1、第十章 电子竞赛设计过程,第一节 电子竞赛设计过程,第二节 电子竞赛设计报告编写,第三节 电子竞赛样题,第一节 电子竞赛设计过程,电子竞赛设计是在限定人数（3人为一个参赛队），限定时间（4天3个晚上），限定条件（限定某些器件或组件禁止使用），限制交流等情况下进行的，有一定的特殊性。图10-1给出了电子竞赛的基本过程，下面分别进行讨论。,全国大学生电子竞赛的题目一般有5到7题，有的侧重于模拟电子电路及数字电子电路的知识，有的侧重于无线电的知识，有的侧重于电源设计的知识，有的侧重于控制电路的知识等。 例如2005年第七届的题目有7道题，分别是：（A题）正弦信号发生器；（B题）集成运放参数测试仪；（
2、C题）简易频谱分析仪；（D题）单工无线呼叫系统；（E题）悬挂运动控制系统；（F题）数控直流电流源；（G题）三相正弦波变频电源。题目下载后，首先要作的工作是根据自己的知识水平及所学专业，正确选择适合自己的题目。第一要分析每个题目的基本要求以及发挥部分的要求，对每一点要求都能有明确的设计思路，不能有知识盲点。第二要仔细研究题目要求的性能指标能否达到，至少要保证基本部分的指标要求一定能达到。第三要根据自己所在地区，所选择的题目用到的器件、测试仪器等能否买得到等，最后确定哪个题目更适合自己，就选择哪个题目。一旦选择了题目，一般情况下就不要犹豫，更不要中间换题，因为时间太紧张，不由得你换来换去。,一、题
3、目选择,例如山东电力高等专科学校发电专业的一个参赛队，经过分析选 择了（F题）数控直流电流源。题目具体要求如下：,数控直流电流源（F题）,设计并制作数控直流电流源。输入交流电压200240V，50Hz；输出直流电压10V。其原理示意图如图10-2所示（原题目中为图1所示）。,1、任务,2、要求 （1）基本要求,输出电流范围：200mA2000mA； 可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1+10mA； 具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA； 改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+10mA； 纹波电流2mA； 自制
4、电源。, 设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字； 改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 mA； 纹波电流0.2mA； 其他。,（2）发挥部分, 输出电流范围为20mA2000mA，步进1mA；,3、评分标准,4、说明,（1）需留出输出电流和电压测量端子； （2）输出电流可用高精度电流表测量；如果没有高精度电流表，可在采样电阻上测量电压换算成电流； （3）纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。 通过认真分析题目要求，参赛选手认为基本要求设计没
5、有问题，各项指标都有把握实现，只是输出2000mA的电流在稳定性方面可能有一定难度，但不是不能实现。对于发挥部分，指标要求是高了一些，不容易实现，尤其是纹波电流的值要求0.2mA，这很难达到，但是参赛选手注意到这一项只占5分，作为专科学校的参赛选手可以放弃这一项，因此他们决定选择这一设计题目。,一旦选择了题目以后，接下来就要考虑怎样更好地去实现题目中提出的各项要求，要提出多个方案进行比较、论证，最后综合考虑选择一个最适合的方案。有时最佳方案并不一定是最适合的方案，还要考虑方案的可行性。经过充分的论证和综合考虑后，确定最适合自己的方案。,二、方案论证,方案设计,方案比较,确定合适的方案,方案的可
6、行性：一是要考虑方案中所用元器件，在有限的时间内在当地可否买得到，如果不能买到，方案再好也是不能实现的。二是要考虑设计、制作的可行性，能否在4天内制作出来。三是要考虑各项指标能否达到要求。,以数控直流电流源的设计为例讨论方案的论证:,1、方案设计 方案一：恒流源部分采用数/模转换器。先把数字量转换为模拟量，再由V/I变换器转换为电流输出，并经过电流负反馈闭环系统，使输出电流更加稳定。为了实现实时测量，采用ADC7135模/数转换器，将输出电流转换为相应的数字量，经单片机处理实现显示。控制部分则采用89S52单片机，外挂EPROM2764、可编成8279键盘及液晶显示模块，用单片机管理键盘与显示
