大学生电子竞赛设计与实践一讲.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大学生电子设计竞赛,设计与实践,（第一讲）,课程开设目的、进程安排及考核方式,全国大学生电子设计竞赛基本情况及常见题型,信号源类题型实例分析及课题,1,布置,针对全国大学生电子设计竞赛的特点和需求开设的一门综合设计性、实践性课程；,以电类创新人才技能培养为目标，调动同学们参与课外创新活动的积极性和主动性；,系统、科学地培养同学们的实际动手能力、创新设计能力、工程应用能力以及发现问题、解决问题的能力；,通过该课程的学习可为同学们从事课外创新活动奠定理论与实践基础，并为学校组队参加智能汽车、电子设计、机器人等大型竞赛选拔优秀人才。,课程背景与开设目的,教学手段与考核方式,教学方法上以教师理论教学为辅、学生设计实践为主，,重在启发学生开阔思路、发现问题、分析问题；,教学手段上以教师辅导答疑为辅、学生自主学习为主，,重在培养学生检索资料、独立研究的能力；,在设计、制作、调试过程中，以指导老师负责、学生自愿,组队方式进行分工协作，重在培养学生的团队合作精神。,课程管理,采用注册方式，取得合格成绩者才能认定学分；,课程成绩,由方案设计、实物制作、性能测试和设计总结报告综合评定。,时间,名称,主要内容,主讲,地点,第,3,周日下午,（,13/3,）,专题讲座,1,大学生电子设计竞赛简介,多功能信号源系统分析与设计,3.,结合讲座布置设计课题,1,及具体要求,武卫华,东教阶,101,第,4,周日下午（,20/3,）,专题讲座,2,多路数据采集及传输系统分析与设计,结合讲座布置设计课题,2,及具体要求,以小组为单位收,/,交课题,1,方案设计报告,待定,待定,第,5,周日下午（,27/3,）,专题讲座,3,整流、逆变、功放电路分析与设计,结合讲座布置设计课题,3,及具体要求,以小组为单位收,/,交课题,2,方案设计报告,骆雅琴,东教阶,101,第,6,周日下午（,3/4,）,专题讲座,4,无线发射、接收系统分析与设计,结合讲座布置设计课题,4,及具体要求,以小组为单位收,/,交课题,3,方案设计报告,待定,待定,第,7,周日下午（,10/4,）,专题讲座,5,1.,温度,/,角度,/,速度等参数监控系统分析与设计,2.,结合讲座布置设计课题,5,及具体要求,3.,以小组为单位收,/,交课题,4,方案设计报告,李丹,东教阶,101,第,8,周日下午（,17/4,）,专题讲座,6,频率计,/,相位计,/,数字存储示波器分析与设计,结合讲座布置设计课题,6,及具体要求,以小组为单位收,/,交课题,5,方案设计报告,待定,待定,第,9,周,第一次选拔,双选组队,以小组为单位收,/,交课题,6,方案设计报告,根据各课题方案设计报告情况评定成绩,1,根据各课题方案设计报告评阅情况淘汰选拔,以指导教师为单位双选组队进行分项训练,课程组,待定,第,10,周,购置器材,制作调试准备,以指导教师为单位申报购置元器件清单,结合讲座布置课题内容筛选汇总购置元器件,安排制作场地,/,安装工具软件,/,准备测试仪器,安排学生实训批次与指导教师值班时间表,课程组,待定,第,11,周,综合实训,(,分组进行,),以小组为单位，结合讲座布置课题内容，自选,进行专项电子系统的设计、制作与调试,课程组,(,分组,值班,),工创中心实验室,第,12,周,综合实训,(,分组进行,),以小组为单位，结合讲座布置课题内容，自选,进行专项电子系统的设计、制作与调试,课程组,(,分组,值班,),工创中心实验室,第,14,周,第,18,周,第二次选拔,组队调整,强化训练,根据各小组综合实训情况评定成绩,2,指导教师负责进行第二次选拔,/,调整组队,3.,指导教师负责进行调整组队后的强化训练,指导,教师,待定,第,19,周,成绩评定,由成绩,1,、成绩,2,以及后续的实物制作、性能测试和设计总结报告综合评定成绩,课程组,课程开设安排表,模拟电子技术,童诗白编著 清华大学出版社,数字电子技术,阎石编著 清华大学出版社,高频电子技术,钟苏编著 西安电子科技大学出版社,数字系统与自动控制系统设计,高吉祥编著 