TI 杯（四川赛区四川赛区，，陕西赛区陕西赛区，，湖北赛区湖北赛区，，江苏赛区） 2009年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集
德州仪器半导体技术德州仪器半导体技术（（上海上海））有限公司大学计划部有限公司大学计划部
20092009--1212--8
电子设计大赛必备工具系列-
光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置
全国一等奖
西安电子科技大学 刘东林 何昊
郭世忠
摘要摘要 本设计利用锁相环倍频、
比较器过零触发和单片机DA 产生与输入信号同频同相且幅值可控的正弦波 ，作为DC-AC 电路的输入参考信号，其中DC-AC 电路采用D 类功放中自激反馈模型，利用负反馈的自激振荡产生SPWM 波，实现了输出波形的内环控制。单片机实时采集入口电压电流并计算，实现最大功率点的跟踪，完成了题目的要求。在30欧额定负载下，实测效率高达89%，失真度极低。频率相位均能实现小于1秒的快速跟踪，跟踪后相差小于0.9度，且具有欠压、过流保护及自恢复功能。 关键词：锁相环；DC-AC；MPPT 一、 方案论证与比较
DC DC--AC 逆变方案比较逆变方案比较：：
方案一：用DSP 或FPGA 产生SPWM 信号驱动半桥或全桥式DC-AC 变换器，经输出LC 滤波后得到逆变信号。此方案的缺点在于SPWM 控制为开环，在功率电源和负载变化时难以保证波形的失真度满足题目要求。
方案二：采用D 类功放中自振荡式模型的逆变拓扑，利用负反馈的高频自激产生所需的PWM 开关信号。此方案为闭环系统，在功率电源和负载变化时波形基本无失真，且硬件电路简单。因此本设计采用了方案二。 锁相锁频方案比较锁相锁频方案比较：：
方案一：用高速A/D 实时采集正弦参考信号Uref 和输出电压的反馈信号，两者进行比较，利用滞环比较控制算法控制主电路产生PWM 驱动信号，从而实现波形跟踪。此方案对单片机和A/D 的速度要求均比较高，系统软件开销很大。
方案二：利用锁相环的锁相锁频功能，将参考信号倍频，产生与其同步的时钟，以此时钟调整输入与输出的频相关系。此方案完全由硬件电路实现，简单方便，因此本设计采用方案二。
最大功率点跟踪方案比较最大功率点跟踪方案比较：：
方案一：采用经典MPPT 算法，对光伏阵列的输出电压电流连续采样，寻找/dP dU 为零的点，即为最大功率点。
方案二：使用模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)等现代MPPT 跟踪方法。这类算法的优点是对于非线性的光伏发电系统能够取得良好的控制效果，但控制方法复杂，系统开销很大，故未采用此方案。
在实际制作中，我们选用CD4046锁相环芯片，功率M O S管IR F540等性价比较高的器件，采用基于MSP430F169单片机的经典控制算法，较为出色地完成了各项指标要求。理论分析与参数计算
理论分析与参数计算
1.频率跟踪电路设计：
1.DC-AC电路
逆变器电路图
6 DC--AC逆变器电路图
图6 DC
由于负反馈在工频上是稳定的，因此输出的信号的放大倍数由R2与R4的分压比决定，而自振荡（产生的SPWM）频率可通过微调补偿网络中的电阻、电容值来调整,实际中综合考虑损耗和滤波电路的设计,选定频率约为28KH z左右，保证输出电压在功率电源HV DC范围内，比例放大系数选为12。
这种逆变器自身闭环，整个电路只使用一个比较器，可以根据负载的变化自动调整SPWM 的占空比，使输入输出电压始终成比例关系。
在本设计中，使用两个上述的自振荡逆变器构成平衡桥式(Ba l a nce d Tr a n s for m er Le ss)DC-AC变换器，以LM393作逆变的比较器，配合自带死区的IR21094浮栅驱动器驱动IR F540功率N M O S管，获得了较高的效率和极低的失真度。
2.过流保护及自恢复电路
图7 7 过流保护电路过流保护电路
电流I 在采样电阻上产生的电压经过LM358放大10倍后与参考电压比较，超过则输出低电平，C 7经过二极管迅速放电，使#SD 信号被拉低，浮栅驱动器输出被关闭，向单片机报警。同时I 变小，运放1脚（如图7）输出高电平，+5V 经过R 17对C 7充电，经过一段时间达到浮栅驱动器的高电平门限时，再次打开场效应管。这样可以保证过流时迅速关断输出，关闭一段时间后自行试探，在故障消除后可自动恢复。 3.欠压报警指示，实时显示当前入口处d U 电压：
欠压时MPPT 算法将自动使输出为零，功率最小。单片机实时采集d U 电压后在液晶上显示，小于25V 时报警。 4.控制电路与控制程序
在功率电源入口处用470K:20K 金属膜电阻分压到合适电压后进行电压采样，电流则
由40毫欧电阻高端采样后经隔离差动放大器H CPL 7800放大后再由仪表放大器AD 620转换成单端电压，送给A/D 采样，其中H CPL 7800和AD 620带有48倍的增益，将电压放大到2V 左右，保证采样电流有足够的精度。
功率最大时有 /()//0dP dU d UI dU IdU dU =+=，可得UdI IdU =?，令
((1)())I UdI U I k I k ?==+?, (()(1))U IdU I U k U k ?=?=?+，则当I U ?=?时认
为达到最大功率点。
图8 8 经典控制算法流程经典控制算法流程经典控制算法流程
三、测试仪器
数字示波器 TDS1002 ；4位半数字万用表 V C9807A + ；20M 数字信号源 RI G O L DG1022；
双路可跟踪直流稳定电源 HY 1711； 四、测试方法与数据、结果分析
测试框图：
图9 9 测试流程测试流程测试流程
测试方法测试方法：：
1.最大功率点跟踪功能：在60V 输入电压情况下，根据表1改变S R 与L R （30-36欧），记录电压表2与电压表1的示数。
2.频率相位跟踪功能：根据表2改变输入信号Uref 从45H z 至55H z 步进，从示波器观察频率跟踪的速度和输出电压的频率，以及两者的相位差，记录在表2中。
3.效率：额定S R =L R =30欧时，记录电压表1、2，电流表1、2的示数，效率 ＝
/o o i i U I U I ××。
4.失真度：用示波器FFT 观察显示波形，记录基波和各次谐波的幅度。 测试数据测试数据：：
1、
R S （?）
R L （?）
U S （V ）
d U （V ）
偏差(v) 30 30 60 30.1 0.1 30 35.1 60 30.12 0.12 35.1 30 60 30.16 0.16 35.1
35.1
60
30.18
0.18
表表1 1 最大功率点跟踪最大功率点跟踪最大功率点跟踪 2、
REF f
F f
相差（度）
45 44.99 0.9 47 47 0.9 50 50 0.9 52 52 0.9 55
55
0.9
表2 2 频率相位跟踪频率相位跟踪频率相位跟踪 3、
d U （V ）
I d （A ） U O （V ） I O （A ）
30.12
1.03 13.81
2.02
表表3 DC 3 DC--AC 变换器效率变换器效率
计算效率得 ：100%100%89.9193%o o o in in in
P U I
P U I η×=
×=×=× 4、 输出过流保护和自恢复功能：将输出短路，电路进入过流保护，指示灯亮，液晶
屏显示报警，除去短路后报警消失，电路恢复正常。
5、 输入欠压保护和自恢复功能：调节输入电压U s ，当电压表2显示电压低于25V 时液晶屏显示报警。再提高电源电压，报警消失，电路重新正常工作。 五、 总结
本设计采用更少元件、更低成本的模拟方案实现频率相位跟踪、DC-AC 逆变、欠压、过流自恢复保护等功能，通过精巧的模拟电路设计，在频相跟踪、波形失真度、变换效率等方面远远超过指标要求，并且大大缓解了数字部分的逻辑负担。设计中所选的器件均具有相当高的性价比，如MSP 430F169微控制器，IR F 540功率管，IR21094浮栅驱动器，对比传统的DSP 光伏逆变方案，本作品更经济简洁，实用性更强。
参考文献
[1] 赵争鸣,刘建政等.太阳能光伏发电及其应用.北京:科学出版社,2008. [2] 孙肖子，邓建国，陈南等.电子设计指南.北京:高等教育出版社，2006.
