Transcript 电子设计大赛培训
电子设计大赛培训 2010.07 一、获奖学生感言 热情是保持一个人对一件事物的热忠程度，它可 以引导你，为你注入强大的动力。 相信很多人参加国赛纯粹是为了将来找工作时可 以在自己的简历上填上这个经历，这就不是一种 热情了。 其次，我看到好多人都站在考研和参赛的抉择口， 在此我额外补充一点。我觉得这种情况最好要不 要迟疑太久，要明确自己的方向，当机立断，免 得两头分心，吃力又不合算（毕竟一个人精力有 限）。 收集竞赛信息 如果你有意参加的话，平时就要多关注全 国电子竞赛信息，收集一些往年竞赛资料， 了解评分规则，这些都是很有必要的。 团队 一个能在全国大学生电子竞赛中得奖的团队必须具备 这么几个特征:绝对喜欢电子开发。 在软件、硬件、论文写作中各有所长。你想想3个只会 C语言的家伙合一起能干什么。 选好团队后就要确定团队核心人物。大家一定都能想得 到，一旦进入备战阶段，组员间的探讨是必然的，各抒 己见固然好，但往往也比较容易起争执。这时如果有个 核心人物，他的话在非常时期大家必须绝对服从，他说 了算。 要想获得成功，就必须认清自己团队的优势，充分调用 组员中的优势资源，比如：某个组员在编程方面有优势， 那么就应该合理分配编程工作给他，这样大家分工也就 相对明确了，也都能充分发挥自己的所长，将团对协作 的力量发挥到最大。 根基 磨刀不误砍材功，根基不牢就不要往上爬，爬得 越高，摔得越重。 这个方面，你需要连接常用的电路，如高增益放 大电路，跟随电路，滤波电路的设计，学习 protel制图软件，会划电路原理图，会PCB制板。 在准备期间一定要学会用万用板焊接电路，或者 用三氯化铁腐蚀电路，这个效果非常好。 在正式比赛前，一定要于团队在4天内练习做一 个完整的电子系统，时间安排在8月初最好（推 荐凌阳大学计划赛前热身套件），不要以为你能 做好各个模块，但是联机调试你就不一定成功， 总是会缺点什么，事实证明，大部分的竞赛队失 败就失败在最后的联机。 电子设计竞赛的核心器件的选择 (单片机)选型 CPU是电子设计竞赛的核心器件。现在的微 处理器很多，如比较古老的8051单片机，AVR单片机， PIC单片机，MSP430单片机。现在也出了很多新型单片 机，这类单片机含有很多的扩充资源，如大量的 FLASH(这些FLASH对LCD字库很有帮助)、中速AD,D\A、 多定时器、PWM，语音功能等等，这些资源会给开发带来 很多的方便。 从个人经验看，竞赛一定要用自己擅长的单片机，但根据 题目的不同，不同的单片机实现起来难度也不一样。 现在很多人都喜欢上了嵌入式和DSP。根据09年竞赛的精 神利用嵌入式与DSP参加电子竞赛也会逐渐提到日程上来， 如果做的是关于高速数据处理的的题目，比如高速数据采 集，高速数据传输等等，这样这两个东西会有用武之地。 基本模块 参加电子设计竞赛，离不开一些基本模块。 如LED,LCD子电路，子程序。（这点凌阳的61 板做的很好，有很多现成的标准函数可以调用） AD,DA电路，搞控制的总得选好步进电机的型号， 驱动电路，驱动程序吧，那搞无线的应该准备什 么呢？ 自己去想吧！有一个一等奖选手告诉过我， 他说 “在竞赛前我就知道我会得奖，因为我把该准备 的东西都准备了，而且在比赛前几天都梦到了比 赛题目",他说得有点夸张，但是也很可信，足以 证明这个准备对整个比赛有举足轻重的作用。 全国大学生电子设计竞赛试题 每年的竞赛试题都有很多相似的地方， 控制类的如简单的工业控制、小车； 传统题目如数据调理、数据采集，无线传输系统； 电源设计； 简单仪器、仪表设计（每年必要一题)如2005年 的简易频谱分析仪，2003年的简易逻辑分析器。 建议为了夺奖的朋友专注自己的强项。 身体是革命的本钱 这也是很容易忽略的一点。4天3夜是个什 么概念，我想大家都要清楚点。既然下定 决心参赛，就要调理好身体，以最佳的状 态来迎接挑战。 否则，千载难逢的机会就可能擦肩而过， 留下的就将会是遗憾。 良好心态 竞赛不仅仅是技能的竞争，更是良好心态的比拼。 比赛期间，肯定都会遇到这样那样的问题，如果 没有善始善终，持之以恒的决心，三天打鱼，两 天晒网，是走不到最后的。 要切切实实按照制定好的进程走，该做哪项任务， 就要尽量克服一切困难做完，该今天做的，就不 能留到明天。 具备以上条件后，你还应该做的就是自信了。 论文的书写 一个获得一等奖的团队，必然有文笔不错 善于表达的人物。一个团队的设计理念和 思想需要通过他公布于众，让评委团了解 和认同你们的观点，论文的书写也是考察 写作基本功的关键要素。 切记现在不是酒香不怕巷子深的年代了， 因为可以选择的对象太多，要学会主动出 击。所以说一个好的团队是成功的一半！ 近年来新动向 性价比：第一个就是做出来的产品的性能价格比 应该是比较好的。不能为完成一个比较简单的任 务，用一个非常复杂，非常昂贵的小系统合和方 法去完成。这是不符合社会发展需要的。 节能性：为了维持社会的可持续性发展，我们的 产品必须尽可能的节能。不能为完成某一功能我 们就耗电、耗损很大，甚至于造成其它的污染。 这是不行的。 二、竞赛时间 竞赛时间定于竞赛举办年度的9月份，赛 期四天（具体日期届时通知）。从1997 年开始，每二年举办一届全国大学生电子 设计竞赛，即凡逢单数年号时举办全国竞 赛。 三、竞赛采用全国统一命题、分赛区组 织的方式 竞赛采用“半封闭、相对集中”的组织方式进行。 竞赛期间学生可以查阅有关文献资料，队内学生 集体商讨设计思想，确定设计方案，分工负责、 团结协作，以队为基本单位独立完成竞赛任务； 竞赛期间不允许任何教师或其他人员进行任何形 式的指导或引导； 竞赛期间参赛队员不得与队外任何人员讨论商量。 参赛学校应将参赛学生相对集中在一个或几个实 验室内进行竞赛，便于组织人员巡查。 为保证竞赛工作，竞赛所需设备、元器件等均由 各参赛学校负责提供。 四、命题范围 应以电子技术（包括模拟低频、高频和数 字电路）应用设计为主要内容。 可以涉及单片机、可编程逻辑器件、EDA 软件工具和PC机（主要用于开发）的应用。 题目包括“理论设计”和“实际制作与调 试”两部分。 竞赛题目应具有实际意义和应用背景，并 考虑到目前教学基本内容和新技术应用趋 势。 五、题目要求 竞赛题目应能测试学生运用基础知识的能 力、实际设计能力和独立工作能力。 题目原则上应包括基本要求部分和发挥部 分，从而使绝大多数参赛学生能在规定时 间内完成基本要求部分的设计工作，又能 便一部分优秀学生有发挥与创新的余地。 六、命题格式 1. 题目名称 题目名称要求简明扼要。 2. 设计任务和要求 设计任务和要求需要对题目作必要说明，明确提出设计任 务和对功能指标的要求，文字描述准确，避免含混不清； 3. 评分标准 评分标准按设计报告、实际制作两部分提出具体评分细则， 实际制作又分基本要求和发挥部分。总分一般是150分， 其中设计报告占50分，基本要求占50分和发挥部分占50 分。 4. 命题说明 命题人应对命题的意图、涉及的主要知识范围及其它问题 予以必要的说明，供全国专家组选题时参考。 七、题目类型 1. 综合题 综合题应涵盖模-数混合电路，可涉及单片机和可编程逻辑器件 的应用，并尽可能适合不同类型学校和专业的学生选用； 2. 专业题 专业题是侧重于某一专业（如计算机、通信、自控、电子技术应 用等）的题目； 3. 电路题 电路题是侧重于模拟电路、数字电路、电力电子线路等的题目； 4. 新型器件和集成电路应用题 新型器件和集成电路应用题侧重于新型器件的应用、新型集成 电路的应用； 5. 电子产品和仪器初步设计题 常用电子产品和电子仪器初步设计的题目侧重于某一产品的初 步设计。 不同类型的题目之间，在难易程度上允许有差别。 八、电子设计竞赛的题目分析 全国大学生电子设计竞赛从1994年的首届试点到如今电子设 计竞赛的试题来看，可以归纳成7类，即： （1）电源类：简易数控直流电源，直流稳压电源 （2）信号源类：实用信号源的设计和制作，波形发生器，电 压控制LC振荡器（A题）； （3）高频无线电类：简易无线电遥控系统，调幅广播收音机， 短波调频接收机，调频收音机， （4）放大器类：实用低频功率放大器，高效率音频功率放大 器，宽带放大器（B题) （5）仪器仪表类：简易电阻、电容和电感测试仪，简易数字 频率计，频率特性测试仪，数字式工频有效值多用表，简易 数字存储示波器，低频数字式相位测量仪（C题，简易逻辑 分析仪（D题， （6）数据采集与处理类：多路数据采集系统，数字化语音存 储与回放系统，数据采集与传输系统。 （7）控制类：水温控制系统，自动往返电动小汽车，简易智 能电动车（E题，液体点滴速度监控装置（F题) 试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特 点。 涉及到的电子信息类专业的课程有：低频电路、高频电路、 数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器 件、EDA设计等； 实践性教学环节有：电子线路实验课、微机原理实验课、 课程设计、生产实习等； 可选用的器件有：晶体管、集成电路、大规模集成电路、 单片机、可编程逻辑器件等； 设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具，如 VHDL语言、Xilinx Foundation Series EDA工具、 单 片机编程器等。 电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引 导高校在教学改革中应注重培养学生的工程实践能力和创 新设计能力。 传统的电子信息类专业教学内容，重理论、轻实践；重分析、轻 综合；重个体、轻协作。实验内容及实验方法上所存在的内容陈 旧、形式呆板、方法单一。按传统方法培养的学生，在参加电子 设计竞赛时，就会发生诸多的问题。如：理论设计正确却无法在 工程上实现；单元电路正确却无法实现系统联调；个人能力很强 却各自为政，不能实现强强联合等等。 电子设计竞赛既不是单纯的理论设计竞赛也不仅仅是实验竞赛， 而是由一个参赛队共同设计、制作完成一个有特定工程背景的题 目的优劣与快慢的竞赛。它既强调理论设计，更强调系统实现。 它考核了学生综合运用基础知识的能力，更注重考察学生的创新 意识。题目涉及的内容是一个课程群，而非单一的一门课程。因 此竞赛的形式与内容基本上符合面向21世纪人才培养的目标和 需求，是对传统教学方法的一个挑战，同时，竞赛成绩也能从一 个侧面反映了这个课程群的教学水平和教学改革的成败。 电源类题目分析 电源类题目有简易数控直流电源（1994年）和直流稳压 电源（1997年）、数控直流电流源（F题2005年） 、 开关稳压电源（E题2007年）、电能收集充电器2009 年、A题--光伏并网发电模拟装置2009年 。 简易数控直流电源（第一届，1994年）要求设计制作一 个输出电压数控可调直流稳压电源。涉及到的基础知识与 制作能力包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调 节，单片机，数字显示与控制等。 直流稳压电源（第三届，1997年）要求设计制作一个交 流变换为直流的稳定电源。涉及到的基础知识与制作能力 包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，恒流 电流源，DC-DC变换器，单片机，数字显示与控制等。 信号源类题目分析 信号源类有实用信号源的设计和制作（1995年）、波形发生器 （2001年）和电压控制LC振荡器（2003年） 正弦信号发生 器（A题） 2005年、音频信号分析仪（A题2007年） 。 实用信号源的设计和制作（第二届，1995年）要求设计制作一 个正弦波和脉冲波信号源，频率范围20Hz～20kHz，低频信号 源。涉及到的基础知识与制作能力包含：RC振荡器，脉冲振荡 器，数字可调电位器，单片机，数字显示与控制等。 波形发生器（第五届，2001年）要求设计制作一个能产生正弦 波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形的波形发生器， 频率范围100Hz～20kHz，低频信号源。涉及到的基础知识与 制作能力包含：单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示 与控制，滤波器等。 电压控制LC振荡器（第六届，2003年）要求设计制作一个电压 控制LC振荡器，频率范围15MHz～35MHz，高频信号源。涉及 到的基础知识与制作能力包含：单片机或者可编程逻辑器件， PLL，LC振荡器，数字显示与控制，滤波器，高频功率放大器等。 放大器类题目分析 放大器类的题目有实用低频功率放大器（1995年）、测量放大 器（1999年）、高效率音频功率放大器（2001年）和宽带放 大器（2003年）。集成运放参数测试仪（B题2005年）、宽 带直流放大器（C题2009年）数字幅频均衡的功率放大器 2009年 实用低频功率放大器（第二届，1995年）要求设计制作一个具 有弱信号放大能力的低频功率放大器，额定输出功率 POR≥10W，带宽BW≥（50～10000）Hz。涉及到的基础知 识包含有：电源整流和稳压，方波信号发生器，低频功率放大器 等。 测量放大器（第四届，1999年）要求设计制作一个测量放大器 及所用的直流稳压电源。差模电压放大倍数 AVD＝1～500。涉 及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，信号变换放大器，测 量放大器等。 高效率音频功率放大器（第五届，2001年）要求设计制作一个 高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置，3dB通频带 为300Hz～3400Hz，最大不失真输出功率≥1W。涉及到的基 础知识包含有：电源整流和稳压，音频功率放大器等。 宽带放大器（第六届，2003年）要求设计并制作一个3dB通频 带10kHz～6MHz，最大增益≥40dB的宽带放大器。涉及到的 基础知识包含有：电源整流和稳压，AGC，宽带放大器等。 无线电类题目分析 无线电类题目有简易无线电遥控系统（1995年）、调幅广播收 音机（1997年）、短波调频接收机（1999年）和调频收音机 （2001年）。单工无线呼叫系统（D题2005年）、无线识别 装置（B题2007年）无线环境监测模拟装置 2009年 简易无线电遥控系统（第二届，1995年）要求设计制作一个无 线电遥控发射机和接收机，频率范围6～10MHz。涉及到的基础 知识包含有：无线电发射与接收，编码与解码，单片机，数字显 示等。 调幅广播收音机（第三届，1997年）要求设计制作一个中波广 播收音机，接收频率范围540kHz～1600kHz，材料由SONY公 司提供。涉及到的基础知识包含有：无线电调幅接收，变容二极 管控制，单片机，数字显示等。 短波调频接收机（第四届，1999年）接收频率范围：8MHz～ 10MHz。涉及到的基础知识包含有：无线电调频接收，变容二 极管控制，单片机，数字显示等。 调频收音机（第五届，2001年）用SONY公司提供的FM/AM收 音机集成芯片CXA1019和锁相频率合成调谐集成芯片BU2614， 制作一台调频收音机, 接收FM信号频率范围88MHz～108MHz。 涉及到的基础知识包含有：无线电调频接收，PLL，变容二极管 控制，单片机，数字显示等。 仪器仪表类题目分析 仪器仪表类有简易电阻、电容和电感测试仪（第二届，1995年）、简易数字频率计（第三届， 1997年）、频率特性测试仪（第四届，1999年）、数字式工频有效值多用表（第四届，1999年）、 简易数字存储示波器（第五届，2001年）、低频数字式相位测量仪（第六届，2003年），简易逻 辑分析仪（第六届，2003年）。简易频谱分析仪（C题2005年） 、数字示波器（C题2007年）程 控滤波器（D题2007年） 简易电阻、电容和电感测试仪（第二届，1995年）要求设计制作一个测量范围：电阻100Ω～1MΩ； 电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH），测量精度：±5%的电阻、电容和电感测试仪。涉 及到的基础知识包含有：电阻、电容和电感参数变换，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。 简易数字频率计（第三届，1997年）要求设计制作一个测量范围 信号：方波、正弦波；幅度： 0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz；测量误差≤0.1%数字频率计。涉及到的基础知识包含有：信号变 换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。 频率特性测试仪（第四届，1999年）要求设计制作一个频率范围100Hz～100kHz；频率步进： 10Hz；频率稳定度：10-4；测量精度：5％ ；能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量的频率 特性测试仪。