体验电子设计大赛赛题.docx
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体验电子设计大赛赛题.docx
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体验电子设计大赛赛题
A题——竞赛抢答器
一、任务
设计制作一个4路抢答器,抢答者按动本组按键,组号立即在LED显示器上显示,同时封锁其他组的按键信号。
二、要求
1.基本要求
(1)系统设置外部清除健,按动清除健,LED显示器自动清零灭灯。
(2)抢答器定时为30秒,通过控制健启动抢答器后,要求30秒定时器开始工作,发光管点亮。
(3)抢答者在30秒内进行抢答有效,如果30秒内无抢答者,则本次抢答无效,系统报警。
2.发挥部分
1)能显示分数
2)有主持人可加分(回答正确)减分(回答错误)、设置初始分数(初始分数不必可选,自行设定)功能,步进为1分。
3)当分数小于等于0时,自动提示此人出局。
4)其他创新。
评分标准:
工艺分10分,使用开发板制作者2分,自己制作硬件2-8分飞线不扣分。
完成基本要求15分
完成基本要求220分
完成基本要求310分
完成发挥部分110分
完成发挥部分220分
完成发挥部分35分
论文20分
分五挡
(1)有交论文0~5分
(2)论文达到了基本格式标准,内容单一6~10分
(3)格式标准,原理清楚,内容齐全11~15分
(4)原理、理论分析、计算、测试数据、论文格式字数均优16~20分
B题——超外差调频收音机
一、任务
设计并制作一个超外差调频收音机。
二、要求
(一)基本要求
(1)采用超外差电路,接收频率范围:
FM87.5——108.5MHz;
(2)清晰接收到10个以上强信号的电台;
(3)手动调台,外接拉杆天线;
(4)驱动普通耳机;
(二)发挥部分
(1)在原来基础上增加TS频道:
TS70——88MHz;
(2)接收台数尽可能增加;
(3)减小拉杆天线长度,甚至使用耳机线代替拉杆天线;
(4)采用按键选择频道;
(5)增加立体声解调电路;
(6)增加后级功放,驱动8欧扬声器;
三、参考方案
调频收音机原理比较复杂,电路结构亦然。
超再生电路和超外差电路均可对FM信号进行解调,不过超再生电路选择性和音质差,灵敏度也较低;超外差电路比较复杂,但是采用专用芯片,能大大简化电路,能做出灵敏度高、选择性好和音质佳的调频收音机。
常见调频接收芯片有:
TA2003、TDA7021、TA8122、CXA1691、CXA1238等等。
(一)基本要求参考方案
一、电路工作原理
图1是以TA2003为核心芯片构成的FM接收和解调电路,天线感应到的射频信号由C4、C5耦合进入芯片,15脚接LC谐振网络,谐振频率等于目标信号频率;13脚也接一个LC谐振网络,谐振频率比目标频率低10.7MHz,二者混频产生10.7MHz中频。
这两个LC谐振网络直接决定电路是否正常接收广播信号,重要!
