电子设计竞赛训练中基本模块电路的研究与实践

朱 雷 罗印升 陶为戈 俞 洋 刘晓杰

江苏理工学院电气信息工程学院 江苏常州 213001

全国大学生电子设计竞赛自1994年首次举办以来，对电类专业的教学改革、人才培养、实验室建设起到了巨大的引领与促进作用，因此吸引了各类院校的广泛参与[1]。以电子信息类专业见长的西安电子科技大学、东南大学、电子科技大学等工科高校，长期以来的参赛成绩十分突出[2]。南京大学作为一所参赛时间稍晚的综合性高校，在学校、教师、学生及训练体系等多层面做了有益的尝试与实践，在2015年的全国竞赛中取得了显著的成绩[2,3]。江苏理工学院作为一所地方二本院校，在以应用型人才培养为目标的电气信息工程学院，长期以来以教学为中心，取得了较为丰富的成果，并吸引了一批青年教师参与其中。自2007年首次参加电子设计竞赛至2017年，共获得全国二等奖5项、江苏赛区一等奖22项、江苏赛区二等奖74项。文献[4]就本校电子设计竞赛培训体系的构建以及学生专业能力培养两方面内容做了阐述。基于电子设计竞赛的规则和竞赛特点，在训练和备赛过程中，往往需要准备一系列电路模块，同时还要考虑实际需求与制作成本。多年来由教师主导、设计制作了一些常用模块，供本校师生使用，下面以部分典型模块为例进行介绍。

1 DDS模块

基于直接数字频率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)技术可以产生频率、初相乃至幅度可程控的正弦信号，在电子测量仪器和射频电子系统中具有广泛应用。2005年全国大学生电子设计竞赛A题“正弦信号发生器”、2013年竞赛E题“简易频率特性测试仪”和2017年竞赛H题“远程幅频特性测试装置”均涉及DDS技术。在硬件实现层面，一种方法是利用FPGA等可编程逻辑器件结合高速D/A转换器构成，另一种便捷的方法是采用集成电路芯片。ADI公司的AD9850[5]是一种典型的低功耗DDS集成电路，具有125 MHz最高工作频率和28脚SSOP的简洁封装，性价比高，被广泛应用于各类电子产品中，同时，也适合应用于电子设计竞赛训练与电类专业实训课程。在硬件设计过程中，参考AD9850的数据手册，选择了两片74HC573锁存器分别传输数据与控制信号，并在电流信号输出端设计了电流/电压转换电路和低通滤波电路，图1给出了DDS模块的电路原理简图，该模块自2009年应用以来，效果较好，目前使用的第二版采用四层板设计，进一步提升了模块性能。

图1 DDS模块电路原理简图

如图1中虚线框所示，通过外接微控制器模块并按照AD9850的工作时序进行软件设计，可完成信号的频率、初相等特征参数配置，从而在输出端可获得期望的正弦信号。此外，AD9850片内集成了一个独立的高速电压比较器，若将正弦信号反馈回相应的输入引脚，可在其输出端获得一个同步的方波信号，便于特殊场合的应用，例如，作为一个可编程的时钟源。赛前培训过程中通过阐述芯片的内部结构、工作原理、寄存器功能和工作时序，现场进行程序下载和信号观察，一步一步讲解如何编写驱动程序，激发学生对电子技术的学习兴趣。

2 微控制器模块

在绝大多数电子系统中，都需要一个控制核心来完成系统硬件时序控制和人机交互功能，从应用成本和开发难度角度考虑，微控制器往往成为绝大多数情况下的设计首选，电子设计竞赛亦是如此。TI公司的MSP430系列微控制器以其显著的低功耗等特点，近年来在电子设计竞赛中被广泛使用，尤其是在江苏等省份进行的TI杯省级竞赛中。综合考虑，选择了一款64脚的MSP430F149型号芯片作为核心进行模块设计，该芯片内部集成了一个12位逐次逼近式A/D转换器，适合于在绝大多数非高速信号采集场合的应用。图2给出了该模块的结构简图。该模块自2010年开发初版以来，在培训与参赛过程中普遍使用，在目前使用的第二版电路板上，MSP430F149使用直插结构，购买MSP430F149贴片转接板成品并插入模块板使用，从而降低手工焊接难度，若有损坏则直接更换转接板，使用便捷。