[3] 谢楷,赵建.MSP 430系列单片机系统工程设计与实践.北京:机械工业出版社,2009.
附录一附录一
图1 自振荡D 类放大器电路仿真原理图
图2 2 自振荡自振荡D 类放大器电路仿真波形
光伏并网发电模拟装置
光伏并网发电模拟装置
全国一等奖
南京航空航天大学崔益军康传华张京雷
摘要该设计装置模拟光伏并网发电，主要由主电路、控制电路、采样调理电路、驱动保护电路、辅助电源以及显示电路等六部分组成。逆变器控制采用混合脉宽调制（HPWM）方式，很好地降低了开关损耗。系统的数字处理模块采用了具有高处理速度、低功耗的芯片TMS320F2812。采用P I控制策略进行逆变系统的控制，参数设置简单，易整定。系统能够实现最大功率点的跟踪，具有欠压保护、过流保护以及相位跟踪等功能，并在过流、欠压故障排除后能自动恢复正常状态。DC-AC变换效率高达88%，失真度只有3%。
一、方案论证
1.逆变器主电路拓扑结构的选择
半桥电路（图1）结构简单，但直流电压利用率低，桥臂输出波形谐波含量大，需要高的开关频率和大的滤波器，且只适用于中小容量的场合。
全桥电路结构（图2）相对复杂，但控制灵活，且输出电压是半桥电路的两倍。开关管所承受的电压、电流应力均相对较低，且控制方式灵活。此外全桥逆变电路由于桥臂输出电压存在零电压的续流状态，可实现倍频，在较低的开关频率下，可以获得更好的谐波控制。
。
图3 总体电路框图
软件算法包括并网算法（采用P I 调节）、MPPT （实现最大功率点跟踪功能）、驱动电路算法（开关功率放大作用），以及软件保护算法（过流、欠压保护功能）。 二、理论分析与计算理论分析与计算
图5 输出电压频率捕获电路
3.提高效率的方法
提高转化效率的重要途径是在电路设计中减少损耗。设计中发现，双极性控制的正弦脉宽调制（bipolar PWM ）跟单极性控制的正弦脉宽调制（unipolar PWM ），其功率管均以较高的开关频率工作。虽然得到了较理想的输出正弦电压波形，但频率越高，损耗越高。
为了很好地将频率和损耗综合考虑，我们采用HPWM （hybrid PWM ）控制。它仍然属于单极性控制方式，不同的是，工作时总是一个桥臂的两只功率管工作在高频，而另一个桥臂的两只功率管工作在低频。两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压波形；另外两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而很大程度减小了开关损耗，进而提高了效率。 4.滤波参数计算
为了保证滤波器的滤波效果，必须保证滤波器的转折频率远远大于基波频率，通常取滤波器的转折频率为基波频率5～10倍，开关频率也为转折频率的5～10倍。确定了滤波器的转折频率之后，只要在确定电感或电容的大小就能确定滤波器的参数。 输出滤波电容的选取
本设计中输出交流电压的频率为0f 为50H z，逆变器的开关频率为25KH z，滤波器的转折频率一般取为(5～10) 0f ，输出滤波电容f C 用来滤除输出电压0u 的高次谐波。为了减少输出功率的无功分量，一般选取cf I ≤0.2max o I 为宜，其中max o I 为满载时的输出电流。
max 2o I A
=
因此滤波电容f C 值应满足下式：
max
0.22o f o o
I C f U π≤
由上式计算可得，输出低通滤波器的电容f C 值取小于90uF 。
输出滤波电感的选取
由上述分析的滤波器的转折频率为基波频率5～10倍，并在确定输出滤波电容的基础上，可以选择输出滤波电感L f 的值：
21
(2)f o f
L Nf C π=
其中，N 代表转折频率的倍数，一般取5～10。这里取N=10，综合电感体积等因素，确定电感f L 值约为2mH 。经SA BER 仿真和调试最终确定该输出低通滤波器的电容f C 值为40uF ，电感f L 值为300uH 。
三、电路与程序设计
1.DC-AC 主回路与器件选择
主回路的核心芯片选择为T I 公司的TMS320F 2812，其工作频率可至150M H z，内建16路12.5MSPS 的12位ADC 和分辨率细至150p S 的16路HR PWM 模块，非常适合用作数字电源，电机控制等需要闭环控制和数字信号处理的场合，同时其内建的SP I,I2C ,CA N 接口也非常方便我们与外部器件通信。开关功率管选择为IR F 740A。
2.P I 控制算法
该设计中采用数字P I 调节器进行同频同相的跟踪控制。它是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：
)()()(t c t r t e ?=
将偏差的比例（P ）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象（频率或者相位）进行控制，其控制规律为：
]
)(1
)([)(0
∫+
=t
I
p dt t e T t e K t u
其中u(t)为P I 控制器的输出，e(t)为P I 调节器的输入，Kp 为比例系数，Ti 为积分时间常数。简单说来，P I 控制器各校正环节的作用如下：
比例环节：即成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着Kp 值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当Kp 增加到一定程度，系统会变得不稳定。
积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积 分常数Ti ，Ti 越大，积分作用越弱，反之越强。通常在Kp 不变的情况下，Ti 越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。 3.保护电路
硬件保护电路是交直流电源的重要组成部分，本逆变器系统主要由输入欠压保护、输出过流保护组成。其基本原理类似，都是通过采样电路采样相应的信号量，在进行幅值上的衰减后与设定的阈值比较，超过此电压阈值就保护。具体保护电路如图6和图7所示，前一级对信号进行衰减，然后通过二极管检波电路，取得信号的峰值，与相应的阈值比较，产生保护信号。
图6 输出电流保护电路
图7 输入电压保护电路
四、测试方案与测试结果 1.测试方案及测试条件 （1)测试仪器： 直流稳压电源（DF1731SD 2A ）、数字万用表（DT9202）、数字示波器（DS1052E） (2)测试主要方案：
最大功率点跟踪的测试：改变电源内阻以及负载，用万用表分别测试DC-AC 的输入端和
电源输出端电压，记录读数，计算是否满足MPPT。 频率跟踪和相位跟踪的测试：双踪示波器的两个通道分别接参考信号和输出信号，对参
考信号进行调节(45Hz ~55Hz )，利用数字示波器读出各个频率点的输出频率，与输入进行比较；相位通过直接观察比较两路输入的波形。
DC-AC 变换器效率和失真度的测试：这一测试环节需要两个万用表和双踪示波器，万用
表串接入DC-AC 的变换前后，测得I d 和I 01，注意后者是交流电。从示波器读出U d 和U 01，计算得到变换效率。 2.主要测试结果
表1 最大功率点跟踪相对偏差（绝对值） 序号 R S /Ω
R L /Ω
U S /V
U d /V
变换效率 输出失真度 1 ?30 ?36 60.0 30.1 0.84 3.2% 2 ?36 ?36 60.0 30.2 0.85 3.5% 3
?30
?30
60.0
29.9
0.86
3.4%
表2 频率跟踪相对偏差 （f REF ：45Hz~55Hz ）
序号 f REF/Hz f F/Hz |相对偏差|
1 49.40 49.80 0.8%
245.3745.21 0.35%
3 54.8254.950.24% 3.测试结果分析
由表1、表2测试结果可见，基本要求以及发挥部分均达到所需指标：
1）具有最大功率点跟踪功能，在各种负载情况下U d均稳定在30V左右。
2）具有频率跟踪功能，相对误差<0.8%。实际跟踪范围超过45H Z-55H Z。
3）在各种负载情况下，DC-AC变换效率超过80%，最高达88%。
4）输出失真度在3%附近。
5）具有欠压保护和过流保护功能，且在故障排除后能自动恢复正常状态。
6）具有相位跟踪能力，在各种负载情况下，偏差小于3°。
7）系统具有液晶显示功能。
8）为模拟实际电网电压畸变的情况，本系统可在输入正弦参考信号畸变（例如输入方波信号）的情况下正常工作。
宽带直流放大器设计报告
宽带直流放大器设计报告
全国特等奖
陈虹佐、、袁德生
沈军、、陈虹佐
电子科技大学沈军
摘要：：本系统创造性地采用可控增益放大器AD603和宽带低噪声运放OPA2846结合的方式，摘要
通过继电器切换放大通路，很好地实现题目0～60dB可调增益的要求。加入自动直流偏移调零模块，最大限度地减小了整个放大器的直流偏移。放大器带宽可预置并显示，经测试，大部分指标达到或超过题目发挥部分要求。
关键词：：宽带放大器，可控增益，功率放大，自动调零
关键词
一．系统方案论证：
经过仔细地分析和论证，我们认为此次宽带直流放大器可分为可控增益放大，固定增益放大，程控滤波，功率放大，自动直流偏移调零这几个模块。
1.1可变增益电路方案论证和选择
可控增益芯片型号众多，本队在平时训练过程中常用AD603,故由单片机通过控制D/A 输出直流电压来控制AD603实现增益调节。其外围元件少，电路简单。
1.2固定增益电路方案论证
采用低噪声宽带电压反馈运放OPA2846对信号进行30DB的放大。
1.3低通滤波器方案论证
