南华大学黄智伟系列--找到和选择合适的IC器件对取得好的竞赛成绩很重要

小煜

南华大学黄智伟系列--找到和选择合适的IC器件对取得好的竞赛成绩很重要 [复制链接]

1. 竞赛题目中对新型IC器件的选择应用有明确要求

在“全国大学生电子设计竞赛组委会”所公布的“关于组织2011年全国大学生电子设计竞赛的通知”和“2011年全国大学生电子设计竞赛命题原则及征题要求”中可以看到“竞赛题目及要求”、“命题原则及要求”。其中：

 

（1）命题范围

应以电子技术（包括模拟和数字电路）应用设计为主要内容。可以涉及模-数混合电路、单片机、嵌入式系统、DSP、可编程器件、EDA软件的应用。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。

 

（2）命题要求

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既能在规定时间内完成基本要求部分的设计工作，又能便于优秀学生有发挥与创新的余地。命题应充分考虑到竞赛评审的操作性。

 

（3）题目类型

① 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 侧重于某一专业（如电子信息、计算机、通信、自控、电子技术应用等）的题目；

③ 侧重于模拟电路、数字电路、电力电子技术等课程内容的题目；

④ 侧重于新型集成电路应用的题目；

⑤ 侧重于常用电子产品和电子仪器初步设计的题目。

2. 历届赛题中对新型IC器件的要求与器件的选择

2.1  2009年全国大学生电子设计竞赛试题声音导引系统(B题)

赛题要求设计并制作一声音导引系统。在赛题中明确要求本题必须采用组委会提供的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1）实现可移动声源的运动。

电机控制ASSP芯片（型号MMC-1）的芯片资料由组委会在竞赛开题时在网上提供。

2.2  2009年全国大学生电子设计竞赛试题“宽带直流放大器（C题）”

2.2.1 赛题要求

设计并制作一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源。

（1）基本要求

① 电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV。AV可在0～40dB范围内手动连续调节。

② 最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真。

③3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。

④ 放大器的输入电阻≥50W，负载电阻（50±2）W。

⑤ 设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。

（2）发挥部分

① 最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10 mV。

② 在AV＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.3V。

③3dB通频带0～10MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB。

④ 最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V，输出信号波形无明显失真。 

⑤ 进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。

⑥ 电压增益AV可预置并显示，预置范围为0～60dB，步距为5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、 10MHz 两点）。

⑦ 降低放大器的制作成本，提高电源效率。

⑧ 其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。

2.2.2放大器输出功率管的选择

根据赛题要求：“放大器的负载电阻（50±2）W，在3dB通频带0～10MHz，最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V，输出信号波形无明显失真。”很明显，赛题要求设计一个宽带大功率的输出放大器，要同时满足输出电压幅度（Vo≥10V）和输出电流要求（负载电阻50W），采用一般的电路结构和器件很难实现，如何选择放大器输出电路的功率器件就很重要了。

从全国获一等奖的作品（第9届全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编）可以看到，选择的功率输出放大器的器件有：THS3091、THS3092，AD811+LT1210，BUF634，电路结构多采用多管并联形式。

这些器件的资料可以在相关网站中找到：

THS3091：http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ths3091.html

THS3092：http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ths3092.html

LT1210：http://www.linear.com/product/LT1210

BUF634： http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/buf634.html

 

2.3 2007年全国大学生电子设计竞赛试题“程控滤波器（D题）”

2.3.1 赛题要求

   设计并制作程控滤波器，其组成如图D-1所示。放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。

 

 

图D-1程控滤波器组成框图

（1）基本要求

   ① 放大器输入正弦信号电压振幅为10 mV，电压增益为40 dB，增益10 dB步进可调，通频带为100 Hz～40 kHz，放大器输出电压无明显失真。

   ② 滤波器可设置为低通滤波器，其一3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调，调节的频率步进为1 kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30 dB，RL＝1 kΩ。

   ③滤波器可设置为高通滤波器，其-3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调，调节的频率步进为1 kHz，0. 5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30 dB，RL＝1 kΩ。

   ④ 电压增益与截止频率的误差均不大于10%。

   ⑤ 有设置参数显示功能。

 

（2）发挥部分

   ① 放大器电压增益为60 dB，输人信号电压振幅为10 mV ；增益10 dB步进可调，电压增益误差不大于5％。

   ② 制作一个4阶椭圆低通滤波器，带内起伏≤1 dB，－3 dB通带为50 kHz，要求放大器与低通滤波器在200 kHz处的总电压增益＜5 dB，－3 dB通带误差不大于5%。

   ③ 制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100 Hz～200 kHz，频率步进为10 kHz。

