作者：陈永真
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
2011版全国大学生电子设计竞赛试题精解选试读：
前言
从1994年开始, 全国大学生电子设计竞赛经历了15年的历程, 共举办了8届。 试题难度一届比一届增大。 关于全国大学生电子设计竞赛宗旨, 每年的全国大学生电子设计竞赛网站上均有说明, 这里不再赘述。全国大学生电子设计竞赛是全国各省高校参赛队的电子设计竞技, 是指导教师的新、奇、 特设计思路的充分展示, 更是各高校之间电子技术教学科研水平的检验。 现在已成为高校评估必不可少的项目之一。 正因为如此, 全国各高校对全国大学生电子设计竞赛越来越重视。 这就是推动全国大学生电子设计竞赛的强大动力。对参赛学生而言, 通常可以直接看到的是竞赛获奖证书, 所在学校的奖励政策等。 事实上, 无论对学校还是对参赛学生, 全国大学生电子设计竞赛的意义已经远不止这些。 作者通过多年来对全国大学生电子设计竞赛的指导和赛后思考认为, 从更深远的意义考虑, 对于参赛学校而言, 全国大学生电子设计竞赛是提高教师教学水平, 改进教学的好方法之一, 通过参赛, 可以找到教学中的不足; 对于参赛学生而言, 全国大学生电子设计竞赛更是大学生获得电子设计能力, 巩固所学知识, 用所学的理论指导实践的最好机会。 通过参加竞赛, 参赛学生可以看到学习过程中的不足, 找到努力的方向, 为毕业后从事专业技术工作打下更好的基础, 为提高就业质量做好准备。总结历届全国大学生电子设计竞赛的经验与教训, 无论是参赛学校还是参赛学生, 都是应该认真对待的。 目前已有一些相关图书出版, 在这些书中, 所选编的均为获得国家一等奖、 二等奖的作品, 几乎全部为国内知名大学的杰作。 相对大多数省属本科院校而言, 具有很高的参考价值, 是赛前的必读书籍。然而, 不可否认的是, 现有书籍中选编的竞赛作品对于某些院校而言, 由于教学水平和学生素质的限制, 有些作品学习难度较高, 如2005年的正弦波信号发生器试题, 要求信号发生器的最高频率为10MHz, 如果不采用DSP或FPGA与高速D/A转换 ( DDS) 组合, 实现起来是很困难的, 甚至是不可能的。 而对于某些院校而言, DSP远没有步入实际应用, 甚至很少在实验室中应用, DSP和FPGA课程的相对滞后或没有开设更是制约DSP和FPGA应用的最大障碍, 更不用说DDS了。那么, 对上述院校而言, 如何在参加全国大学生电子设计竞赛中获得比较好的成绩呢?作者的经验就是充分发挥指导教师自身最擅长的领域, 充分发挥自己的聪明才智, 以个人的局部 “绝对冶 优势抗衡知名大学的整体相对优势。 本书的相关内容是最好的见证。 不仅如此, 赛前的培训对参赛学生来说也是极其重要的。我们的学生, 大多数实践能力不强, 所以找工作难! 因此, 培养学生的实践能力可能是今后各高校的重要工作之一, 而电子设计竞赛就是培养学生实践能力的最好途径之一。为了让大多数省属高等院校学生参加全国大学生电子设计竞赛能够取得比较理想的成绩, 作者将多年来指导电子设计竞赛和从事电子线路教学、 科研的经验总结奉献给读者。本书的主要设计思路为: 利用常规的集成电路, 结合新颖的设计思路, 获得性能优异的设计作品; 使多数省属高校参赛学生与指导教师知道如何利用自己的现有资源和基本技能取得更好的竞赛成绩, 积累参赛经验, 锻炼队伍, 使参赛学生获得电子线路的设计、 制作与调试能力, 为毕业后就业打下良好的基础; 这种设计思路还可以用于大学生毕业后的电子线路的设计工作。本书不仅分析历届试题, 对历届竞赛的经验与教训进行总结, 还将一些新热门话题、 新设计思路作为展望篇的内容写入书中。 这是本书的另一特色。