电子设计大赛总结

比赛对于我来说很早就已经结束了,前后累加将近3,4个月的训练,我确实收获了不少,相关的体会我已经在阶段性的报告中进行了陈述,这里仅对比赛前后的点点滴滴进行一下小结,算是对我难得的一次经历的历史性回顾吧。

9月2日,正式的比赛拉开了帷幕。清晨我们学校的各个队伍就集结在了会议室,才7:20而已,平日这个时间还在梦乡中徘徊呢。相关的领导进进出出,直到巡视员的姗姗到来,我们正式进入了比赛场地。题目已经发布在网站上了,电源,宽带运放,无线通信…这些我们训练提及过的内容似乎都如约而至,只不过题目乍看起来还有一些欺骗性,”它们都是伪装成几何问题的函数问题”(《嫌疑犯X献身》)。比赛前我们小组一直在研究的数字滤波内容,目标自然就锁定在与之相关的‘数字均衡’题目上了。

整个系统的结构确定还是不难的,题目上也给出了相当的约束条件。我的初期任务主要是研究后级的功率放大模块,也就是从FPGA输出的信号将之功率放大。题目上要求效率较高,这首先使我们想到的就是采用D类功放,比赛开始前,我们就已经投入了经历在其中,因此选择它更是理所当然(想当然的结果就是Surprise!)。由于IR2105类驱动芯片一直尝试不通,而我本人也一直怀疑这个芯片使用的必要性(主要是对D类功放两个MOS管的控制原理理解不透)。好在时间看起来还是比较充分的。运放的搭建,带阻网络的搭建都有现成的电路,一个小时就能搞定,做FPGA滤波环节的人其实训练中期就曾经设计了思路比较新颖效果也还不错的多带通FIR滤波系统。因此我就秉持的比较放松的心态开始具体研究MOS管组成D类功放的原理。最开始的尝试是用单一的MOS管组成简单的放大电路,将PWM波放大后级加上简单的RC滤波就还原出了想要的正弦波形,但对于桥式的MOS管的控制,虽然仿真出来尚且有波形,但实际结果却差强人意。

大概用了近两天的时间,我终于明白了D类功放中桥式电路的控制原理,以及驱动器的使用必要性了。原因说出来就比较清晰了,两个相连对接的MOS管要想控制保证一个导通,一个闭合这样的状态不断转换,就必须要有两个独立的控制信号分别加载在他们GS端。

举例来说,如果我有两个信号源,产生两路方波分别加载到他们的GS上,就能独立的控制他们的开关了。但实际情况是,这两路方波一定是相位差为零,仅仅是逻辑相反而以,这样的信号源就做不到了(如何能让两个信号源分同步呢)。如果采用其他手段,比如让FPGA产生这样的逻辑相反的同步PWM波去分别控制两路GS,乍看起来好像也可以。但事实,由于两路PWM一定是共地的,这就使得桥的中点,也就是上方的MOS管的S级永远是地,因此当然输出的信号都是毛毛了。

