1、大學生電子設計競賽 設計與實踐,（第一講）,課程開設目的、進程安排及考核方式 全國大學生電子設計競賽基本情況及常見題型 2011桂林全國大學生電子設計競賽總結會經(jīng)驗分享,針對全國大學生電子設計競賽的特點和需求開設的一門綜合設計性、實踐性課程； 以電類創(chuàng)新人才技能培養(yǎng)為目標，調(diào)動同學們參與課外創(chuàng)新活動的積極性和主動性； 系統(tǒng)、科學地培養(yǎng)同學們的實際動手能力、創(chuàng)新設計能力、工程應用能力以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力； 通過該課程的學習可為同學們從事課外創(chuàng)新活動奠定理論與實踐基礎，并為學校組隊參加智能汽車、電子設計、機器人等大型競賽選拔優(yōu)秀人才。,課程背景與開設目的,教學手段與考核方式,教學方法上以教

2、師理論教學為輔、學生設計實踐為主， 重在啟發(fā)學生開闊思路、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題； 教學手段上以教師輔導答疑為輔、學生自主學習為主， 重在培養(yǎng)學生檢索資料、獨立研究的能力； 在設計、制作、調(diào)試過程中，以指導老師負責、學生自愿 組隊方式進行分工協(xié)作，重在培養(yǎng)學生的團隊合作精神。 課程管理采用注冊方式，取得合格成績者才能認定學分； 課程成績由方案設計、實物制作、性能測試和設計總結報告綜合評定。,課程開設安排表,模擬電子技術 童詩白編著 清華大學出版社 數(shù)字電子技術 閻石編著 清華大學出版社 高頻電子技術 鐘蘇編著 西安電子科技大學出版社 數(shù)字系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)設計 高吉祥編著 電子工業(yè)出版社 全國大學

3、生電子設計競賽系統(tǒng)設計黃智偉編著 北京航空航天大學出版社 全國大學生電子設計競賽制作實訓黃智偉編著 北京航空航天大學出版社 全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編 全國大學生電子設計競賽組委會編著 北京理工大學出版社 ,參考教材及資料,全國大學生電子設計競賽簡介,全國大學生電子設計競賽是教育部倡導的四大學科競賽之一 ，競賽內(nèi)容既有理論設計，又有實際制作，可以全面檢驗和促進參賽學生的理論素養(yǎng)和工作能力； 全國大學生電子設計競賽由教育部高教司及信息產(chǎn)業(yè)部人事司負責組織；各賽區(qū)競賽組委會由省、市、自治區(qū)教委、高校代表及電子類專家、企事業(yè)代表組成； 參賽單位以普通高等學校為單位獨立組隊(不超過20)參賽，

4、每隊由三名具有正式學籍的在校學生組成（研究生除外）； 競賽時間定于競賽舉辦年度的9月初，賽期四天(具體日期屆時通知)，全國性比賽每二年舉辦一屆(奇數(shù)年)，安徽等省級比賽每年舉辦一屆; 競賽采用全國統(tǒng)一命題、分賽區(qū)組織，“半封閉/相對集中”的方式進行。競賽期間學生可以查閱有關文獻資料，隊內(nèi)學生可集體商討設計思想，確定設計方案，分工負責、團結協(xié)作，以隊為基本單位獨立完成競賽任務； 競賽題目于競賽當日網(wǎng)上同時公布，一般有5-6套題目任選，題型以工程應用綜合設計為主，也兼有側重于某一方向（如模擬電路、數(shù)字電路、電力電子線路、儀器儀表、通信、自控、新型器件和集成電路應用等）的專業(yè)題型； 每個賽題包括基本

5、要求和提高發(fā)揮兩部分，競賽成績按實際制作裝置的現(xiàn)場測試和設計報告來綜合評定，每部分都制定了非常具體詳細的評分標準和細則。,全國大學生電子設計競賽特點,全國大學生電子設計競賽始于1994年；97年起每兩年舉辦一次。,教育部倡導的大學生學科競賽之一，是面向大學生的群眾性科技活動。,競賽的特點是與高等學校相關專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結合，以推動其課程教學、教學改革和實驗室建設工作。,全國大學生電子設計競賽特點,競賽的特色是: 理論聯(lián)系實際，并與學風建設緊密結合。競賽內(nèi)容既有理論設計，又有實際制作，以全面檢驗和加強參賽學生的理論基礎和實踐創(chuàng)新能力。,王越院士頒獎,競賽關鍵是用四天三夜時間半封閉

