一.电路设计部分113届国赛要求数码管驱动电路设计区域内使用给定的元器件锁存器-U6、电容等和网络标识补充完成数码管驱动电路实现单片机对数码管的显示控制。参考答案1. 100nFC19给 VCC 用的「电源去耦电容」给芯片瞬间供电HC573 输出高低电平时会产生瞬间电流变化这个电容就像芯片门口的 “小电池”提供瞬时电流防止电源电压被拉低。滤除电源线上的高频噪声芯片开关时会产生高频干扰电容把这些噪声直接导入地不让它影响整个系统电源。为什么必须用 100nF容量大能存足够的电荷应付芯片的瞬时电流需求。行业标准几乎所有数字芯片的电源引脚都会配一颗 100nF 陶瓷电容做去耦。2. 22pFC26给 LE 引脚用的「滤波 / 降噪电容」滤除 LE 信号上的高频毛刺、噪声防止误触发。给 LE 信号加一点 RC 滤波让边沿变缓避免信号过冲、振铃导致锁存出错。为什么用 22pF 而不是 100nF信号线上的电容不能太大否则会把信号 “拖慢”导致 LE 上升 / 下降沿变缓甚至影响时序比如建立 / 保持时间不满足。22pF 是小容量电容只会轻微影响信号既能滤除高频噪声又不会严重改变信号边沿。LE 是数字控制信号需要有清晰、快速的边沿来触发锁存。SN74HC573A 芯片手册解读8 路透明 D 型锁存器带三态输出专门用来锁存 8 位数据、驱动总线单片机 / 数字电路最常用的地址 / 数据锁存芯片。LE 高透明直通→ 输入 D 是什么输出 Q 就跟着变LE 低锁存保持→ 输出 Q 停在 LE 变低前的状态不再随输入变OE 低输出正常→ Q 有高低电平OE 高输出高阻→ 相当于断开总线不影响别人引脚组名称作用控制脚1 脚 OE输出使能低有效11 脚 LE锁存使能高直通、低锁存输入2–9 脚 1D~8D8 路数据输入输出12–19 脚 1Q~8Q8 路数据输出电源20 脚 VCC供电10 脚 GND地OELEDQ 输出说明LHHH直通随输入变LHLL直通随输入变LLX保持不变锁存数据冻住HXX高阻 Z输出断开不干扰总线X 任意L 低H 高Z 高阻态。215届国赛要求在低压报警电路设计区域内使用给定的元器件运算放大器、电阻、电位器等和 网络符号设计电路当电池输出的电压低于一定的阈值时在 BAT_INT 端口上产生低电平中断信号反馈给 MCU。参考答案元件连接关系核心作用运放 U14.18 脚接 VDD4 脚接 GND1 脚输出→BAT_INT2 脚反相端 -→PR1 滑动端3 脚同相端 →R33 与 R34 的中间节点开环工作作为电压比较器PR1 (10K 电位器)上端接 VDD下端接 GND滑动端接运放 2 脚产生可调的参考电压 V_REF范围 0~VDDR33(10K)上端接 VBAT电池电压下端接 R34 上端与 R34 组成固定比例分压网络把高的电池电压降到运放能接受的范围R34(2K)上端接 R33 下端下端接 GND中间节点接运放 3 脚分压网络的下臂决定电池电压的分压比例核心工作原理1. 第一步电池电压分压因为电池电压 VBAT 通常会高于系统供电 VDD比如 3.7V 锂电满电 4.2VVDD3.3V如果直接接到运放输入端会超过运放的最大输入电压烧坏芯片。所以用 R33 和 R34 先对 VBAT 进行固定比例分压也就是说运放 3 脚的电压永远是电池电压的 1/6。2. 第二步参考电压设置PR1 是一个可调分压电路滑动端的电压 V_REF 可以在 0~VDD 之间任意调节下端电阻比如 VDD3.3VPR1 调到中间位置V_REF1.65V。