电子设计竞赛培训ppt课件.ppt

河南理工大学电子设计竞赛辅导,一、电子设计的流程二、设计总结报告写作三、开关电源四、不间断直流工作电源设计五、智能家用电热水器控制系统,一、电子设计的流程,1、审题明确题目的含义，确定总体方案；总体方案既要考虑到题目的基本部分，又要考虑发挥部分的需要；总体方案的最佳表达方式是系统功能方框图！提出的方案越多愈好,1、审题,2、总体方案中软、硬件的功能划分,如果系统中采用单片机等控制器件，就存在一个功能的实现可以采用软件编程也可以采用硬件电路直接实现的情况。通常，软件实现成本低廉，速度低、实时性差。硬件实现速度快、实时性好，但系统复杂，成本高。在软件可能的情况下，尽可能采用软件实现。,3、总体方案的实现,总体方案是用总体电路图来实现的！当总体方案确定后，便可画出较详细的框图，设计各单元电路。并根据方案的要求，明确对各单元功能和技术指标的要求。此时要特别注意各单元电路的相互配合，少用接口电路。,4、方案的实现,在各单元电路功能及技术指标明确后，就可分别对各单元电路进行设计，选择元器件及计算参数。此时，各种电路图集、手册及参考书上的各种电路可供我们借鉴。但是，在大多是情况下，这些现成的电路不能恰好满足我们的要求，我们这时的任务就是对这些现成的电路进行选择、修正或补充，以满足我们的具体要求。,5、单元电路设计,提出备选电路,选择适合方案,选择元器件,计算参数,确定电路,6、软件设计,1）程序设计思想模块化程序设计2）模块化编程的优点易于理解、调试，提高效率如：显示、A/D、键盘等实际使用中只需修改，而不需重新编写要解决问题与特定模块分离，易排错,7、系统调试,模块化设计，边安装边调试。调试时应注意做好调试记录，便于分析和运行时参考,1）调试步骤：,（1）通电前检查电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。先查电源，后查芯片安装的方向！,（2）通电检查 接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。,（3）单元电路调试,在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断、排除故障，完成调试要求。,（4）整机联调,各单元电路调试完成后就为整机调试打下了基础。整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。,3）电路故障的排除,（1）信号寻迹法 寻找故障时，一般可按信号的流程逐级进行。从电路的输入端加入适当信号，用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内各部分传输的情况，根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常，如果有问题，应及时处理。调试电路时也可以从输出级向输入级倒推进行，信号从最后一级电路的输入端加入，观察输出端是否正常，然后逐级将适当信号加入前面一级电路输入端，继续进行检查。,（2）对分法 把有故障的电路分为两部分，先检查这两部分中究竟是哪部分有故障，然后再对有故障的部分对分检测，一直到找出故障为止。采用“对分法”可减少调试工作量。,（3）替代法 把已调试好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路（注意共地），这样可以很快判断故障部位。有时元器件的故障不很明显，如电容器漏电、电阻器变质、晶体管和集成电路性能下降等，这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验，就可以具体地判断故障点，加快查找故障点的速度，提高调试效率。,（4）静态测试法 静态测试是用万用表测试电阻值、电容器是否漏电、电路是否断或短路，晶体管和集成电路的各引脚电压是否正常等。这种测试是在电路不加信号时进行的，所以叫静态测试。通过这种测试可发现元器件的故障,（5）动态测试法 当静态测试还不能发现故障时，可采用动态测试法。测试时在电路输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况，观察电路的工作状况，分析、判别故障原因。,（6）性能指标测试,以设计任务与要求为依据，应用电子仪器进行各项指标测试，观察是否达到要求。记录测试条件，测试方法，详细测试数据及波形。,二、设计总结报告写作,1、设计总结报告的评分标准,设计总结报告的评分是一个独立环节，评分过程是在专家测试后进行。专家参照全国大学生电子设计竞赛组委会提供的评分标准进行评分。设计总结报告的评分项目由方案设计与论证、理论设计计算、电路图及设计文件、测试方法与数据、结果分析、设计总结报告的工整性等6个方面组成。