结合题目要求，低通滤波器采用无源LC滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。无源LC滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗。为了使通带尽量平坦，选用了通带比较平坦的巴特沃斯滤波器。同时在滤波器后加入固定增益放大器，弥补信号通过滤波器时幅度的衰减。
1.4功率放大器方案论证和选择
方案一：采用晶体管单端推挽放大电路。为获得较低的通频带下限频率，可用直接耦合方式，但是涉及到的计算量大，调试繁琐，不易实现，并且若要得到较高的输出电压，输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功耗很大，不满足题目低功耗，低成本的要求。功率管损坏的可能性也比较大，不满足题目对放大器稳定性的要求。使用晶体管也不易控制其零点漂移。
方案二：采用单片集成宽带运算放大器。提供较高的输出电压,再通过并联运放的方式扩流输出,以满足负载要求.该方案电路较简单,容易调试,易于控制零点漂移，故采用本方案。示意图如下所示：
幅度及功
率放大2
图1 功放示意图
由于AD603输出最大有30mv的直流漂移，为了尽量减小直流电压漂移，应尽量减少放大电路所用AD603的数量，但同时又要满足题目要求的0－40DB增益连续可调，0－60DB
增益程控步进可调的要求，我们采用可变增益放大和固定增益放大结合的方式，在不影响可控增益指标要求的前提下，最大限度地减小直流漂移。
我们最终确定的系统详细方框图如下：
二．理论分析与计算
2.1带宽增益积
按照题目发挥部分的要求，信号通频带为0～10MHz，最大电压增益A V≥60dB，则增
益带宽积为：10M×10^(60/20)=10 GHz，
我们采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过60DB。
2.2通频带内增益起伏控制
对于通频带增益起伏的控制，我们设置放大器的频率范围从DC到超过10M，因此在10M 通频带内增益平坦。另外，选择通带最平坦的巴特沃兹滤波器来预置带宽。我们设计并制作了3dB带宽5M和3dB带宽10M的巴特沃兹滤波器，使得放大器在两个预置频率范围内增益平坦。
AD603的增益误差在90M的通带内小于±0.5DB，OPA2846在100M以下频带范围内增益起伏小于0.1DB，THS3091在±5V电源供电时，在增益为2倍，65M通频带内增益起伏小于0.1DB，THS3092具有50M带宽的0.1DB增益平坦度，均满足题目指标要求。
2.3线性相位
线性相位即输入信号通过系统后产生的相位延迟随频率成线性变化。信号的相位随频率的变化会因放大器内部的电抗元件而失真。这种’线性’失真称作相位线性度，可通过矢量网络分析仪在放大器的整个工作频率范围内而测得，本队在调试过程中使用示波器对系统的相位线性度进行观察和测试。系统相位线性度的标准尺度就是“组延迟”，其定义为： 完全理想的线性相位滤波器对于一定频率范围的组延迟是一个常数。可以看到，如果滤波器是对称或者反对称的，就可以实现线性相位，如果频率响应F（w）是一个纯实或者纯虚函数，就可以实现固定的组延迟。
2.4抑制直流零点漂移
放大器输入为零时，输出出现的电压称为输出的偏置电压。偏置随时间，温度，电源电压等一起变化的情况称为零点漂移。这是表现放大器特性的重要性质。
抑制零点漂移，我们分为控制和补偿两个部分完成。由于AD603本身零点漂移较大，
最大能达到30mV ，故应尽量减少使用AD603的数量。在增益控制中，我们创造性地采用一片AD603可变增益放大与OPA2846固定增益放大配合，通过继电器切换选择信号放大通路实现题目0－60DB 增益可调的要求。OPA2846的输入偏置电压仅为0.15mV,THS3091和THS3092在±5V 供电时输入偏置电压仅为0.3mV 。另外，在AD603输出端引入自动零偏调零回路，即在可变增益放大级输出加入低通滤波器滤出直流偏移，送入AD ，AD 输出送MCU 处理，再通过DA 输出与该偏移电压对应的反相补偿电压送回输入端进行补偿，从而最大限度地抑制了放大器地直流零点漂移。 2.5放大器稳定性
系统的稳定性取决于系统的相位裕量。相位裕量是指放大器开环增益为0dB 时的相位与180 ° 的差值。放大器一般会有自激的问题，有的情况是由于在放大器的相移为180度时，其增益仍然大于1，这种情况可以在反馈环路中增加零点来做相位补偿。总体来说，自激振荡是由于信号在通过运放及反馈回路的过程中产生了附加相移，用A ??表示低频段的附加相移，F ??表示高频段的附加相移，当输入某一信号频率为0f ，使A F N ??+??=π（N 为奇数），反馈量使输入量增大，电路产生正反馈。
由于本系统中的反馈均为运放单级反馈，故应注意使每级运放自身产生的附加相移小于1800。在电路调试过程中，对于电压反馈型运放OPA2846，AD603,我们可以人为地引入电阻，电容，他们在0f 处产生的附加相移为B ??，若使得B F A N ??+??+??≠π（N 为奇数），则自激振荡得以消除。对于高速，宽带的电流反馈型运放THS3091，THS3092,我们特别注意了走线布局，如反馈环一定要走最短路线，因为长的线也会引起更大的附加相移；计算选择了合适的反馈电阻阻值，使其不因阻值太大而产生更大的分部电容，导致更大的附加相移；也不因阻值太大而降低放大器的带宽。 三．电路与程序设计 3.1第一级放大电路设计
第一级放大电路包含可变增益放大模块及固定增益放大模块。设计AD603可变增益范围为－10～30DB ，由于AD603的输入电阻为100欧，故当继电器切换选择－10～30DB 可变增益放大时，接入的电阻为100欧。采用单片机程控DA 输出电压控制AD603的电压增益，同时可手动按键预设电压增益。设计OPA2846的增益为30DB ，电路如系统框图所示，当继电器选择下方导线通路时，放大器中没有接入固定增益模块，增益范围为－10到30DB 连续可调；当继电器选择上方OPA2846放大器模块时，增益范围20DB 到60DB 连续可调，远远超过题目对增益指标的要求。 3.2第二级放大电路设计
第二级放大电路包含可切换滤波器模块及功率放大模块。为满足题目对放大器带宽可预置的要求，第二级放大电路加入5M 和10M 两个LC 低通滤波器，亦用继电器选择切换滤波器。为获得放大器通频带内最平坦的幅频特性曲线，使用滤波器设计软件Multism 设计并制作了三阶巴特沃斯5M 低通滤波器及5阶巴特沃斯10M 无源LC 低通滤波器。测试表明信号经过滤波器后会衰减为原来的
1
2
，故在滤波器后加入由THS3091搭建的4倍增益放大器，使信号恢复原来的幅度之后再送入功率放大电路。
图2 低通滤波器设计
信号经THS3091放大4倍输出后接缓冲，以推动后级功放。为获得10V有效值及大电流输出，我们采用两路THS3092并联扩流的方式搭建功率放大模块。设置增益为5倍。该模块可同时对信号幅度和功率进行放大。
图3 功放原理图
3.3抑制零漂电路设计
由于AD603最大有30mV的输出漂移，因此在电路设计时我们必须要对其直流漂移进行调零处理，以免影响直流信号的放大。如图4所示，我们在第二级放大电路之后，缓冲器之前加入连接第一级信号输入端的反馈回路，经AD采集并经单片机处理，测出当输入电压为零时，输出端存在的直流漂移电压，再由DA输出与漂移电压大小成比例，极性相反的电压反馈回信号输入端，以调节输入端的零偏。此处我们选择TI公司的TLV5616作为调零用DA。
图4 输出端直流漂移调零模块AD采样前端电路
3.4各级电源设计
采用自制±5V电源为前级AD603可变增益放大及OPA2846固定增益放大器供电；为满足10V有效电压的输出，采用自制±18V电源为后级功率放大电路，主要是THS3902并联功率放大电路供电；采用±5V电源为MCU,光耦及继电器等供电。±5V，±18V电源均由
线性稳压块7805，7905，7818，7918搭建。电源模块原理图见附图1。
3.5主控制器选择
选用8051单片机对系统进行控制。单片机主要完成以下功能：1.接收用户的按键信息，对放大器增益及带宽进行预制和控制，并将增益和带宽信息显示在1602液晶屏幕上。2.对AD采集回来的无输入信号时放大器输出的直流漂移电压数据进行处理，再控制DA输出大小相同，极性相反的补偿电压反馈回输入级。3.接收用户按键信息，切换选择5M或10M的低通滤波器模式。
3.6抗干扰处理
我们在实际制作中采用下述方法减少干扰，避免自激：
1．将输入部分和增益控制部分加入屏蔽盒中，以避免级间干扰和高频自激。2．将整个运放用很宽的地线包围，以吸收高频信号，减少噪声，在增益控制部分和后级功率放大部分也都采用了此方法。在功率放大级，这种方法可以有效地避免高频辐射。3. 各模块之间采用同轴电缆连接。4.采用光耦隔离数字电路和模拟电路。
3.7程序设计
使用51单片机作为整个系统的控制核心，启动后系统自动读取上次关机前存入FLASH 的直流偏置调零控制信息，从而自动设置当前直流偏移补偿电压。此后单片机可接收用户按键信息使系统实现预置增益，带宽并显示的功能。单片机同时控制AD采集此时直流偏置信息并将该信息存入FLASH供下次开机时使用。
四．系统测试
4.1 放大器的基本性能测试
测试方法：用函数发生器产生频率1MHZ，有效值分别为2.5mv, 10mv,100mv, 1V, 3.5V正弦波送入进行测量。测试条件：空载。
测试表格1
输入信号有效值预置增益输出信号有
效值
直流偏移波形质量增益误差
2.5mv 70DB 7.50V -1.4~-1.3V 无明显失真 5.1%
10mv 60DB 10.10V <20mv 无失真 1.0%
100mv 40DB 9.93V -30~-40mv 无失真0.7%
1V 20DB 9.99V 90mv~100mv 无失真0.1%
