全国大学生电子设计竞赛专题培训-元器件及常用芯片.ppt
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1、张维昭 2013.1.12,全国大学生电子设计竞赛专题培训,认识元器件及常用芯片,参加电子竞赛很辛苦,但要苦中取乐,3,1. 全国竞赛组委会网站: ftp:/ 2. 高等教育出版社网站:http:/ 3. 北京赛区组委会指定网站: http:/ 4. 上海赛区组委会指定网站: http:/nuedc- 5. 湖北赛区组委会指定网站: http:/ 6. 四川赛区组委会指定网站: http:/ 7. 陕西赛区组委会指定网站: http:/ 8. 黑龙江赛区组委会指定网站:http:/ 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
2、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。,团队,各届全国竞赛题目的归类统计,通过对各届全国竞赛题目的归类统计可知, 在所有题目中, 所占比例最大的为测量及仪器仪表类题目, 其次为无线电技术类和自动控制类。这些题目出现得比较频繁, 几乎历届竞赛都会出现,甚至会,在
3、同一届竞赛中不止出现一题。信号源类题目虽然所占比例较小, 但是该类题目注重基础, 适合学生群体的范围较广, 而且已经近三届连续出现, 说明该类题目仍具有一定的重要性和可考性, 是不容忽视的。,1.电路分析及设计 2.元器件选用及焊接技巧 3.单片机编程使用 4.资料搜集 5.论文写作整理 6.团结协作,接下里我们看下竞赛的常用模块,竞赛所需技能,熟练使用至少一种单片机,如AVR、61系列、51系列、PIC系列、MSP430系列、ARM、CPLD、FPGA、DSP等。,1 最小开发系统(MCU ),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。同
4、时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,DA、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。 利用ARM、DSP也是趋势,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。,一般正负5-24V直流电源, 例如09电子竞赛:需制作完成正负5V、12V电源,5分,2 直流电源,键盘部分(1x8;4x4等) 如果需要的键较少,可直接使用I/O口,也可以
5、使用74LS148等编码器(会节省一些I/O口),但要注意去抖动处理(可使用软件,也可以使用单稳态触发器,RC电路等硬件去抖动方法)。 如果使用的键较多,可使用键盘管理芯片,如8279、7289A等,体积、功耗、成本会大一些,但比较好用,也容易使用。,键盘、显示部分,显示部分 一般来说分两大类:LED和LCD。 LED比较经典,也比较常用,在一般的资料中都能查到,采用键盘显示管理芯片(MAX7219)统一管理是一个较好的办法。 LCD分液晶片和液晶显示模块(又分字段式和点阵式两种),除非使用430系列单片机(它自带LCD驱动模块,接口和使用均十分方便。)其它单片机,为节省宝贵的时间,最好使用液
6、晶模块,特别是自带汉字库的液晶模块,平时应学会使用。,多路转换开关、调理电路、放大、滤波、隔离等 学会使用常用普通精密放大器、仪表放大器、隔离放大器等;这一部分 的连线,制板等都显得比较重要。 集成运算放大器分类: 1.通用型运算放大器(A741,LM358双,LM324四) 2.高阻型运算放大器(输入阻抗1091012) (LF356,LF355,LF347四,CA3130,CA3140) 3.低温漂型运算放大器(OP-07,AD508,ICL7650) 4.高速型运算放大器(LM318, A715) 5.低功耗型运算放大器(ICL7600) 6.高压大功率型运算放大器( A791,D41)