3. 第三步电压比较与报警逻辑运放开环工作输出只取决于两个输入端的电压大小电池状态电压关系运放输出BAT_INT 电平结果电压正常阈值 → VBAT_DIV​VREF​VV− → 输出高电平高不触发 MCU 中断电压过低阈值 → VBAT_DIV​VREF​VV− → 输出低电平低触发 MCU 中断运放工作在开环状态作为电压比较器当V V-→ 输出高电平当V V-→ 输出低电平我们的目标是电池电压VBAT低于设定阈值时BAT_INT输出低电平。313届省赛要求1、在 LCD 背光控制电路设计区域内使用给定的元器件三极管、电阻等和网络标识设计背光控制电路实现通过单片机 IO 口控制背光亮、灭功能。目标是用单片机的 IO 口BL_CONTROL像开关一样控制 LCD 的背光实现 “按一下亮再按一下灭” 的效果。亮LCD_BLA 有电流流过背光 LED 发光灭LCD_BLA 没有电流背光熄灭。单片机 IO 口的电流非常小通常只有几毫安直接驱动不了 LCD 背光的 LED所以我们需要一个 “放大版的开关”这就是三极管。S8550 是PNP 型三极管它的特点是高电平关低电平开基极是高电平时关断低电平时导通。场景 1单片机输出低电平0V→ 背光亮单片机 IO 口BL_CONTROL输出 0V 低电平电流路径BL_CONTROL(0V)→R16(2kΩ)→ 三极管基极B三极管的发射极E接的是 3.3V基极B现在是 0V形成了电压差三极管被 “打开”。电源电流路径VDD(3.3V)→R15(100Ω)→ 三极管 E 极 → C 极 →LCD_BLA→ LCD 背光 LED →GND电流流过 LED背光就亮了。场景 2单片机输出高电平3.3V→ 背光灭单片机 IO 口BL_CONTROL输出 3.3V 高电平电流路径BL_CONTROL(3.3V)→R16(2kΩ)→ 三极管基极B三极管的发射极E是 3.3V基极B也是 3.3V没有电压差三极管 “关死”。电源被切断没有电流流过 LED背光就灭了。为什么r15和r16位置不能互换基极控制小电流、高阻抗→ 必须用大电阻2kΩLCD 驱动大电流、低阻抗→ 必须用小电阻100Ω如果颠倒则基极用小电阻 →电流过大 → 烧毁LCD 用大电阻 →电流过小 → 不亮。才 100Ω为什么能限制大电流电路里的电压是固定 3.3V不加电阻R0Ω会怎样I V ÷ R 3.3V ÷ 0Ω电流无穷大 → LED 瞬间炸掉。为什么不能用更大的电阻比如 1kΩ→LED 太暗根本看不见2、在参考电压源设计区域内使用给定的元器件TL431、电阻等和网络标识设计电压源输出 2.5V 参考电压VREF目的是用TL431 产生 2.5V 稳定电压3.3V 电源上电电流经过 R9510Ω送到 TL431 的 K 脚K 和 R 短接所以 R 脚电压慢慢上升一升到 2.5VTL431 内部立刻导通导通后TL431 开始自动调节电压高了就多拉低一点电压低了就少拉低一点最终结果VREF 输出永远稳稳 2.5V在数据手册中测试电路R Reference 参考端A Anode 阳极 接地K Cathode 阴极 输出 / 输入VREF 2.5VR 和 K 短接 → 直接输出 2.5V参考答案412届省赛一要求1.为实现串口电平转换功能计算电阻 R5 的合理值常用规格将其填入 R5 的 Comment 属性。