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,（1）摘要 摘要是对设计总结报告的总结。摘要一般在300字左右。摘要的内容应包括目的、方法、结果和结论。即应包含设计的评分内容、设计的主要方法和设计的主要创新点。关键词：一般选36个,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,（2）目录 目录包括设计总结报告的章节标题、附录的内容，以及章节标题、附录的内容所对应的页码。章节标题的安排建议按如下格式进行：,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,目录格式 1.(第1级)1.1(第2级)1.1.1(第3级)(1)(第4级)(第5级),二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,（3）正文 正文是设计总结报告的核心。设计总结报告正文的主要内容包含有：系统设计、单元电路设计、软件设计、系统测试、结论。,二、设计总结报告写作,（一）设计总结报告写作基本要求,系统设计 主要介绍系统设计思路与总体方案的可行性论证，各功能模块的划分与组成，介绍系统的工作原理或工作过程。注意：在总体方案的可行性论证中，应提出23种总体设计方案进行分析与比较，总体设计方案的选择既要考虑它的先进性，又要考虑它实现的可能性。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,单元电路设计 单元电路设计不需要进行多个方案的比较与选择，只需要对已确定的各单元电路的工作原理进行介绍，对各单元电路进行分析和设计，并对电路中的有关参数进行计算及元器件的选择等。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,单元电路设计 应注意：理论的分析计算是必不可少的。在理论计算时，要注意公式的完整性，参数和单位的匹配，计算的正确性；注意计算值与实际选择的元器件参数值的差别。电路图应注意元器件符号、参数标注、图纸页面的规范化。如果采用仿真工具进行分析，可以将仿真分析结果表示出来。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,软件设计 应注意介绍软件设计的平台、开发工具和实现方法。应详细介绍程序的流程图，实现的功能以及程序清单等。如果程序很长，可在附录中列出（程序需给出注释）。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,系统测试 应详细介绍系统的性能指标或功能的测试方法、步骤，所用仪器设备名称、型号，测试记录的数据和绘制图表曲线。应注意：要根据竞赛题目的技术要求和所制作的作品，正确地选择测试仪器仪表和测试方法。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,结论 对作品的测试结果和数据进行分析和计算，也可以利用MATLAB等软件工具制作一些图表，必须对整个作品进行一个完整的、结论性的评价，也就是说要有一个结论性的意见。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,（5）参考文献 参考文献部分应列出在设计过程中参考的主要书籍、刊物、杂志等。参考文献的格式如下：,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,参考文献的格式如下：专著、论文集、学位论文、报告序号 主要责任者.文献题名专著(M.);论文集(C.);学位论文(D.);报告(R.)(.)出版地(:)出版者(,)出版年(.)起止页码期刊文章序号 主要责任者.文献题名(J.)刊名(,)年(,)卷(期)(:)起止页码,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,参考文献格式举例:1 余永权.ATMEL89系列单片机应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,20022 周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京:北京航空航天大学出版社,19913程明,陈莹.一种基于DDS芯片AD9835的信号源J.自动化与仪器仪表,2005,26:25-28,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,（6）附录 附录包括元器件明细表、仪器设备清单、电路图图纸、设计的程序清单（注释）、系统（作品）使用说明等。