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电子设计大赛论文报告格式

电子设计竞赛技术报告格式

**设计报告格式：

1、技术报告正文要求必须为6页内。电路图、程序流程图、

程序清单等可作为附录另加。设计报告要求控制在20

页左右，设计报告统一用A4纸打印。报告从正文开始

统一编页码、左侧装订。

2、摘要正文等大标题为小三号宋体加黑，小标题为四号宋

体加黑，正文内容为小四号宋体，标题和正文一律用宋

体。

3、正文行距为单倍行距。

4、电路图一律用protel、word或EWB等软件工具画出；

——网站下载的图表不能直接粘贴采用!!。

5、图表要求清晰、美观、整洁，必须用图表标号（1-1、

2-1格式及名称。图标号位于下方，表标号位于该表的

上方；

6、内容正确、真实、杜绝抄袭；

7、特别注意：设计报告封面及内容中不能出现参赛队的任

何信息（包括学校名称、学生姓名等），否则，视为违

规！

8、硬件作品中不能出现学校的信息，比如采用了学校的实

验板，上面写了学校的标记。

9、报告每页上方必须留出3cm空白，空白内不得有任何文

字，以便顶端密封装订。

**设计报告内容：

1．封面：单独1页（白纸或黄纸）只有题号、密号。

2．摘要、关键词：中文（150～200字）、英文；单独1页对技术报告内容作一个简要的、概括性的介绍。内容应包括：系统最终的实施方案、具体实现的手段、系统设计的主要创新点、结果分析、结论。——最好有英文翻译

避免出现对论文内容的自我评价，要采用第三人称，避免出现“本文”、“作者”等主语。

关键词选用的词要具有专指性，一个词表达一个主题范畴。避免出现概念含糊的情况。例如：《数字幅频均衡的功率放大器》采用关键词“数字幅频均衡”、“ D类功率放大器”，比采用关键词“幅频均衡”、“功率放大器”要恰当。

第一关键词要体现出学科分类。

3．目录：内容必须对应页码号

采用自动生成页码的方法。（在“插入”——“引用”

——“索引和目录”——“目录”，最后在“引文目录”

——“修改”中完成

4．设计报告正文：

常应包括下述内容（以下内容供参考）：

一、引言：叙述对题目的理解，以及设计思路和特点。（200

字以内）

二、系统方案

包括方案比较、方案论证、方案选择。叙述设计思路，总体方案组成和说明，对各个组成部分作详细说明，给出框图、原理图、软件流程图。通常要提出两、三个方案，并对两、三个方案进行比较，说明采用其中一个方案的理由。

(1) 方案选择

可简要写出为了实现题目的要求可以考虑的几种解决方案（二、三种）。各方案可画出硬件框图、简要原理和优缺点等。

(2) 方案确定

比较上述各方案特点及题目要求、工作条件，选择其中一种方案（详细说明选择该方案的理由）。

（3）方案论证

详细说明该方案的工作原理及与题目要求对应的各项技术保证（方案中那部分保证实现题目中那一条要求）

三、理论分析与设计

根据设计要求达到的性能指标及实现的功能，必须进行理论分析及必要的计算，说明如何保证，进行电路参数的计算及元器件的选择；——按题目要求分类写

四、电路与程序设计

（1）说明各单元模块的功能，同时进行电路设计（要有对应的单元电路图）；

(2) 特殊器件的简介；

(3) 各单元模块的联接（即接口问题）。

(4)说明软件设计原理及设计所用工具；

(5) 画出软件设计结构图、说明其功能；

(6) 画出主要软件设计流程框图,应包括主程序流程框图、中断服务子程序，简单的通信协议。

五、测试方案与测试结果：

包括系统指标参数及功能的测试，说明测试方法与测试内容。（1）列出主要的测试仪器、仪表；

（2）系统测试：

①说明测试方法；

②要求有完整的测试参数记录表及测试数据；

③系统功能测试：测试或说明系统能实现的功能。

有些数据最好能画出实测曲线。要求数据、曲线必须真实。(如示波器上的曲线图)