7、,4 前向通道,常用集成运算放大器: 1.通用型(A741,LM324 四运放) 2.高阻型(LF347四运放,CA3140) 3.低温漂型(OP-07,OP27,OP37,ICL7650) 4.高速型(LM318) 5.低功耗型(ICL7600) 常用仪表放大器: AD620,AD624等 程控放大器:AD603,集成运算放大器的使用要点: 1.集成运算放大器的电源供电方式 (1)对称双电源; (2)单电源 2.集成运算放大器的调零问题 (1)内部调零 (2)外部调零 3.集成运算放大器的自激振荡问题 4.集成运算放大器的保护问题 (1)电源保护 (2)输入保护 (3)输出保护,为了消除运放
8、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0.010.1F的瓷片电容。 通常Rf宜小于1M,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。 注意增益带宽积的概念,A/D 根据指标要求,选择合适的模数转换器,如果需要A/D,该部分是报告的重点内容之一。 常用的8位A/D:AD0809 常用的12位A/D:AD574,MAX191,MAX197等 还有 型16位(A
9、D7715),24位(AD7714)等,内含放大,调理,滤波等单元电路;即可单双极性输入,还可差动输入。,熟悉常用传感器的性能和使用。主要包括电压、电流、温度(热电偶,Pt1000,AD590,DS18B20等)压力,转速、位置(霍尔,码盘等);如果有机器人方面的题目还要熟悉如红外传感器,接近开关,光敏电阻,金属探测等传感器。 开关量信号的隔离(隔离的必要性) I/O口的扩展(必要性),传感器,5 后向通道 主要包括驱动显示,打印,继电器,诸如PWM控制。具体要根据实际的题目而定。 6 注意事项 考虑到不同的专业,每年的题目涉及的范围都比较广,要选择一个最有把握的题目去做; 如果一个教学单位有
10、很多组,最好多做几个题目,不要集中在一个题目上,好评奖。 另外一定要把报告写好。,17,芯片手册 http:/ http:/ http:/ 主要芯片厂家 http:/ http:/www.maxim- http:/ http:/ http:/ http:/,18,技术资料 中国电子开发网论坛: http:/ 程序员联合开发网:http:/ csdn 下载网:http:/ 电子工程世界论坛: http:/ 电子工程世界:http:/ 电子产品世界:http:/ 1) 所谓总体方案是用具有一定功能的若干单元电路构成一个整体,以满足课题题目所提出的要求和性能指标,实现各项功能。 方案选择就是按照系统
11、总的要求,把电路划分成若干个功能块,得出能表示单元功能的整机原理框图。按照系统性能指标要求,规划出各单元功能电路所要完成的任务,确定输出与输入的关系,确定单元电路的结构。 总体方案往往不止一个,应当针对糸统提出的任务、要求和条件,进行广泛调查研究,大量查阅参考文献和有关资料,广开思路,要敢于探索,努力创新,提出若干不同方案,仔细分析每个方案的可行性和优缺点,反复比较,争取方案的设计合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。 框图应能说明方案的基本原理,应能正确反映系统完成的任务和各组成部分的功能,清楚表示出系统的基本组成和相互关系。 2)方案选择必须注意下面两个问题: (1)要有全局观点,抓住主要
12、矛盾。 (2)在方案选择时要充分开动脑筋,不仅要考虑方案是否可行,还要考虑怎样保证性能可靠,考虑如何降低成本,降低功耗,减小体积等许多实际的问题。,2.设计单元电路 一般方法和步骤如下: (1) 根据设计要求和已选定的总体方案原理框图,确定对各单元电路的设计要求,拟定主要单元电路的性能指标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合,注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系。 (2) 拟定好各单元电路的要求后,按信号流程顺序分别设计各单元电路。 (3) 选择单元电路的组成形式。一般情况下,应查阅有关资料,以丰富知识,开阔眼界, 从已掌握的知识和了解的各种电路中选