7、器。通过键盘可预置电流输出范围内的任意数值，同时单片机将被预置的电流值通过DAC1210数/模转换器转换为电流输出。软件上采用流行的PID算法，实时对电流进行反馈控制，最大限度地保证电流的精度和稳定性。基本系统框图如图10-3所示。,方案一设计框图,方案二：恒流源部分采用基准电压源CW388及权电阻网络，由11个模拟开关可以得到211-1=2047个电流值，满足设计的要求。控制部分还是采用单片机89S52，通过键盘可预置电流输出范围内的任意数值，经过单片机输出相应的数字量，控制权电阻网络的模拟开关，得到预置的输出电流值。基本系统框图如图10-4所示。,单片机89S52,键盘模块,液晶显示,权电
8、阻网络,ADC 7135 模/数转换器,CW338基准电压源,电流输出,图1029 液体点滴速度监控示意图,图10-4 方案二基本系统框图,2、方案比较,以上两种方案对于完成设计要求都是可行的，各具有自己的优势，相比之下，方案一硬件电路更加简单，更容易实现，但考虑到本设计的发挥部分，要求输出电流从20mA2000mA步进可调，步进值为1mA，这就要求输入的数字量必须大于等于1980个值，一个十位的数/模转换器只有210-1=1023个值，不能实现题目要求，应选用12位的数/模转换器。如果当时手头没有现成的12位数/模转换器，除北京、上海等大城市外，一般地区在一星期内很难买得到。所以选择这一方案
9、的前提是你已经有12位的数/模转换器的基础上才可以。方案二的优点是采用高精度的基准电压源，可获得精度比较高的输出电流，通过单片机控制11位权电阻网络可实现211-1=2047个步进值，满足发挥要求。缺点是硬件电路相对复杂一些，但电路结构具有对称性，在规定时间内是能够实现的。在2005年第七届全国大学生电子竞赛中，山东电力高等专科学校发电专业的参赛选手就选择了方案二。,数控直流电流源的设计为例进行讨论。 1、直流电流源设计 该设计的核心部分就是输出稳定的直流电流，在本设计中采用高精度稳压电源及权电阻网络来实现，设计中选用CW338高精度基准电压源。,三、单元电路设计,CW338最大输出电流为5A
10、，满足输出20mA2000mA的设计要求。工作时CW338的输出端与调整端之间输出1.25V的稳定电压。用单片机输出的数字量切换权电阻网络的模拟开关，就可以切换电压两端的电阻值，从而得到所对应的输出电流。这一电流的大小与负载的大小无关，当键入的数字量一定时，电压两端的电阻就一定，输出电流也就一定，所以是恒流输出。例如，键盘键入2000mA,则输出的16位数据为：0000011111010000 ，对应图10-5中的K10、K9、K8、K7、K6、K4闭合，其他开关都断开，得到的输出电流为：IL=1024mA+512 mA+256 mA+128 mA+64 mA+16 mA=2000 mA。 权
11、电阻网络中每个之路都串入一个固定电阻和可调电阻，通过调节可调电阻的值达到所需要的电流。如图10-5所示，分别调试出1 mA、2 mA、4 mA、8 mA、16 mA、32 mA、64 mA、128 mA、256 mA、512 mA、1024 mA。设计中还要注意到模拟开关的导通电阻，如果是CMOS模拟开关，其导通电组约几十到几百欧姆，即便是权电阻的值为零，输出电流也达不到2000mA,在该设计中不能满足要求,所以不能采用。如果采用继电器的触点开关，导通电阻为零，可满足要求。不过继电器的开关速度比较低，但在该设计中对开关速度没有要求，故可以用。另外，输出电流最大是2000mA，输出电压要求在10
12、V以下，测试标准是10V输出时电流为1000mA。因此，负载电阻RL的最大功率可达10瓦,普通电阻不能满足要求,设计中采用50瓦的水泥电阻。,电路说明：,2、MCS-51系列的8051单片机最小系统 MCS-51系列的8031单片机的最小系统，数控部分采用8031单片微机与ROM、RAM、地址锁存器74LS373组成的单片机的基本系统，并将P2口的P2.5、P2.6经74LS139地址译码后作为6264、8279的选通信号，8155作为可编程IO扩展接口，高分辨率的ICL7135作为A/D转换器。MCS-51系列的8031单片机可以直接和8155可编程IO扩展接口连接，而不需要任何外加逻辑器件