这个电路是一个分压式电平转换电路目的是将高电平5V转换为接收端如单片机 3.3V 设备能识别的安全电压。2.在蜂鸣器驱动电路设计区域Design_Buzzer Driver内使用给定的元器件和网络标号完成蜂鸣器 LS1 的驱动电路设计。电路的本质是用单片机的小信号通过三极管控制蜂鸣器的大电流通断避免单片机引脚直接驱动蜂鸣器导致过载损坏。PNP 管“基极低电平导通高电平截止引脚 1B基极控制端接收BUZ信号决定三极管 “开” 还是 “关”引脚 2E发射极电源端必须接3V3PNP 管的发射极永远接高电位引脚 3C集电极输出端接负载蜂鸣器电流从发射极流向集电极元件 / 标号是什么作用 / 关键信息BUZ控制信号来自单片机输出高低电平用来控制三极管的开关决定蜂鸣器响不响R8 1K限流电阻串联在基极回路里保护三极管和单片机引脚防止电流过大烧坏Q2PNP 三极管核心开关用小电流控制大电流的 “电子开关”箭头指向基极确认是 PNP 型3V3电源给蜂鸣器和三极管供电是整个电路的能量来源LS1蜂鸣器负载有极性的元件标了号电流从 1 脚流入、2 脚流出才能响D1续流二极管反向并联在蜂鸣器两端保护三极管防止被反向电动势击穿GND地公共负极电路的参考 0 电位形成完整的电流回路状态 1BUZ输出低电平0V → 蜂鸣器响BUZ输出 0V电流经过R8限流后流入Q2的基极引脚 1基极电压被拉低到接近 0V。Q2的发射极引脚 2是 3.3V基极引脚 1是 0V两者之间产生了电压差三极管导通开关闭合。电流从3V3出发经过Q2的引脚 2 → 引脚 3 →LS1的 1 脚 →LS1的 2 脚 →GND形成完整回路。蜂鸣器中有电流通过通电工作发出声音。状态 2BUZ输出高电平3.3V → 蜂鸣器停BUZ输出 3.3V经过R8后Q2的基极引脚 1电压也被拉到接近 3.3V。Q2的发射极引脚 2也是 3.3V基极和发射极之间电压差几乎为 0三极管截止开关断开。蜂鸣器的供电回路被切断没有电流通过停止发声。怎么理解D1的方向摆放蜂鸣器内部是线圈属于感性负载电流突然被切断时它会产生一个和原来供电方向相反的电压拼命想维持电流流动。当三极管突然截止开关断开蜂鸣器的线圈会 “不甘心”产生一个反向电动势试图让电流继续流动此时LS1 的2 脚原本接 GND 的一端会瞬间变成高电位LS1 的1 脚原本接 Q2 的一端会变成低电位这个反向电压会试图击穿三极管 Q2。D1 要反向并联在蜂鸣器两端也就是二极管的阴极竖线端接蜂鸣器的 1 脚 端接 Q2 的一端二极管的阳极三角形端接蜂鸣器的 2 脚- 端接 GND 的一端我们看两种状态下D1 的表现1. 蜂鸣器正常工作时Q2 导通LS1 的 1 脚电位≈3V32 脚电位≈0VD1 的阴极接 3.3V阳极接 0V二极管处于反向偏置状态此时 D1 是截止的相当于开路完全不影响蜂鸣器正常工作✅2. 三极管突然截止时反向电动势出现LS1 的 2 脚电位被反向电动势拉高变成高电位LS1 的 1 脚电位被拉低变成低电位D1 的阳极接高电位、阴极接低电位二极管处于正向偏置状态瞬间导通反向电动势的电流会沿着LS1的2脚 → D1的阳极 → D1的阴极 → LS1的1脚形成回路安全泄放掉不会冲击三极管✅512届省赛二要求在运算放大器设计区域OPAMP Design内连接电源网络根据给定的电路连接关系计算电阻 R92 的值电压放大倍数为 3并将计算结果填入 R92 元器件的 Comment 属性。