6、完成一件作品！,挑戰(zhàn)杯：開放制作、一年時間,嵌入式：開放制作、4個月時間,機器人：開放制作、超過3個月時間,其他：開放制作、超過3個月時間,專家命題,封閉制作,教學內(nèi)容,全國大學生電子設計競賽特點,電源類,信號源類,通信類,放大器類,數(shù)據(jù)處理類,自動化類,儀器類,適應電類各專業(yè)學生,全國大學生電子設計競賽特點,題目特色,今年A題,（1）儀器儀表方向：,傳輸性能分析儀：2011年E題 音頻信號分析儀：2009年A題 數(shù)字取樣示波器：2007年C題 簡易頻譜分析儀：2005年C題 簡易邏輯分析儀：2003年D題 低頻相位測量儀：2003年C題 數(shù)字存儲示波器：2001年B題 頻率特性測量儀：199

7、9年C題 數(shù)字工頻多用表：1999年B題 簡易數(shù)字頻率計：1997年B題 簡易RLC測量儀 ：1995年D題,難點：強調(diào)速度、處理能力、顯示性能等。需要通過構建新技術硬件平臺及運用信號處理算法來實現(xiàn)。系統(tǒng)中的部分任務需要在訓練階段完成。 訓練：DDS任意信號產(chǎn)生、高速/寬帶模擬電路、濾波器、高速ADC/DAC采樣與回放、高速數(shù)據(jù)存儲（FIFO）、算法（FFT、卷積、相關、數(shù)字濾波等）、顯示技術（LCD、繪圖、實時曲線等）、強實時性并發(fā)多任務軟件設計、FPGA/ CPLD與單片機的接口、儀器儀表原理、各類電參數(shù)測量、等內(nèi)容。,全國大學生電子設計常見題型,全國大學生電子設計常見題型,電源類：簡易數(shù)

8、控直流電源（第一屆），直流穩(wěn)壓電源（第三屆）； ； 信號源類：實用信號源的設計和制作（第二屆），波形發(fā)生器（第五屆）， 電壓控制LC振蕩器（第六屆） ； 高頻無線電類：簡易無線電遙控系統(tǒng)（第二屆），調(diào)幅廣播收音機（第三屆）短波調(diào)頻接收機（第四屆），調(diào)頻收音機（第五屆） 放大器類：實用低頻功率放大器（第二屆），高效率音頻功率放大器(第五屆）寬帶放大器（第六屆） ; 儀器儀表類：簡易電阻、電容和電感測試儀（第二屆），簡易數(shù)字頻率計（第三屆），頻率特性測試儀（第四屆），數(shù)字式工頻有效值多用表（第四屆），簡易數(shù)字存儲示波器（第五屆），低頻數(shù)字式相位測量儀（第六屆），簡易邏輯分析儀（第六屆） ； 數(shù)據(jù)采

9、集與處理類：多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（第一屆），數(shù)字化語音存儲與回放 系統(tǒng)（第四屆），數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)（第五屆） ； 自動控制類：水溫控制系統(tǒng)（第三屆），自動往返電動小汽車（第五屆）； 簡易智能電動車（第六屆）；液體點滴速度監(jiān)控裝置（第六屆）。,（1）儀器儀表方向：,傳輸性能分析儀：2011年E題 音頻信號分析儀：2009年A題 數(shù)字取樣示波器：2007年C題 簡易頻譜分析儀：2005年C題 簡易邏輯分析儀：2003年D題 低頻相位測量儀：2003年C題 數(shù)字存儲示波器：2001年B題 頻率特性測量儀：1999年C題 數(shù)字工頻多用表：1999年B題 簡易數(shù)字頻率計：1997年B題 簡易RLC測量儀

10、：1995年D題,難點：強調(diào)速度、處理能力、顯示性能等。需要通過構建新技術硬件平臺及運用信號處理算法來實現(xiàn)。系統(tǒng)中的部分任務需要在訓練階段完成。 訓練：DDS任意信號產(chǎn)生、高速/寬帶模擬電路、濾波器、高速ADC/DAC采樣與回放、高速數(shù)據(jù)存儲（FIFO）、算法（FFT、卷積、相關、數(shù)字濾波等）、顯示技術（LCD、繪圖、實時曲線等）、強實時性并發(fā)多任務軟件設計、FPGA/ CPLD與單片機的接口、儀器儀表原理、各類電參數(shù)測量、等內(nèi)容。,訓練實施方案,訓練實施方案,（2）電路系統(tǒng)方向：,LC諧振放大器： 2011年D題 寬帶直流放大器：2009年C題 簡易程控濾波器：2007年D題 正弦信號發(fā)生器