2.3.2滤波器芯片的选择

根据赛题要求：“低通滤波器，其一3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调；高通滤波器，其-3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调；4阶椭圆低通滤波器-3 dB通带为50 kHz；在200 kHz处的总电压增益＜5 dB。”很明显，要满足赛题要求如何选择滤波器电路结构和选择合适的IC芯片就很重要了 

比较全国获一等奖的作品（2007全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编）可以看到，获索尼杯的作品选择采用的滤波器IC芯片是LTC1608，与其他获奖作品采用MAX297和MAX262/3、OP电路组成的有源滤波器电路结构比较，在降低电路的复杂程度和提高电路的性能指标上，采用LTC1608专用滤波器芯片构成的电路有明显的优势。

LTC1608器件的资料可以在相关网站中找到：

LTC1608：http://www.linear.com/product/LTC1608

 

2.4 2007年全国大学生电子设计竞赛试题“电动车跷跷板（F题）”

2.4.1 赛题要求

   设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的200～600 mm范围内调整，调整步长不大于50 mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图F-1和图F-2所示。

 

图F-1起始状态示意图

 

图F-2平衡状态示意图

（1）基本要求

   在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：

   ① 电动车从起始端A出发，在30 s内行驶到中心点C附近。

   ② 60 s之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5s，并给出明显的平衡指示。

③ 电动车从②中的平衡点出发，30 s内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50 mm）。

   ④ 电动车在B点停止5s后，1 min内倒退回起始端A，完成整个行程。

   ⑤ 在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。

 

（2）发挥部分

   将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：

   ① 将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点300 mm以外、90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图F-3所示。

 

图F-3自动驶上跷跷板示意图

   ② 电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5s以上。

   ③ 将另一块质量为电动车质量10%～20%的块状配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5s以上。

   ④ 电动车在3  min之内完成①～③全过程。

   ⑤ 其他。

2.4.2倾角传感器的选择

在赛题的基本要求和发挥部分都要求：“电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5s，并给出明显的平衡指示。”很明显，赛题要求设计一个角度测量的电路，要满足赛题要求，如何选择角度测量的传感器就很重要了。

从全国获一等奖的作品（2007全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编）可以看到，选择的角度测量的传感器有：SCA103T数字式倾角传感器，Accustar电子倾角传感器，角SCA60C度传感器，AME - B002角度传感器。这些传感器器件或者模块的资料可以在相关网站中找到。

 

2.5 2003年全国大学生电子设计竞赛试题“宽带放大器（B题）”

赛题要求设计并制作一个宽带放大器。

2.5.1 赛题要求

（1）基本要求

① 输入阻抗≥1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻 600Ω。

②3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB。

③ 最大增益≥40dB，增益调节范围10dB～40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。

④ 最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。

⑤ 自制放大器所需的稳压电源。

（2）发挥部分

① 最大输出电压有效值≥6V。

② 最大增益≥58dB (3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB)，增益调节范围10dB～58dB（增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。

③ 增加自动增益控制（AGC）功能，AGC范围≥20dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在
4.5V≤Vo≤5.5V内（详见说明4）。

④ 输出噪声电压峰-峰值VoN ≤0.5V。

⑤ 进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔。

⑥ 其它。

 

2.5.2宽带、增益可调整的放大器IC的选择

根据赛题要求：“最大输出电压有效值≥6V。最大增益≥58dB (3dB通频带10kHz～6MHz）。AGC范围≥20dB”很明显，赛题要求设计一个宽带、增益可调整的放大器。

从全国获一等奖的作品（2003全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编）可以看到，选择的宽带、增益可调整的放大器的器件为AD603。

为满足“最大输出电压有效值≥6V。”多数采用分立器件构成的输出放大器电路，也有采用AD818IC芯片的电路形式。

AD603的资料可以在相关网站中找到：

http://www.analog.com/zh/other-products/militaryaerospace/ad603/products/product.html

 

2.5.3 比较2009C题和2003B题要求与器件的选择

1. 要求的带宽更宽

2009：3dB通频带0～10MHz ；2003：3dB通频带10kHz～6MHz）；

2. 增益更大

2009：最大电压增益AV≥60dB；2003：最大增益≥58dB；

3. 输出功率更大

2009：负载电阻（50±2）W。最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V ；2003：最大输出电压有效值≥6V。

4. 使用器件

（1）宽带、增益可调整的放大器IC的选择：从2003的AD603，扩展到2009的AD603、LMH6624、VCA810、OPA690、OPA2846、AD815等。

（2）功率输出放大器IC的选择：从2003的分立器件，扩展到2009的THS3091、THS3092，AD811+LT1210，BUF634等，电路结构多采用多管并联形式。

 

 

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