电子工业出版社,全国大学生电子设计竞赛系统设计,黄智伟编著 北京航空航天大学出版社,全国大学生电子设计竞赛制作实训,黄智伟编著 北京航空航天大学出版社,全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编,全国大学生电子设计竞赛组委会编著 北京理工大学出版社,,,基本要求,a.,具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能；,b.,用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（,5,次以下）线性组合的波形；,c.,具有波形存储功能；,d.,输出波形的频率范围为,100Hz,20kHz(,非正弦波频率按,10,次谐波计算,),；重复频率可调，频率步进间隔,100Hz,；,e.,输出波形幅度范围,0,5V,（峰,-,峰值），可按步进,0.1V,（峰,-,峰值）调整；,f.,具有显示输出波形的类型、重复频率,(,周期,),和幅度的功能。,发挥部分,输出波形频率范围扩展至,100Hz,200kHz,；,用键盘或其他输入装置产生任意波形；,d.,具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置；,e.,可产生单次或多次,(1000,次以下,),特定波形,(,如产生,1,个半周期三角波输出,),f.,其它,(,如频谱分析、失真度分析、频率扩展,200kHz,、扫频输出等功能,),。,系统方案设计,比较与论证,一、波形生成方案：,方案一：,采用模拟分立元件或单片压控函数发生器,M,AX803,8，可产生正弦波、方波、三角波，通过调整外部元件可改变输出频率,；,但,由,于模拟元器件参数分散性,太,大,，,因而对,波形,频率,的,稳定,性,影响,很,大,，频率分辨率不高，且灵活性较差不能实现任意波形以及波形的运算输出等智能化功能。,方案二：,采用锁相式频率合成技术。首先通过频率合成技术产生所需要频率的方波通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波，优点是输出频率高，也可以达到较高的频率分辨率；缺点是要求滤波器通带可变，实现困难，还有一个致命的弱点，即无法实现任意波形功能。,方案三：,采用直接数字频率合成技术。,DDFS,技术以,Nyquist,时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成，通过更换波形数据可以轻易实现任意波形功能，并且频率、相位、幅度都可利用单片机实现程控；缺点是输出频率受到单片机工作频率的制约,在输出频率要求不高的场合可考虑应用。,方案四：,采用基于,CPLD/FPGA,的直接数字频率合成技术。优点是可以轻易实现任意波形功能且输出频率及其分辨率可以做得很高，但难以实现复杂分析算法。,方案五：,采用基于单片机,+CPLD/FPGA,的直接数字频率合成技术。综合考虑了方案三与方案四的优点并能弥补各自的不足。,比较后选择方案五。,核心原理,:,采样定理,组成部分：参考时钟,fc,相位累加器,波形数据查询表,D,A,转换器,DDS,技术原理,=,k,c,.,注：最大频率需满足输出上限，,而最小频率需满足输出步进要求,不能同满足时需分段考虑。,系统方案设计,比较与论证,二、输入设置方案：,设计要求系统具有用户选择预设波形、调控波形和输入存储自定义波形的功能。,方案一：,采用键盘输入。这是最基本的方法。优点是输入值精确，实现方便；,但用户自定义输入时难以自由输入想要的特殊波形。,方案二：,采用,手写板输入。这对于用户输入想要的特殊波形非常方便，但接口电路实现较为复杂，数值输人不够直观。,考虑到键盘输入已能满足波形,预设、编辑组合等基本功能，比较后,选择方案一。,三、输出显示方案：,方案一：,采用,LED,显示。可以显示有限的符号和数字，不易满足本设计的复杂功能。,方案二：,采用字符式,LCD,显示。可显示较为清晰的字符和数字，基本可以满足设计要求。但在用户输入波形时，无法显示其波形形状。,方案三：,采用点阵式,LCD,显示。可以将用户输入的波形及时显示出来，但编程设计,工作量较大。