13、择一个合适的电路。如确实找不到性能指标完全满足要求的电路时,也可选用与设计要求比较接近的电路,然后调整电路参数。 在单元电路的设计中特别要注意保证各功能块协调一致地工作。,一般来说,计算参数应注意以下几点: (1) 各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许的范围内,留有适当的裕量。 (2) 对于环境温度、交流电网电压等工作条件,计算参数时应按最不利的情况考虑。 (3) 涉及元器件的极限参数必须留有足够的裕量,一般按1.5倍左右考虑。例如,如果实际电路中三极管UCE0的最大值为20V,那么挑选三极管时应按UCE0 30V考虑。 (4) 电阻值尽可能选在1M范围内,最大一般不应超过10M ,
14、其数值应在常用电阻标称值系列之内,并根据具体情况正确选择电阻的品种。 (5) 非电解电容尽可能在100pF0.1f范围内选择,其数值应在常用电容器标称值系列之内,并根据具体情况正确选择电容的品种。(电源滤波电容最好选择胆电容) (6) 在保证电路性能的前提下,尽可能设法降低成本,减少器件品种,减少元器件的功耗和减小体积,为安装调试创造有利条件。 (7) 有些参数很难用公式计算确定,需要设计者具备一定的实际经验。如确实无法确定,个别参数可待仿真时再确定。,3.参数计算,仿真具有下列优越之处:(PSPICE、MULTISIM) (1)对电路中只能依据经验来确定的元器件参数,用电路仿真的方法很容易确
15、定,而且电路的参数容易调整。 (2)由于设计的电路中可能存在错误,或者在搭接电路时出错,可能损坏元器件,或者在调试中损坏仪器,从而造成经济损失。而电路仿真中也会损坏元器件或仪器,但不会造成经济损失。 (3)电路仿真不受工作场地、仪器设备、元器件品种、数量的限制。 对于电路中关键部分或采用新技术、新电路、新器件的部分,一定要进行实验调试 仿真和实验要完成以下任务: 检查各元器件的性能、参数、质量能否满足设计要求。 检查各单元电路的功能和指标是否达到设计要求。 检查各个接口电路是否起到应有的作用。 把各单元电路组合起来,检查总体电路的功能、性能是否最佳。,4.仿真和调试,调试非常重要,经常遇到电路
16、焊接完成后,不会调试,最终使电路达不到最佳性能的同胞们,,5.元器件的选择 选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面来考虑。 所谓“需要什么”是指根据具体问题的要求所选择的方案需要什么样的元器件,即每个元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标。 所谓“有什么”是指有哪些元器件,哪些在市场上能买得到,它们的性能如何、价格如何、体积多大等。众所周知,电子元器件的种类繁多,而且不断出现新产品,这就需要用户经常关心元器件的新信息和新动向,多查资料。大量了解各种元器件特性、规格、参数、价格。一般优先选用集成电路。 建议:在保证电路性能的前提下,尽量选用常见的、通用性好的、价格相对 低廉、手头有的或
17、容易买到的。,一般优先选用集成电路 集成电路的广泛应用(特别是数字电路、稳压电路)(,不仅减少了电子设备的体积和成本,提高了可靠性,使安装调试和维修变得比较简单,而且大大简化了电子电路的设计。 但是,并不是采用集成电路就一定比采用分立元器件好,有时功能相当简单的电路,只要用一只二极管或三极管就能解决问题,若采用集成电路反而会使问题复杂化,而且增加成本。但在一般情况下,应优选集成电路,必要时可画出两种电路,进行比较。,一切从实际需求出发,将分离元件与集成电路巧妙地结合起来,而且尽量应用集成电路,以使系统简化,体积小,可靠性提高。,怎样选择集成电路: “先粗后细”: 粗即功能、细既性能指标查资料、