（3）测试结果分析：

对测试的系统指标参数及实现的功能分析（与设计要求对比进行），指出指标参数及实现的功能的整体完成情况，重点分析指标及功能达不到要求的原因（或功能、指标较优是如何实现的）。

六、设计总结：

200字左右。主要对系统设计方案、实施手段、软硬件设计、测试等作一个总结，最后必须指出本次设计和制作的可行性和系统实现优缺点。对设计的进一步完善提出意见或建议。

5．参考文献：

[1] 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01.

[2]

6．附：

①系统原理图；

**竞赛题目：

数字幅频均衡功率放大器（F题）

【本科组】

一、任务

设计并制作一个数字幅频均衡功率放大器。该放大器包括前置放大、带阻网络、数字幅频均衡和低频功率放大电路，其组成框图如图1所示。

图1 数字幅频均衡功率放大器组成框图

二、要求

1．基本要求

（1）前置放大电路要求：

a. 小信号电压放大倍数不小于400倍（输入正弦信号电压有效值小于

10mV）。

b. -1dB通频带为20Hz～20kHz。

c. 输出电阻为600Ω。

（2）制作带阻网络对前置放大电路输出信号v1进行滤波，以10kHz时输出信号v2电压幅度为基准，要求最大衰减≥10dB。带阻网络具体电路见

题目说明1。

（3）应用数字信号处理技术，制作数字幅频均衡电路，对带阻网络输出的20Hz～20kHz信号进行幅频均衡。要求：

a. 输入电阻为600Ω。

b. 经过数字幅频均衡处理后，以10kHz时输出信号v3电压幅度为基

准，通频带20Hz～20kHz内的电压幅度波动在±1.5dB以内。

2. 发挥部分

制作功率放大电路，对数字均衡后的输出信号v3进行功率放大，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。

（1）当输入正弦信号v i电压有效值为5mV、功率放大器接8Ω电阻负载（一端接地）时，要求输出功率≥10W，输出电压波形无明显失真。

（2）功率放大电路的-3dB通频带为20Hz～20kHz。

（3）功率放大电路的效率≥60％。

（4）其他。

三、说明

1．题目基本要求中的带阻网络如图2所示。图中元件值是标称值，不是实际值，对精度不作要求，电容必须采用铝电解电容。

图2 带阻网络

2．本题中前置放大电路电压放大倍数是在输入信号v i电压有效值为5mV的条件下测试。

3．题目发挥部分中的功率放大电路不得使用MOS集成功率模块。

4．本题中功率放大电路的效率定义为：功率放大电路输出功率与其直流电源供给功率之比，电路中应预留测试端子，以便测试直流电源供给功率。

5．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。

四、评分标准

数字幅频均衡的功率放大器（F题）

摘要

本设计以FPGA构建的399阶FIR滤波器为核心，对进入带阻网络后的信号能较好的实现幅频均衡，末端为D类功率放大器，最终输出功率可达50W以上，效率达70%以上。前级放大电路用OP37做成两级放大，放大倍数可达1000倍；用NE5532构成四阶有源低通滤波器；然后信号经过帯阻网络；所得信号通过ADS828采集，所得数据经可编程器件(EP2C8Q208C8N)进行数字幅频均衡，通过频率采样法构建FIR滤波器；末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管（IRF14020），对数字均衡后的输出信号进行功率放大。利用频率采样法在单片FPGA内构建FIR滤波完成幅频均衡，末级以较大功率输出，是本系统的主要创新点。

关键字：FPGA FIR滤波器数字幅频均衡 D类功率放大器

一、系统方案

1.1 数字滤波器实现方式的选择与比较

方案一：IIR滤波器

IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式，采用递归型结构，即结构上带有反馈环路，运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成。