因此驱动器的作用就产生了,他能产生两路不共地的PWM波。其实其内部在低频时就相当于光耦合,或变压线圈的作用。但意识到这个问题花了不少的时间,好在另一个研究IR2105的同学已经有了突破,终于搞明白了这个芯片的外围电路参数的确定办法。接下来我们就用这个放大电路进行了烧烤实验,功率确实够大的,8欧姆的负载加上时间不长就有烤肉味产生。但好在是成功放大了功率。这会儿我又花了点时间完成了前级放大电路的搭建,要说的NE5532效果确实很棒,一个简单的负反馈,不用太多的调节,出来就是完美的正弦波。时间到了接近第三天的晚上,本来我们很早就对系统的整体完成了设计。但发现功率在15V供电的情况下很难达到预期指标,不过通过占空比的调节终于让直流功率吧总功率顶上去了,与此同时我也完成了全系统的联调入箱的操作。可惜后期突然听说输出功率不包括直流功率,我当时无论如何也不能接受这个想法,但也没办法,人疲倦的时候就是经不住新思想,而这也使我们作出导致了几乎满盘皆输的决定—将半桥电路供电改为双电源,这意味着整个电路板上共地的许多点要打开改为-15V的点。这一改动过后,我们打开了电源,残酷的事实发生了,由于改动不全面,一处短路导致IR2105烧毁,正赶上12点多的时间,要芯片却没有老师,还好前一组留了块备用的,我们当时那叫一个感激啊。调整好后,我们做了类似西方人的饭前祷告,闭上眼的几秒钟差点没睡着~~再次上电终于将有了点波形,虽然没有了直流分量,全部是交流功率,但事实是交流功率小的可怜。还好我们都比较冷静,要不然恐怕就要跳楼了。原因恐怕很难找到,很可能是刚刚对于电路板的改动使得电路中各节点的焊接可能效果不理想等等,实在是不愿意多想了。面临的解决方案恐怕只能是改回去了,我是有点扛不住了,还好另一个还比较能扛,开始了交流返回直流的孤单征程。大概第四天早晨7点钟就完成了改造工作,输出是有了,效果比之前的差了很多,是啊,电路改来改去,效果不差才怪呢。原来好好的正弦波现在搞得跟三角波似的。

啥也别说了,时间不允许我们有更多的抱怨,赶紧装箱吧。

测试时间相比结束时又过了两天的时间,总体归纳整个测试环节,我们太缺少经验了。

这一次测试也彻底断送了我们整个比赛的延续,有客观原因,当然更要总结的还是主观原因。 测试前我们还是蛮有自信的,毕竟整个系统半调子的也算是做出来了。到了专家面开始了最后的准备,我们前面一组正好是北邮一组,做的题目和我们一样。我仔细的观察了他们的电路,以及整个测试过程。我想先说说他们的测试吧,因为印象还真是挺好的。从他们的整个系统看来,显然系统似乎比我们的复杂一些,电阻电容差不多比我们多了一倍,板子也多了几块。有一点确实很让我有感触,他们电路板之间的连线都是可插接的,输入输出线也都是可以选择性的插接的。最关键的是后级的功放用MOS管上面都有厚厚的散热片,负载电阻虽然和我们用的一样都是带有散热壳的大电流承载的电阻,但电路上,这个电阻却是悬空的,下面用两个散热片将之顶起,这样可以更大限度的降低电阻的温度。我们那个电阻工作起来起码140度啊,周边的电线皮都焦了,以上这两点细节我真是从来都没考虑过。测试时也很从容,让测哪一部分就接上哪一部分,保证效果一直良好。但他们的功放似乎仅仅采用了乙类推挽式放大,优点就是波形非常好,当然效率肯定最后没有达到指标。不过整体感觉测试的很轻松,把他们的电路都展现出来了。

轮到我们组了,这会儿我可没那么有自信了,就冲最后那个波形,我们那个和他们那个比起来,真是差很多(谁叫人家没用D类功放呢,牺牲了效率,换来了波形)。等老专家开始测试我们组,首先让我上电,让我接上它的信号源,然后他才根据那个毫伏表来调节信号源电压。就这点我就十分BS这个专家了,更BS他们的设备。信号源哪能不调好电压就接入我们的放大电路呢,电压太大烧了我的放大器怎么办呢。一个信号源连个显示输出电压的功能都没有,居然还用毫伏表测,还用个模拟的示波器,我滴神啊。当然我说的也未必全对,知识训练过程中,我一直使用数字示波器,而且信号源也使用示波器来测输出,那毫伏表在我看来无论如何都是老土的代表。

