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1、电子设计竞赛及典型赛题分析（以仪器类赛题为例）2016.4. 12武汉大学 赵茂泰1电赛命题2电赛培训工作3典型赛题分析4设计报告的撰写 5调试与测评1电赛命题及其特点p 性质：全国大学生电子设计竞赛是由教育部主办的学科竞 赛之一（姓教）。p 目标：以竞赛为载体，促进教育改革，尤其是实践教学和 教学内容的改革；倡导理论联系实际的学风；培养学生的创新 能力。p 措施：全国统一命题（指挥棒）是主要措施之一。引导作用每年正式命题之前，全国专家组都要在王越院士的 指导下，本着“与时俱进”的精神，对命题方向及内容 进行多次认真的讨论。u 以模拟和数字电路应用技术为基本内容（涉及模-数混合电路、单片 机、
2、嵌入式系统、可编程器件等）。u 命题应该是一个具备一定功能的电子系统，可以不是一个完整的产品 。难度与本科毕业设计的难度相当。u 共56题，每题侧重于某一专业，以适应不同专业的学生选用。 命题范围、类型u 强调软硬结合，但以硬为主.u 必须涵盖电子技术中的相关知识点（例各类放大器、振荡器、变频、 调制解调等）；必须具有可测试；兼顾趣味性。u 考虑学生为二、三年级，对命题专业性背景进行了一定的淡化处理。u 评分体系包括功能和技术指标，主要是技术指标。为了拉开竞赛成绩 的差距，某些技术指标的实现具有一定的难度。命题特点命题内容“与时俱进”u 为了纠正学生中普遍存在的“重数字，轻模拟”的倾向，从20
3、07年 起，命题内容中加强了模拟技术的成分u 为了响应国家“节能减排”的政策，从2009年起，命题中普遍增加 了“功耗、性价比”两项技术指标；u 为了支持高校在教学中引入新的技术，从2009年起，最小系统允许 使用 DSP、嵌入式系统等MCU平台；从2013年起，命题中又有两个新亮点： 模拟电路频率高端大幅度提升；工程应用已经达到0.2THz，而高频电路课程的最高频率约30MHz，需要拉动。命题的带宽已从06年的6MHz，攀升至15年的200MHz，实际评审结果良好。 推出四旋翼飞行器方面的命题。微型无人机已成为世界航天领域重要研究方向, 世界各高校对四旋翼飞行器的研究与应用非常活跃。虽然许多
4、学校积累还不够，这是一个方向！p熟练掌握单片机最小系统，否则系统不能工作（会用为止）。p重点掌握好各类基本电路及可编程器件的应用技术（主要培训内容）。在以上训练的基础上，选择23个以上的专业方向把基础电子电路的训练作为重点。p电子技术应用 p电力电子不要过度强调专业方向；要把电子技术应用作为必选方向之一。p通信 p自动控制p 制定一个以知识点为核心的（以不变应万变）完整的培训计划 。p 训练时间要予以保证（1.5年以上），注意系统性,注意循序渐进。 p 仪器仪表赛前培训的基本思路：2电赛培训工作p 电压测量类仪器p 时间频率测量仪器p 信号发生器p 数字示波器电子仪器种类繁多，但从学习的角度，
5、只要掌握好类基本仪 器的原理，其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。若能较好地掌握这类典型电子仪器的设计，在电赛或在今后工 作中遇到电子仪器设计课题时，只要分析课题的特殊要求，再学习一 些相关知识，就能很快地进入设计状态。 仪器类题目培训的几个要点:2电赛培训工作在进行电子仪器设计时，必须对各项技术指标（尤其是测量误差）进行认真地分析，然后对指标进行分配，并在此基础上认真选 择各个部件的核心芯片。p 电子仪器的价值由各项技术指标的优良程度决定；竞赛的评分体 系也是以技术指标的完成程度来评价。准确理解电子仪器各项指 标是做好设计的关键。p 电子仪器含多项技术指标，其中最核心的是测量误差，其他