18、手册,很多赛题以单片机或FPGA系统为核心进行设计,主要功能由单片机或FPGA系统完成,如: 测量类的“简易逻辑分析仪”、“数字式工频有效值多用表”等; 数据采集类的“数字化语音存储与回放系统”、“多路数据采集系统”等; 控制类的“悬挂运动控制系统”、 “简易智能电动车”等。 电源类的“简易数控直流电源设计”、“数控直流电流源设计”等。,在这类赛题中,单片机或FPGA系统完成的主要功能有: 信号的采集、输入控制; 信号的存储、运算、分析、判断; 信号的输出控制; 人机交互功能; 多机通讯功能等。,有些赛题需要单片机系统与专用芯片或可编程器件结合,完成设计要求,如: 信号源类的“正弦信号发生器设
19、计”、“实用信号源设计”等,如AD9850,AD9852,MAX038; 无线电类的“调频收音机设计”、“单工无线呼叫系统设计”等; 测量类的“简易数字储存示波器”、 “简易数字频率计”等。 电源类的“三相正弦波变频电源设计”、“开关稳压电源”等。,在这类赛题中,单片机系统完成的主要功能有: 信号的输入、输出辅助控制; 信号的存储; 人机交互功能; 多机通讯功能等; 信号的处理过程由专用芯片或可编程器件完成。,还有少量的赛题单片机系统仅起一个辅助作用,主要功能由纯硬件电路完成,如: 放大器类的“测量放大器设计”、 “实用低频功率放大器设计”等。,在这类赛题中,单片机系统完成的主要功能有: 信号
20、的辅助控制; 人机交互功能; 主要功能由纯硬件电路完成。,这类题目中,在选择元器件,尤其是运算放大器时必须充分考虑带宽、输入失调电压、转换速率、输入电压范围,软件,一、常用电子电路元、器件:,电阻器、电容器、电感线圈、 变压器、二极管、三极管、 晶闸管(可控硅)、光电耦合器、 晶振、显示器件、霍尔元件等,(一)电阻器:,1、类型: 材料:碳膜、金属膜、线绕电阻器; 结构:固定、可变和敏感电阻器(压敏和热敏);,2、符号、型号识别: 外形:圆柱、片状(LL)电阻 型号:色环法(柱状,4、5环)、数字直标法(片状,3位数字、2位+R),3、主要性能参数: 标称阻值和允许误差、额定功率、温度系数、
21、电压系数、最大工作电压等,R=4710210% 4.7k10%,R=1001021% 10k1%,用3位数码表示电阻器的标称值。例:152表示在15后面加2个“0”,,即R=1500=1.5k。,多用于贴片电阻,电阻器体积与功率的关系,电阻器额定功率系列,电路中的用途:,限流、降压、 过载保护、自动控制等,4、选用和应用时注意的问题:, 按用途选择电阻器的种类。, 在一般档次的电子产品中,选用碳膜电阻器就可满足要求;对于环境较恶劣的场所或精密仪器中,应选用金属膜电阻器。, 正确选取阻值和允许误差。 为保证电阻器可靠耐用,其额定功率应是实际功率的23倍。 电阻器安装前,应将引线处理一下,以保证焊
22、接可靠。高频电路中电阻器引线不宜长,以减小分布参数的影响;小型电阻器的引线不宜短,一般在5mm以上。 使用电阻器时,应注意电阻器两端所承受的最高工作电压。 电阻器的绝缘性能要良好,不能有脱漆现象等。,电位器用来进行阻值、电位的调节 。 收录机控制音调、音量 电视机调节亮度、对比度等,(二)电容器,2.容量:,3.用途:,隔直、旁路、耦合、滤波、调谐、储能等,4.选择:,1.参数:,容量(F, nF ,pF)、工作电压、绝缘电阻,直标法、文字符号法(2p2=2.2 pF)、 数字法(pF,3位数字表示,103=10103pF=0.01F )、 色标法(同电阻的色环法,pF) 误差:D=+0.5%
23、,F =+1%, G =+2%, J =+5%, K =+10.%, M =+20%,额定使用、设计余量、注意保护,5.测量和判断:,指针式万用表测量漏电阻和充放电能力;数字式直接测其容量。,d,5.电容器的检测 1.固定电容器的检测 (1)漏电电阻的测量: 用万用表的欧姆挡(R10K或R1K挡,视电容器的容量而定。测大容量的电容时,把量程放小,测小容量电容器时,把量程放大),把两表笔分别接触电容器的两引线脚,此时表针很快向顺时针方向摆动(R为零的方向摆动),然后逐渐退回到原来的无穷大位置,然后断开表笔,并将红、黑表笔对调,重复测量电容器,如表针仍按上述的方法摆动,说明电容器的漏电电阻很小,表
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