朱 雷 羅印升 陶為戈 俞 洋 劉曉杰

江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 江蘇常州 213001

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽自1994年首次舉辦以來，對(duì)電類專業(yè)的教學(xué)改革、人才培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)起到了巨大的引領(lǐng)與促進(jìn)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(xué)、東南大學(xué)、電子科技大學(xué)等工科高校，長期以來的參賽成績十分突出[2]。南京大學(xué)作為一所參賽時(shí)間稍晚的綜合性高校，在學(xué)校、教師、學(xué)生及訓(xùn)練體系等多層面做了有益的嘗試與實(shí)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(xué)院作為一所地方二本院校，在以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的電氣信息工程學(xué)院，長期以來以教學(xué)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(shè)計(jì)競賽至2017年，共獲得全國二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、江蘇賽區(qū)一等獎(jiǎng)22項(xiàng)、江蘇賽區(qū)二等獎(jiǎng)74項(xiàng)。文獻(xiàn)[4]就本校電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)體系的構(gòu)建以及學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)兩方面內(nèi)容做了闡述?；陔娮釉O(shè)計(jì)競賽的規(guī)則和競賽特點(diǎn)，在訓(xùn)練和備賽過程中，往往需要準(zhǔn)備一系列電路模塊，同時(shí)還要考慮實(shí)際需求與制作成本。多年來由教師主導(dǎo)、設(shè)計(jì)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(jìn)行介紹。

1 DDS模塊

基于直接數(shù)字頻率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)技術(shù)可以產(chǎn)生頻率、初相乃至幅度可程控的正弦信號(hào)，在電子測量儀器和射頻電子系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。2005年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽A題“正弦信號(hào)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(yuǎn)程幅頻特性測試裝置”均涉及DDS技術(shù)。在硬件實(shí)現(xiàn)層面，一種方法是利用FPGA等可編程邏輯器件結(jié)合高速D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)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(jià)比高，被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中，同時(shí)，也適合應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練與電類專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程。在硬件設(shè)計(jì)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(hào)，并在電流信號(hào)輸出端設(shè)計(jì)了電流/電壓轉(zhuǎn)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(yīng)用以來，效果較好，目前使用的第二版采用四層板設(shè)計(jì)，進(jìn)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(shí)序進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，可完成信號(hào)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(hào)。此外，AD9850片內(nèi)集成了一個(gè)獨(dú)立的高速電壓比較器，若將正弦信號(hào)反饋回相應(yīng)的輸入引腳，可在其輸出端獲得一個(gè)同步的方波信號(hào)，便于特殊場合的應(yīng)用，例如，作為一個(gè)可編程的時(shí)鐘源。賽前培訓(xùn)過程中通過闡述芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、寄存器功能和工作時(shí)序，現(xiàn)場進(jìn)行程序下載和信號(hào)觀察，一步一步講解如何編寫驅(qū)動(dòng)程序，激發(fā)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)的學(xué)習(xí)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(gè)控制核心來完成系統(tǒng)硬件時(shí)序控制和人機(jī)交互功能，從應(yīng)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(shè)計(jì)首選，電子設(shè)計(jì)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(diǎn)，近年來在電子設(shè)計(jì)競賽中被廣泛使用，尤其是在江蘇等省份進(jìn)行的TI杯省級(jí)競賽中。綜合考慮，選擇了一款64腳的MSP430F149型號(hào)芯片作為核心進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，適合于在絕大多數(shù)非高速信號(hào)采集場合的應(yīng)用。圖2給出了該模塊的結(jié)構(gòu)簡圖。該模塊自2010年開發(fā)初版以來，在培訓(xùn)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(jié)構(gòu)，購買MSP430F149貼片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接板，使用便捷。

圖2 MSP430F149模塊結(jié)構(gòu)簡圖

考慮到在一般情況下，電子設(shè)計(jì)競賽要求微控制器模塊應(yīng)為最小系統(tǒng)，板上擴(kuò)展資源要少。因此，設(shè)計(jì)過程中，在保留必要的電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及JTAG下載電路的基礎(chǔ)上，將I/O端口和基準(zhǔn)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(cè)，另一側(cè)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(duì)應(yīng)的另一側(cè)排針上，鎖存器的輸出端分別連在8個(gè)共陰極數(shù)碼管的段選端和位選端上，從而以動(dòng)態(tài)方式驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。因此，在實(shí)際應(yīng)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(jié)合軟件程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)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(cè)的排針連接相應(yīng)的資源，使用十分靈活。

3 D/A轉(zhuǎn)換模塊

在部分電子系統(tǒng)中，需要使用D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器TLC7528進(jìn)行了模塊設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)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(bào)名參加2016年校大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的116名學(xué)生焊接后開始使用，效果較好。

圖3 TLC7528模塊結(jié)構(gòu)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(luò)結(jié)構(gòu)在兩路電流信號(hào)輸出端設(shè)計(jì)了電流/電壓轉(zhuǎn)換電路和反相電路。REFA，REFB，引腳接到雙排排針的一側(cè)，而另一側(cè)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(yīng)的短路帽，若對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高，可拔掉短路帽，將REFA，REFB一側(cè)的排針連接至板外的基準(zhǔn)電源電路?？刹迳隙搪访?，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(hào)輸出，這里也可拔掉短路帽，由來自外部控制器的電平進(jìn)行程控，因此配置十分靈活。

由于各大半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的D/A轉(zhuǎn)換器種類繁多，在實(shí)際使用過程中，可根據(jù)成本和性能需求等因素進(jìn)行選擇。例如，2017年我們還設(shè)計(jì)了基于12位串行雙通道D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638的模塊，具有體積小、精度高等特點(diǎn)，在2017年競賽的部分學(xué)生中使用效果較好，在后續(xù)的競賽輔導(dǎo)過程中將進(jìn)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(hào)處理場合，往往需要采用FPGA技術(shù)進(jìn)行數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)，這在電子設(shè)計(jì)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(jià)比較高的EP2C5Q208C8N為目標(biāo)器件，設(shè)計(jì)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(shù)設(shè)計(jì)了第二個(gè)FPGA模塊，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 EP3C10E144C8N模塊結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)時(shí)鐘，將其余時(shí)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(shí)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(shí)經(jīng)π型濾波作PLL的數(shù)字電源。PCB設(shè)計(jì)過程中，布線平面分為四層，其中頂層和底層為信號(hào)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(hào)質(zhì)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(shí)也一定程度地增加了焊接難度。

5 結(jié)語

本文以我校電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練過程中開發(fā)的部分典型模塊為例進(jìn)行了介紹，這些模塊對(duì)訓(xùn)練學(xué)生的技術(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練，還在學(xué)院部分專業(yè)的綜合實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)得到推廣使用，從而擴(kuò)大了受益面，同時(shí)也能方便地應(yīng)用于教師的科研或技術(shù)開發(fā)工作中。由于近年來全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的賽題工作量和技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，要取得優(yōu)秀的成績，除了充分的準(zhǔn)備，還需要參賽者在有限的競賽期間內(nèi)認(rèn)真審題并選擇合適的技術(shù)及器件嘗試，同時(shí)競賽對(duì)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)力度。