電子設計競賽訓練中基本模塊電路的研究與實踐

朱 雷 羅印升 陶為戈 俞 洋 劉曉杰

江蘇理工學院電氣信息工程學院 江蘇常州 213001

全國大學生電子設計競賽自1994年首次舉辦以來，對電類專業(yè)的教學改革、人才培養(yǎng)、實驗室建設起到了巨大的引領與促進作用，因此吸引了各類院校的廣泛參與[1]。以電子信息類專業(yè)見長的西安電子科技大學、東南大學、電子科技大學等工科高校，長期以來的參賽成績十分突出[2]。南京大學作為一所參賽時間稍晚的綜合性高校，在學校、教師、學生及訓練體系等多層面做了有益的嘗試與實踐，在2015年的全國競賽中取得了顯著的成績[2,3]。江蘇理工學院作為一所地方二本院校，在以應用型人才培養(yǎng)為目標的電氣信息工程學院，長期以來以教學為中心，取得了較為豐富的成果，并吸引了一批青年教師參與其中。自2007年首次參加電子設計競賽至2017年，共獲得全國二等獎5項、江蘇賽區(qū)一等獎22項、江蘇賽區(qū)二等獎74項。文獻[4]就本校電子設計競賽培訓體系的構建以及學生專業(yè)能力培養(yǎng)兩方面內(nèi)容做了闡述。基于電子設計競賽的規(guī)則和競賽特點，在訓練和備賽過程中，往往需要準備一系列電路模塊，同時還要考慮實際需求與制作成本。多年來由教師主導、設計制作了一些常用模塊，供本校師生使用，下面以部分典型模塊為例進行介紹。

1 DDS模塊

基于直接數(shù)字頻率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)技術可以產(chǎn)生頻率、初相乃至幅度可程控的正弦信號，在電子測量儀器和射頻電子系統(tǒng)中具有廣泛應用。2005年全國大學生電子設計競賽A題“正弦信號發(fā)生器”、2013年競賽E題“簡易頻率特性測試儀”和2017年競賽H題“遠程幅頻特性測試裝置”均涉及DDS技術。在硬件實現(xiàn)層面，一種方法是利用FPGA等可編程邏輯器件結合高速D/A轉換器構成，另一種便捷的方法是采用集成電路芯片。ADI公司的AD9850[5]是一種典型的低功耗DDS集成電路，具有125 MHz最高工作頻率和28腳SSOP的簡潔封裝，性價比高，被廣泛應用于各類電子產(chǎn)品中，同時，也適合應用于電子設計競賽訓練與電類專業(yè)實訓課程。在硬件設計過程中，參考AD9850的數(shù)據(jù)手冊，選擇了兩片74HC573鎖存器分別傳輸數(shù)據(jù)與控制信號，并在電流信號輸出端設計了電流/電壓轉換電路和低通濾波電路，圖1給出了DDS模塊的電路原理簡圖，該模塊自2009年應用以來，效果較好，目前使用的第二版采用四層板設計，進一步提升了模塊性能。

圖1 DDS模塊電路原理簡圖

如圖1中虛線框所示，通過外接微控制器模塊并按照AD9850的工作時序進行軟件設計，可完成信號的頻率、初相等特征參數(shù)配置，從而在輸出端可獲得期望的正弦信號。此外，AD9850片內(nèi)集成了一個獨立的高速電壓比較器，若將正弦信號反饋回相應的輸入引腳，可在其輸出端獲得一個同步的方波信號，便于特殊場合的應用，例如，作為一個可編程的時鐘源。賽前培訓過程中通過闡述芯片的內(nèi)部結構、工作原理、寄存器功能和工作時序，現(xiàn)場進行程序下載和信號觀察，一步一步講解如何編寫驅動程序，激發(fā)學生對電子技術的學習興趣。

2 微控制器模塊

在絕大多數(shù)電子系統(tǒng)中，都需要一個控制核心來完成系統(tǒng)硬件時序控制和人機交互功能，從應用成本和開發(fā)難度角度考慮，微控制器往往成為絕大多數(shù)情況下的設計首選，電子設計競賽亦是如此。TI公司的MSP430系列微控制器以其顯著的低功耗等特點，近年來在電子設計競賽中被廣泛使用，尤其是在江蘇等省份進行的TI杯省級競賽中。綜合考慮，選擇了一款64腳的MSP430F149型號芯片作為核心進行模塊設計，該芯片內(nèi)部集成了一個12位逐次逼近式A/D轉換器，適合于在絕大多數(shù)非高速信號采集場合的應用。圖2給出了該模塊的結構簡圖。該模塊自2010年開發(fā)初版以來，在培訓與參賽過程中普遍使用，在目前使用的第二版電路板上，MSP430F149使用直插結構，購買MSP430F149貼片轉接板成品并插入模塊板使用，從而降低手工焊接難度，若有損壞則直接更換轉接板，使用便捷。