,二、设计总结报告写作,2、报告基本内容及格式要求,（7）字体要求一级标题：小二号黑体，居中占五行，标题与题目之间空一个汉字的空。二级标题：三号黑体，居中占三行，标题与题目之间空一个汉字的空。全国大学生电子设计竞赛训练教程 黄智伟,二、设计总结报告写作,参加电子竞赛注意点,参加电子竞赛注意点,1、设计电路板时，硬件原理图务必正确，否则布线再漂亮也是枉然。2、调试硬件电路时，注意电源，不要短路、不要接反极性。3、不同板子之间的连线要规范牢靠，否则自找麻烦。最好注明接口各脚定义4、团结协作，分工明确，相互体谅,三、开关电源,三、开关稳压电源,1、线性稳压电源,缺点：,调整管管耗大电源效率低(40%60%)装散热器体积大,调整管工作在放大区（线性区）,优点：,输出电压稳定度高电压纹波小线路简单，工作可靠,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO 升高时，有如下稳压过程：,由电路图可知,UO,Uf,UB,UO,IC,UCE,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路,UO,IB,+,-,UCE,线性稳压电源工作原理,改进思路：,使调整管,截止(电流小)IC0,饱和(管压降小)UCES0,2、开关稳压电源,调整管处于开关状态（饱和:UCES0，截止：IC0。）,开关稳压电源的优点：,效率高(80%90%),体积小、重量轻,稳压范围宽,开关稳压电源的缺点：,电路复杂,对电网要求不高,对电子设备干扰较大,输出电压含较大纹波,晶体管串联式线性稳压电源,晶体管串联式开关稳压电源,3、DC/DC变换的开关电源,直流-直流变换器也称直流斩波器（DC Chopper），或DC-DC变换器。DC-DC变换器用于调整直流电的电压。对于输入与输出电压不需隔离只用一个工作开关和L、D、C组成的变换器电路最基本的为如下三种：（1）降压变换器（buck converter）；（2）升压变换器（boost converter）；（3）降、升压变换器（buck-boost converter）。,无隔离的DCDC变换电路,buck converter,boost converter,buck-boost converter,4、DC-DC降压变换器,调整管,取样电路,脉宽调制电路开关调整管控制,滤波,频率固定的三角波,误差放大,续流,1）取样环节：R1、R2 分压提取取样电压uF（反馈电压）,2）基准电压环节：提供稳压的基准电压UREF,3）放大环节：比较放大器A，放大差值（UREF uF）,4）调整环节：调整管T由开关信号控制通断，稳定输出电压UO。,5）LC滤波器及续流二极管D：滤波和续流得到平稳直流电压。,6）脉宽调制比较器C：反相端接uT（三角波发生器的输出），,同相端接uA（比较放大器输出），输出开关信号uB驱动调整管。,三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路(PWM),5.DC-DC降压变换器工作原理,1）分析,当uB为高电平T饱和、D截止，uE=UI,经LC滤波到负载RL,同时iL L和C储存能量,当uB为低电平T截止、D导通，uEUD0，,D续流 LC泄放能量给RL供电，输出较平稳的直流电压,虽然T处于开关状态，但由于D的续流和L、C的滤波作用，输出电压UO是比较平稳的。,2）输出平均电压及占空比,调整管通断时uE的波形为矩形波,UI,输出平均电压（忽略滤波电感L的直流压降）：,占空比：,可见，对于一定的UI值，通过调节占空比即可调节输出电压UO。,uE(uD)、iL、uO的波形,UI,3）开关电源的稳压原理,占空比,D=50%,当 uF=UREF，,uA=0，,UO 为预定标称值,1）UO 标准值（USET），q50%时的情况,运放A：uF UREF、其输出UA=0,运放C：为过零电压比较器，其输出UB 对称，ton=toff,2.UO 标准值（USET），q50%时的情况,运放A：uF UREF、其输出UA 0,运放C：为负电压比较器，当uT UA时UB 0，,ton toff，调整管时间ton占空比q 输出电压UO,3）UO 标准值（USET），q50%时的情况,运放A：uF UREF、其输出UA 0,运放C：为正电压比较器，当uT UA时UB 0，,ton toff，调整管时间ton占空比q 输出电压UO,总之，当UI或RL变化使UO变化时，可自动调整脉冲波形的占空比使输出电压维持恒定。,最低开关频率fT一般在10100kHz之间。fT越高，所需的L、C越小。这样，系统的尺寸和重量将会减小，成本将随之降低。