11、：2005年A題 寬 帶 放 大 器：2003年B題 壓控L/C振蕩器 ：2003年A題 任意波形發(fā)生器：2001年A題 簡易測量放大器：1999年A題 錄音與回放系統(tǒng)：1999年E題 實用信號源制作：1995年B題,難點：特別強調(diào)指標，通常經(jīng)典設計、通用IC是難以完成的。 訓練：（程控）放大器、（程控）濾波器、振蕩器、DDS任意信號產(chǎn)生、基本模擬調(diào)理電路、電性能指標測試（阻抗、相位、帶寬）、開拓設計思路等。,訓練實施方案,（3）功率電子方向：,開關電源并聯(lián)供電：2011年A題 光伏發(fā)電模擬裝置：2009年A題 電能收集充電器：2009年E題 開關型穩(wěn)壓電源：2007年E題 數(shù) 控 恒 流 源

12、：2005年F題 三相正弦變頻電源 ：2005年G題 高效 D 類放大器：2001年D題 直流穩(wěn)定電源： 1997年A題 實用音頻放大器：1995年A題,難點：大電流、高效率要求。實驗過程中燒毀事故率很高！ 訓練：常見DC-DC開關拓撲（Buck/Boost /Backboost/Flyback）、常見PWM控制器（電流/電壓控制、單周期關斷控制、雙環(huán)反饋控制）、閉環(huán)反饋與穩(wěn)定性（補償回路、穩(wěn)定性與瞬態(tài)響應）、功率開關器件（MOSFET/ IGBT）及驅(qū)動(半橋/全橋/浮柵)、SPWM正弦波逆變、磁性元件基礎知識（各種鐵氧體、變壓器和電感設計及制作、磁隙調(diào)整等動手能力）、MPPT控制算法及拓撲

13、、同步整流。,訓練實施方案,（4）自動控制方向：,自由擺平衡控制： 2011年B題 聲音導引系統(tǒng)： 2009年B題 電動車蹺蹺板： 2007年F題 懸掛運動控制系統(tǒng)： 2005年E題 液體點滴速度監(jiān)控： 2003年F題 簡易智能電動車： 2003年E題 自動往返電動小汽車：2001年C題 水溫自動控制系統(tǒng)： 1997年C題,難點：構建穩(wěn)定的反饋，以及設計控制算法是最大難點（要求基礎功底），涉及機械、物理等非電專業(yè)知識，動手能力挑戰(zhàn)?！具€有運氣成分】 訓練：控制算法（PID及其改進）、傳感器（速度、溫度、位移、傾角、紅外光電等）、反饋穩(wěn)定性與控制系統(tǒng)調(diào)試技能、電機驅(qū)動（步進、直流、角度/速度舵機

14、）、PWM+功率開關及驅(qū)動。,（5）高頻/通信方向：,訓練實施方案,無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置：2009年D題 無線識別裝置： 2007年B題 單工無線呼叫系統(tǒng)： 2005年D題 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)： 2001年E題 調(diào)頻收音機： 2001年F題 調(diào)幅廣播收音機： 1997年D題 簡易無線電遙控系統(tǒng)： 1995年C題,難點：非常規(guī)的信道，非常規(guī)通信方式，無現(xiàn)成IC可用。 訓練：調(diào)制與解調(diào)（ASK、FSK、DPSK、OOK）方法與電路、振蕩器、丙類放大器、諧振回路、天線與電磁場基礎知識、超低功耗設計。 關注近年來的新技術：RFID（傳遞能量）、無線自組網(wǎng)協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng),2011 年 全國賽題 A,201

15、1 年 全國賽題 B,2011 年 全國賽題 C,2011 年 全國賽題 D,2011 年 全國賽題 E,從以上試題可見，試題具有強實用性、強綜合性、技術水平發(fā)揮余地大等特點。 涉及到的電子信息類專業(yè)的課程有：低頻電路、高頻電路、數(shù)字電路、微機原理、電子測量、單片機、可編程邏輯器件、EDA設計等； 可選用的器件有：晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、單片機、可編程邏輯器件等； 設計手段必須采用現(xiàn)代電子設計方法與開發(fā)工具:如VHDL語言、EDA工具、 單片機編程器等。 不難看出，電子設計競賽的試題既反映了電子技術的先進水平，又引導高校在教學改革中對學生工程實踐能力和創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)的關注。 按照傳