涉及到的基础知识包含有：信号变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。 数字式工频有效值多用表（第四届，1999年）要求设计制作一个能同时对一路工频交流电（频率波 动范围为50±1Hz、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数 进行测量的数字式多用表。涉及到的基础知识包含有：电压电流变换与检测，单片机或者可编程逻辑 器件，数字显示等。 简易数字存储示波器（第五届，2001年）要求设计制作一个一台用普通示波器显示被测波形的简易 数字存储示波器，频率范围为DC～50kHz，误差≤5%。涉及到的基础知识包含有：A/D和D/A变换， 单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示等。 低频数字式相位测量仪（第六届，2003年）要求设计制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、 数字式移相信号发生器和移相网络三部分。频率范围：20Hz～20kHz，相位测量绝对误差≤2°。涉 及到的基础知识包含有：相位检测，A/D和D/A变换，单片机或者可编程逻辑器件，存储器，RC移相 网络，数字显示等。 简易逻辑分析仪（第六届，2003年）要求设计制作一个8路数字信号发生器与简易逻辑分析仪，能产 生8路可预置的循环移位逻辑信号序列，输出信号为TTL电平，序列时钟频率为100Hz，并能够重复 输出。涉及到的基础知识包含有：单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示等。 数据采集与处理类题目分析 数据采集与处理类题目有多路数据采集系统（第一届，1994年），数 字化语音存储与回放系统（第四届，1999年），数据采集与传输系统 （第五届，2001年）声音导引系统 2009年。 多路数据采集系统（第一届，1994年）要求设计制作一个八路数据采 集系统，对50米以外的各路数据，通过串行传输线进行采集和显示。涉 及到的基础知识包含有： A/D变换，单片机或者可编程逻辑器件，存储 器，数字显示等。 数字化语音存储与回放系统（第四届，1999年）要求设计制作一个数 字化语音存储与回放系统。通带为300Hz～3.4kHz ；ADC采样频率f s ＝8kHz，字长＝8位；DAC：变换频率f c＝8kHz，字长＝8位；语音 存储时间≥10秒。涉及到的基础知识包含有： A/D和D/A变换、单片机 或者可编程逻辑器件、存储器和数字显示等。 数据采集与传输系统（第五届，2001年）设计制作一个用于8路模拟信 号采集与单向传输系统，被测电压为8路0～5V分别可调的直流电压。 采用8位A/D变换器。涉及到的基础知识包含有： A/D变换、噪声模拟 发生器、调制与解调、单片机或者可编程逻辑器件、存储器和数字显示 等。 控制类题目分析 控制类题目有水温控制系统（1997年）、自动往返电动小汽车（2001年）、简易智能电 动车（2003年）、液体点滴速度监控装置（第六届，2003年）。 电动车跷跷板（F题 2007年）、悬挂运动控制系统（E题2005年）、电动车跷跷板（F题2007年） 水温控制系统（1997年）控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由 人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。温度设定范 围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。涉及到的基础知识包含有：温度检测电 路，加热器控制电路，A/D和D/A变换，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。 自动往返电动小汽车（2001年）设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。 车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返 回起跑线（允许倒车返回）。到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差 应最小。在限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒。涉及到的基础知 识包含有：光电检测电路，电机控制电路，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。 简易智能电动车（2003年）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B 点。在“直道区”电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在 “直道区”检测到的薄铁片数目。电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C 点。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处 停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区 并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。电动车完成上述任务后应 立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。涉及 到的基础知识包含有：光电、金属、超声波检测电路，电机控制电路，单片机或者可编程逻 辑器件，数字显示等。 液体点滴速度监控装置（2003年）在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态 显示点滴速度（滴/分）。通过改变高度h2控制点滴速度；也可以通过控制输液软管夹头的 松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20~150(滴/ 分)，控制误差范围为设定值10%1滴。当高度h1降到警戒值（2~3cm）时，能发出报警信 号。涉及到的基础知识包含有：光电检测电路，步进电机控制电路，单片机或者可编程逻辑 器件，数字显示等。 九、印制电路板设计 印刷电路板设计是电子设计制作中很关键的一步。印制电 路板的设计软件目前主要有Protel99、Orcad等。 设计步骤 ①设计好电路原理图； ②根据所设计的原理图准备好所需要的元器件； ③根据实物给原理图中的元器件制作或调用封装形式； ④形成网络表连接文件； ⑤在PCB设计环境下，规划电路板的大小、板层数量等； ⑥调用网络表连接文件，并布局元器件的位置（自动加手 工布局）； ⑦设置好自动布线规则，并自动布线； ⑧形成第二个网络表连接文件，并比较两个网络表文件， 若相同则说明没有问题，否则要查找原因； ⑨手工布线并优化处理 ⑩输出PCB文件并制版。 十、单元电路训练 介绍电子设计用到的基本单元电路设计与制作。 内容： 集成直流稳压电源电路 信号放大电路 信号产生电路 信号处理电路 声音报警电路 传感器及其应用电路 功率驱动电路 显示电路 A/D与D/A电路。 集成直流稳压电源的设计 直流稳压电源是电子设备的能源电路，关 系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是 电路设计中非常关键的一个环节。 本节重点介绍三端固定式（正、负压）集 成稳压器、三端可调式（正、负压）集成 稳压器以及DC-DC电路等组成的典型电路 设计。 直流电源的组成及各部分的作用 u1 u2 整 流 u3 电 路 滤 波 u4 电 路 稳 压 电 路 uo 电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。 整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。 三端固定式正压稳压器 国内外各厂家生产的三端（电压输入端、电压输出 端、公共接地端）固定式正压稳压器均命名为78 系列，该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工 作区保护，以防过载而损坏。 