13、（如74LS373），可以直接为系统增加256B RAM、22位I/O口线及一个定时器/计数器（相当于14位）。MCS-51的P0口输出的低8位地址不需另加锁存器，可直接与8155的AD0AD7相连，即可作为低8位的地址总线又可作为数据总线，地址通过ALE直接锁存在8155中。设计中8155作为多功能接线口来控制继电器，实现了对电流变化的控制。本设计对电流测量的精度要求较高，故A/D转换器我们采用美国Intersil公司生产的高分辨率的4位半BCD码输出A/D转换器ICL7135。它适用于MCS-51单片机接口的实用硬件和软件。它输出的BCD码最大为19999，相当于二进制数的位数为：X=19
14、999/2=14.28764，既分辨率大于14位。从传感器来的毫伏级模拟电压信号经运算放大器放大到0V+5V后加到ICL7135的输入端。A/D转换后的BCD码经缓冲区送入单片机。,3、软件设计,主要功能包括:（1）系统的初始化（2）键盘检测和串口检测，实现人机交互的重要部分（3）为了能够实现测试实际输出电流值，中断服务子程序为A/D转换子程序，以INTO来触发中断，通过循环与判断来完成A/D转换，然后进行中断返回。,硬件电路的调试，首先将计算好的电阻电压等，通过试验板调试看看是否合适。然后看看每个模块能否正常工作，最后将各个模块连成一个系统后再进行调试。调试过程中一定要注意电压、电流的范围、
15、变化等，以免烧毁元器件及芯片等。 （1）MCS-51单片机系统调试 一是检查键入的十进制数码与输出数字量的对应对应关系是否正确，二是检查系统显示的数据是否正确。三十检查实际输出电流的测试是否正确。 （2）键盘和显示调试 首先检查芯片外围电路，然后根据自己的硬件连接图编写程序，通过试验确定键值等。 （3）基准电压源的调试 在调试时要注意电压源的使用条件，本设计中采用的CW338集成基准电压源，输出电流理论上可达5A,但在实际电路中，输出电流不到2A 时，输出的基准电压值就开始下降，而且极不稳定，在电子竞赛这种特殊情况下，不由你改变设计方案，遇到这一问题，解决的办法就是用两个CW338并联使用，以
16、减小每个集成块的负载电流。此外，还要检查输入电压的值是否满足要求。例如，本设计中要求输出电压可达10V，当输出电压为10V时，输入电压必须要大于10V+3V=13V，否则基准电压的输出也会不稳定。在设计中我们采用了15V电源供电。 （,四、调试,根据方案设计的要求，调试过程共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。系统先按模块调试，各模块逐个调试通过后再联调。,1、硬件调试,4）权电阻网络的调试 这部分电路的调试，主要是调节可调电阻的值，键入相应的数字量，分别接通各个开关，调节每一路的输出电流值，使其满足设计要求，可配合基准电压源一块调试。 （5）电源调试 本设计的输出电流高达2A，加上
17、其他周边电路的负载电流，对电源的功率要求及带负载能力要求都比较高。这一部分的调试主要是看输出电压的稳定性及带负载的能力。,2、软件调试 本系统处理数据量不大，但要求很精确，调试采用自下而上的方式，先单独调试好每一个程序模块，然后再链接成一个完整的系统调试。 3、软硬联调 该系统的软件和硬件之间的联系主要是键盘、显示器、A/D转换、继电器控制端等，调试时可分块调试，然后再通调。,五、指标测试 1、测试仪器：数字万用表低频交流毫伏表 HG2170直流电流表 量程05A (0.2精度)1、5、10(50W)的水泥电阻，或050滑动变阻器,2、指标测试：（1） 输出电流范围：,负载为5欧姆时恒流源性能
18、测试：,表10-2 负载为5欧姆时恒流源性能测试表,负载为1欧姆时恒流源性能测试,表10- 3 负载为1欧姆时恒流源性能测试表,（2）负载改变时恒流源性能测试,表10- 4 恒流源性能测试,设计报告是全国大学生电子竞赛的重要组成部分，电子竞赛的评分标准是：基本部分50分，发挥部分50分，设计报告50分。设计报告占总分的三分之一。设计报告的评分是一个独立的环节，评分过程是在专家将作品测试完后进行评阅。每个参赛选手的设计报告以电子邮件形式提交到所属赛区组委会，组委会将报告密封后交给专家评委，评委参照全国大学生电子竞赛组委会提供的评分标准进行评阅打分。设计报告的评分项目由方案设计与论证、理论计算、电
19、路图及设计文件、测试方法与数据、结果分析设计报告的工整性等几方面组成。,第二节 电子竞赛设计报告编写,一、设计报告评分项目,电子竞赛设计报告的内容包括设计题目、摘要、关键词、正文、参考文献等。 1、题目：电子竞赛的题目名称必须是参赛队所选择的题目原名称，不能更改。字体与字号要求按电子竞赛组委会规定要求。 2、摘要：摘要是设计报告的概括，其内容包括设计目的、主要设计方法、结果、设计创新特色及结论。一般在300字左右。像撰写学术论文的摘要一样，摘要要以第三人称叙述，不允许出现象“本文”、“我们”等词语。 除了中文摘要外，还有英文摘要。英文摘要的内容要与中文摘要的内容对应。 3、关键词：关键词是表征