16、統(tǒng)的重理論、輕實踐；重分析、輕綜合；重個體、輕協(xié)作的教學模式培養(yǎng)的學生在參加電子設計競賽時往往會發(fā)生諸多問題：理論設計正確卻無法在工程上實現(xiàn)；單元電路正確卻無法實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；個人能力很強卻各自為政，不能實現(xiàn)強強聯(lián)合等等。 電子設計競賽既不是單純的理論設計競賽也不僅僅是實驗技能競賽，而是由參賽隊共同設計、制作完成一個有特定工程背景的題目的優(yōu)劣與快慢的競賽。它既強調(diào)理論設計，更強調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)。它考核學生綜合運用基礎知識的能力，更注重考察學生的創(chuàng)新意識。題目涉及的內(nèi)容是一個課程群，而非單一的一門課程。因此競賽的形式與內(nèi)容基本上符合面向21世紀人才培養(yǎng)的目標和需求，是對傳統(tǒng)教學方法的一個挑戰(zhàn)，同時競賽成

17、績也能從一個側面反映了這個課程群的教學水平和教學改革的成敗。,1簡述以下元件的類別和用途 74HC74 NE555 9013 LM324 2根據(jù)標注寫出元件的參數(shù) 電容： 224 473 電阻： 棕紅黑紅棕 綠藍紅金 金橙橙橙,3如圖所示電路中，如果用萬用表測得T1集電極的靜態(tài)電壓為12V，請判斷電路是否正常；如果不正常，請簡單分析故障的原因和確認方法。,4簡述測量放大器輸入阻抗所需的儀器，畫出測試框圖、寫出數(shù)據(jù)處理步驟。,考查基本技能掌握,訓練思考題,訓練思考題,MC34063為一款常用的開關電源芯片，配合少量的外圍元件即可搭建開關電源。下圖給出了MC34063芯片內(nèi)部的等效電路， 配合外部

18、元件構成了某種開關電源，試分析電路并回答問題。 1）簡述開關及反饋過程？ 2）計算輸出電壓？ 3）如何減小輸出紋波，提出2種可行方案？,考查資料閱讀與理解能力,信號源題型分析舉例,“波形發(fā)生器” （第五屆，2001年） （1）任務 設計制作一個波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和由用戶編輯的特定形狀波形,如下圖所示。,信號源題型分析舉例,（2）要求 基本要求 a. 具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形的功能； b. 用鍵盤輸入編輯生成上述三種波形（同周期）的線性組合波形，以及由基波及其諧波（5次以下）線性組合的波形； c. 具有波形存儲功能； d. 輸出波形的頻率范圍為1

19、00Hz20kHz(非正弦波頻率按10次諧波計算)；重復頻率可調(diào)，頻率步進間隔100Hz； e. 輸出波形幅度范圍05V（峰-峰值），可按步進0.1V（峰-峰值）調(diào)整； f. 具有顯示輸出波形的類型、重復頻率(周期)和幅度的功能。 發(fā)揮部分 輸出波形頻率范圍擴展至100Hz200kHz； 用鍵盤或其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形； d. 具有掉電存儲功能，可存儲掉電前用戶編輯的波形和設置； e. 可產(chǎn)生單次或多次(1000次以下)特定波形(如產(chǎn)生1個半周期三角波輸出) f. 其它(如頻譜分析、失真度分析、頻率擴展200kHz、掃頻輸出等功能)。,系統(tǒng)方案設計比較與論證,一、波形生成方案：,方案一：采用

20、模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX8038，可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波，通過調(diào)整外部元件可改變輸出頻率；但由于模擬元器件參數(shù)分散性太大，因而對波形頻率的穩(wěn)定性影響很大，頻率分辨率不高，且靈活性較差不能實現(xiàn)任意波形以及波形的運算輸出等智能化功能。 方案二：采用鎖相式頻率合成技術。首先通過頻率合成技術產(chǎn)生所需要頻率的方波通過積分電路就可以得到同頻率的三角波，再經(jīng)過濾波器就可以得到正弦波，優(yōu)點是輸出頻率高，也可以達到較高的頻率分辨率；缺點是要求濾波器通帶可變，實現(xiàn)困難，還有一個致命的弱點，即無法實現(xiàn)任意波形功能。 方案三：采用直接數(shù)字頻率合成技術。DDFS技術以Nyquist時域采樣定理為基礎，