U6A 构成的是同相比例放大器同相端输入信号反馈电阻 R92 和接地电阻 R90 决定放大倍数。U6B 是电压跟随器只起缓冲作用不改变放大倍数。同相放大器的电压放大倍数公式参考答案二.客观题部分一电路原理1.基础知识回顾电压 U单位伏特 V类比水泵两端的水压差压力越大水流越猛。电流 I单位安培 A类比水管里每秒流过多少水。有电压 → 才有电流电阻 R单位欧姆 Ω阻碍电流流动的东西串联电路元件一个接一个首尾相连只有一条路可以走。类比水管一根直通中间依次串好几个阀门水只能按顺序流。并联电路电源两头引出多条支路元件并排接在电源两端有多条路可以走。类比主水管分好几条分支水管每个分支各一个阀门互不影响。电功率 P电路消耗 / 发出电能的快慢符号P单位瓦特 W基尔霍夫电流定律 KCL节点电流进多少出多少任意一个电路节点流入电流之和 流出电流之和基尔霍夫电压定律 KVL回路电压电路绕一圈电压和为 0任意一个闭合回路顺着绕一圈所有电压升 所有电压降整圈代数和 0理解绕着水管闭环走一圈水压上升的总和 水压下降的总和刚好抵消。初中知识回顾理想电压源两端电压永远固定不管接多大负载电压不变内阻 0Ω实际电压源现实电池、适配器都不是理想的自带内阻理想电压源 内阻 Rs 串联理想电流源输出电流永远固定电压随便变内阻 无穷大实际电流源理想电流源 内阻 Rs 并联2.戴维南定理任何复杂二端电路不管里面有多少电阻、多少电源对外都可以等效成一个理想电压源 一个内阻串联。这就是戴维南等效电路。最大功率传输定理3.电容C把电容想象成一个小蓄电池、小水池。作用存电荷、存电能两边是金属极板中间绝缘介质电充进去存着需要再放出来。实际电路中电容在电源旁去耦滤波稳住电压模拟电路耦合信号、隔直流通交流定时电路和电阻搭配做延时4.电感L电感就是绕了很多圈的铜线圈想象成惯性很大的水流飞轮水流想突然变大、突然变小飞轮会拖着不让变。符号L单位亨利 H特性电容 C电感 L本质存电荷、小水池线圈、惯性飞轮直流稳态开路断线短路导线通断特性通交流、隔直流通直流、隔交流不能突变电压不能突变电流不能突变串并联并联相加、串联倒数和和电阻一样串联相加、并联倒数和作用滤波、去耦、延时、隔直电源储能、滤波、防电流突变稳态电路通电很久了电压电流不再变化稳定不变暂态刚通电、刚断电、开关切换瞬间电压电流慢慢变化的过渡过程电阻电路开关一扳瞬间就稳没有暂态有电容 / 电感不能突变会慢慢升、慢慢降才有暂态RC 电路时间常数RL 电路时间常数τ 越大充放电越慢τ 越小充放电越快。什么是正弦交流电直流电电压电流大小方向永远不变。正弦交流电大小和方向按正弦曲线周期性变化家里 220V 市电、单片机交流信号、模电信号全是这个。5.电抗交流电路里电阻 感抗 容抗合在一起叫阻抗 Z把R、L、C 放一起就会出现谐振滤波、收音机、振荡电路全靠它。特性RLC 串联谐振RLC 并联谐振谐振条件XL​XC​XL​XC​谐振频率f0​2πLC​1​一样总阻抗最小最大总电流最大最小别名电压谐振电流谐振实际用途看懂电路板串联谐振选频、信号放大、谐振升压并联谐振做滤波器、收音机选台、振荡电路LC 滤波、开关电源谐振回路全是这个原理6.DCDC电路二模拟电子技术1.二极管二极管 电路里的单向阀门电只能往一个方向流反向不让流。阳极正极 A阴极负极 K1正向导通正极电压 负极电压相当于开关闭合、导线硅管导通压降约0.7V2反向截止负极电压 正极电压相当于开关断开、开路几乎没有电流