、任务 设计并制作一个射频宽带放大器。 二、要求 1．基本要求 （1）电压增益Av ≥20dB，输入电压有效值Ui ≤20mV。Av在0～20dB范围内可调。 （2）最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，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fH≥20MHz，并要求在1MHz～15MHz频带内增益 起伏≤1dB。 （4）放大器的输入阻抗 = 50，输出阻抗 = 50 。
4
大学生电子设计竞赛题目范围很广， 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。
Tianjin University
5
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；
信号源
Ui
射频宽带放 大器
Uo
示波器 / 高频毫 伏表
自备直流稳压电源
图1 测试框图
Tianjin University
28
例一
Av(dB) Av
宽带放大器（2013年）
带内增益起伏≤1dB -3dB
1MHz fL 0.3MHz 3dB带宽
15(80)MHz fH f（MHz）
图2
幅频特性示意图
Tianjin University
Tianjin University
27
例一
宽带放大器（2013年）
3. 说明 1）要求负载电阻两端预留测试端子。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。
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。
9
基础知识
归纳起来，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 1.基本放大器 2.功率放大器 3.滤波器 4.基本组合逻与时序逻辑电路（FPGA）
Tianjin University
10
基础知识
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与算法
3、基本技能是参加电子设计竞赛的必备能 力。
Tianjin University
6
在竞赛过程中出现的：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。
Tianjin University
26
例一
宽带放大器（2013年）
2．发挥部分 （1）电压增益Av ≥60dB，输入电压有效值Ui ≤1 mV。 Av在0～60dB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fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz频带内增益起伏 ≤1dB。该项目要求在Av ≥60dB（或可达到的最高电 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）。
大学生电子设计竞赛系列讲座
基础知识
报告人：刘开华
2014年11月
Tianjin University
1
各位领导、
老师下午好！
Tianjin University
2
报 告 内 容
第一部分 第二部分 第三部分
概述 基础知识 设计案例
Tianjin University
3
第一部分
概
述
Tianjin University
Tianjin University
11
基础知识
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模块实现处理 器功能）。 2.接口电路。 3.外设电路。
Tianjin University
12
基础知识
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 熟悉各种基本元器件和常用的集成 电路芯片的特性。
Tianjin University
35
例一
宽带放大器（2013年）
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，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。
Tianjin University
7
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、
扎扎实实的训练。
Tianjin University
8
第二部分
基 础 知 识
Tianjin University
Tianjin University
20
基本知识 系统设计与制作的过程： 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。
Tianjin University
21
基本技能
这里特别要提醒大家的是，在培训中应 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、
Tianjin University
37
例一
宽带放大器（2013年）
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。
17
基本知识
射频宽带放大器 2013年大学生电子设计竞赛
Tianjin University
18
基本知识
射频宽带放大器 2013年大学生电子设计竞赛
Tianjin University
19
基本知识
5、基本仪器使用与电路调试 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：
Tianjin University
33
例一
宽带放大器（2013年）
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（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，由于题目 要求的频带较高。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。
Tianjin University
31
例一
宽带放大器（2013年）
降低噪声。主要是选器件、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。示波器采用高阻输入方式，作 品带着负载电阻测试。
Tianjin University
32
例一
宽带放大器（2013年）
29
例一
宽带放大器（2013年）
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。
Tianjin University
13
基础知识
3. 焊接 焊接和连线：可靠、规整、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。
Tianjin University
Tianjin University
36
例一
宽带放大器（2013Βιβλιοθήκη Baidu）
系统稳定性设计 （1）放大器板上运放电源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。
Tianjin University
30
例一
宽带放大器（2013年）
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，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。
基础知识
电动车跷跷板 2007年大学生电子设计竞赛全国一等奖
Tianjin University
15
基本知识
单工无线呼叫系统 2005年大学生电子设计竞赛全国二等奖
Tianjin University
16
基本知识
射频宽带放大器 2013年大学生电子设计竞赛
Tianjin University
Tianjin University
23
第三部分
设
计
案
例
Tianjin University
24
例一
出题思想
宽带放大器（2013年）
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
Tianjin University
34
例一
宽带放大器（2013年）
宽带放大模块设计