本书按历届全国大学生电子设计竞赛的先后, 共分5篇14章; 第1篇为2005年试题:第1章为2005年竞赛试题: 数控直流电流源 ( D题); 第2章为2005年竞赛试题: 三相正弦波变频电源试题 ( G题); 第2篇为2007年竞赛试题: 第3章为2007年竞赛试题: 开关电源 ( E题) 揖本科组铱; 第4章为2007年竞赛试题: 信号发生器 ( H题) 揖高职高专组铱;第5章为2007年竞赛试题: 可控放大器 ( I题) 揖高职高专组铱; 第3 篇为2009 年竞赛试题: 第6章为2009年竞赛试题: 电能收集器 ( E题) 揖本科组铱; 第7章为2009年竞赛试题: 光伏并网发电模拟装置 ( A题) 揖本科组铱; 第8章为2009年竞赛试题: 宽带直流放大器 ( C题) 揖本科组铱; 第9 章为2009 年竞赛试题: 音频功率放大器 ( G题) 揖高职高专组铱; 第10章为2009年竞赛试题: 模拟路灯控制系统 ( I题) 揖高职高专组铱; 第4篇为总结: 第11章为如何在电子设计竞赛中取得好成绩; 第12章为经验与教训; 第5篇为展望:第13章为非接触式充电技术设计思路; 第14章为电池保护电路。本书第1章、 第2章、 第3章、 第4章、 第5章、 第6章、 第7章、 第9章、 第11章、第12章由辽宁工业大学陈永真执笔; 第8章由辽宁工业大学李光琳执笔; 第10章由北华航天工业学院闫晓金执笔; 第13 章、 第14 章由陈之勃执笔。 参加本书编写的还有李锦、 高莹、 刘聪、 王天宏、 杨东。编著者于辽宁工业大学第1篇 2005年试题第1章 2005年竞赛试题：数控直流电流源 (D题）1.1 试题： 数控直流电流源1.1.1 任务设计并制作数控直流电流源。 输入交流范围为200~240V, 50Hz; 输出直流电压不大于10 V。 数控直流电流源原理示意图如图1.1所示。图1.1 数控直流电流源原理示意图1.1.2 要求1. 基本要求输出电流范围:200~2000mA;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不大于给定值的1% +10 mA;具有步进调整功能,步进不大于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不大于输出电流值的1% +10 mA;纹波电流不大于2mA;自制电源。2. 发挥部分输出电流范围为20~2000mA,步进1mA;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), 测量误差的绝对值不大于测量值的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不大于输出电流值的0.1% +1 mA;纹波电流不大于0.2mA;其他。1.1.3 评分标准1.1.4 说明关于本试题的相关说明如下。需留出输出电流端子和电压测量端子;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值然后换算成电流;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。1.2 试题意图与要达到的目的与理想的解决方案1.2.1 试题意图与要达到的目的在试题限制条件下尽可能地实现如下目标。通过合理设计,尽可能地降低纹波电流,达到要求的电流变化范围;采用合理的方案,实现“+冶、“-冶步进调整功能,降低给定电流与实际电流的偏差;通过采用合理的电路结构,降低负载调整率;减少由于电源电压变化对输出电流所产生的影响;完成满足设计需要的电源制作。1.2.2 理想的解决方案数控电流源要求输出电流2A以下, 最小分度为1mA, 输出电压不高于10V, 要求数字控制。 对于这道题, 各个参赛队都有各自的解决方案, 但从整体框架来看, 主要倾向于采用D/A控制恒流源的方案较多。 事实上, 如果利用输出电压可调的集成稳压器就可以非常好的实现这个设计, 很容易就可将输出电压可调的集成稳压器做成精度极高的恒流源, 剩下的问题就是你是否能想到这样的解决方案。 以下就是这两种方案的论证比较, 读者可以通过论证衡量各方案的可行性。方案一采用单片机控制D/A实现恒流源部分电路的组建, 方案如图1.2所示。