21、在時域中進行頻率合成，通過更換波形數(shù)據(jù)可以輕易實現(xiàn)任意波形功能，并且頻率、相位、幅度都可利用單片機實現(xiàn)程控；缺點是輸出頻率受到單片機工作頻率的制約 在輸出頻率要求不高的場合可考慮應用。 方案四：采用基于CPLD/FPGA的直接數(shù)字頻率合成技術。優(yōu)點是可以輕易實現(xiàn)任意波形功能且輸出頻率及其分辨率可以做得很高，但難以實現(xiàn)復雜分析算法。 方案五：采用基于單片機+CPLD/FPGA的直接數(shù)字頻率合成技術。綜合考慮了方案三與方案四的優(yōu)點并能彌補各自的不足。比較后選擇方案五。,核心原理: 采樣定理 組成部分：參考時鐘fc 相位累加器 波形數(shù)據(jù)查詢表 DA轉(zhuǎn)換器,DDS技術原理,=,k,c,.,注：最大頻率

22、需滿足輸出上限， 而最小頻率需滿足輸出步進要求 不能同滿足時需分段考慮。,系統(tǒng)方案設計比較與論證,二、輸入設置方案：,設計要求系統(tǒng)具有用戶選擇預設波形、調(diào)控波形和輸入存儲自定義波形的功能。 方案一：采用鍵盤輸入。這是最基本的方法。優(yōu)點是輸入值精確，實現(xiàn)方便； 但用戶自定義輸入時難以自由輸入想要的特殊波形。 方案二：采用手寫板輸入。這對于用戶輸入想要的特殊波形非常方便，但接口電路實現(xiàn)較為復雜，數(shù)值輸人不夠直觀。 考慮到鍵盤輸入已能滿足波形預設、編輯組合等基本功能，比較后選擇方案一。,三、輸出顯示方案：,方案一：采用LED顯示?？梢燥@示有限的符號和數(shù)字，不易滿足本設計的復雜功能。 方案二：采用字符

23、式LCD顯示。可顯示較為清晰的字符和數(shù)字，基本可以滿足設計要求。但在用戶輸入波形時，無法顯示其波形形狀。 方案三：采用點陣式LCD顯示?？梢詫⒂脩糨斎氲牟ㄐ渭皶r顯示出來，但編程設計 工作量較大。 綜合比較后選擇方案二。,系統(tǒng)方案設計結構框圖,單片機開發(fā)板,FPGA開發(fā)板,系統(tǒng)硬件設計電路與參數(shù),一、單片機控制單元,單片機單元可選用89C52開發(fā)板(含電源、晶振、復位、鍵盤、LCD等電路) 單片機單元參數(shù)選擇與資源配置(端口電壓、時鐘頻率、按鍵定義、存儲容量、顯示內(nèi)容與方式等),AT89C52單片機,單片機單元電路,系統(tǒng)硬件設計電路與參數(shù),二、FPGA波形產(chǎn)生單元,FPGA單元可選用EP1C6開

24、發(fā)板(含電源、晶振、復位、存儲器等電路) FPGA單元參數(shù)選擇與資源配置(時鐘頻率及PLL配置 、I/O端口及引腳分配、存儲容量及定制方式等),外部晶振：10MHz 系統(tǒng)時鐘：可通過PLL配置為：10MHz /20MHz /50MHz /100MHz等 存儲器個數(shù)：正弦波/三角波各10個 存儲器容量：可片內(nèi)定制或片外配置 10*1000正弦ROM/10*1000三角ROM 用戶引腳數(shù)：185個 信號I/O端口：4位功能選擇信號線 8位頻率/4位幅度控制口線 10位外擴存儲器地址線 8-10位波形數(shù)據(jù)總線,時 鐘 信 號 與 諧 波 選 擇 產(chǎn) 生 模 塊,PLL 倍頻模塊,頻率 選擇模塊,幅值 選擇模塊,ADDR1,ADDR2,ADDR3,ADDR10,ROM1,ROM2,ROM3,ROM10,信 號 疊 加 模 塊,DA 轉(zhuǎn)換,.,.,晶振 信號,頻率 控制,幅度 控制,en1,clk1,clk2,en2,en3,en20,clk3,clk20,FPGA開發(fā)板,基于FPGA的正弦波形產(chǎn)生模塊,系統(tǒng)硬件設計電路與參數(shù),三、波形輸出單元,波形輸出單元由數(shù)-模轉(zhuǎn)換器與低通濾波器等電路組成 數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的選擇與參數(shù)配置(D/A芯片轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、輸出方式等) 低通濾波器的選擇與參數(shù)配置(濾波器結構、通帶截止頻率、輸出幅度調(diào)節(jié)與輸出阻抗匹配等)