其中78后面的数字代表稳压器输出的正电压数值 （一般有05、06、08、09、10、12、15、18、 20、24伏共9种输出电压），各厂家在78前面冠 以不同的英文字母代号。78系列稳压器最大输出 电流分100mA、500mA、1.5A三种，以插入78 和电压数字之间的字母来表示。插入L表示100mA、 M表示500mA，如不插入字母则表示1.5A。此外， 78（L、M）××的后面往往还附有表示输出电压 容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有 TO-3金属和TO-220的塑料封装。 三端固定式稳压器的基本应用电路如图所示，只 要把正输入电压UI加到MC7805的输入端， MC7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片 标称正电压UO。实际应用电路中，芯片输入端 和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外， 通常还需在芯片引出脚根部接小容量（0.1µF～ 10µF）电容Ci、Co到地。Ci用于抑制芯片自激 振荡，Co用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪 声。Ci和Co的具体取值应随芯片输出电压高低及 应用电路的方式不同而异。 78系列三端稳压器基本应用电路 三端固定式负压稳压器 三端固定式负压稳压器命名为79系列，79前、 后的字母、数字意义与78系列完全相同。图 3.1.5所示为79的基本应用电路（以MC7905为 例）。图中芯片的输入端加上负输入电压UI，芯 片的公共端接地，在输出端得到标称的负输出电 压UO，电容Ci用来抑制输入电压UI中的纹波和 防止芯片自激振荡，Co用于抑制输出噪声。D为 大电流保护二极管，防止在输入端偶然短路到地 时，输出端大电容上储存的电压反极性加到输出、 输入端之间而损坏芯片。 79系列三端稳压器基本应用电路 三端可调式稳压器 三端（输入端、输出端、电压调节端）可调式稳压器品种 繁多，如正压输出的317（217/117）系列、123系列、 138系列、140系列、150系列；负压输出的337系列等。 LM317和LM337的封装形式和引脚如图3.1.6所示。 LM317系列稳压器能在输出电压为1.25V～37V的范围内 连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一个电位器。其 芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流 为1.5A。其典型电路如图（a）所示。其中电阻R1与电位 器RP组成电压输出调节电位器，输出电压UO的表达式为： UO=1.25（1+Rp/Rl） 式中，R1一般取值为（120～240Ω），输出端与调整压 差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），所以流经电 阻R1的泄放电流为5～10mA。 与LM317系列相比，负压输出的LM337系列除了输出电 压极性、引脚定义不同外、其他特点都相同,典型电路如图 3.1.7（b）。 （a）LM317塑料封装形式 （b）LM337塑料封装形式 图3.1.6常见三端可调稳压器的封装形式 可调式三端稳压器的应用电路 正、负输出稳压电源 正、负输出稳压电源能同时输出两组数值相同、极性相反 的恒定电压。 图3.1.8所示为正、负输出电压固定的稳压电源。它由输 出电压极性不同的两片集成稳压器MC7815和MC7915构 成，电路十分简单。两芯片输入端分别加上±20V的输入 电压，输出端便能输出±15V的电压，输出电流为1A。图 中D1、D2为集成稳压器的保护二极管。当负载接在两输 出端之间时，如工作过程中某一芯片输入电压断开而没有 输出，则另一芯片的输出电压将通过负载施加到没有输出 的芯片输出端，造成芯片的损坏。接入D1、D2起的箝位 作用，保护了芯片。 图3.1.8 正、负输出固定稳压电源 图3.1.9所示是由LM317和LM337组成的正、负输出电 压可调稳压电源，输出电压调节范围为±1.2V～±20V， 输出电流为1A。 图3.1.8 正、负输出固定稳压电源 图3.1.9 正、负输出可调稳压电源 斩波调压电源电路 MC33063A/MC34063A/MC35063A是 单片DC/DC变换器控制电路，只需配用少 量的外部元件，就可以组成升压、降压、 电压反转DC/DC变换器。该系列变换器的 电压输入范围为3～40V，输出电压可以 调整，输出开关电流可达1.5A；工作频率 可达100kHz，内部参考电压精度为2％。 本系列电路还有电流限制功能，以下是 MC34063A的几种使用方法。 MC34063A组成的升压式DC／DC变换器 电路的输入电压为+12V，输出电压为+28V，输出电流可达175mA。电 路中的电阻Rsc为检测电流，由它产生的信号控制芯片内部的振荡器，可 达到限制电流的目的。输出电压经R1、R2组成的分压器输入比较器的反 相端，以保证输出电压的稳定性。本电路的效率可达89．2％。如果需要， 本电路在加入扩流管后输出电流可达1.5A以上。 MC34063A组成的降压式DC／DC变换器电路 电路的输入电压为25V，输出电压为5V／500mA。电路将1、8脚 连接起来组成达林顿驱动电路，如果外接扩流管，则可把输出电流 增加到1.5A。当电路中的电阻Rsc选择0.1Ω时，其限制电流为1.1A 本电路的效率为82。5％。 MC34063A组成的电压反转式DC／DC变换器 输入电压为4.5～6.0V，输出电压为-12V／100mA。此电路的限制电流为 910mA。外接扩流管可将输出电流增加到1.5A以上。电路效率为64.5％。 它的输出电压决定于： U o 1.25R2 / R1 1.25为芯片内部产生的参考电压。通过计算，选取适当的R1和R2值，就可得 到不同的电压输出范围。 精密稳压电源电路 利用三端稳压器MC7805，配合可编程精密电压基准TL431,可以组成 简单的精密稳压可调压电路。这个电路的输出电压可以用下式计算： UO=（1+R1/R2）×2.5V。最小输出电压2.5V，最大输出电压40V。 从电路输出电压表达式可以看到：当电路中可调电阻R1为零时，即 TL431的参考端与阴极相接时，输出电压为2.495V。 DC-DC电源电压 利用单位增益缓冲器BUF634，可以组成+24V变成±12V的对称电源。 由于BUF634的供电范围为±2.25V～±18V，故该电路可将+4.5～ +36V电源电压转换为上述电压。两个10KΩ电阻要精密匹配。在正负负 载不对称时，在输入电压过高的应用中，正负输出电流之差不应超过 250mA。 受控稳压电源 LM 1 1 7 + UI Vin + Vo u t ADJ 2 3 R + 6 2 0 ¦¸ UO - CC4 0 5 1 1 - 1 .5 k 3 .4 k 4 .9 k 6 .4 k 7 .9 k 1 0 .9 k 1 3 .9 k A B C R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 集成稳压器外接各种形式的开关电路可构成各种类型的受控稳压电源。 图所示为LM117和模拟开关CC4051构成的程控电源。设LM117的基 准电压Vr=1.25V, CC4051的导通电阻为400Ω，关断电阻为无穷大， 其它元件参数如图所示，因而三位并行数字码取不同值时，电源可输出 2V、5V、12V、15V、18V、24V、30V等8种电压值。 LCD显示器用负压电源 介绍一种用MAX749来产生LCD负电压的方法。MAX749 是美国MAXIM公司生产的数字调节LCD负偏压发生器，仅 需2V～6V的输入，就可以输出－100V甚至更低，且可进 行数字调节或电位计调节。 运算放大器电路 1.常用运算放大器类型 运算放大器一般可分为通用型、精密型、低噪声型、高速型、低 电压低功率型、单电源型等几种。本节以美国TI公司的产品为例， 说明其各类的主要特点。 (1)通用型运算放大器 通用型运算放大器的参数是按工业上的普 通用途设定的，各方面性能都较差或中等，价格低廉，其典型代表 是工业标准产品μA741、LM358、OP07、LM324、LF412等。 (2)精密型运算放大器 要求运算放大器有很好的精确度，特别是 对输入失调电压UIO、输入偏置电流IIB 、温度漂移系数、共模抑 制比KCMR等参数有严格要求。