方案一：采用电压反馈放大器OPA846、 OPA847、OPA657、OPA690等电压放大器，该系 列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。
百折不饶的工作精神和精益求精的工作作风。
Tianjin University
22
基本技能
三、报告撰写
按照要求，重点介绍方案比较、电路模 块设计、器件选择、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。
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，包括增益（增益可调）、带
宽和带负载能力（输出电压）。
Tianjin University
25
例一 宽带放大器（2013年）
一、任务 设计并制作一个射频宽带放大器。 二、要求 1．基本要求 （1）电压增益Av ≥20dB，输入电压有效值Ui ≤20mV。Av在0～20dB范围内可调。 （2）最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，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fH≥20MHz，并要求在1MHz～15MHz频带内增益 起伏≤1dB。 （4）放大器的输入阻抗 = 50，输出阻抗 = 50 。
4
大学生电子设计竞赛题目范围很广， 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。
Tianjin University
5
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；
信号源
Ui
射频宽带放 大器
Uo
示波器 / 高频毫 伏表
自备直流稳压电源
图1 测试框图
Tianjin University
28
例一
Av(dB) Av
宽带放大器（2013年）
带内增益起伏≤1dB -3dB
1MHz fL 0.3MHz 3dB带宽
15(80)MHz fH f（MHz）
图2
幅频特性示意图
Tianjin University
Tianjin University
27
例一
宽带放大器（2013年）
3. 说明 1）要求负载电阻两端预留测试端子。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。
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。
9
基础知识
归纳起来，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 1.基本放大器 2.功率放大器 3.滤波器 4.基本组合逻与时序逻辑电路（FPGA）
Tianjin University
10
基础知识
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与算法
3、基本技能是参加电子设计竞赛的必备能 力。
Tianjin University
6
在竞赛过程中出现的：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。
Tianjin University
26
例一
宽带放大器（2013年）
2．发挥部分 （1）电压增益Av ≥60dB，输入电压有效值Ui ≤1 mV。 Av在0～60dB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fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz频带内增益起伏 ≤1dB。该项目要求在Av ≥60dB（或可达到的最高电 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）。
大学生电子设计竞赛系列讲座
基础知识
报告人：刘开华
2014年11月
Tianjin University
1
各位领导、
老师下午好！
Tianjin University
2
报 告 内 容
第一部分 第二部分 第三部分
概述 基础知识 设计案例
Tianjin University
3
第一部分
概
述
Tianjin University
Tianjin University
11
基础知识
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模块实现处理 器功能）。 2.接口电路。 3.外设电路。
Tianjin University
12
基础知识
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 熟悉各种基本元器件和常用的集成 电路芯片的特性。
Tianjin University
35
例一
宽带放大器（2013年）
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，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。
Tianjin University
7
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、
扎扎实实的训练。
Tianjin University
8
第二部分
基 础 知 识
Tianjin University
Tianjin University
20
基本知识 系统设计与制作的过程： 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。
Tianjin University
21
基本技能
这里特别要提醒大家的是，在培训中应 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、
Tianjin University
37
例一
宽带放大器（2013年）
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。
17
基本知识
射频宽带放大器 2013年大学生电子设计竞赛
Tianjin University
18
基本知识
射频宽带放大器 2013年大学生电子设计竞赛
Tianjin University
19
基本知识
5、基本仪器使用与电路调试 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：
Tianjin University
33
例一
宽带放大器（2013年）
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（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，由于题目 要求的频带较高。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。
Tianjin University
31
例一
宽带放大器（2013年）
降低噪声。主要是选器件、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。示波器采用高阻输入方式，作 品带着负载电阻测试。
Tianjin University
32
例一
宽带放大器（2013年）
29
例一
宽带放大器（2013年）
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。
Tianjin University
13
基础知识
3. 焊接 焊接和连线：可靠、规整、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。
Tianjin University
Tianjin University
36
例一
宽带放大器（2013Βιβλιοθήκη Baidu）
系统稳定性设计 （1）放大器板上运放电源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。
Tianjin University
30
例一
宽带放大器（2013年）
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，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。