3.5V 0DB 3.58V 90mv~100mv 无失真 2.3%
测试结果分析：又数据可以看出，信号增益程控可调，最大增益，最小输入信号幅度均达到题目发挥部分指标要求。最大输出电压正弦波有效值V o≥10V，输出信号波形无明显失真。
4.2噪声测试
题目要求在A V＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值V ONPP≤0.3V，故对放大器进行噪声测试。测试方法：增益预置60DB，示波器输入端加50欧电阻匹配到地，用示波器测量输出端噪声。测得噪声幅值为800～900mv。我们还另外测试了增益为55DB时的噪声，幅
度为30～40mv。测试结果表明放大器可在一定的增益时满足题目对噪声的指标要求。
4.3通频带测试
4.3.15M通频带测试
测试方法：输入有效值为1V的正弦波信号，增益预置为20DB。用函数发生器产生多个单频点的方式，用示波器观测输出信号的峰峰值。
4.3.2 10M通频带测试
测试方法同上。
测试表格2
5M通频带测试10M通频带测试(5M V PP 29.6V)
1M V PP 28.4V 6M V PP 30.2V
2M V PP 28.56V 7M V PP 30.4V
3M V PP 28.8V 8M V PP 30.8V
4M V PP 27.6V 9M V PP29.6V
5M V PP 22.8V 10M V PP 22.6V 测试结果分析：通频带与题目要求的指标相比略微后延，表明放大器在预置增益的条件下带宽大于指标要求。
另外，我们的系统在输入信号为2.5mV时，预置增益为70DB，满足了题目发挥部分要求的进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。
五．总结
本系统由前置20DB衰减器，可变增益放大，固定增益放大，功率放大，单片机控制和显示模块及自动直流偏移调零等模块组成。第一级可变增益放大模块采用可变增益放大器AD603实现从－10到30DB可变增益放大；第二级固定增益放大模块采用宽带运放OPA2846实现30DB的固定增益放大，通过继电器对不同信号放大通路的切换选择，使两级放大电路配合实现0－60DB连续可调的放大。本放大器含有可程控选择的5M,10M两个LC低通滤波器以实现放大器的带宽预置；第三级功率放大采用两路THS3902并联配扩流的方式分别对信号进行功率放大，再进行功率合成，从而实现题目要求的10V有效值输出。本设计对压控增益器件和宽带高速运放进行合理的级联和匹配，同时加入自动直流偏移调零电路，全面提高了系统增益带宽积，增强了稳定性，抑制了直流零点漂移。
全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程——基本技能训练与单元电路设计》 内容简介 本书是全国大学生电子设计竞赛培训系列教程之一——《基本技能训练与单元电路设计》分册。全书共7章，主要介绍了“全国大学生电子设计竞赛”的基本情况、设计竞赛命题原则及要求、历届考题的类型、考题所涉及的知识面和知识点、竞赛培训流程，以及赛前、竞赛期间的注意事项等内容；并较详细地讲解了电子竞赛制作的基础训练、单片机最小系统和可编程逻辑器件系统设计制作；最后介绍了单元电路的工作原理、设计与制作。 本书内容丰富实用，叙述简洁清晰，工程性强，可作为高等学校电子信息科学与工程类专业、电气工程及自动控制类专业的大学生参加“全国大学生电子设计制作竞赛”的培训教材，也可作为各类电子制作、详程设计、毕业设计的教学参考书，以及电子工程技术工程师的参考书。 前言 全国大学生电子设计竞赛是由教育部高等教育司、信息产业部人事司共同主办的面向大学生、大专生的群众性科技活动，目的在于推动普通高等学校的信息电子类学科面向21世纪的课程体系和课程内容改革，引导高等学校在教学中培养大学生的创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，加强学生工程实践能力的训练和培养，鼓励广大学生踊跃参加课外活动，把主要精力吸引到学习和能力培养上来，促进高等学校形成良好的学习风气，同时也为优秀人才脱颖而出创造条件。 全国大学生电子设计竞赛自1994年至今已成功举办了七届。深受全国大学生的欢迎和喜爱，参赛学校、队和学生逐年递增。全国大学生电子设计竞赛组委会为了组织好这项竞赛事，编写了电子设计竞赛获奖作品选编，深受参赛队员的喜爱。有许多参赛队员和辅导教师反映，若能编写一部从基本技能训练、单元电路设计直至综合设计系列教程，那将是锦上添花。2006年北京理工大学罗伟雄教授在湖南指导工作时也曾提出这个设想。当时就得到了国防科技大学的领导和教员响应。立即组建了“全国大学生电子设计竞赛培训系列教程编写委员会”。并组织了几十名教员和曾经获得全国大学生电子设计竞赛大奖的在校研究生和博士生对历届的考题(约43题)重新设计制作一次。为这个系列教程编写奠定了理论和实践的基础。 本系列教程分为五个分册，共23章。第一分册为《基本技能训练与单元电路设计》；第二分册为《模拟电子线路设计》；第三分册为《高频电子线路设计》；第四分册为《电子仪器仪表设计》；第五分册为《数字电路与自控系统设计》。 第一分册《基本技能训练与单元电路设计》，又称基础分册，共有7章(第1～7章)。主要介绍了全国大学生电子设计竞赛基本情况，命题原则及要求，竞赛题所涉及的知识面与知识点；全国大学生电子设计竞赛流程；电子设计竞赛制作基本训练；单片机最小系统设计制作；可编程逻辑器件系统设计制作；电子系统设计的基本方法及步骤；常用中小规模集成电路的应用设计课题。 第二分册《模拟电子线路设计》，共有3章(第8～10章)。主要介绍了交直流、稳压电源设计、放大器设计及信号源设计。
电子竞赛中作品设计的一般步骤
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6.2 电子竞赛作品设计制作步骤 与一般的电子产品设计制作不同的是，电子设计竞赛作品设计制作一方面需要遵守电子产品设计制作的一般规律，另一方面要在限定时间、限定人数、限制设计制作条件、限制交流等情况下完成作品的设计制作，电子竞赛作品设计制作有自己的规律。电子竞赛作品设计制作大约需经过题目选择、系统方案论证、子系统、部件设计与制作、系统综合、调试与测量等步骤，最后完成作品和设计总结报告。 6.2.1 题目选择 全国大学生电子设计竞赛作品设计制作时间是4天3晚，3人一组。竞赛题目一般为5～6题，题目在竞赛开始时（第1天的8.00）开启。以2003年第6届为例共有6题：电压控制LC振荡器（A题）、宽带放大器（B题）、低频数字式相位测量仪（C题）、简易逻辑分析仪（D题）、简易智能电动车（E题）、液体点滴速度监控装置（F题）。 正确地选择竞赛题目是保证竞赛成功的关键。参赛队员应仔细阅读所有的竞赛题目，根据自己组3个队员的训练情况，选择相应的题目进行参赛制作。 选择题目按照如下原则进行： （1）明确设计任务，即“做什么？”。选择题目应注意题目中不应该有知识盲点，即要能够看懂题目要求。如果不能看懂题目要求，原则上该题目是不 可选择的。因为时间是非常紧张的，没有更多的时间让你去重新学习，另外根 据竞赛纪律，也不可以去请教老师。 （2）明确系统功能和指标，即“做到什么程度？”。注意题目中的设计要求一般分基本要求和发挥部分两部分，各占50分。应注意的是基本部分的各 项分值题目中是没有给出的，但在发挥部分往往会给出的各小项的分值。选择 时要仔细分析各项要求，综合两方面的要求，以取得较好的成绩。 （3）要确定是否具有完成该设计的元器件、最小系统、开发工具、测量仪器仪表等条件。 在没有对竞赛题目进行充分地分析之前，一定不能够进行设计。题目一旦选定，原则上是应保证不要中途更改。因为竞赛时间只有4天3晚，时间上不允许返工重来。 6.2.2 系统方案论证 题目选定后，需要考虑的问题是如何实现题目的各项要求，完成作品的制作，即需要
1994～2009全国大学生电子设计竞赛历届题目一览 第一届（1994年）全国大学生电子设计竞赛题目 题目一简易数控直流电源 题目二多路数据采集系统 第二届（1995年）全国大学生电子设计竞赛题目 题目一实用低频功率放大器 题目二实用信号源的设计和制作 题目三简易无线电遥控系统 题目四简易电阻、电容和电感测试仪 第三届（1997年）全国大学生电子设计竞赛题目 A题直流稳定电源 B题简易数字频率计 C题水温控制系统 D题调幅广播收音机* 第四届（1999年）全国大学生电子设计竞赛题目 A题测量放大器 B题数字式工频有效值多用表 C题频率特性测试仪 D题短波调频接收机 E题数字化语音存储与回放系统 第五届（2001年）全国大学生电子设计竞赛题目 A题波形发生器 B题简易数字存储示波器 C题自动往返电动小汽车 D题高效率音频功率放大器 E题数据采集与传输系统 F题调频收音机 第六届（2003年）全国大学生电子设计竞赛题目 电压控制LC振荡器（A题） 宽带放大器（B题） 低频数字式相位测量仪（C题） 简易逻辑分析仪（D题） 简易智能电动车（E题） 液体点滴速度监控装置（F题） 第七届（2005年）全国大学生电子设计竞赛题目 正弦信号发生器（A题） 集成运放参数测试仪（B题） 简易频谱分析仪（C题）
单工无线呼叫系统（D题） 悬挂运动控制系统（E题） 数控直流电流源（F题） 三相正弦波变频电源（G题） 第八届（2007年）全国大学生电子设计竞赛题目音频信号分析仪（A题）【本科组】 无线识别装置（B题）【本科组】 数字示波器（C题）【本科组】 程控滤波器（D题）【本科组】 开关稳压电源（E题）【本科组】 电动车跷跷板（F题）【本科组】 积分式直流数字电压表（G题）【高职高专组】 信号发生器（H题）【高职高专组】 可控放大器（I题）【高职高专组】 电动车跷跷板（J题）【高职高专组】 第九届（2009年）全国大学生电子设计竞赛题目光伏并网发电模拟装置（A题）【本科组】 声音导引系统(B题)【本科组】 宽带直流放大器（C题）【本科组】 无线环境监测模拟装置（D题）【本科组】 电能收集充电器（E题）【本科组】 数字幅频均衡功率放大器（F题）【本科组】 低频功率放大器（G题）【高职高专组】 LED点阵书写显示屏（H题）【高职高专组】
