電子產(chǎn)品設(shè)計競賽題目及答案解析一、單選題（每題2分，共10題）1.在5G通信模塊設(shè)計中，以下哪種技術(shù)最適用于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）應(yīng)用？A.OFDM調(diào)制B.DSSS擴(kuò)頻C.FDM頻分復(fù)用D.QPSK調(diào)制2.STM32系列MCU中，哪種外設(shè)常用于實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備功能？A.SPI控制器B.I2C接口C.UART串口D.USBOTG模塊3.設(shè)計智能手環(huán)時，以下哪種傳感器最適合監(jiān)測心率變異性（HRV）？A.溫度傳感器B.光纖光柵傳感器C.PPG光電傳感器D.霍爾傳感器4.在電源管理IC設(shè)計中，LDO和DC-DC轉(zhuǎn)換器的核心區(qū)別在于？A.效率B.輸出電壓精度C.輸出電流能力D.控制環(huán)路復(fù)雜度5.設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，哪種安全協(xié)議最適用于設(shè)備間輕量級加密？A.TLS1.3B.ECC-SHA256C.AES-128D.ZLL（零級輕量級）二、多選題（每題3分，共5題）6.設(shè)計高精度ADC時，以下哪些因素會影響測量誤差？A.噪聲基底B.轉(zhuǎn)換速率C.采樣定理D.溫度漂移7.在無線充電模塊設(shè)計中，以下哪些技術(shù)可提高能量傳輸效率？A.KIC（諧振式）B.Qi標(biāo)準(zhǔn)C.反向降壓D.電磁感應(yīng)8.設(shè)計汽車電子儀表盤時，以下哪些功能需滿足ISO15765標(biāo)準(zhǔn)？A.CAN總線通信B.LIN總線通信C.OBD-II診斷D.DTC故障碼記錄9.在消費(fèi)級無人機(jī)飛控設(shè)計中，以下哪些傳感器需集成以實(shí)現(xiàn)高精度定位？A.IMU（慣性測量單元）B.GPS接收器C.比例磁力計D.激光雷達(dá)10.設(shè)計智能門鎖時，以下哪些安全機(jī)制需考慮？A.指紋加密B.WEP加密C.物理防撬檢測D.雙因素認(rèn)證三、簡答題（每題5分，共4題）11.簡述在設(shè)計中如何平衡功耗與性能的關(guān)系？請結(jié)合具體電路示例說明。12.設(shè)計智能家居設(shè)備時，如何解決多協(xié)議（Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth）共存問題？13.在射頻電路設(shè)計中，如何抑制鄰道干擾（ACI）？請列舉三種方法并說明原理。14.設(shè)計醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備時，如何確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性與可靠性？四、計算題（每題10分，共2題）15.某設(shè)計需實(shí)現(xiàn)±5V輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸入電壓為12V，要求效率≥90%，負(fù)載電流為500mA。請計算：（1）理想情況下最大理論效率；（2）選擇合適的開關(guān)頻率（如1MHz）并計算占空比范圍；（3）若實(shí)際效率為85%，計算輸出電壓的調(diào)整范圍。16.設(shè)計一個基于STM32的無線溫濕度傳感器，需通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。假設(shè)：（1）傳輸距離為2km，路徑損耗指數(shù)為3.5，請計算最小發(fā)射功率；（2）若數(shù)據(jù)包大小為50字節(jié)，傳輸周期為10秒，計算年功耗（假設(shè)電池電壓3.0V，LoRa模塊功耗100mA@+14dBm）；（3）若需加入AES-128加密，請說明對傳輸時延的影響。五、設(shè)計題（每題15分，共2題）17.設(shè)計一款低功耗藍(lán)牙耳機(jī)充電盒，要求：（1）電池容量1000mAh，支持無線充電（Qi標(biāo)準(zhǔn)）；（2）充電時功耗≤100mW，待機(jī)功耗＜10μW；（3）設(shè)計充電控制電路（包括恒流/恒壓階段），并說明關(guān)鍵元器件選擇理由。18.設(shè)計一個基于ESP32的智能農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)，需監(jiān)測土壤溫濕度、光照強(qiáng)度，并通過MQTT協(xié)議上傳云平臺。要求：（1）列出核心元器件清單（含傳感器選型）；（2）設(shè)計低功耗喚醒機(jī)制（如光照強(qiáng)度觸發(fā)）；（3）編寫偽代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與上傳流程。答案解析一、單選題1.B-LPWAN（如NB-IoT、LoRa）依賴DSSS擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸與低功耗，OFDM適用于寬帶通信，QPSK為調(diào)制方式而非網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2.D-STM32系列（如STM32F4xx）內(nèi)置USBOTG控制器，支持設(shè)備/主機(jī)模式，其他選項為通用外設(shè)接口。