如UIO不大于lmV，高精密型运算 放大器的UIO只有几十微伏，常用于需要精确测量的场合。其典型 产品有 TLC4501／TLC4502、TLE2027／TLE2037、TLE2022、 TLC2201、TLC2254等。 (3)低噪声型运算放大器 也属于精密型运算放大器，要求器件产 生的噪声低，即等效输入噪声电压密度σVn≤15nV／，另外需要考 虑电流噪声密度，它跟输入偏流有关。双极型运算放大器通常具有 较低的电压噪声，但电流噪声较大，而CMOS运算放大器的电压噪 声较大，但电流噪声很小。低噪声型运算放大器的产品有TlE2027 ／TLE2037、TLE2227／TLE2237、TlC2201、TLV2362／ TLV2262等。 (4)高速型运算放大器 要求运算放大器的运行速度快，即增益带 宽乘积大、转换速率快，通常用于处理频带宽、变化速度快的信 号。双极型运算放大器的输入级是JFET的运算放大器，通常具有 较高的运行速度。典型产品有TlE2037／TLE2237、TLV2362、 TLE2141／TLE2142／TLE2144、TLE2071、TLE2072／ TLE2074、TLC4501等。 (5)低电压、低功率型运算放大器 用于低电压供电，如3V电源 电压运行的系统或电池供电的系统。要求器件耗电小(500μA)， 能低电压运行(3V)，最好具有轨对轨（rail to rail）性能，可扩 大动态范围。主要产品有TLV2211、TLV2262、TLV2264、 TLE2021、TLC2254、TLV2442、TLV2341等。 (6)单电源型运算放大器 单电源运算放大器要求用单个电源电压 (典型电压为5V)供电，其输入端和输出端的电压可低达0V。多 数单电源型运算放大器是用CMOS技术制造的。单电源型运算放 大器也可用于对称电源供电的电路，只要总电压不超过允许范围 即可。另外，有些单电源型运算放大器的输出级不是推挽电路结 构，当信号跨越电源中点电压时会产生交越失真。 运算放大器的基本参数 表示运算放大器性能的参数有：单/双电源工作 电压、电源电流、输入失调电压、输入失调电流、 输入电阻、转换速率、差模输入电阻、失调电流 温漂、输入偏置电流、偏置电流温漂、差模电压 增益、共模电压增益、单位增益带宽、电源电压 抑制、差模输入电压范围、共模输入电压范围、 输入噪声电压、输入噪声电流、失调电压温漂、 建立时间、长时间漂移等。 不同的运算放大器参数差别很大，使用运算放大 器前需要对参数进行仔细的分析。 运算放大器选用时注意事项 （1）若无特殊要求，应尽量选用通用型运放。当一个电路中有多个运 放时，建议选用双运放（如LM358）或四运放（如LM324等）。 （2）应正确认识、对待各种参数，不要盲目片面追求指标的先进，例 如场效应管输入级的运放，其输入阻抗虽高，但失调电压也较大，低 功耗运放的转换速率必然也较低；各种参数指标是在一定的测试条件 下测出的，如果使用条件和测试条件不一致，则指标的数值也将会有 差异。 （3）当用运放作弱信号放大时，应特别致意选用失调以及噪声系数均 很小的运放，如ICL7650。同时应保持运放同相端与反相端对地的等 效直流电阻等。此外，在高输入阻抗及低失调、低漂移的高精度运放 的印刷底板布线方案中，其输入端应加保护环。 （4）当运放用于直流放大时，必须妥善进行调零。有调零端的运放应 按标准推荐的调零电路进行调零；若没有调零端的运放，则可参考图 3.2.1进行调零。 （5）为了消除运放的高频自激，应参照推荐参数在规定的消振引脚之 间接入适当电容消振，同时应尽量避免两级以上放大级级连，以减小 消振困难。为了消除电源内阻引起的寄生振荡，可在运放电源端对地 就近接去耦电容，考虑到去耦电解电容的电感效应，常常在其两端在 并联一个容量为0.01~0.1µF的瓷片电容。 基本运放应用电路 一. 反相比例运算电路 1。基本电路 因虚短和虚断则： uP u N 0 虚地点 i P＝i N 0 对 节 点N：i R iF 电压并联负反馈 为保证集成运放输入级差分放 大电路的对称性，令： R R // R f ' uI uN uN uo R Rf Rf uo uI R Ri R 缺点？ 实际应用时还应注意以下几点： （1）本电路的电压放大倍数不宜过大。通常Rf宜小于 1MΩ，因Rf过大会影响阻值的精度；R1不宜过小，R1过 小将要从信号源或前级吸取较大的电流。 （2）作为闭环负反馈工作的放大器，其小信号上限工作 频率fH 受运放增益带宽积GWB= Avd∙fH的限制。以 µA741为例，其开环差模电压放大倍数Aud=105倍，开 环fH=10Hz，故运放的单位增益上限频率fT=1MHz，即 作为电压跟随器或反相器工作时的最高工作频率为1MHz。 若用µA741设计Auf为20dB即便10倍的放大电路，则电 路允许的上限频率为100kHz。 （3）如果运放工作于大信号输入状态，则此时电路的最 大不失真输入幅度Vim及信号频率将受运放转换速率SR的 制约。仍以µA741为例，其SR=0.5 V/µs,若输入信号的 最高频率为100kHz，则其不失真最大输入电压 Vim<=(SR)/(2fmax)=0.5106/2105=0.8V。 同相比例运算电路 电压串联负反馈 uP uN uI i P＝i N 0 对 节 点N：i R iF 分析：（虚短）（虚断） R‘=Rf//R 变化一 下 uN 0 uo uN R Rf Rf Rf uo (1 )uN (1 )uI R R 优点：输入电阻高 缺点：存在共模输入电压uP=uN=ui 电压跟随器 特点：输入电阻大，输出电阻小、电压放大倍数近似1。 在电路中作用与分立元件的射极输出器相同， 但是电压跟随性能好。 加减运算电路 输出电压与同相输入端信号电压相同,与反相输 入端信号电压相反.因而如果多个信号同时作用 于两个输入端时,可以实现加减运算. ? 差动放大电路 其输出电压为： Vo= (Rf/ R1)∙V1+(1+ Rf/ R1)·(1+ R3/ (R2+ R3))·V2 应用：仪表用放大器 三运放构成的精密放大器 Rf 2 R1 uod (1 )uid R R2 放大差模信号 uoc 0 抑制共模信号 测量放大器又称数据放大器、仪表放大器。 其主要特点是：输入阻抗高、输出阻抗低，失调及 零漂很小，放大倍数精度可调，具有差动输入、单 端输出，共模抑制比很高。 适用于大的共模电压背景下对缓变微弱的差值信号 进行放大，常用于热电偶、应变电桥、生物信号等 的放大。 市场上测量放大器品种繁多，有通用型如INAll0、 INAll4／115、INAl31等；有高精度型如AD522、 AD524、AD624等；有低噪声低功耗型如INAl02、 INAl03等及可编程型如AD526。下面介绍高精度 型单片集成测量放大器AD522。 数字式温度计电路 电压比较器驱动电压表，实现数字化显示 积分运算电路 应用:调节环节、波形的产生和变换、仪器仪表 uI 为常数时， uO 1 u I (t 2 t1 ) uO (t1 ) RC 应用举例：输入方波，输出是三角波。 ui 0 t uo 0 t 积分运算电路在不同输入情况下的波形 微分运算电路 微分运算电路作用： 三角波方波 方波尖脉冲 正弦波正弦波 移相－90 实用微分运算电路 PID调节器称为比例积分微分调节器 uo uR 2 uC 2 R2uI C1 duI 1 uI R2C1 uI dt R1 C2 dt R1C2 信号产生电路 在各种电子设计制作过程中，需要产生各种波形， 如矩形波，正弦波，三角波，单脉冲波等。 产生的方法主要利用运算放大器或专用模拟集成 电路，配以少量的外接元件可以构成各种类型的 信号发生器。 信号发生器又可分为正弦波发生器（又称为张弛 振荡器）和非正弦波发生器两大类。由模拟集成 电路构成的正弦波发生器，其工作频率多是 1MHz以下，其电路通常由工作于线性状态的运 算放大器和外接移相选频网络构成。选用不同的 移相选频网络便构成不同类型的正弦波发生器。 非正弦波发生器通常由运放构成的滞回比 较器（又称施密特触发器）和有源或无源 积分电路构成。 不同形式的积分电路便构成各种不同类型 的非正弦波发生器，如方波发生器、三角 波发生器、锯齿波发生器、单稳态及双稳 态触发脉冲发生器及阶梯波发生器等。 此外，用模拟集成电路构成的信号发生器 均需附设非线性稳幅或限幅电路，以确保 信号发生器产生信号的频率及幅度的高稳 定度。下面以具体电路举例简要说明。 分立模拟电路构成矩形波产生电路 由运算放大器组成的矩形波产生电路如电路图，图中 参数R1，R2，R3可根据具体应用情况调整，而振荡 1 频率取决于R，C的大小。