混频后的中频信号经过内部处理,经过外部两个10.7MHz的中频陶瓷滤波器,最后从11脚输出音频信号,直接把11脚输出的音频信号输入音频放大器后,即可以推动耳机发音。
简单的耳机驱动电路如图2:
图2耳机驱动电路
实际工作时,Q1的集电极电压约为电源电压一半,根据实际工作电压调整基极电阻R5的阻值以满足要求。
LS1和LS2为耳机的两个通道,直接串联。
二、核心元器件选择及制作
芯片:
TA2003,10.7MHz三端陶瓷滤波器两个。
电路中几个电感,参数比较重要,直接决定成败,可以参考一下参数进行自制,也可以自行设计。
采用直径0.5mm的漆包线绕出线圈的横截面的直径为3.3mm的线圈,45nH的绕5.5圈、拉长为6mm,60nH的绕6.5圈、拉长为6mm。
由于分布参数,这两个电感绕好之后,调试时调整线圈长度适当调整电感量。
其他元件较为常见,自行选择即可。
三、其他说明
核心芯片为TA2003,好处就是提供直插封装,有利于使用万用板进行制作。
也可以采用其他收音机芯片,CXA1691性能不错,灵敏度高稳定性好音质优良;TDA7021比较有特色,电路中只需一个LC谐振网络,调试极为简单,成功率高;CXA1238也不错,内部集成了立体声解码器,等等。
不过前面几款芯片要考虑封装,如果为贴片封装,必须自己设计PCB。
(二)发挥部分
(1)扩大接收范围。
实现方法较为简单,只要重新设计LC网络的参数即可,或者设计换挡开关,但是开关本身分布参数较大,参数较难估算。
TS频道频率比FM低,只要LC网络的谐振频率范围足够宽,无须更换芯片即可以正常实现TS频道信号接收。
(2)接收台数的增加
采用了专用芯片,灵敏度一般较高,只要耐心调整,接收电台数目很容易达到15个以上。
(3)采用耳机线充当天线
耳机线充当天线,会降低接收灵敏度,在没有拉杆天线条件下也能进行接收,充分利用资源,实际根据进行灵敏度的折衷。
电路较为简单,如图3:
图3采用耳机线充当天线
原理比较简单,从耳机的公共端引出感应到的射频信号,经22pF电容耦合到原来的天线输入端。
另外,在原来的基础上串联两个电感量2.2uH以上的色码电感,防止射频信号乱串。
建议使用耳机天线时也不要拆除拉杆,能增加灵敏度。
(4)采用按键选择频道
要使用按键进行频道选择,必须增加频率锁定电路,即锁相环电路,实现起来比较复杂,不过该功能可以采用专用的芯片进行实现。
该芯片即为TDA7088,原理图如下:
该电路除包含FM收音机从天线接收到鉴频输出音频信号的全部功能外,还设有搜索调谐电路、信号检测电路、静噪电路以及压缩中频频偏的频率锁定环FLL电路。
TDA7088T电路的中频频率设计为70kHz,外围电路不用中频变压器,其中频选择由电路内部RC中频滤波器来完成。
该机像数字调谐收音机那样采用电调谐按钮(RUN),另一只是复位按钮(RESET)。
电路接通电源后,按一下搜索按钮,电路自动地由频率低端向高端搜索电台,一旦搜索到电台信号,调谐自动停止。
如果接着按一下搜索按钮,电路继续往高频端搜索电台。
当调谐到FM接收频率最高端时,只需按一下复位按钮,本振频率即回到最低端,搜索调谐又重新开始。
下面介绍该机的制作和调试方法。
该机采用耳机线作为天线,由耳机线感应到的FM信号从TDA7088T集成块{11}脚进入混频电路,与本振混频后产生70kHz中频信号。
电台信号送入集成块{11}和{12}脚,电感L2、电容C10、C11、C12构成输入回路,电路的频率由L1、C5及变容二极管D1决定。
由图可见C1为静噪电容,C6为中频反馈电容,C7为低通电容,{15}脚为搜索调谐输入端,C14为滤波电容,{16}脚为电调谐、AFC输出端。
这里需要特别注意的是两只空心线圈,圈数少的那只是振荡线圈,安装在集成块的4和5脚之间,另一个圈数多的是输入调谐回路线圈,安装在{11}与{12}脚之间,由于中频频率选得很低,本振信号很容易从天线输入端窜到电路里造成干扰,所以这两只线圈的位置要放置成相互垂直。
焊接时要注意TDA7088T的管脚排列方向,不要弄错,焊接用的电烙铁外壳要接地,不要在线路板通电的情况下焊接线路板上的元件。
安装完毕之后,要认真检查,避免有错焊、虚焊和短路等现象,确认无误后进行下一步调试工作。