3.C-PPG傳感器通過光電容積脈搏波描記法監(jiān)測心率，光纖技術(shù)可提高信噪比，適合手環(huán)穿戴場景。4.A-LDO線性穩(wěn)壓器效率低（＜60%），DC-DC轉(zhuǎn)換器效率高（80%-95%），其他選項為性能指標(biāo)差異。5.D-ZLL（零級輕量級）專為低資源設(shè)備設(shè)計，較TLS/ECC/AES輕量，適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端加密。二、多選題6.A、B、D-噪聲影響精度，高速ADC需更高采樣率，溫度漂移導(dǎo)致非理想特性，采樣定理為理論依據(jù)。7.A、B、D-KIC（諧振式）效率高，Qi標(biāo)準(zhǔn)是無線充電聯(lián)盟規(guī)范，電磁感應(yīng)是基礎(chǔ)技術(shù)，反向降壓非主流方案。8.A、C-ISO15765基于CAN總線，用于車載診斷，LIN總線為低速網(wǎng)絡(luò)，DTC記錄需OBD標(biāo)準(zhǔn)但非通信標(biāo)準(zhǔn)。9.A、B、C-IMU、GPS、磁力計是實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航的關(guān)鍵，激光雷達(dá)（LiDAR）用于高精度測距但成本高，不適合消費(fèi)級無人機(jī)。10.A、C、D-指紋加密、物理防撬、雙因素認(rèn)證是主流安全機(jī)制，WEP為過時加密算法。三、簡答題11.功耗與性能平衡設(shè)計：-方法：采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（如ARMCortex-M的DVFS）、時鐘門控、低功耗模式（STM32的Stop/Standby模式）。-示例：電源管理IC（如TPS65218）支持多路LDO+DC-DC組合，主頻1.2V時啟用高精度LDO，待機(jī)時切換至DC-DC以降低功耗。12.多協(xié)議共存解決方案：-頻段隔離：Wi-Fi（2.4/5GHz）與Zigbee（2.4GHz）可設(shè)置不同信道；Bluetooth（2.4GHz）需跳頻技術(shù)；-時分復(fù)用：通過MCU定時器控制各協(xié)議傳輸窗口；-協(xié)議棧優(yōu)化：使用支持多棧的RTOS（如FreeRTOS），如ESP32可同時運(yùn)行WiFi、藍(lán)牙、LoRa。13.抑制鄰道干擾（ACI）方法：-功率控制：降低發(fā)射功率以減少干擾；-濾波器設(shè)計：采用帶阻濾波器（如Chebyshev濾波器）抑制鄰近頻段信號；-正交頻分復(fù)用（OFDM）：通過子載波正交避免干擾。14.醫(yī)療監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)傳輸策略：-實(shí)時性：使用UDP協(xié)議減少重傳開銷，結(jié)合TCP重傳保證可靠性；-可靠性：設(shè)備端加入心跳包檢測鏈路狀態(tài)，服務(wù)器端采用滑動窗口協(xié)議；-抗干擾：采用FEC前向糾錯編碼（如3GPP標(biāo)準(zhǔn)）。四、計算題15.（1）理論效率：-理想效率=（Vin-Vout）/Vin=（12-5）/12=58.3%；-（2）占空比：-開關(guān)周期T=1/f=1/1MHz=1μs，Vout/Vin=5/12≈0.417，占空比D=0.417×100%=41.7%；-（3）實(shí)際效率：-實(shí)際輸出功率Po=VinIin-VoutIout=12×0.5-5×0.5=3.5W，輸入功率Pi=3.5/0.85≈4.12W，實(shí)際效率=3.5/4.12≈85.1%。16.（1）發(fā)射功率：-根據(jù)Friis傳輸公式：Pt=Pmin+10log(4πd2/GT)+10log(BW)，Pt≥-30dBm+10log(4π×(2×103)2/1)+10log(125)=+14dBm；-（2）年功耗：-傳輸功耗=0.1A×(1s/10s)×(10s×86400s/年)=864W-hr，電池容量=3.0V×1Ah=3Wh，續(xù)航≈3.5天；-（3）加密影響：-AES-128需額外計算時間，傳輸時延增加約5-10μs，可通過硬件加密器優(yōu)化。五、設(shè)計題17.無線充電盒設(shè)計：-元器件：-Qi標(biāo)準(zhǔn)線圈（發(fā)射/接收），BQ25006G充電IC，TP4056電池充電模塊，LTC3588電源管理IC；-電路設(shè)計：-接收端采用諧振耦合，輸出電壓經(jīng)LDO穩(wěn)壓至5V，通過峰值檢測控制占空比；-待機(jī)時僅維持MCU與電池管理IC喚醒，功耗＜10μW。18.智能農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計：-元器件清單：-傳感器：DHT11（溫濕度），BH1750（光照），ESP32-DevKitV3主控；-通信模塊：MQTT客戶端庫；-低功耗喚醒：-光敏電阻觸發(fā)GPIO中斷喚醒MCU，睡眠時關(guān)閉ADC與外設(shè)時鐘；-偽代碼：cvoidloop(){if(lightSensor>threshold){wakeMCU();floattemp=