2011年全国大学生电子设计竞赛 设计报告 开关电源模块并联供电系统（A题）
2011年全国大学生电子设计竞赛设计报告 开关电源模块并联供电系统（A题） 摘要 本次设计的开关电源模块并联供电系统由两个LM2596进行DC/DC变换，用8051单片机作主控芯片。输入DC 24V，输出DC 8.0V，额定输出功率为32W，采用对等互补均流方式进行电流自动分配输出，具有过流和短路保护功能，系统转换效率达到70%以上。 关键词：DC/DC变换，并联供电系统，开关电源 Abstract The design of the switching power supply module consists of two LM2596 in parallel power supply system for DC / DC converter, with 8051 as main chip. Input DC 24V, output DC 8.0V, the rated output power of 32W, the application of the complementary stream are automatically assigned to the current output, with over-current and short circuit protection, system conversion efficiency of 70%. Keywords: DC / DC converter, parallel power supply systems, power
2017年全国大学生电子设计竞赛简易水情检测系统（P题） 2017年8月12日
摘要 本设计的是简易水情检测系统以STC89C52芯片为核心，辅以相关的外围电路，设计了以单片机为核心的水情检测系统。系统主要由5V电源供电。在硬件电路上在，用总线连接PH值传感器和水位传感器，通过传感器收集到的水情数据发送到单片机，单片机存储实时数据，并显示在12864LCD液晶屏上。在软件方面，采用C语言编程。通过对单片机程序设计实现对水情检测系统的水情数据的采集、显示和检测。 关键词：单片机最小系统；PH值传感器；水位传感器；AD模块 Abstract The design is a simple water regime detection system to STC89C52 chip as the core, supplemented by the relevant external circuit, designed to single-chip as the core of the water regime detection system. The system is powered by 5V power supply. In the hardware circuit, with the bus connection PH sensor and water level sensor, through the sensor to collect the water data sent to the microcontroller, single-chip storage of real-time data, and displayed on the 12864LCD LCD screen. In software, the use of C language programming. Through the single-chip program design to achieve the water regime detection system of water data collection, display and detection. Key words:single chip minimum system; PH value sensor; water level sensor; capacitance
2015 年全国大学生电子设计竞赛 全国一等奖作品 设计报告部分错误未修正，软 件部分未添加 竞赛选题：数字频率计（F 题）
摘要 本设计选用FPGA 作为数据处理与系统控制的核心，制作了一款超高精度的数字频率计，其优点在于采用了自动增益控制电路（AGC）和等精度测量法，全部电路使用PCB 制版，进一步减小误差。 AGC 电路可将不同频率、不同幅度的待测信号，放大至基本相同的幅度，且高于后级滞回比较器的窗口电压，有效解决了待测信号输入电压变化大、频率范围广的问题。频率等参数的测量采用闸门时间为1s 的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生±1 个字的误差，有效提高了系统精度。 经过实测，本设计达到了赛题基本部分和发挥部分的全部指标，并在部分指标上远超赛题发挥部分要求。 关键词：FPGA 自动增益控制等精度测量法
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1. 系统方案 1.1. 方案比较与选择 宽带通道放大器 方案一：OPA690 固定增益直接放大。由于待测信号频率范围广，电压范围大，所以选用宽带运算放大器OPA690，5V 双电源供电，对所有待测信号进行较大倍数的固定增益。对于输入的正弦波信号，经过OPA690 的固定增益，小信号得到放大，大信号削顶失真，所以均可达到后级滞回比较器电路的窗口电压。 方案二：基于VCA810 的自动增益控制（AGC）。AGC 电路实时调整高带宽压控运算放大器VCA810 的增益控制电压，通过负反馈使得放大后的信号幅度基本保持恒定。 尽管方案一中的OPA690 是高速放大器，但是单级增益仅能满足本题基本部分的要求，而在放大高频段的小信号时，增益带宽积的限制使得该方案无法达到发挥部分在频率和幅度上的要求。 方案二中采用VCA810 与OPA690 级联放大，并通过外围负反馈电路实现自动增益控制。该方案不仅能够实现稳定可调的输出电压，而且可以解决高频小信号单级放大时的带宽问题。因此，采用基于VCA810 的自动增益控制方案。 正弦波整形电路 方案一：采用分立器件搭建整形电路。由于分立器件电路存在着结构复杂、设计难度大等诸多缺点，因此不采用该方案。 方案二：采用集成比较器运放。常用的电压比较器运放LM339 的响应时间为1300ns，远远无法达到发挥部分100MHz 的频率要求。因此，采用响应时间为4.5ns 的高速比较器运放TLV3501。 主控电路 方案一：采用诸如MSP430、STM32 等传统单片机作为主控芯片。单片机在现实中与FPGA 连接，建立并口通信，完成命令与数据的传输。 方案二：在FPGA 内部利用逻辑单元搭建片内单片机Avalon，在片内将单片机和测量参数的数字电路系统连接，不连接外部接线。 在硬件电路上，用FPGA 片内单片机，除了输入和输出显示等少数电路外，其它大部分电路都可以集成在一片FPGA 芯片中，大大降低了电路的复杂程度、减小了体积、电路工作也更加可靠和稳定，速度也大为提高。且在数据传输上方便、简单，因此主控电路的选择采用方案二。
光伏并网发电模拟装置（A 题） 【本科组】 一、任务 设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源U S 和电阻R S 模拟光伏电池，U S =60V ，R S =30Ω~36Ω；u REF 为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V ，频率f REF 为45Hz~55Hz ；T 为工频隔离变压器，变比为n 2:n 1=2:1、n 3:n 1=1:10，将u F 作为输出电流的反馈信号；负载电阻R L =30Ω~36Ω。 R L U S 图1 并网发电模拟装置框图 二、要求 1．基本要求 （1）具有最大功率点跟踪（MPPT ）功能：R S 和R L 在给定范围内变化时， 使d S 1 2 U U =，相对偏差的绝对值不大于1%。 （2）具有频率跟踪功能：当f REF 在给定范围内变化时，使u F 的频率f F =f REF ， 相对偏差绝对值不大于1%。 （3）当R S =R L =30Ω时，DC-AC 变换器的效率η≥60%。 （4）当R S =R L =30Ω时，输出电压u o 的失真度THD ≤5%。 （5）具有输入欠压保护功能，动作电压U d （th ）=（25±0.5）V 。 （6）具有输出过流保护功能，动作电流I o （th ）=（1.5±0.2）A 。 2．发挥部分 （1）提高DC-AC 变换器的效率，使η≥80%（R S =R L =30Ω时）。 （2）降低输出电压失真度，使THD ≤1%（R S =R L =30Ω时）。 （3）实现相位跟踪功能：当f REF 在给定范围内变化以及加非阻性负载时，