(5)立体声解调功能
立体声解调必须采用专用芯片,部分接收芯片内置了立体声解码器,如CXA1238和TA8122便是内置立体声解码器的芯片。
外置的解码芯片常见有TA7343和TDA7040等。
这里附TA7343的应用电路图,其他芯片应用图见其Datasheet。
(6)后级功放
建议使用TDA2822进行制作,其工作电压低,双声道,可以接成立体声或者BTL。
见下图:
评分标准:
收音机
1采用超外差电路,接收频率范围:
FM87.5——108.5MHz;25分
2清晰接收到10个以上强信号的电台25分
3其他25分
4.论文
共同评分部分——论文25分
分五挡
(1)有交论文0~5分
(2)论文达到了基本格式标准,内容单一6~10分
(3)格式标准,原理清楚,内容齐全11~15分
(4)原理清楚,理论分析计算到位或测试数据较全16~20分
(5)原理、理论分析、计算、测试数据、论文格式字数均优21~25分
C题——红外音频信号传输器
四、任务
设计并制作一个红外音频信号传输器。
五、要求
(三)基本要求
(5)采用采红外无线传输音频信号,传输距离至少为2m;
(6)2m外能接收清晰的音频信号;
(7)手动调节音量;
(8)驱动普通耳机;
(四)发挥部分
(7)在原来基础上增加红外音频信号放大器,增加传输距离至5m;
(8)能自动调节音量增益,使耳机的音量合适;
(9)增大红外发射和接收的角度,提高使用的灵活性;
(10)增加后级功放,驱动8欧扬声器;
(11)设计为红外电话,具有来电提醒的功能。
(12)其他。
六、参考方案
红外可传输数字量,也可传输模拟量。
音频属模拟信号,若用数字量传输,则增加AD和DA模块。
电路相对复杂。
因此,可用红外LED直接发射经音频信号调制的红外信号。
经过红外光敏二极管将音频信号解调出来。
电路将十分简单!
(一)基本要求参考方案
(二)电路工作原理
电阻R1给发光二极管提供了静态的工作电流。
音频信号通过电容C1耦合到功率三极管,使红外发光二极管D1发出被调制的红外光。
红外光敏二极管D2接收到D1发出的红外光。
经过电容C2耦合,把音频信号取出,经过L,M386放大,驱动耳机或扬声器发出声音。
有效距离可达2m。
该电路简洁而不简单!
(三)发挥部分
来电提醒可使用蜂鸣器。
右图为麦克风前级放大的参考电路。
LM386的输出端可直接接到发射电路的Vin。
(四)相关知识:
1、红外线。
上红外线的波长大于可见光线,波长为0.75~1000μm。
红外线可分为三部分,即近红外线,波长为0.75~1.50μm之间;中红外线,波长为1.50~6.0μm之间;远红外线,波长为6.0~l000μm之间。
红外广泛应用于遥控、数据传输、遥感等方面。
2、发光二极管:
LED的电流-电压特性图
右图所示为LED工作的电流-电压(I-V)特性图。
发光二极管具有与一般半导体三极管相似的输入伏安特性曲线。
OA段:
正向死区
VA为开启LED发光的电压。
红色(黄色)LED的开启电压一般为0.2~0.25V,绿色(蓝色)LED的开启电压一般为0.3~0.35V。
AB段:
工作区
在这一区段,一般是随着电压增加电流也跟着增加,发光亮度也跟着增大。
但在这个区段内要特别注意,如果不加任何保护,当正向电压增加到一定值后,那么发光二极管的正向电压会减小,而正向电流会加大。
如果没有保护电路,会因电流增大而烧坏发光二极管。
OC段:
反向死区
发光二极管加反向电压是不发光的(不工作),但有反向电流。
这个反向电流通常很小,一般在几μA之内。
目前一般是在3μA以下,但基本上是0μA。
CD段:
反向击穿区
发光二极管的反向电压一般不要超过10V,最大不得超过15V。
超过这个电压,就会出现反向击穿,导致LED报废。
3、LED的电学指标
对于LED器件,一般常用的电学指标有以下几项:
·正向电压VF:
LED正向电流在20mA时的正向电压。
·正向电流IF:
对于小功率LED,目前全世界一致定为20mA,这是小功率LED的正常工作电流。
但目前出现了大功率LED的芯片,所以IF就要根据芯片的规格来确定正向工作电流。
·反向漏电流IR:
按LED以前的常规规定,指反向电压在5V时的反向漏电流。
