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波形发生器设计
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2013电子设计竞赛复试题波形发生器
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从竞赛赛题要求看培训过程中应注意地一些问题
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黄智伟 从竞赛赛题要求看培训过程中应注意的一些问题
1. 赛题要求和分类
1.1 赛题要求
在“全国大学生电子设计竞赛组委会官方网站”所公布的“全国大学生电子设计竞赛章程”“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：
（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。
① 综合题。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 专业题。专业题是侧重于某一专业（如计算机、通信、自控、电子技术应用等）的题目；
③ 电路题。电路题是侧重于模拟电路、数字电路、电力电子线路等的题目；
④ 新型器件和集成电路应用题。新型器件和集成电路应用题侧重于新型器件的应用、新型集成电路的应用；
⑤ 电子产品和仪器初步设计题。常用电子产品和电子仪器初步设计的题目侧重于某一产品的初步设计。
不同类型的题目之间，在难易程度上允许有差别。
全国大学生电子设计竞赛从1994年的首届试点到2003年已经成功地举办了届。从届电子设计竞赛的来看，可以归纳成7类，即：
（1）电源类：简易数控直流电源（第届），直流稳压电源（第届）（2）信号源类：实用信号源的设计和制作（第二届），波形发生器（第五届），电压控制LC振荡器（A题）（第六届）（3）高频无线电类：简易无线电遥控系统（第二届），调幅广播收音机（第三届），短波调频接收机（第四届），调频收音机（第五届）（4）放大器类：实用低频功率放大器（第二届），高效率音频功率放大器（第五届），宽带放大器（B题）（第六届）（5）仪器仪表类：简易电阻、电容和电感测试仪（第二届），简易数字频率计（第三届），频率特性测试仪（第四届），数字式工频有效值多用表（第四届），简易数字存储示波器（第五届），低频数字式相位测量仪（C题）（第六届），简易逻辑分析仪（D题）（第六届）（6）数据采集与处理类：多路数据采集系统（第一届），数字化语音存储与回放系统（第四届），数据采集与传输系统（第五届）。
（7）控制类：水温控制系统（第三届），自动往返电动小汽车（第五届）；简易智能电动车（E题）（第六届）；液体点滴速度监控装置（F题）（第六届）。从以上可见，试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。涉及到的电子信息类专业的课程有：低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器件、EDA设计等；实践性教学环节有：电子线路实验课、微机原理实验课、课程设计、生产实习等；可选用的器件有：晶体管、集成电路、大规模集成电路、单片机、可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具，如VHDL语言、Xilinx Foundation Series EDA工具、 单片机编程器等。不难看出，电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引导高校在教学改革中应注重培养学生的工程实践能力和创新设计能力。
赛题类型 题目
电源类赛题（题） 简易数控直流电源（1994年A题）
直流稳压电源（1997年A题）
数控直流电流源（2005年F题）
三相正弦波变频电源（2005年G题）
开关稳压电源（2007年本科组E题）
电能搜集充电器（2009年E题）
信号源类赛题（5题） 实用信号源的设计和制作（1995年B题）
波形发生器（2001年A题）
电压控制LC振荡器（2003年A题）
正弦信号发生器（2005年第七届A题）
信号发生器（2007年H题高职高专组）
高频无线电类赛题（题） 简易无线电遥控系统（1995年C题）
调幅广播收音机（1997年D题）
短波调频接收机（1999年D题）
调频收音机（2001年F题）
单工无线呼叫系统（2005年D题）
无线识别装置（2007年B题本科组）
放大器类赛题（题） 实用低频功率放大器（1995年A题）
测量放大器（1999年A题）
高效率音频功率放大器（2001年D题）
宽带放大器（2003年B题）
程控滤波器（2007年D题本科组）
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NE5534运放芯片一些资料整理：
极限参数：
直流指标： 运放主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）
、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。NE5532的直流指标如下：
? 输入失调电压Vos： 输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在±1~10mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。
? 输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）ΔVos/ΔT：
输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/
℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。 输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地
方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。 ?
? 输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）ΔIos/ΔT： 最大共模输入电压Vcm： 最大共模输入电压定义为，当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB 是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。 ? 共模抑制比CMRR： 共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入中的共模干扰信号。由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。
? 电源电压抑制比PSRR： 电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放输入失调电压随电源电压的变化比值。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。对于电源电压抑制比低的运放，运放的电源需要作认真细致的处理, 否则电源的纹波会引入到输出端。当然，共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压抑制比，另外在使用双电源供电时，正负电源的电源电压抑制比可能不相同。
? 输出峰-峰值电压Vout： 输出峰-峰值电压定义为，当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前大电源电压供电时，运放能够输出的最大电压幅度。除低压运放外，一般运放的输出输出峰-峰值电压大于±10V。一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的，现代部分低压运放的输出级做了特殊处理，使得在10k?负载时，输出峰-峰值电压接近到电源电压的50mV以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）运放。需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载有关，负载不同，输出峰-峰值电压也不同；运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用，输出峰- 峰值电压越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。
? 输入阻抗Rin:
输入阻抗反映输入对运放性能的影响，选择运放时输入阻抗越大越好。 交流指标： 运放主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。
交流指标中有许多很重要的参数，尤其单位增益带宽和压摆率，分别在小信号和大信号运放选型中尤其有用。
? 输出阻抗Rout：
输入阻抗反映运放输出端带负载能力，越小越好。
? 开环增益Av：
开环条件下运放能达到的最大增益
? 开环带宽：
开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。这用于很小信号处理。NE5532数据手册中貌似没有这项参数。
? 单位增益带宽GB（NE5532中使用增益带宽积GBW衡量）
单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降 3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。
单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理
的信号频率和信号需要的增以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这项参数用于小信号处理中运放选型。
? 压摆率（转换速率）SR： 运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。 转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率SR&=10V/μs，高速运放的转换速率SR&10V/μs。目前的高速运放最高转换速率SR达到 6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。
? 全功率带宽： 在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。
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