6、技术 指标基本上都与测量误差有关。对于许多测量来讲，测量工作的 价值几乎全部取决于它的准确程度。仪器类题目培训的几个要点:2电赛培训工作仪器类题目培训的几个要点:p 仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题，并且其他类赛题中也经常包含有电子测量的内容。p 电子仪器主要用于测试其它电子系统的性能指标，因此，电子仪器对技术指标的要求相对更加严格。p 基本电路的设计是仪器设计的基础。仪器类赛题的设计最终往往会化解成为一些基本电子电路的组合，因此电子仪器类赛题的训练一定要建立在基本电路设计训练的基础上。2电赛培训工作2相关赛题分析 以2014年“锁定放大器的设计”为例在2012年、2014年16省
7、TI杯电子竞赛中，命题组出了“微弱信 号放大器”和“锁定放大器的设计”两个相关的赛题。该题知识点 丰富，可以作为一个很好的赛前培训题。内容：(1) 题意及考点(2) 锁定放大器设计要点(3) 实际测评结果分析任务：设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器u 微弱信号：是指信噪比较差的信号（微弱相对噪声而言）。u 锁定放大器：能提取深埋在噪声中微弱信号的一种特殊的放 大器。（条件：要求被测信号与参考信号同频）(1) 题意及考点核心问题：相关检测（相敏检波器及低通滤波器）交流 放大器相敏 检波器直流 放大器低通 滤波器带通 滤波器触发 整形移相器方波 驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通
8、道S(t)显 示R(t)u 被测信号必须与参考信号同频； u 噪声与被测信号同频又同相的概率很小，因而能滤除噪声； u 不仅对相位敏感，对VS和Vr也敏感。既可用于鉴相，也可用 于鉴幅设， x(t)和r(t)均为正弦波x(t)=Vscos(0t+q)r(t)= Vrcos(0t)则，相敏检波器输出：up(t)=x(t)r(t)= Vscos(0t+q) Vrcos(0t)=0.5 Vs Vrcos(q) +0.5 Vs Vrcos(20t+q)低通滤波输出： u0(t)= 0.5 Vs Vrcosq，与Vs Vr 三者成正比up(t)uo(t)相敏检波器模拟乘法器通过移动光电传感器移位 测试方
9、向性分布状况用参考信号对光强度进行调制仅仅检测出与光源强度 调制同步的分量锁定放大器作为一种“电子仪器”广泛出现在一些专业实验室中。应用举例：测量LED光源发光强度分布状态（方向特性 ）考点1：考察学生运算放大器的应用能力。涵盖滤波器、移相器、 加法器、整形器、交流放大器、直流放大器等（约35分）交流 放大器相敏 检波器直流 放大器低通 滤波器带通 滤波器触发 整形移相器方波 驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通道S(t)显 示R(t)（2）参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连 续或步进移相180度，步进间距小于10度。（3）信号通道的3dB频带范
10、围为900Hz1100Hz。误差小于20%。（4）设计一个能测量被测信号S(t)幅度有效值的测量电路。误差小于10%。(1) 题意及考点考点2：考察学生能否在现有模电知识的基础上，快速掌握微 弱信号检测原理的能力。（同时强调理论的重要性）。应该认真研读微弱信号检测（高晋占）一书相关章节； 只有在理论的指导下进行设计，才能出现高水平的作品。 许多制作优良的作品，因为对相关检测技术与理论理解不够准 确，使作品未能达到预定要求。 考点3：考察学生运用所学知识灵活处理具体专业问题的能力例如，在信号幅度动态范围的处理，衰减器衰减系数的 确定，以及交流放大器等的设计中，一些作品仅因为一些细节 问题处理不当