图1.2 单片机设计数控直流电流源单片机控制是在软、 硬件结合的情况下实现的。 运用此方案存在以下几个问题: 软件编程的复杂性, 硬件D/A的位数及响应速度受限, 输出精度不高, 更为主要的是采用单片机控制, 很容易就会将噪声引入到扩流功放的输入端, 使得将其噪声信号放大, 从而产生较大的输出纹波。 这对于本命题中对纹波参数控制较为严格来说, 在输出电流精度要求很高的情况下, 不是很理想的一种解决方案。方案二数字电路设计数控直流电流源如图1.3所示。 该方案的核心部分是计数器构成步进控制电路, 由拨码开关可以实现其预置功能, 通过计数器的加减计数功能实现步进控制。 另外,计数器的输出为BCD编码格式, 可以很方便地连接数码管驱动控制电路, 实现显示功能。也正是利用了计数器输出BCD编码格式, 可以用输出电压可调的集成稳压器分别做成精度极高的恒流源, 利用继电器切换组合不同电流值的恒流源实现不同输出要求的电流值, 具体的固定恒流源电路共有以下14种: 1 mA、 2 mA、 4 mA、 8 mA、 10 mA、 20 mA、 40 mA、 80 mA、100 mA、 200 mA、 400 mA、 800 mA、 1000 mA、 2000 mA。 这样做不仅精度高, 而且控制方式简单, 抗干扰能力强。图1.3 数字电路设计数控直流电流源方案比较比较两种方案, 后一种方案有以下几个特点: 不用考虑软件编程复杂性及软件和硬件的兼容性, 精度很高。 稳定性强不易受到干扰, 纹波抑制比较高。 也不存在方案二中需要BCD码向二进制码转换的问题。 同时, 由于题目是数控直流电流源, 并且有精确的步进值要求, 因而不适合采用普通的串联或并联的线性稳压电源和开关电源。 否则难以达到步进要求和控制要求。 在数字电路中, 由于结构简单集成度高, 可以容易实现精确的递增、 递减的预置功能控制。 由于没有采用单片机, 便没有了单片机工作时的干扰问题, 因此电路的输出是非常干净的。 另外, 由于各个固定恒流源单元相互独立, 互不干扰, 可以很容易实现极细微电流。 也就是说, 不需要更多调整就可实现发挥部分要求的步进1 mA的功能。1.3 可以获奖的切实可行的解决方案为实现整体电路的设计, 可以将电路分成以下几个单元进行设计, 设计过程中可以将其作为任务分配给参赛队员, 同步实现, 共同调整。1.3.1 恒流源的实现解决方案可以有如下两种。(1) 每个恒流源输出电流固定的解决方案如果不计成本, 可以采用多只LM317实现, 按8421码和毫安、 十毫安、 百毫安、 千毫安的方式分别用 LM317 实现 2 mA、 4 mA、 8 mA、 10 mA、 20 mA、 40 mA、 80 mA、 100 mA、200 mA、 400 mA、 两个400 mA和6个500 mA的恒流源。 其中, 1 A和2 A的恒流源分别采用2只和4只500 mA的恒流源并联实现, 这样做的好处是不仅可以降低集成稳压器的最小输入/输出电压差、 减小集成稳压器的功耗, 而且较小的输出电流检测电阻比较容易弄到, 电路板造成的电压降也可以减小。 由于LM317在一般状态下的最小不可控的电流约3mA, 而常温下可以稳定控制的电流可以降低到1.2 mA。 因此, 1 mA挡只能采用晶体管恒流源的方式。通过0.5级电流表或是0.2 级电流表在对1 mA、 2 mA、 4 mA、 8 mA、 10 mA、 20 mA、 40 mA、80 mA、 100 mA、 200 mA、 400 mA、 800 mA、 1000 mA、 2000 mA 的恒流源分别用1 mA、 2 mA、5 mA、 10 mA、 10 mA、 20 mA、 50 mA、 100 mA、 200 mA、 500 mA、 1000 mA、 2000 mA 进行校准, 可以获得至少5译甚至更高的精度。 在这里各恒流源值为电流表满量程的80%以上, 从而使电流源的精度得到保证, 如果测试电流低于测试量程的一半, 测试电流源的精度将得不到5译的精度要求。与每一个LM317相连的电阻阻值的具体计算方法如下。