问题来了,接入我们的电路后,这老头说什么也不能把信号源调到有效值5mV,非说是我电路自激了。还好后来竞赛组组长前来解围,纠正了这个老专家,从原理上告诉了他信号源和毫伏表以及放大器输出电阻的关系,真不知道这专家究竟是学什么的。总算是解决的输入问题,接下来问题又来了,测量我的放大倍数,说不够,我就调了一下控制倍数的滑动变阻器,他又来事了,说我调电路参数。我跟他理论了半天,说我这个系统设计之初就设置了可以调节的功能,增加适应性,这老专家那叫一个不情愿啊(无知真可怕)。接下来带阻网络又来事了,说我们的改了它们给的电路参数,我解释说原图没办法达到-10db的衰减指标,我仅仅是将一个电阻改成了可调节的滑动变阻器,确保可衰减-10db。他连衰减网络频谱曲线测都没测就记了个‘滑动变阻器’,天知道他这么写的意思。接下来的均衡后的输入,我无论如何也想不到他居然吧扫频仪的输入接到了运放的输入端,那意味着400倍的放大倍数去放大扫频仪输出地100mv的电压,根本就是一个方波输出啊,哪有拿方波测量网络特性的(这点也是后来我才意识到,当时只是觉得怪怪的,我们都是直接让扫频仪接带阻输入的)。当然了,一个方波的输入和我们之前的设定的均衡系统肯定不匹配啊,均衡效果当然很糟,但还好我们的均衡采用的多带通技术是可以调节的,可是那老头又开始发牢骚了,说我们又要调电路参数,怎么跟他解释我们的数字滤波系统的优越可调适应性都不行。最后当然是滤波等于X了。

后级功放就更完,整个测试过程中,我最担心的就是这个,这老头巨磨叽,脱了老长时间,还不让断电,后级电阻都快成人造小太阳了。等到它测试功放输出,果然波形也跟人造小太阳一样四相散射。波形不好,他居然直接就说其他指标都不测了,当时我也却是理亏,谁叫咱波形不好呢,想想就只能灰溜溜的走人了。

以上的愤慨致辞如违反国家有关法律,请即刻销毁。因销毁不及时所产生的任何法律(包括宪法,加法、减法、乘法、除法、剑法、拳法、脚法、指法、民法,刑法,书法,公检法,基本法,劳动法,婚姻法,输入法,没办法,国际法,今日说法,吸星大法,与台湾关系法及文中涉及或可能涉及以及未涉及之法,各地治安管理条例)纠纷或责任本人概不负责。本人谢绝任何跨省、跨市,跨县、跨乡、跨村的追捕行为。确因不抓不足以平民愤,或不抓就领不到薪水养家户口的公职人员,建议携带工作证、身份(韩度)证、结婚证/离婚证、独生子女证、健康证、暂住证、毕业证、边防证、县以上government机关出具的介绍信温情操作。废话完了,以上声明内容部分来自网络修改而成,感谢广大网友的无私奉献精神。

客观地讲,我们的确存在准备上的不足。后级电路应该采用可插接方式连接,检查前级时,断开后级防止温度过高,同样也应该增加足够的散热装置。我们设计系统的想法看来和专家的想法有一定的偏差,谁知道出题人究竟是如何思考的呢。我们把重点放在了数字部分,要想进行数字部分的频谱可调,可不是每个组都能做到的啊,可惜我们根本没机会展示这个功能,同样未能展示的还包括了一个10带通滤波和DDS。带阻网络我们本来还很自豪居然调成了题目要求的-10db,可居然反而被专家认为不合格,他只看元件不看频谱曲线就已经奠定了这一点。最后的波形本来是可以很好的,知识改了来那个两次电路后,波形变差了,导致后级彻底废掉,这里经验就是要坚持自己的想法,哪怕有一点偏差,总比正确的却什么也没做出来好,盲目改变只能是一团糟。另外选题时一定要选人少的,而不是最熟的,因为你熟别人也熟,物以稀为贵啊。

比赛虽然没有获得很好的成绩,但对最终的结果我还是很欣然的接受了,从一开始也不是为了一个奖而参加的比赛。培训的过程中学到的东西真的是一生受用,现在随时想到一个电子系统,似乎自己马上就可以着手开始,到哪里买器件,哪里找资料,怎么制作,要注意的细节似乎都是理所当然。这期间我做过的那个万能遥控器,也真的是为生活增加了不少乐趣。当然最应该感谢的人一定是4个月来无私的培训我的老师们,没能获奖也许对他们的伤害更大哈~ 2009,我经历的不平凡的一年。

Tagged , . Bookmark the permalink.

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注