由于运算中的舍入处理，使误差不断积累，有时会产生微弱的寄生振荡。方案二：频率采样法FIR 滤波器

频率取样法是指定不同频率处的幅度响应值，然后根据这些指定的参数设计出任意响应的FIR 滤波器，设计较为方便。本题中的带阻网络的传递函数已确定，可推导出所要设计的FIR 滤波器系数。

综合考虑我们选用方案二。

1.2 算法处理器的选择与比较

方案一：使用DSP 实现本系统的幅频均衡

由于DSP 数据运算能力非常强大，且容易进行复杂的算法处理，但由于DSP 系统往往需要SRAM 和Flash ，系统较为复杂，且使用DSP 进行音频处理时需要较高的处理时钟。

方案二：使用FPGA 实现本系统的幅频均衡

在工程实践中，往往要求对信号处理要有实时性和灵活性，而已有的一些软件和硬件实现方式则难以同时达到这两方面的要求。使用FPGA 来实现FIR 滤波器，可以在单片FPGA 芯片内完成，且可以采用并行乘加，所需时钟较低，功耗也较低。

综合考虑我们选用FPGA 来做算法处理器。

1.3 功放电路的选择与比较

通常音频范围内功放分A 、B 、AB 、D 四类，但考虑到功放电路的效率要求≥60%，而A 类与AB 类功放的效率都小于60%，B 类功放的效率虽然可达到78.5%，但由于较容易产生交越失真，而D 类功放的效率可达到85%以上，而且失真率低，频率响应曲线比较小，满足题目对功放电路的要求。

综合考虑我们选用D 类功放电路。

1.4 系统总体方案

系统实现框图如图1：

图1 数字幅频均衡的功率放大器系统框图

前级放大电路用OP37做成两级放大，放大倍数可达1000倍；用NE5532构成四阶有源低通滤波器；然后信号经过帯阻网络；所得信号通过ADS828采集，所得数据经可编程器件(EP2C8Q208C8N)为进行数字幅频均衡，通过频率采样法构建FIR 滤波器；末级功放管采用分立的大功率MOS 晶体管（IRF14020），对数字均衡后的输出信号进行功率放大。

二、理论分析与设计

2.1 前置放大电路设计

由OP37构成两级反相放大，放大倍数为2

6R R R R v ?=A ,Ω==K R R 121,5R 和

6R 为滑动变阻器，

Ω==K R R 10065具体电路如图2：

图2 前级放大部分

2.2 滤波器设计

根据题目要求-1dB 通频带为20Hz ～20kHz ，设计两个VSVC 二阶低通滤波器，两滤波器级联以达到题目所要求效果：

基本关系式为：()f F F R R K /1+=； 1212

/1CC R R n =ω

VCVS 二阶低通滤波器的电路图如图3：

图3 VCVS 二阶低通滤波器基本结构

2.3 带阻网络分析

2.3.1 对带阻网络电路的PSPICE 仿真所得幅频特性曲线如图4 2.3.2 该网络传递函数分析

在S 域内分析该网络得出下列传递函数：

())

1095.4109965.1107121.2107466.6103984.3106508.5625.6/()10475.2105338.2100135.1105054.8101922.1100917.73125.3(211921531248556211821531148546?+?+?+?+?+?+?+?+?+?+?+?+=S S S S S S S S S S S S S H

由Matlab 绘制的传递函数特性曲线图见附录1。 2.3.3 实际带阻网络的幅频特性曲线

由于带阻网络中的电感和电容实际值与标称值有一定差距且随信号频率变化而变化，实际带阻网络的幅频特性曲线见图5：

Frequency

10Hz

30Hz

100Hz

300Hz

1.0KHz

3.0KHz

10KHz

30KHz

100KHz

V(R1:2)