均能保证u F 与u REF 同相，相位偏差的绝对值≤5°。 （4）过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。 （5）其他。 三、说明 1．本题中所有交流量除特别说明外均为有效值。 2．U S 采用实验室可调直流稳压电源，不需自制。 3．控制电路允许另加辅助电源，但应尽量减少路数和损耗。 4．DC-AC 变换器效率o d P P η= ，其中o o1o1P U I =?，d d d P U I =?。 5．基本要求（1）、（2）和发挥部分（3）要求从给定或条件发生变化到电路 达到稳态的时间不大于1s 。 6．装置应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。 7．制作时应合理设置测试点（参考图1），以方便测试。 8．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、 主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。
大学生电子设计竞赛设 计报告 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
2017年全国大学生电子设计竞赛XXX控制系统（A/B/C题） 2017年8月12日
摘要（小四、宋体，300字以内） 关键词：脉宽；脉冲；数显；电容（小四、宋体）
XXX控制系统（A/B/C题） 【本科组】 一、系统方案 本系统主要由单片机控制模块、XXX模块、XXX模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1、主控制器件的论证与选择 单片机比较 方案一：采用传统的51系列单片机。 XXXXXX. 方案二：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机 XXXXXX 通过比较，我们选择方案二。 方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统 在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。 方案二：自制单片机印刷电路板 自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。 方案三：采用单片机最小系统。 单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。 综合以上三种方案，选择方案三。 2、XXXX的论证与选择 方案一：XXX。XXXX 方案二：XXX。XXXX 方案三：XXX。XXXX 综合以上三种方案，选择方案三。
3、控制系统的论证与选择 方案一：XXX。XXXX 方案二：XXX。XXXX 综合考虑采用XXXXX。 二、系统理论分析与计算 1、XXXX的分析 （1）XXX XXXX （2）XXX XXXX （3）XXX XXXX 2、XXXX的计算 （1）XXX XXXX （2）XXX XXXX （3）XXX XXXX 3、XXXX的计算 （1）XXX XXXX （2）XXX XXXX （3）XXX XXXX 三、电路与程序设计 1、电路的设计 （1）系统总体框图 系统总体框图如图X所示，XXXXXX 图X 系统总体框图
2015 年全国大学生电子设计竞赛 全国一等奖作品
设计报告 部分错误未修正，软 件部分未添加
竞赛选题：数字频率计（F 题）
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摘要
本设计选用 FPGA 作为数据处理与系统控制的核心，制作了一款超高精度 的数字频率计，其优点在于采用了自动增益控制电路（AGC）和等精度测量法， 全部电路使用 PCB 制版，进一步减小误差。
AGC 电路可将不同频率、不同幅度的待测信号，放大至基本相同的幅度， 且高于后级滞回比较器的窗口电压，有效解决了待测信号输入电压变化大、频率 范围广的问题。频率等参数的测量采用闸门时间为 1s 的等精度测量法。闸门时 间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生±1 个字的误差，有效提高了 系统精度。
经过实测，本设计达到了赛题基本部分和发挥部分的全部指标，并在部分指 标上远超赛题发挥部分要求。
关键词：FPGA 自动增益控制 等精度测量法
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摘 要....................................................................................................................1 目录........................................................................................................................ 2 1. 系统方案...................................................................................................3
1.1. 方案比较与选择................................................................................3 1.1.1. 宽带通道放大器.........................................................................3 1.1.2. 正弦波整形电路.........................................................................3 1.1.3. 主控电路.....................................................................................3 1.1.4. 参数测量方案.............................................................................4
1.2. 方案描述............................................................................................4 2. 电路设计...................................................................................................4
2.1. 宽带通道放大器分析........................................................................4 2.2. 正弦波整形电路................................................................................5 3. 软件设计...................................................................................................6 4. 测试方案与测试结果...............................................................................6 4.1. 测试仪器............................................................................................6 4.2. 测试方案及数据................................................................................7
4.2.1. 频率测试.....................................................................................7 4.2.2. 时间间隔测量.............................................................................7 4.2.3. 占空比测量.................................................................................8 4.3. 测试结论............................................................................................9 参考文献................................................................................................................ 9
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设计项目：模拟路灯控制系统 学校：辽宁工程技术大学电气与控制工程学院参赛人员：高庆 吴琨 王立强