圖2 MSP430F149模塊結構簡圖

考慮到在一般情況下，電子設計競賽要求微控制器模塊應為最小系統(tǒng)，板上擴展資源要少。因此，設計過程中，在保留必要的電源電路、時鐘電路、復位電路及JTAG下載電路的基礎上，將I/O端口和基準電源引腳連接到排針上，直接引出使用。其中，部分I/O端口連接在雙排排針的一側，另一側則接到外圍的矩陣鍵盤或者2片74HC573鎖存器上，74HC573的LE引腳則分別連在P3.3，P3.4對應的另一側排針上，鎖存器的輸出端分別連在8個共陰極數(shù)碼管的段選端和位選端上，從而以動態(tài)方式驅動數(shù)碼管顯示。因此，在實際應用過程中，一方面，如果需要使用矩陣鍵盤和數(shù)碼管顯示，則將圖中P1，P5以及P3.3，P3.4連接的雙排排針上插上短路帽，從而結合軟件程序實現(xiàn)人機交互；另一方面，如果需要連接板外資源，則拔下短路帽，由I/O端口一側的排針連接相應的資源，使用十分靈活。

3 D/A轉換模塊

在部分電子系統(tǒng)中，需要使用D/A轉換模塊，2016年選擇TI公司的一種雙通道8位并行乘法器型D/A轉換器TLC7528進行了模塊設計，其結構簡圖如圖3所示，與上述微控制器模塊一起各加工PCB板120片左右，由報名參加2016年校大學生電子設計競賽的116名學生焊接后開始使用，效果較好。

圖3 TLC7528模塊結構簡圖

在圖3中，八位并行數(shù)據(jù)通過排針輸入，基于TLC7528的T型電阻網(wǎng)絡結構在兩路電流信號輸出端設計了電流/電壓轉換電路和反相電路。REFA，REFB，引腳接到雙排排針的一側，而另一側則接在系統(tǒng)的5 V電源或者地線上。若REFA，REFB參考電壓采用板載5 V電壓，則插上相應的短路帽，若對信號質量要求較高，可拔掉短路帽，將REFA，REFB一側的排針連接至板外的基準電源電路。可插上短路帽，則直接連接到地線，再根據(jù)的電平確定A或B通道的信號輸出，這里也可拔掉短路帽，由來自外部控制器的電平進行程控，因此配置十分靈活。

由于各大半導體公司生產(chǎn)的D/A轉換器種類繁多，在實際使用過程中，可根據(jù)成本和性能需求等因素進行選擇。例如，2017年我們還設計了基于12位串行雙通道D/A轉換器TLV5638的模塊，具有體積小、精度高等特點，在2017年競賽的部分學生中使用效果較好，在后續(xù)的競賽輔導過程中將進行更大范圍的引入，這里不再贅述。

4 FPGA模塊

在高速數(shù)字信號處理場合，往往需要采用FPGA技術進行數(shù)字邏輯設計，這在電子設計競賽中也多次得到體現(xiàn)。2009年，基于Altera公司的Cyclone II 系列FPGA，選擇性價比較高的EP2C5Q208C8N為目標器件，設計了FPGA模塊，使用過程中穩(wěn)定性、可靠性良好。2013年，基于Cyclone III系列的EP3C10E144C8N采用多層板技術設計了第二個FPGA模塊，其結構簡圖如圖4所示。

圖4 EP3C10E144C8N模塊結構簡圖

可以看出，電路保留了JTAG和AS兩種下載接口，選擇50 MHz的有源晶振接入CLK0產(chǎn)生板載驅動時鐘，將其余時鐘端口和全部I/O端口通過排針引出使用。就電源部分而言，3.3 V主要為I/O端口供電，2.5 V主要為JTAG端口供電，同時經(jīng)π型濾波作PLL的模擬電源，1.2 V主要為FPGA芯片內(nèi)核供電，同時經(jīng)π型濾波作PLL的數(shù)字電源。PCB設計過程中，布線平面分為四層，其中頂層和底層為信號層，第二層為地平面，第三層分割出不同的區(qū)域供不同電源使用。為了提升電路穩(wěn)定性，優(yōu)化信號質量，在器件電源引腳附近放置了大量的退耦電容，其中，在FPGA芯片四周，采用了0402封裝的陶瓷電容，在改善布局布線的壓力時也一定程度地增加了焊接難度。

5 結語

本文以我校電子設計競賽訓練過程中開發(fā)的部分典型模塊為例進行了介紹，這些模塊對訓練學生的技術應用能力和創(chuàng)新能力起到了很好的作用。部分模塊不僅用于電子設計競賽訓練，還在學院部分專業(yè)的綜合實訓、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)得到推廣使用，從而擴大了受益面，同時也能方便地應用于教師的科研或技術開發(fā)工作中。由于近年來全國大學生電子設計競賽的賽題工作量和技術指標要求越來越高，要取得優(yōu)秀的成績，除了充分的準備，還需要參賽者在有限的競賽期間內(nèi)認真審題并選擇合適的技術及器件嘗試，同時競賽對通用電子測量儀器提出了更高的要求，這在一定程度上也加速了各大高校的實驗室建設力度。