20、设计报告主题内容具有实质意义的单词或短语，一般3-8个。中英文关键词应一一对应，不能表示所属学科专用概念的词语不作为关键词标出，如：理论、报告、试验、学习、方法、问题、对策、途径、特点、目的、概念等。 4、正文：正文是设计报告的主体，其内容包括方案设计与论证、单元电路设计、软件设计、调试、结论等精确内容。要求主题明确、有创意、结构严谨、叙述准确、文字精炼。计量单位采用国家法定计量单位。图表要精确、清楚，表用三线表。文中（包括图表中）的物理量和变量符号一律用斜体。 5、参考文献：撰写设计报告时一般都有参考文献，所用参考文献都要在报告中标注相应的引用位置，在引文后的右上角用方括号标出。,二、电子竞
21、赛设计报告内容及要求,集成运放参数测试仪（B题）,图10-7集成运算放大器参数的测试仪,1、任务 设计并制作一台能测试通用型集成运算放大器参数的测试仪，示意图如图10-7所示。,第三节 电子竞赛样题,2、要求：,1）基本要求： 能测试UIO(输入失调电压)、IIO(输入失调电流)、AUD (交流差模开环电压增益)和KCMR (交流共模抑制比)四项基本参数，显示器最大显示数为 3999； 各项被测参数的测量范围及精度如下(被测运放的工作电压为15V)；UIO：测量范围为040mV（量程为4mV和40mV），误差绝对值小于3%读数+1个字；IIO：测量范围为04A（量程为0.4A和4A），误差绝对
22、值小于3%读数+1个字；AUD：测量范围为 60dB120dB，测试误差绝对值小于3dB；KCMR：测量范围为 60dB120dB，测试误差绝对值小于3dB； 测试仪中的信号源(自制)用于AUD、KCMR参数的测量，要求信号源能输出频率为5Hz、输出电压有效值为4 V的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于1%； 按照本题附录提供的符合GB3442-82的测试原理图(见图10-8图10-9)，再制作一组符合该标准的测试UIO、IIO、AUD 和KCMR参数的测试电路，以此测试电路的测试结果作为测试标准，对制作的运放参数测试仪进行标定。 2）发挥部分： 增加电压模运放BWG (单位增益带宽)参
23、数测量功能，要求测量频率范围为100kHz3.5MHz，测量时间10秒，频率分辨力为1kHz；为此设计并制作一个扫频信号源，要求输出频率范围为 40kHz4MHz，频率误差绝对值小于1%；输出电压的有效值为2V0.2 V； 增加自动测量(含自动量程转换)功能。该功能启动后，能自动按UIO、IIO、AUD 、KCMR 和BWG的顺序测量、显示并打印以上5个参数测量结果； 其他。,3、评分标准,1、为了制作方便，被测运放的型号选定为8引脚双列直插的电压模运放F741 (LM741、A741、F007等)通用型运算放大器； 2、为了测试方便，自制的信号源应预留测量端子； 3、测试时用到的打印机自带。
24、,4、说明,UIO、IIO电参数测试原理图如图10-8所示,附录：,参照GB3442-82标准，UIO、IIO、AUD 和KCMR参数的测试原理图分别如图10-8、图10-9和图10-10所示。图10-9和图10-10中的信号源可采用现成的信号源。为了保证测试精度，外接测试仪表（信号源和数字电压表）的精度应比自制的运放参数测试仪的精度高一个数量级。,（2）AUD电参数的测试原理与测试原理图如图10-9所示。,设信号源输出电压为US，测得辅助运放输出电压为UL0，则有,设信号源输出电压为US，测得辅助运放输出电压为UL0，则有,（3）KCMR电参数的测试原理与测试原理图如图10-10所示。,附录说明,1、测试采用了辅助放大器测试方法。要求辅助运放的开环增益大于60dB，输入失调电压和失调电流值小； 2、为了保证测试精度，要求对R、Ri、Rf的阻值准确测量，R1、R2的阻值尽可能一致；IIO与R的乘积远大于VIO； IIO与Ri / Rf的乘积应远小于VIO。测试电路中的电阻值建议取：Ri =100、Rf =20 k100k、R1 = R2=30k、RL=10 k、R=1M； 3、建议图10-9、图10-10中使用的信号源输出为正弦波信号，频率为5Hz、输出电压有效值为4 V。,