目录 第一章前言 1 第二章方案论证与论证 2 一系统结构综述 4 二系统结构示意图 5 第三章硬件设计 5 一89C52单片机简述 6 二电源模块设计7 三恒流源电路设计7 四案件及显示模块7 五时钟电路设计8 六光电对射传感器模块设计 8 七比较电路模块设计9 八DA转换模块设计10 九交通状况检测模块设计10 十路灯故障检测及报警模块设计 10 第四章系统软件设计 一系统软件设计综述11 二各模块软件部分分述 12 14 15 第七章参考文献16
模拟路灯控制系统(I题) 【高职高专组】 摘要： 本文介绍了基于STC89C52单片机的模拟路灯控制系统的设计和实现过程，通过交通情况自动调节检测，路灯故障检测及报警检测，环境明暗变化检测，定时开关模块的设计控制以实现题目要求。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍系统的硬件及软件设计部分。 采用的技术主要有： （1）通过软件编程控制定时开关灯时间，报警检测; （2）光电传感器的有效应用; （3）LM311比较器的有效应用； （4）新型时钟芯片DS12C877的有效应用。 关键词： 80C52单片机，光电传感器，路灯控制，亮度调节 Abstract: This paper introduces the STC89C52 based on single-chip microcomputer simulation street lamp control system design and realization process, through the traffic situation automatic adjustment test, street lamp fault detection and alarm test, light and shade environment change detection, timer switch module design in order to achieve the topic request. The whole system of the circuit structure simple, reliable performance is high. The test results meet the requirement, the paper introduces the hardware and software of the system design part. The technique to be used mainly has: 1. Through software programming control timing open to turn off the lights time, alarm detection; 2. Effective application of the photoelectric sensor; 3. LM393 comparator effective application; 4. New clock chip DS12C877 effective application. Key words: 80 C52, photoelectric sensor, street lamp control, brightness to adjust
基于单片机的宿舍自动通风装置 1、创意来源 睡眠状态下，一个人一晚上会呼出200升二氧化碳。门窗紧闭，房间里的氧气浓度会逐渐降低。最终容易造成大脑缺氧，严重影响我们的身体健康！经常开窗保持空气流通，有利于排出室内的脏空气，保证足够的氧气供应。 房间里本来就存活着很多的细菌和微生物。由于门窗紧闭，空气无法流通，就为一些病菌提供了大量滋生、繁殖的良好条件，更严重地威胁着我们的身体健康！经常开窗通风换气，可以有效地减少室内病菌滋生，利于我们的身体健康。 有些宿舍由于不注意开窗通风，室内空气质量极差，有极大的异味，学生在这种环境中长期生活，对身心健康有较大危害。 所以宿舍要经常开窗通风换气，保持室内空气流通；每天早、中、晚坚持定时通风换气，做到每次开窗10分钟到30分钟。但是，有些宿舍经常忘记开窗通风，导致屋内空气得不到更新。有些宿舍因为处在一楼，有些宿舍楼内经常发生盗窃案件，比如星天苑G座，而白天宿舍成员长时间不在宿舍内，因担心被窃，不敢开窗通风。 为解决这种现象，我设计了这种宿舍自动通风装置。预期该装置可以实现定时自动开窗关窗功能。 2、系统总体设计方案 系统采用单片机AT89C51作为本设计的核心元件，在其基础上外围扩展芯片和外围电路，附加时钟电路，复位电路，键盘接口及LED显示器。键盘采用独立连接式。外围器件有LED显示驱动器及相应的显示数字电子钟设计与制作可采用数字电路实现,也可以采用单片机来完成。若用数字电路完成,所设计的电路相当复杂,大概需要十几片数字集成块,其功能也主要依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现,焊接的过程比较复杂,成本也非常高。若用单片机来设计制作完成,由于其功能的实现主要通过软件编程来完成,那么就降低了硬件电路的复杂性,而且其成本也有所降低,所以在该设计与制作中采用单片机AT89C51,它是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有4KB的Flash存储器,且允许在系统内改写或用编程器编程。 电路由下列部分组成：时钟电路、复位电路、控制电路、LED显示，报警
2017年全国大学生电子设计竞赛 管道内钢珠运动测量装置（M题） 【高职高专】
摘要： 系统以STC15W4K61S4单片机为主控器，设计一款管道内钢珠运动测量装置。该装置可以获取管道内钢珠滚动的方向，以及倒入管道内钢珠的个数和管道的倾斜角度。并通过LCD12864液晶显示屏实时显示钢珠滚动方向、个数以及管道的倾斜角度。系统包括单片机主控模块、角度信号采集模块、磁力传感器模块、显
示模块、电源模块、采用稳压输出电源为系统提供工作电源。系统制作成本较低、工作性能稳定，能很好达到设计要求。 关键词:角度传感器、磁性接近开关、LCD12864 目录 1设计任务与要求 (1) 1.1设计任务 (1) 1.2技术指标 (1) 1.3题目评析 (1)
2方案比较与选择 (2) 2.1单片机选择 (2) 2.2角度测量选择 (2) 2.3 钢珠运动检测选择 (2) 2.4显示选择 (2) 2.5电源选择 (2) 3电路系统与程序结构设计 (3) 3.1系统硬件总体设计 (3) 3.2单片机最小系统模块设计 (3) 3.3角度传感器模块设计 (3) 3.4 磁性传感器模块设计 (4) 3.5显示模块设计 (4) 3.6电源模块设计 (4) 3.7程序结构与设计 (5) 4系统测试 (5) 5总结 (6) 参考文献及附录 (6)
1设计任务与要求 1.1设计任务 设计并制作一个管道内钢珠运动测量装置，钢珠运动部分的结构如图1.1所示。 1.2技术指标 1．基本要求 规定传感器宽度 w≤20mm，传感器1和2之间的距离l 任意选择。 （1）按照图1.1所示放置管道，由A 端放入2～10粒钢珠，每粒钢珠放入的时 间间隔≤2s，要求装置能够显示放入钢珠的个数。 （2）分别将管道放置为A 端高于B 端或B 端高于A 端，从高端放入1粒钢 珠，要求能够显示钢珠的运动方向。 （3）按照图1.1所示放置管道，倾斜角ɑ为10o～80o之间的某一角度，由A 端放入1粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角ɑ的角度值，测量误差的绝对≤3o。 2．发挥部分 设定传感器1和2之间的距离l 为20mm ，传感器1和2在管道外表面上安放的位置不限。 （1）将1粒钢珠放入管道内，堵住两端的管口，摆动管道，摆动周期≤1s ， 摆动方式如图1.2所示，要求能够显示管道摆动的周期个数。 （2）按照图1.1所示放置管道，由A 端一次连续倒入2～10粒钢珠，要求装置 能够显示倒入钢珠的个数。 （4）其他。 3.设计报告。 1.3题目评析 根据设计要求，对题目评析如下： 本题的重点： ① 传感器灵敏度的选择。 ② 用于钢珠运动检测的传感器选择 图1.1：管道内钢珠运动测量装置的结构图 图1.2：管道摆动方式
题目：数控电流源设计 摘要 本设计由两部分构成：自制的稳压、稳流、输出过压保护电路和单片机控制与显示系统。稳压电源部分设置有±12V和+5V电压，为整机供电。采用大功率MOS管作为电流源调整管、用锰铜丝自制取样电阻，具有良好的调控线性和稳定性。采用价格低廉的电脑CPU专用散热器作为稳压电源模块和电流调整管的散热装置，散热效率高、性能可靠。控制核心采用内置12位A/D、D/A转换器的高性能单片机C8051F021，电路简洁、控制精度高、电流控制与测量分辨率达0.5mA。用带背光点阵式LCD显示器同时显示设定电流和实测电流数据，直观、方便。给出了多种测试条件下的实测数据，测试数据表明系统性能指标全面超越了题目的基本要求，除系统自测显示电流误差略大以外，其余发挥部分指标也已满足。另外，还增加了预置电流超限保护功能。 详细说明了系统的结构和工作原理，给出了系统的硬件电路图、元器件参数列表和软件流程图，并附有系统操作说明书。 