1.0V

2.0V

3.0V

4.0V

5.0V

图4带阻网络的PSPICE 仿真结果图5 实际带阻网络的幅频特性曲线

2.4 功率放大电路设计

功放部分总体框图如图6：

其中PWM波产生电路见图7：

用运放TL082将输入音频信号VIN与反馈信号PWM_OUT进行叠加，将叠加的信号输入到由C1、C5组成积分电路，从而输出一个二次振荡波形作为载波信号；由74HC04构成一个与地进行比较的比较器，二次振荡载波信号通过该比较器，进入Q1构成的电平转换电路，然后由门级驱动芯片IRS20124输出两个极性相反的信号分别送入功率MOS晶体管IRF14020。同时门级驱动芯片IRS20124可以增加死区时间。

2.5 数字幅频均衡电路设计

数字幅频均衡实现框图如图8

图8 数字幅频均衡实现框图

数字幅频均衡中A/D数据采样与D/A转换电路设计：

为了保证数据精度，采用10位的A/D转换器ADS828，由于其信号输入范围是1.5V～3V，所以对经过带阻网络后的信号进行处理； D/A转换器采用THS5651，具体电路见附录2。

2.6 数字处理算法分析与设计

2.6.1 根据带阻网络标称值得出的传递函数()s

H设计FIR滤波器系数

由于需要设计一个带通滤波器以实现幅频均衡，则设计的线性相位滤器的H(ω)必在ω=0处不为0；所以设计为第一类FIR滤波器（即h(n)为偶对称，N为奇函数）。从h（n）偶对称的幅度函数式

∑-=???

?????? ??--=1

021cos )()(N n n N n h H ωω可以得出，不但h(n)对(N-1)/2呈偶对称，而

且??

????? ?

?--n N 2

1cos ω对(N-1)/2也呈偶对称，即h(n)=h(N-1-n), ()?

???????? ?

?--=????????? ??---=???

?????????------=n N n N n N N n N h n h 21cos 21cos 121cos )1()(ωωω。于是()()()()∑-==

/10

cos N n n n a H ωω；()???

??--=21N ωωθ。详细计算步骤如下：

由电路得到系统传递函数为()s H ，则带通网络的传递函数为

()()s H s H /1'=。

②设计数字滤波器的幅频响应

令ωj e s =，可得()ωj e H '，受FPGA 的资源有限，只对()

ωj e H '进行256点等间隔采样得到()k h 1，对()k h 1进行偶对称得到()k h 2。 ③相频响应设计()()()

N k k k

N 12--

==πωθθπ。

④()())(k k j e H H θ?=ω。

⑤FIR 滤波器系数h(n)即为()k H 的反FFT 变换。

⑥为了降低FPGA 的逻辑资源规模，可以去掉较小的h(n)值。利用该算法的Matlab 程序见附录3，()s H '的幅频特性曲线见附录3图1，设计所得的FIR 滤波器的幅频特性曲线见附录3图2。 2.6.2 根据实际带阻网络的传递函数设计FIR 滤波器系数

由于带阻网络中的电感和电容实际值与标称值有一定差距且随信号频率变化而变化，最终放弃由()s H 等间隔采样的方案。同时，兼顾FPGA 的资源有限性及20KHz 正弦波的恢复，对帯阻网络的0～40KHz 频谱特性曲线进行手动频率扫描，扫描256点，将得到的数据作为h1(K),然后按照论文中的2.6.1中的步骤进行FIR 滤波器设计，设计程序见附录4。期望得到的滤波器的幅频特性曲线图见附录4图1，实际优化后得到的399阶FIR 滤波器的幅频特性曲线图见附录4图2。

三、电路与程序设计

3.1 整机详细电路图见附录2 3.2 工作流程

FIR 滤波器设计流程见图

图9 FIR滤波器设计流程

将MATLAB计算的FIR滤波器系数导入FPGA的FIR IP核，导入后得到的滤波器幅频特性曲线见图11。

图10 滤波器幅频特性曲线

由FPGA设计的原理图如图12。主要VHDL程序见附录 5

图11 FPGA设计的原理图

四、测试方案与测试结果

4.1 测试仪器

仪器名称：型号：

函数信号发生器SP1641B

数字示波器TDS1002B

直流电源MPS-3005-3

扫频仪BT-3D

4.2 测试方法

由信号源输出有效值为5mv的信号，送入系统，功率放大部分以±26V电压供电，分别对前置放大输出端口、带阻网络输出端口、数字幅频电路输出端口、功率放大输出端口进行测试。