频率计算公式为 f 1.39 RC 图由与非门组成的矩形波产生电路 图中7400构成高频振荡器，其频率决定于RPC，最后 一个7400用作隔离级。 晶振和运放组成的矩形波产生电路 图中的输出信号频率决定于晶振的频率，其中电阻 R 4 用来用作运算放大器输出级集电极开路的负载。 2 K R AP 555电路组成的矩形波产生电路 A、P间的电阻为 RAP D RAP RBP P、B间的电阻记为RBP，则充电时间为0.693RAPC1， 放电时间为0.693RBPC1，占空比D和频率f为： f 1.44 ( R AP RPB )C1 正弦波产生电路 C1 C 2 C R 1 R2 R1 R m 100 2 R2 1 f0 2RmC 自激式的等效电感振荡器 C oR oRs Le Gc RS Re Gc 1 R1 RP Ge R1 f0 振荡频率 1 2 LeCp 三角波产生电路 U 1a是一个门限检测器； U 1是一个积分器； b R P是用于幅度调节， 1 R P用于控制 2 C 1的充电电流，进行频率的调节。 多种信号发生电路 由运放组成的三角波和方波发生器 图示电路中R1/R2决定三角波输出幅度，振荡频率为 f0 1 0.69RC 单片集成电路函数发生器IC8038 工作频率为几Hz至几百千Hz之间，它可以同时输出方波、三角波、 正弦波等信号。调节频率范围，其范围值为20Hz—20KHz 信号处理电路 信号处理电路主要利用集成运算放大器或 专用模拟集成电路，配以少量的外接元件 可以构成各种功能的处理电路。 主要功能有信号放大、信号滤波、阻抗匹 配、电平变换、非线性补偿、电流/电压 转换、电压/频率转换等。 有源滤波电路 滤波电路的作用实质上是“选频”，即允许某一 部分频率的信号顺利通过，而使另一部分的频率 的信号被急剧衰减（即被滤掉）。在无线电通讯， 自动测量及控制系统中，常常利用滤波电路进行 模拟信号的处理，如用于数据传送，抑制干扰等。 滤波电路的种类很多，这里主要介绍集成运算放 大器和RC网络组成的有源滤波电路。 根据其工作信号的频率范围，滤波器可以分为四 大类，它们是低通滤波器（LPF）、高通滤波器 （HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器 （BEF）。 由运放组成的有源低通滤波器 R1 R 2 截止频率为 C 2C 2 1 fc 2 R1R 2CC 2 由运放组成的多功能有源滤波电路 ， ， 。 电路能提供低通、带通、高通三种滤波特性。 当信号从反相端输入时，高通、低通输出端 信号的截止频率均为 0 当信号从同相端输入时，带通中心频率为： 0 1 RfC f R 1 Q (1 )( ) RG 2 R / RG 1 RfC f R RQ Q 0.5(1 ) RG RG 电压/频率、频率/电压变换电路 电压—频率变换电路（VFC）能把输入信号电压变换成相 应的频率信号，既它的输出信号频率与输入信号的电压值 成正比例，故又称之为电压振荡器（VCO）。VFC广泛的 应用于调频、调相、模/数变换（A/D）、数字电压表、数 据测量仪器及远距离遥测遥控设备中。由通用模拟集成电 路组成的VFC电路，尤其是专用模拟集成V/F转换器，其性 能稳定、灵敏度高、非线性误差小。 VFC电路通常主要由积分器、电压比较器、自动复位开关 电路等三部分组成。各种类型VFC电路的主要区别在于复 位方法及复位时间不同而已。 模拟集成V/F、F/V转换器，具有精度高、线性度高，温度 系数低、功耗低、动态范围宽等一系列优点，目前已广泛 地应用与数据采集，自动控制和数字化及智能化测量仪器 中。集成V/F、F/V转换器大多采用恒流源复位型VFC电路 作基本电路。 电压-频率转换器电路 电路采用多谐振荡器CA3130，产生恒定幅度和宽度的脉冲。 输出电压经积分电路（R3、C2）加到比较器的同相输入端， 比较器输出经R4、D4反馈至A1的反相输入端。输入电压范围 在0~10V输出频率在0~10KHz，转换灵敏度为1KHz/1V 用比较器组成的压控振荡器 电路为利用比较器SF339（或LM339）组成压控振 荡器。电路由三个部分组成，A比较器构成积分器， 控制电压UC对电容充电；B比较器接成施密特触发器， 实现三角波到方波的转换；C比较器接为控制开关， 控制电容器的放电。 频率-电压转换器 施密特反相器CC40106的USS端接至运放的“虚地”端。输入为低电平时，反相 器输出为高电平对C1充电；输入为高电平时，C1放电。在一个周期内平均放电 电流为I=Q/T=UDDC1f，输出电压UO=-IR=-UDDRC1f，电容C2、C3有抑制开关尖峰， 起平滑滤波的作用。 电流-电压变换电路 将微小电流转换成电压的变换器，图中的参数可以将 5pA的电流变换成5V电压输出。若将图中的有关电阻 减小则可以将毫安级的电流变换成几伏级电压。 声音报警电路 声音报警电路通常可以有两种方法实现 一是采用单片机或可编程逻辑器件完成 二是采用分立元件实现。 分立元件制作的声音报警电路 LM555电路构成的高频多谐振荡器由启动信号启动后，使 LM555的第4脚为高电平，可以产生音频信号，Q2则用作 音频放大器和扬声器的驱动；实际应用时，也可以将扬声 器的电容隔离后接在第3脚的电阻上。 或非门CD4001A和B构成低频振荡器 在启动信号（低电平有效）触发下，使或非门A的一个输入端 为逻辑“0”，振荡器从而被激发，它产生的低频（约10Hz） 方波对高频振荡器（由C、D门组成）进行门控制，产生大约 1KHz的信号。调整低频信号的频率，调整可以改变音调。 与单片机接口的声音报警电路 与可编程逻辑器件接口的声音报警电路 与程序 通过FPGA进行预分频产生两种声音的频 率每隔0.5秒交替输出一个高电平，编辑 程序模块实现声音报警功能，按下button 键后产生报警信号通过alarm输出到上图 所示的报警电路可以得到蜂鸣报警声。 传感器及其应用电路 1. 传感器定义 传感器是能感受（或响应）规定的被测物理量，并按照一定规律转换成 可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元 件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子电路所组成。 2. 传感器分类 （1）按传感器的机理及转换形式分类有结构型、物性型、数字（频率） 型、量子型、信息型和智能型。 （2）按敏感材料分类有半导体型（如元素硅或Ⅲ—V 族、Ⅱ—VI 族化 合物）、功能陶瓷型（如电子型半导体瓷、压电瓷）、功能高聚物型 （如各种高分子有机半导体、压电体）等。 （3）按测量对象参数分类有光传感器、湿度传感器、温度传感器、磁传 感器、压力（压强）感器、振动传咸器、超声波传感器等。 （4）按应用领域分类有机器人传感器、医用（生物）感器、环保传感器、 各种过程和检测传感器等。 霍尔传感器 基本原理 霍尔传感器是利用半导体的磁电效应中的 霍尔效应，将被测量转换成霍尔电势。 霍尔效应：将一载流体置于磁场中静止不 动，若此载流体中的电流方向与磁场方向 不相同时，则在此载流体中平行于由电流 方向和磁场方向所组成的平面上将产生电 势，此电势称为霍尔电势，此现象称为霍 尔效应。 温度传感器 1. 分类 温度传感器的数量在各种传感器中占据首位。其中将温度 转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电阻传感器；将温度 转换成电势变化的称为热电偶传感器。 2. 热电偶温度传感器 基本原理 热电偶传感器能将温度变化量转换为热电势，理论是建立 在热电效应基础上。 热电效应：将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如 果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电 势），其大小与材料性质及结点温度有关，这种物理现象 即为热电效应。 金属传感器 光电传感器 超声波传感器 功率驱动电路 直流电机驱动接口电路 直流电动机驱动电路主要用来控制直流电 动机的转动方向和转动速度。改变直流电 动机两端的电压可以控制电动机的转动方 向。控制直流电动机的转速，有不同的方 案。竞赛中对玩具电机控制，可以采用由 小功率三极管8050和8550组成的H型 PWM电路。 直流电动机PWM驱动电路 步进电机及驱动电路 单电压驱动 单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只采用一个电压电源对绕组供电，如图 3.7.8所示，特点是电路简单。