如上面所说,随着发光二极管性能的提高,反向漏电流会越来越小,但大功率LED芯片尚未明确规定。
·工作时的耗散功率PD:
即正向电流乘以正向电压。
4、方向特性
红外线发光二极管的发射强度因发射方向而异。
方向的特性如图4,图的发射强度是以最大值为基准,方向角度即为发射强度的相对值。
当方向角度为零度时,其放射强度定义为100%,当方向角度越大时,其放射强度相对的减少,发射强度如由光轴取其方向角度一半时,其值即为峰值的一半,此角度称为方向半值角,此角度越小即代表元件之指向性越灵敏。
如下所示:
5、LM386
LM386专为低功耗电源设计的功率放大器,它内建增益为20。
通过1,8脚之间的阻容搭配,增益最高可达200。
输入电压范围为4~12V。
无动作时仅消耗4mA的电流,且失真小。
6、注意事项:
1、发射电路中的红外发光二极管仅为一个。
方向性过强,不够灵活。
本例采用透明的直径为5mm的红外LED。
本例采用黑色的直径为5mm的红外光敏二极管。
仅供参考。
2、发射电路的中R1不宜过小,否则可能烧坏发光二极管。
也可在发光二极管上串联100Ω的限流电阻。
3、图中的三极管也可采用其他的NPN型三极管。
如9013,BC547。
不过,R1的阻值应相应改变。
以使二极管的静态工作电流合适。
原图中的发光二极管静态工作电流为15~20mA。
4、可通过增加电源电压或使用大功率红外LED增加发射距离。
使用多个LED串联或并联,可提高发射和接收的有效角度。
评分标准:
红外传输
1传输距离每10cm1分(<=25分)
2手动/自动调节音量10分/20分
3电话功能20分
4.论文
共同评分部分——论文25分
分五挡
(1)有交论文0~5分
(2)论文达到了基本格式标准,内容单一6~10分
(3)格式标准,原理清楚,内容齐全11~15分
(4)原理清楚,理论分析计算到位或测试数据较全16~20分
(5)原理、理论分析、计算、测试数据、论文格式字数均优21~25分
D题——带警示灯的简易可调稳压电源
一、任务
制作一个简单的小电流可调直流稳压电源,采用分立元件和简单运放,具有监视输出电压的LED警示灯。
二、要求
1.基本要求:
(1)输出电压在0~4V连续可调(6V输入时),在带有负载的情况下电压波动在10%以内。
(2)在散热正常的情况下输出电流可达到250mA,具有限流作用。
(3)LED灯在输出电压不同的情况下具有不同的状态:
a)低于2V时常亮;
b)2~3V间不亮;
c)高于3V闪烁。
2.发挥部分
(1)使用多个三极管并联的方式提高最大输出电流,同时让电路正常工作。
(2)输出电压在0V到输出电压范围内都可调。
(3)加强电压的稳定度(可使用TL431做基准电压)。
(4)用剩余的一个运放和与非门设计一个电路实现相关功能。
三、参考电路和相关说明
1.电路原理图
稳压部分
这是一个用LM358和三极管搭成的简单可调稳压电源。
通过调节RP1实现电压的改变。
R5、R4组成负反馈电路。
R2是限流电阻,限制电流为
A。
当电流增大到这个限制电流时,电流不能再增加。
电源可考虑使用4节干电池(6V),6V~9V的输入电压也是可以的,这时要仔细考虑三极管的耗散功率。
LED灯部分
CD4011是常用的四2输入与非门,输入电压范围较宽。
两个与非门和外围的R7、R8、C2组成了振荡回落,用于产生方波。
其中2脚和6脚必须在达到高电平电压门限的情况下,方波才可产生,这时LED灯出现闪烁。
通过调节RP2、RP3两个电位器,可以设置不同的警示电压值。
这个设定过程要调节到三个电位器,需要仔细反复调试,总结不同位置的规律。
电路连线图
四、评分标准
工艺分10分(制作PCB电路板给满分,飞线每条扣1分。
)
完成基本要求110分
完成基本要求215分
完成基本要求315分
完成发挥部分18分
完成发挥部分210分
完成发挥部分310分
完成发挥部分312分
论文10分
分三挡
(1)有交论文0~4分
(2)格式标准,原理清楚,内容齐全5~7分
(3)原理、理论分析、计算、测试数据、论文格式字数均优8~10分
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