LM317基准电压值为1.25V, 其输出电流值为I, 则所需串接的电阻为R (i=1, oi2,3, …) 即:由此理论计算得到的电阻值如表1.1所示。表1.1 可调稳压器挂接的电阻值列表各挡电流的切换: 考虑到系统的易实现性和需要提供较大的电流, 切换开关选用小型继电器或微型继电器。 继电器的控制可以采用晶体管开关或LM339 (四比较器) 驱动, 一般情况下, 在12 V供电条件下的驱动电流小于20 mA。根据以上思路分析, 恒流源电路如图1.4所示, 图中给出各输出电流恒流源的测试电阻的参数。图1.4 恒流源电路在图 1.4 中, 继电器触点 K1、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6、 K7、 K8、 K9、 K10、 K11、K12、 K13、 K14 分别控制 2 A、 1 A、 800 mA、 400 mA、 200 mA、 100 mA、 80 mA、 40 mA、20 mA、 10 mA、 8 mA、 4 mA、 2 mA、 1 mA恒流源是否接入。 这样的1 mA~2 A的任何电流值都可以用上述电流源的组合实现。图1.4中电路的输出电压范围, 为输入电压减电流源电阻电压 (1.25V) 和集成稳压器的输入/输出电压差 (约2V), 共计3.25V。 因此, 最低输入电压至少要高于3.25V (实际上这种状态下没有输出电压范围, 电路将失去意义); 最高输入电压似乎为LM317的最高输入电压 ( 40 V ) , 实际上受 LM317 的安全工作区的限制, 在输出短路状态下, 0.5A输出电流时的最高输入电压仅为35V (实际上这个电压已经足够了), 高于这个电压, 受可调输出电压集成稳压器LM317 的安全工作区的限制, 在这种情况下输出电流将得不到保证。图1.4中电路的继电器触点由继电器励磁线圈是否流过 (足够的) 电流决定, 这个继电器的励磁线圈可以用晶体管控制, 其电路如图1.5所示。图1.5中晶体管集电极与电源间接的方块代表继电器的励磁线圈, 方框中的数字与受控的触点相对应; 图中的第一排电路为1A、 2A继电器的励磁线圈, 对应拨码开关的1 和2,由于仅需要2A, 故3以上的码可以锁定, 仅仅使用1和2。 第二行、 第三行、 第四行则分别对应百毫安、 十毫安、 毫安挡位对应的电路, 各励磁线圈对应的接在8、 4、 2、 1拨码开关的8、 4、 2、 1的端子上, 拨码开关的公共端接12 V电源正端。图1.5 切换电路如果仅仅考虑电子设计竞赛的测试, 最简单的方法就是将继电器的励磁线圈直接接在拨码开关上, 这样电路更简单。由于没有采用单片机, 所以没有了单片机工作时的干扰, 因此电路的输出是非常干净的。(2) 切换恒流源检测电阻的解决方案恒流源固定电流输出的方案尽管可以得到极其精确的输出电流, 所付出的代价是所应用的集成稳压器数量比较多, 为了减少集成稳压器的数量, 每个电流数量级可以采用一个集成稳压器, 用继电器控制电流检测电阻的方式, 可以选用8 -4 -2 -1 的方式选择电流检测电阻。 这种方式对于100 mA以下的电流源是比较容易做到的, 这是因为电流检测电阻值比较大PCB和继电器的寄生电阻可以忽略。而400mA以上的恒流源则最好是采用固定电流的恒流源的方式。 图1.6 为切换恒流源检测电阻的恒流源主电路的解决方案。图1.6中的继电器触点K1、 K2、 K3、 K4 分别为安、 百毫安、 十毫安、 毫安量程电流的转换触点, 而 K11、 K12、 K21、 K22、 K23、 K24、 K31、 K32、 K33、 K34、 K41、 K42、K43、 K44则分别为各量程内的电流设置触点。在比赛中采用了每个恒流源输出固定电流的解决方案, 只要准确调整各个固定恒流源单元, 就可实现基本功能要求。图1.6 切换恒流源检测电阻的恒流源主电路的解决方案试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]