图2 MSP430F149模块结构简图

考虑到在一般情况下，电子设计竞赛要求微控制器模块应为最小系统，板上扩展资源要少。因此，设计过程中，在保留必要的电源电路、时钟电路、复位电路及JTAG下载电路的基础上，将I/O端口和基准电源引脚连接到排针上，直接引出使用。其中，部分I/O端口连接在双排排针的一侧，另一侧则接到外围的矩阵键盘或者2片74HC573锁存器上，74HC573的LE引脚则分别连在P3.3，P3.4对应的另一侧排针上，锁存器的输出端分别连在8个共阴极数码管的段选端和位选端上，从而以动态方式驱动数码管显示。因此，在实际应用过程中，一方面，如果需要使用矩阵键盘和数码管显示，则将图中P1，P5以及P3.3，P3.4连接的双排排针上插上短路帽，从而结合软件程序实现人机交互；另一方面，如果需要连接板外资源，则拔下短路帽，由I/O端口一侧的排针连接相应的资源，使用十分灵活。

3 D/A转换模块

在部分电子系统中，需要使用D/A转换模块，2016年选择TI公司的一种双通道8位并行乘法器型D/A转换器TLC7528进行了模块设计，其结构简图如图3所示，与上述微控制器模块一起各加工PCB板120片左右，由报名参加2016年校大学生电子设计竞赛的116名学生焊接后开始使用，效果较好。

图3 TLC7528模块结构简图

在图3中，八位并行数据通过排针输入，基于TLC7528的T型电阻网络结构在两路电流信号输出端设计了电流/电压转换电路和反相电路。REFA，REFB，引脚接到双排排针的一侧，而另一侧则接在系统的5 V电源或者地线上。若REFA，REFB参考电压采用板载5 V电压，则插上相应的短路帽，若对信号质量要求较高，可拔掉短路帽，将REFA，REFB一侧的排针连接至板外的基准电源电路。可插上短路帽，则直接连接到地线，再根据的电平确定A或B通道的信号输出，这里也可拔掉短路帽，由来自外部控制器的电平进行程控，因此配置十分灵活。

由于各大半导体公司生产的D/A转换器种类繁多，在实际使用过程中，可根据成本和性能需求等因素进行选择。例如，2017年我们还设计了基于12位串行双通道D/A转换器TLV5638的模块，具有体积小、精度高等特点，在2017年竞赛的部分学生中使用效果较好，在后续的竞赛辅导过程中将进行更大范围的引入，这里不再赘述。

4 FPGA模块

在高速数字信号处理场合，往往需要采用FPGA技术进行数字逻辑设计，这在电子设计竞赛中也多次得到体现。2009年，基于Altera公司的Cyclone II 系列FPGA，选择性价比较高的EP2C5Q208C8N为目标器件，设计了FPGA模块，使用过程中稳定性、可靠性良好。2013年，基于Cyclone III系列的EP3C10E144C8N采用多层板技术设计了第二个FPGA模块，其结构简图如图4所示。

图4 EP3C10E144C8N模块结构简图

可以看出，电路保留了JTAG和AS两种下载接口，选择50 MHz的有源晶振接入CLK0产生板载驱动时钟，将其余时钟端口和全部I/O端口通过排针引出使用。就电源部分而言，3.3 V主要为I/O端口供电，2.5 V主要为JTAG端口供电，同时经π型滤波作PLL的模拟电源，1.2 V主要为FPGA芯片内核供电，同时经π型滤波作PLL的数字电源。PCB设计过程中，布线平面分为四层，其中顶层和底层为信号层，第二层为地平面，第三层分割出不同的区域供不同电源使用。为了提升电路稳定性，优化信号质量，在器件电源引脚附近放置了大量的退耦电容，其中，在FPGA芯片四周，采用了0402封装的陶瓷电容，在改善布局布线的压力时也一定程度地增加了焊接难度。

5 结语

本文以我校电子设计竞赛训练过程中开发的部分典型模块为例进行了介绍，这些模块对训练学生的技术应用能力和创新能力起到了很好的作用。部分模块不仅用于电子设计竞赛训练，还在学院部分专业的综合实训、毕业设计等环节得到推广使用，从而扩大了受益面，同时也能方便地应用于教师的科研或技术开发工作中。由于近年来全国大学生电子设计竞赛的赛题工作量和技术指标要求越来越高，要取得优秀的成绩，除了充分的准备，还需要参赛者在有限的竞赛期间内认真审题并选择合适的技术及器件尝试，同时竞赛对通用电子测量仪器提出了更高的要求，这在一定程度上也加速了各大高校的实验室建设力度。