另一方面，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增加，使开关调整管的管耗增加，而效率将降低。,注意：,截止,5、DC-DC升压变换器,高电平,低电平,截止,饱和,导通,6、集成PWM控制器、开关稳压电源控制器,目前，常见的单片集成PWM控制器产品有TL494、MC34060、CW1524、CW4960等，功能大同小异。由于型号很多，在实际应用中应参考厂家产品说明，以便选择适合的集成PWM控制器。下面介绍集成PWM控制器的PWM信号产生电路组成及原理。,PWM信号产生电路及波形,单片脉宽调制式(外接开关功率管),6、集成开关稳压器,类型,单片集成开关稳压器,CW1524,CW4960/4962,1）CW1524/2524/3524宽调制开关稳压电源控制器(区别在于温度范围),组成：,基准电压源、误差放大器、脉宽调制器、振荡器、触发器、2 只输出功率管、过热保护,最大输入电压：40 V,最高工作频率：100 kHz,每路输出电流：100 mA,内部基准电压：5 V(承受 50 mA电流),取样电压,基准电压,输出方波,定时电容,定时电阻,关闭,控制脉宽,接扩流晶体管 C、E 极,输入电压,CW1524 系列引脚排列,外接复合管扩流,f0=1.15/R5C2=19.2 kHz,+5 V,2.5 V,2.5 V,+5 V,限流取样电阻(1 A),2）CW4960/4962脉宽调制型开关稳压集成电路,组成：基准电压源、误差放大器、脉宽调制器 开关功率管(内接)、软启动电路、过流限制、过热保护,功能：慢起动、过流保护、过热保护 占空比可调(0 100%),最大输入电压：50 V,输出电压：5.1 40 V 连续可调,最高工作频率：100 kHz,额定输出电流：,CW4960 2.5 A(过流保护 3.0 4.5 A),CW4960 1.5 A(过流保护 2.5 3.5 A),小散热片,不用散热片,CW4960/4962 系列引脚图,1 2 3 4 5 6 7,CW4960,IN,反馈,补偿,GND,RT/CT,软启动,输出,1 234 5678,161514131211109,NC,输出,NC,补偿,NC,GND,GND,NC,输入,NC,软启动,RT/CT,GND,GND,反馈,NC,CW4962,CW4960/4962 应用电路,取样电阻500 10 k,工作频率控制f=1/RTCT,106 kHz,一般 RT=1 27 k,CT=1 3.3 nF,频率补偿防寄生振荡,续流二极管采用肖特基管,软启动电容1 4.7 F,3）MAX668/MAX669,MAX668/MAX669是固定频率的工作于电流模式的PWM控制器，功率可超出20W且可调，效率可达90。宽范围的输入电压（1.828V）使其可接受多种电源输入，具有可调节的频率范围（100500kHz）、可外同步运行等特点，使其对外接元件的尺寸和成本的优化更为方便，可以实现对于敏感频率和开关谐波的隔离。,.,3.采用集成PWM电路的开关电源,由MAX668组成的升压电源,MC34063 DC/DC变换器控制电路,MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。,.MC34063引脚图及原理框图,为了在第一级稳压的基础上实现线性高精度稳压，降低纹波，提高电压调整率和负载调整率，最终达到题目的指标要求。可在第一级稳压的基础上加线性稳压电路。,改进：恒压差控制,四、不间断直流工作电源设计,四、不间断直流工作电源设计,当输入220V、50Hz市电时，主电源工作，备用电源不工作（即关断升压电路的输出），但充电电路工作，蓄电池充电；当停电时，自动切换到备用电源,（一）方案设计,1.变压、整流滤波2.DC-DC变换器（降压）3.充电电路4.升压电路5.切换电路,充电电路,利用晶体管平坦的输出特性可得到平稳的电流输出。电路采用精密电阻进行精准的电流采样，为避免温度对采样电阻的影响，采用低温漂的水泥电阻。流过负载L的电流I L=U/R，R 为采样电阻的阻值，U为采样电阻两端电压。当负载改变时，根据原理I=U/R，采样电阻的端电压会发生相应改变，通过采样、AD 转换后送控制器，LM324 部分的集成运放负反馈电路根据采样调整DA 输出，使电流稳定在100mA 或200mA。当负载电阻增大时，其两端电压增大；当电压升到10V 时，由采样检测对DA 基准电压做出反方向精确调整，在通过反馈回路将负载电压稳定在10V。,五、智能家用电热水器控制系统,液位检测,采用温度传感器铂电阻Pt1000，是因为铂电阻的物理和化学性能在高温和氧化介质中很稳定、价格又便宜，常用作工业测量元件。温度为t摄氏度时的电阻；温度为0摄氏度时的电阻；A、B温度系数 A=3.94*102/B=-5.84*10-7/T任意温度,