电路中的限流电阻R决定了时间常数，但R1太大 会使绕组供电电流减小，会使电动机的高频性能下降。在R1两端并联一个电容， 可以使电流的上升波形变陡，改善高频特性，但又会使低频特性变差。同时R1 要耗能，效率较低。 集成电路驱动 目前已有多种步进电动机驱动集成电路芯片， 大多将驱动电路和保护电路集成在一起，下面 介绍小功率步进电动机的专用驱动芯片 UCN5804B的功能和应用。 UCN5804B集成电路芯片适用于四相步进电动 机的单极性驱动，输出最大电流为1.5 A，电压 为35V，内部集成有驱动电路、脉冲分配器、 续流二极管和过热保护电路，可以工作在单四 拍、双四拍和八拍方式，上电自行复位，可以 控制转向和输出使能。 继电器电路 略 显示电路 LED显示器接口电路 多位数字显示控制技术 多个数字LED显示器显示控制方式有静态 显示方式和动态显示方式两种形式。 一个四位LED静态显示电路 一个４位７段LED动态显示电路 使用三极管驱动的LED动态显示 74LS245组成的LED动态显示驱动电路 LCD显示器的控制 LCD显示的原理 在外加电场的作用下，液晶显示器件的具 有偶极矩的液晶棒状分子在排列状态上发 生变化，使得通过液晶显示器件的光被调 制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显 示效果。下面介绍FPGA驱动点阵字符型 液晶显示模块(MDLS)的方法与程序。 FPGA驱动MDLS字符型液晶显示模块的原理 采用专用IC芯片可以实现MDLS字符型液晶显示模 块的驱动，但专用IC芯片的资源有限，设计不灵活。 采用FPGA驱动MDLS字符型液晶显示模块的原理 方框图如图3.8.8所示，主要由按键控制部分、 FPGA驱动电路和液晶显示模块组成。用户通过按 键控制电路对FPGA驱动电路进行初始化控制， FPGA控制器驱动液晶显示模块，实现对字符型液 晶显示的驱动功能。 A/D转换器 常用的A/D转换器有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容 阵列逐次比较型及压频变换型。 1. 积分型（如TLC7135） 积分型A/D工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)， 然后由定时器/计数器获得数字值。优点是具有高分辨率，缺点是由于转换精度依赖于 积分时间，因此转换速率低。 2. 逐次比较型（如TLC0831） 逐次比较型A/D由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始， 顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。 优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位） 时价格很高。 3. 并行比较型/串并行比较型（如TLC5510） 并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。 由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高， 适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型A/D转换器结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个 n/2位的并行型A/D转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现A/D转换的叫做分级 （Multistep/Subrangling）型A/D，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined） 型A/D，现代的分级型A/D转换器中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性 等功能。这类A/D速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。 4. Σ-Δ调制型（如A/D7705） Σ-Δ型A/D由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。 原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数 字滤波器处理后得到数字值。因此具有高分辨率，主要用于音频和测 量。 5. 电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型A/D在内置DA转换器中采用电容矩阵方式， 也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必 须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取 代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。最新的逐 次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。 压频变换型（如AD650） 压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换 方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率， 然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D的分辨率几 乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累 积脉冲个数的宽度。优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外 部计数电路共同完成A/D转换。 A/D转换器的主要技术指标 分辨率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满 刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位 数来表示。 转换速率(Conversion Rate) 是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的 倒数。积分型A/D的转换时间是毫秒级属低速A/D，逐次 比较型A/D是微秒级属中速A/D，全并行/串并行型A/D可 达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换 的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换 速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位 是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。 量化误差(Quantizing Error) 由A/D的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯 状转移特性曲线与无限分辨率A/D（理想A/D）的转移特性曲 线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的 模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。 偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三 种误差。 几种模数转换器的比较 分级型 主要特 点 超高速 高速 分辨率 6~10 8~16 8~16 16~24 12~16 转换时 间 几十ns 几十~几百ns 几~几十μs 几~几十 ms 几十~几百ms 几十~几百 ms 采样频 率 几十MSPS 几MSPS 几十~几百 KSPS 几十KSPS 几~几十SPS 几~几十SPS 价格 高 高 中 中 低 低 视频处理 高速数据采 集 数据采集 工业控制 音频处理 数字仪表 数字仪表 数字仪表 简易ADC 类型 主要用 途 超高速视 频处理 逐次逼近型 Σ-Δ型 并行比较 型 速度、精度、 价格等综合性 价比高 积分型 高分辨率、 高精度、低成 本 高精度 高抗干扰能力 VFC型 低成本、 高分辨率 8~16 注：SPS为每秒采样次数 常用的AD转换器 单片集成A/D转换器的产品很 多，下面介绍有代表性的几 种A/D转换器。