11、，影响整个作品未能达标。 (1) 题意及考点(2) 锁定放大器设计要点p 相敏检波器的设计p 低通滤波器的设计p 衰减器衰减系数的确定p 交流放大器的设计(1) 题意及考点2相关赛题分析(2) 锁定放大器设计要点相敏检波器方式及器件的选择：模拟乘法器式相敏检波器：例， AD630等开关式相敏检波器：例，CD4053（采用者最多）OPA690 (具有关断功能运放)IRF3205 ( MOS管) 开关式相敏检波器的功能相当于参考信号r(t)幅度为1方波 时的模拟乘法器式相敏检波器。 开关式的输出信号幅度不受参考信号幅度不稳的影响，且能克 服模拟乘法器的非线性，检测精度较高，是本题首选方案。 实际上
12、，由于本题精度要求不高，两种方案都能满足要求。p 相敏检波器的设计up(t)uo(t)开关式相敏检波器分析x(t)为正弦： x(t)=Vscos(0t+q)r(t)为方波：相敏检测器输出：低通滤波器输出：与Vs Vr 三者成正比(2) 锁定放大器设计要点开关式相敏检波器分析 令VS、Vr 值固定，鉴相。检测两个信号之间的相位差， 令、Vr 值固定，鉴幅。即检测被测信号的幅度VS。显然，锁定放大器中的相敏检波器属于第二种类型的应用。开关式相敏检波器输出：锁定放大器中相敏检波器的设计要点：u 参考信号与被测信号同频，u 参考信号的幅值Vr固定并尽量大；u 相位差值固定，且cos值尽量大。（=？）u
13、 相敏检波器参考信号相位 的选择：为了使相敏检波器输出尽量大，选取=0o （cos0o=1）。Vr 、值固定。取=0o （cos0o=1），以使检波器输出尽量大。但是，约有1020% 的参赛队采取了自动移相检测方案：每次测量都令移相电路进行0o180o的扫描，且每步进移相一步 就进行一次测量，最后取最大的输出值为测量结果。 测量一个数据约需13分钟的时间，这是不允许的； 由于步进移相值一般为10o，误差较大，一致性也较差。 简单问题复杂化，流程复杂，故障率高。通过与学生交流得知，这些参赛队的设计水平一般较高。但由 于对锁定放大器的原理的理解存在问题，作品指标不好。本题相敏检波器用于检幅。(2)
14、 锁定放大器设计要点p 低通滤波器的设计（1）输入信号S(t)的频率为1000Hz，幅度10V1mV。（2）另一信号源产生一个频率为10502100Hz的正弦信号作 为n(t)，然后通过加法器电路实现S(t)与n(t)的1：1或1：10 的叠加，并加在放大器的输入端。题目相关要求（简写）up(t)uo(t) 确定截止频率与阶数； 滤波器电路的设计（略）l 输入信号S(t)的频率为1000Hz， l 干扰信号频率为10502100Hz。设：x(t)为正弦波含单频噪声（单频噪声频率范围为1050Hz2100Hz），r(t)为正弦波（只取方波的基频，以简化分析）x(t)= Vscos(0t+)+ V
15、ncos(nt+a)r(t)= Vrcos 0t up(t)=x(t)r(t)= 0.5VsVrcos + VsVrcos(20t +)+0.5Vncos(n+0)t+a+ 0.5Vncos(n-0)t+a 共存在三组交流分量，其频率分别为： 20 的频率为 21000Hz=2000H n+0 的频率为（1050Hz2100Hz）+1000Hz = 2050Hz3100Hz n-0 的频率为（1050Hz2100Hz）-1000Hz = 50Hz1100Hz(2) 锁定放大器设计要点p 低通滤波器的设计up(t)uo(t) 确定截止频率与阶数；结论：应该重点考虑滤除频率为 50Hz 谐波信号!！重点考虑频率为 50Hz 的谐波信号的滤除！一阶低通滤波器特性： -20dB/十倍频；二阶低通滤波器特性： -40dB/十倍频；三阶低通滤波器特性： -60dB/十倍频；为满足测量误差小于10%的题目要求，拟设计一个截止频率小于 5Hz，二阶以上的低通滤波器，p 低通滤波器的设计 确定截止频率与阶数；在测试作品及评阅报告中，发现大部分参赛队缺乏对低通滤波器的具体分析及设计步骤！(2) 锁定放大器设计要点 滤波器电路的设计（略） 输入信号S(t)频率为1000Hz，幅度为10V1mV（有效值）。 由于常规仪器难以提供（和测量）V级信号，需要通过适合 加大信号源输出幅度，