4.3 测试结果

4.3.1 前置放大电路

4.4.1 由测试数据可知前置放大电路的放大倍数在各个频率点上均大于400倍，达到题目要求，且-1dB通频带为20KHz，-3dB通频带为36KHz。

4.4.2 带阻网络以10kHz时输出信号电压幅度为基准，最大衰减点在390Hz，达到设计要求。

4.4.3 由测试数据知均衡后，以10kHz时输出信号电压幅度为基准电压幅度波动在±1.04dB以内，满足题目要求。

4.4.4功放部分测试结果显示输入正弦信号电压有效值为

5.0mV时输出功率大于10W，效率≥60％，满足题目要求。

五、总结：

本系统结构简单、性能良好，基本达到题目要求。尤其是前置放大电路放大倍数可达1000倍，功率放大部分最大输出可达50W以上，数字幅频均衡部分通过合理的算法很出色地完成了幅频均衡。

本系统的FIR滤波器主要是由于带阻网络的幅频特性决定的，若能找到随频率变化很小的电感、电容，则完全可以由标称值的仿真数据来设计滤波器，降低对实际网络幅频特性测试的繁琐性，加快设计周期。

附录1：由Matlab绘制的传递函数特性曲线图

附录2：整机详细电路图

附录3：根据带阻网络标称值得出的传递函数()s

H设计FIR滤波器系数的matlab算法程序

close all;

clear all;

A=[6.625 5.6508e+005 3.4984e+008 6.7466e+012 2.7121e+015 1.9965e+019 4.9500e+021]

B=[3.3125 7.0917e+004 1.1922e+008 8.5054e+011 1.0135e+015 2.5338e+018 2.4750e+021]

w=0:40:20000-40;

h=freqs(B,A,w);

h1=1./abs(h);

h2=h1;

for n=1:255

h2(1,n+256)=h1(1,256-n)

end

figure;plot(h2);

N=511;

k=0:N-1;

phase = (-pi*k*(N-1)/N);

Hk=h2.*exp(j*phase);

hn=real(ifft(Hk));

II=find(abs(hn)<1e-5);

hn(II)=[];

HHK=fft(hn);

figure;plot(abs(HHK))

图1 ()s

H'的幅频特性曲线图2 图2 FIR滤波器的幅频特性曲线

附录4：根据实际带阻网络的传递函数设计FIR滤波器系数的Matlab程序

close all;

clear all;

h0=[0.8 0.302 0.24 0.234 0.234 0.236 0.234 0.234 0.236 0.236 0.238 0.24 0.242 0.242 0.246 0.248 0.25 0.254 0.26 0.264 0.27 0.274 0.276 0.28 0.286 0.292 0.294 0.296 0.3

0.304 0.31 0.314 0.318 0.322 0.328 0.332 0.336 0.344 0.35

0.354

0.358

0.364

0.368

0.374

0.388

0.392

0.396

0.404

0.412

0.416

0.42

0.428

0.436

0.444

0.448

0.456

0.46

0.464

0.468

0.472

0.476

0.48

0.484

0.488

0.492

0.5

0.504

0.512

0.52

0.524

0.528

0.532

0.536

0.54

0.544

0.548

0.552

0.556

0.56

0.564

0.568

0.572

0.58

0.584

0.588

0.592

0.596

0.6

0.604

0.608

0.612

0.616

0.62

0.628

0.632

0.636

0.632

0.636

0.64

0.644

0.648

0.652

0.656

0.66

0.664

0.668

0.67

0.668

0.67

0.664

0.666

0.668

0.67

0.674

0.678

0.68

0.682

0.684

0.688

0.692

0.694

0.696

0.7

0.704

0.708

0.712

0.716

0.72

0.724