Abstratct This design is consist of two major parts: The self-made constant voltage power supply and the control system which is consist of singlechip and LCD display. The voltage-stabilized source which is the all machine power supply has ±12V and +5V voltage. We Use the high-power MOSFET as the current regulation device, and use the manganese copper wire self-restraint as a sample resistance, and the system has good regulative linearity and stability. The design Uses the price inexpensive computer CPU sink to take the voltage-stabilized source module and the electric current regulation device heat dissipating. The control system is made up of high performance singlechip C8051F021 which includes 12 A/D & D/A converter inside. The electric circuit is succinct and the control precision is high, the controlling resolution of current is up to 0.5mA rate. The setting current and the actual current data are showedby the lattice type LCD display at the same time. Many kinds of test data are presented under the many kinds of tests condition. The test data indicates that the system performance has achieved the demand of design in an all-round way satisfied. In addition, we have set a protecting function of the ultra limit setup of the electric current. This paper is also present The system structure, the work principle, the system hardware circuit diagram, the device parameter, the software flow chart, and the system operating manual in detail. 一、系统整体结构及方案论证 1．1 系统结构 根据题目要求，要能够实现电流步进控制、显示设定电流和实测电流大小，并且输出最大电压小于等于10伏，系统的结构框图如图1－1。 恒流源输出 图1-1系统结构框图 整个系统由稳压电源、恒流控制、单片机、键盘、显示器及输出过压保护<电压限制）等几部分组成。 各部分作用如下 1）稳压电源：向整个系统提高电源，包括供运放使用的±12V、供单片机使用的+5V，其中恒流源<主要功率部分）电压也由+12V提供。 2）恒流控制部分：是一受控电流源，由单片机提供控制指令电压，将12V电源转换成恒定电流。
全国大学生电子设计大 赛作品报告 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT
2015年全国大学生电子设计竞赛 多旋翼自主飞行器（c题） 2015 年8月15 日 摘要 旋多翼自主飞行器由RL78/G13MCU板（芯片型号R5F100 LEA）,STM32单片机模块(加SD卡)，CMOS摄像头，A2212/13T新西达电机。STM32单片机输入信号到RL78/G13MCU板，启动飞行器和CMOS摄像模块，RL78/G13MCU飞控模块矫正飞行器在空中的姿态，实现悬停,前进,后退等功能，CMOS模块将拍摄的视频内容存储在STM32模块内置的SD卡里。当飞行到目的地时各模块自动停止工作。 飞行器能一键式启动，并开始航拍，从A点起飞，飞向B区，在B区降落，但不是中心，当飞行结束后，拔掉SD卡，能顺利的通过P0机回放，在飞行过程中，始终在电子示高线H1和H2的区间内。 目录 目录
1. 方案论证与比较 四旋翼算法方案 方案一：采用欧拉角法欧拉角法静止状态，或者总加速度只是稍微大于g 时，由加计算出的值比较准确。 使用欧拉角表示姿态，令Φ,θ和Φ代表ZYX 欧拉角，分别称为偏航角、俯仰角和横滚角 。 载体坐标系下的 加 速 度(axB,ayB,azB)和参考坐标系下的加速度(axN, ayN, azN)之间的关系可表示为(1)。其中 c 和 s 分别代表 cos 和 sin 。axB,ayB,azB 就是mpu 读出来的三个值。 这个矩阵就是三个旋转矩阵相乘得到的，因为矩阵的乘法可以表示旋转。 axB c c c s s axN ayB c s s s c c c s s s s c ayN azB s s c s c s c c s s c c azN θψθψθφψφθψφψφθψφθφψφθψφψφθψφθ-??? ?????????=-++????????????+-+?????? (1) 飞行器处于静止状态，此时参考系下的加速度等于重力加速度，即 00xN yN zN a a g a ????????=???????????? （2） 把（2）代入（1）可以解 : arctg θ= （3） yB zB a arctg a φ??= ? ?? （4） 即为初始俯仰角和横滚角，通过加速度计得到载体坐标系下的加速度即可将其解出，偏航角可以通过电子罗盘求出。 方案二：四元数法（通过处理单位采样时间内的角增量(mpu 的陀螺仪得到的就是角增量)，为了避免噪声的微分放大，应该直接用角增量-------抄的书） 本项目采用的是方案一。 STM32控制方案 方案一： 直接激活飞控模块（RL78/G13MCU ），可以很好的与飞控进行协调，实现飞控模块的启动与停止。 方案二：使用STM32直接控制飞行器飞行。在植入的程序里包含对四旋翼的控制算法和自启动和自停止，还有视频模块的处理，但太过复杂。
一：方案论证 1.系统总体设计方案 根据题目要求，总体设计方案如下：将交流电220V送进隔离变压器，一级输出18V交流电。通过整流滤波，将交流电转为直流电，进行DC-DC升压和降压。副DC-DC实现的降压值为5V，用于给单片机控制系统供电。通过键盘可以对主DC-DC升压的输出电压进行设定和步进调整，并由AD对输出进行采样，通过在单片机内预置的算法对输出进行补偿调整，同时从液晶屏上数字显示出电流和电压值。当开关稳压电源输出电流达到上限时，启动过流保护；当故障排除后，开关电源恢复正常工作。系统总体框图如图1.1所示。 图1.1 系统总体框图 2.主DC-DC升压电路设计方案 DC－DC升压电路采用自举式升压方式，如图1.2所示，当晶体管导通时，电感与电源接地端直接相连，形成回路。随着能量存储到电感的磁场中，流过电感的电流斜线上升，磁力线增强。 当晶体管截止时，磁场开始消失。随着它的减弱，会切割电感的导线，产生一个电压。由于磁场的运动方向与磁场建立时的方向相反，所以感应电压反向。从而实现升压的过程。 晶体管截止时电流方向 图1.2 自举式主DC-DC回路拓扑图 3.控制方法及实现方案 对主DC-DC升压转换器的控制方法采用硬件闭环控制为主、软件补偿和测量相结合的方法对DC-DC的输出进行精确控制。硬件控制采用国家半导体公司的LM2587-ADJ开关电源控制芯片组成对输出主回路的电压闭环控制，实现对系统
的粗调。软件控制选用STC12C5412AD 单片机作为系统控制器，系统的显示、按 键、A/D 、D/A 全部集中在核心控制板上，通过预置算法实现对系统的精调。 4.提高效率的方法及实现方案 1.降低二极管的损耗：二极管一般需要0.7V 的导通电压降。在输出电压为 21.6V 时，二极管要消耗一定的输出功率。而肖特基二极管的导通压降一般为 0.2V ～0.3V ，因此使用这类二极管这能够有效降低其上的功率损耗。 2.降低开关管的损耗：如果将开关管设计在外围电路中，极易由于设计参数 的问题导致开关管部分时间工作在线性区，会引起一定损耗。在设计中，选用 LM2587，它将开关管集成到芯片内部，参数由厂家整定，可以大大减少功耗。 3.减少铜损：铜损是由导线的寄生电阻和电感线圈引起的。实际设计中，选 用横截面积大的铜丝，并采取多股缠绕的方法，减少单位横截面积电阻。 4.减少铁损：引起铁损的原因有两个——磁滞损耗和涡流损耗。在实际操作 中，采用EI 型电感磁芯，并在连接处留有一定空隙。由于存在空气间隙，使之 不易产生磁滞和涡流。 二：电路设计与参数计算 1.主回路器件的选择及参数计算 题目中要求：18V 交流输入时，经转换后输入电压为21.6V （理论计算得出）， 负载端电压为30V~36V 。最大输出电流I omax 为2A ，主DC-DC 升压变换器效率 η≥70%(发挥部分要求达到η≥85%)。据此，在主DC-DC 升压回路中主要用来 实现DC-DC 变换器的器件为LM2587-ADJ 。LM2587-ADJ 内部有一个100kHz 的振荡器，内部开关电流额定值5A ，负载电压V load <65V ，输入电压需保持在 4V~40V ，变换器效率90%，理论上完全满足设计需求。 主DC-DC 回路电路图如图2.1所示，通过改变R 2和R 3的比值即可设定所需 负载电压值。 图2.1 主回路原理图 将反馈电压与内部参考电压1.23V 进行比较： V load =1.23V(1+32R R ) （2-1）