如 AD0809、 TLC5510 、AD650 A/D接口电路的设计 在合理选择ADC芯片后，还必须正确设计 ADC的外围电路，通常包括模拟电路、数 字接口电路、电源电路等部分。 放大器电路 除了少数ADC本身带有模拟放大电路外，大多数ADC的模 拟输入电压范围在1~10V之间。大多数模数转换系统的模 拟输入信号是较小的，通常需要使用模拟放大器。模拟放 大器一般选用集成运算放大器，也可以选用仪表放大器和 隔离放大器。 选择模拟放大器时主要考虑放大器的带宽和精度，所选择 的运算放大器的带宽和精度应优于所选的ADC。 模拟放大器除了放大模拟输入信号，也有阻抗变化作用。 一些ADC的模拟输入端电阻比较小，而模拟信号源的内阻 常常比较大，因此需要选用高输入阻抗、低输出电阻的放 大器。必要时可以加电压跟随器，以提高输入阻抗。 采样保持器 大多数ADC在转换器在转换期间要求输入电压保持稳定不变。对于那些本身不带有采 样保持器的ADC，在模拟输入端之前加采样保持器是必要的。在选用采用保持器时， 应特别注意捕获时间和顶降率这两个参数，它们将直接影响模数转换系统整体的性能。 模数转换系统进行一次有效的转换，时间上需要经历采样和转换两个阶段。模拟输入 电压的采样是由采样保持器完成的，捕获时间正是指采样阶段需要最小时间，因此一 次有效的转换时间是采样保持的捕获时间和模数转换时间之和。对于高速ADC来说， 尤其要注意选用捕获时间小的采样保持器，否则将影响实际有效转换速率。 在ADC进行转换期间，采样保持期进入采样保持阶段。采样保持器是靠电容来保持模 拟电压的，由于电容和采样开关的漏电流、保持器的输入偏置电流的影响，保持的模 拟电压会随时间而下降（或上升），其下降速率就是采样保持器的顶降率。当顶降率 过大时，直接影响最终的转换精度。 捕获时间和顶降率除了与采样保持器有关外，还与外接的保持电容的容量直接相关， 当增大保持电容时，有利于减少顶降率，但捕获时间会增大。 对于模拟输入电压变化缓慢的系统，可以不使用采样保持器。原则上讲，在ADC的转 换期间，模拟输入电压变化不超过±1/2LSB时，就没必要使用采样保持器。例如，当 模拟输入电压是一个幅值为1V、频率为1Hz的正弦波电压时。如果使用的ADC的分辨 率为12位，输入电压范围为±5V，转换时间为100μs，那么在转换期间模拟电压最大 变化幅度为0.63mV，相当于1/4LSB，因此可以省去采样保持器。 多路开关 模拟多路开关是数据采集系统的主要外围电路之一。在设计具体电路时 应该注意的是，某些ADC的模拟输入电阻较小，如AD754A的输入电阻 仅5KΩ，而模拟多路开关并非理想开关，其导通电阻较大，通常在几十 至几百欧姆，这将严重影响整个系统精度，不容忽视。在这种情况下， 在模拟多路开关和模数转换器之间必须加高输入阻抗的电压跟随器。还 要注意的是，模拟多路开关在关断时的漏电流也较大，而且所有关断通 道的漏电流是并联的，当模拟通道数量比较大时，漏电流的并联电流不 能忽略，这时应采用分级模拟开关。 在多通道的数据采集系统中，当通道（多路开关）切换时，模拟电压产 生了阶跃变化，应等待阶跃变化稳定之后，采样保持器再进入采样阶段。 具有分级流水结构的ADC和Σ-Δ型ADC输出的数据是滞后的，因此除了 转换器外围电路所需要的稳定时间，还必须充分考虑ADC对多路开关的 阶跃变化所需要的响应时间。这个问题在使用Σ-Δ型ADC尤其明显。一 个Σ-Δ型ADC在单通道的转换系统中，采样频率可以高到几十KHz，可 是在多通道的转换系统中，其有效采样频率可能只有几Hz。 数字外围电路 模数转换器的数字电路部分与微控制器相 连，数据线可以分为并行接口形式和串行 接口形式。 电源和接地 模数转换器是模拟信号和数字信号混合的电路。 模拟信号部分是精密的信号处理部分，例如分辨 率为12位的5V量程的ADC所对应1LSB的模拟电 压为1.22mV。数字信号部分是与系统的其它逻 辑电路连接在一起的，以脉冲信号工作，信号幅 度大，频谱宽，对于模拟信号是一个重要的干扰 源，地线噪声高到几十mV甚至几百mV。如果接 地不当，布线不良，数字噪声会严重影响模拟信 号部分的精度或产生乱码（即模拟输入电压不变， 但数字输出低位值随即性跳动），因此对于高分 辨率或高速模数转换系统要特别重视印制电路板 的布线（尤其是地线）和电源的去耦。 不良的地线连接方式 如图所示，图中地线上的电感和电阻是印制电路上 的地线分布电感和分布电阻，在该电路中的数字地 线电流所产生的地线噪声会严重干扰模拟电路，因 此是一种不良的接地方式。 正确的接地连接方式 采取了以下措施，有利于减低地线噪声 的干扰。 ①模拟地和数字地分开，建立一个模拟参考点，所有模拟 部分的地都接到这个参考点上。在实际布线中做到理想的 一点接地是很困难的，但也应尽量合理布局，尽量缩短地 线长度，同时加大地线的截面。 ②多数模数转换器都有两个接地端，一个是模拟地 （AGND），应接模拟参考点，或它本身就作为模拟参考 点。另一个是数字地（DGND），应与数字电路和数字电 源地相连。AGND和DGND之间只应有一处相连，通常应 靠近ADC的引脚连接。 ③许多模数转换器需要几种电源电压，一般来说+5V是供 数字部分使用的，±15V是供模拟部分使用的。这两组电 源应分别接到数字地和模拟地。并要注意这两组电源的变 压器绕组之间应具有良好的绝缘和良好的静电隔离。 ④模数转换的电源应加去耦电容，去耦电容应尽 量靠近ADC的电源端。电容的大小一般可采用 1~10μF钽电容和0.01~0.1μF高频瓷介电容并 联。 ⑤应注意数字电路中的高频信号电路（如微处理 器）和大电流电路（如继电器或LED的驱动电路） 属于高噪声电路，而模拟转换接口中的数字信号 属于低噪声电路，两者的数字地应有各自的数字 参考点，相互之间只有一点连接。 以上给出地线连接需要考虑的问题，在实际系统 中电路差异很大，具体芯片的性能和引脚的排列 千差万别，很难采用一种不变的模式。某些ADC 芯片说明书给出了针对该芯片电源和地线连接形 式的提示，读者应予重视，这常常是系统能达到 预定指标的关键。高速ADC对线路的分布电容、 分布电感、分布电阻尤其敏感，不仅要对电源和 接地，而且要对信号的走线方式十分关注，因此 某些高速ADC说明书还给出该芯片评估板的印制 电路布线图，这对读者来说是很好的设计参考资 料。 信号的隔离 合理的布线和接地能有效地抑制噪声干扰，但由 于模拟信号和数字信号仍然存在共地点，要想彻 底抑制数字噪声对模拟电路的影响有时是很困难 的。另一方面，在某些场合，如数据采集系统， 模拟信号来自于工业现场，远离主机，因此在模 拟信号传输线上容易受到现场的干扰，包括尖峰 干扰，这些干扰虽然对低频模拟信号的影响并不 大，但对数字电路，尤其是微机系统危害极大， 可能造成系统运行出错。再有模拟信号线在现场 被短路、接地、漏电的机会比其它部分高，一旦 发生此类事件也会危害数字系统。 采取隔离措施可以进一步抑制干扰，提高系统的可靠性， 使用广泛的隔离元件是光电耦合。根据隔离位置不同，有 两种隔离方式，一种方式隔离模拟信号端，如图 所示。这种方式电路结构简单，使用的元器件较少，但要 注意必须选用线性的光电耦合器。从目前光电耦合器来看， 可选的线性耦合器品种很少，而且线性度和温度稳定度仍 不是很理想，因此附加了模拟通路的误差，是系统转换精 度下降。在精密模数转换系统中可以采用隔离放大器（如 AD210等），但精密隔离放大器大多采用变压器隔离方式， 其频率响应特性不如光电耦合器。 模拟信号端隔离的模数转换系统 隔离数字信号端 这种隔离方式的光电耦合器的特性对模拟信号的精度无 影响，缺点是数字信号端的数据线和控制线数量较多， 每根需要光电耦合器，因此所用元器件数量大。而在串 行接口的模数转换系统中，隔离元件的数量可以大大减 少。VFC型ADC输出的是脉冲信号，几乎不需要控制线， 所以只要一个隔离元件。另要注意的是，由于数字信号 工作频率较高，所以必须采用高速光电耦合器或采取加 速措施，即便这样，在微处理器系统中还常需要插入等 待周期或增加信号锁存等办法来协调光电耦合器引来的 延迟时间，这就增加了数字电路接口电路的复杂性和降 低了系统响应速度。实际应用系统的技术要求各不相同， 采用什么类型的ADC，需不需要采用隔离措施，采用什 么方式的隔离还需要根据实际情况而定。 数字信号端隔离的模数转换系统