,综合比较后选择方案二。,系统方案设计,结构框图,单片机,最小系统,键盘输入,LCD,显示,FPGA,控制,波形,ROM,存储,RAM,数模,转换,低通,滤波,波形选择,幅度控制,频率控制,波形编辑,波形存储,频谱,分析,波形输出,单片机开发板,FPGA,开发板,系统硬件设计,电路与参数,一、单片机控制单元,单片机单元可选用,89C52,开发板,(,含电源、晶振、复位、键盘、,LCD,等电路,),单片机单元参数选择与资源配置,(,时钟频率、端口分配、按键定义、存储容量、显示内容与方式等,),AT89C52,单片机,单片机单元电路,系统硬件设计,电路与参数,二、,FPGA,波形产生单元,FPGA,单元可选用,EP1C6,开发板,(,含电源、晶振、复位、存储器等电路,),FPGA,单元参数选择与资源配置,(,时钟频率及,PLL,配置、,I/O,端口及引脚分配、存储容量及定制方式等,),外部晶振：,10MHz,系统时钟：可通过,PLL,配置为：,10MHz/20MHz/50MHz/100MHz,等,存储器个数：正弦波,/,三角波各,10,个,存储器容量：可片内定制或片外配置,10*1000,正弦,ROM/10*1000,三角,ROM,用户引脚数：,185,个,信号,I/O,端口：,4,位功能选择信号线,8,位频率,/4,位幅度控制口线,10,位外扩存储器地址线,8-10,位波形数据总线,时,钟,信,号,与,谐,波,选,择,产,生,模,块,PLL,倍频模块,频率,选择模块,幅值,选择模块,ADDR1,ADDR2,ADDR3,ADDR10,ROM1,ROM2,ROM3,ROM10,信,号,叠,加,模,块,DA,转换,.,.,晶振,信号,频率,控制,幅度,控制,en1,clk1,clk2,en2,en3,en20,clk3,clk20,FPGA,开发板,基于,FPGA,的正弦波形产生模块,系统硬件设计,电路与参数,三、波形输出单元,波形输出单元由数,-,模转换器与低通滤波器等电路组成,数,-,模转换器的选择与参数配置,(D/A,芯片转换速度、转换精度、输出方式等,),低通滤波器的选择与参数配置,(,滤波器结构、通带截止频率、输出幅度调节与输出阻抗匹配等,),系统硬件设计,电路原理框图,系统软件设计,思路与流程,K1,为（,1-3,）,频率选择,(K2,K3,K4,K5,K6),输出功能,/,频率,/,幅度控制信号,数值输入,(K2,K3),FPGA,波形产生,N,Y,Y,N,参数设定完成,?,Y,功能选择,(K1),系统软件设计,思路与流程,设计实现,实物,作品,设计实现,输出波形,设计课题,1,正弦信号发生器,（,2005,年全国第七届竞赛,A,题）,一、任务,设计制作一个正弦信号发生器。,二、要求,1,、基本要求（,1,）正弦波输出频率范围：,1kHz,10MHz,；,（,2,）具有频率设置功能，频率步进：,100Hz,；,（,3,）输出信号频率稳定度：优于,10-4,；,（,4,）输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰,-,峰值,V,opp1V,；,（,5,）失真度：用示波器观察时无明显失真。,2,、发挥部分（,1,）增加输出电压幅度：在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰,-,峰值,V,opp=6V1V,；,（,2,）产生模拟幅度调制,(AM),信号：在,1MHz-10MHz,范围内调制度,ma,可在,10%,100%,之间程控调节，步进量,10%,，正弦调制信号频率为,1kHz,，调制信号自行产生；,（,3,）产生模拟频率调制,(FM),信号：在,100kHz10MHz,频率范围内产生,10kHz,最大频偏，且最大频偏可分为,5kHz/10kHz,二级程控调节，正弦调制信号频率为,1kHz,，调制信号自行产生；,（,4,）产生二进制,PSK,、,ASK,信号：在,100kHz,固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为,10kbps,，二进制基带序列信号自行产生；,