《大学生电子竞赛设计与实践》第一讲.ppt

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1、大学生电子设计竞赛 设计与实践,（第一讲）,课程开设目的、进程安排及考核方式 全国大学生电子设计竞赛基本情况及常见题型 2011桂林全国大学生电子设计竞赛总结会经验分享,针对全国大学生电子设计竞赛的特点和需求开设的一门综合设计性、实践性课程；以电类创新人才技能培养为目标，调动同学们参与课外创新活动的积极性和主动性；系统、科学地培养同学们的实际动手能力、创新设计能力、工程应用能力以及发现问题、解决问题的能力；通过该课程的学习可为同学们从事课外创新活动奠定理论与实践基础，并为学校组队参加智能汽车、电子设计、机器人等大型竞赛选拔优秀人才。,课程背景与开设目的,教学手段与考核方式,教学方法上以教师理论

2、教学为辅、学生设计实践为主，重在启发学生开阔思路、发现问题、分析问题；教学手段上以教师辅导答疑为辅、学生自主学习为主，重在培养学生检索资料、独立研究的能力；在设计、制作、调试过程中，以指导老师负责、学生自愿组队方式进行分工协作，重在培养学生的团队合作精神。课程管理采用注册方式，取得合格成绩者才能认定学分；课程成绩由方案设计、实物制作、性能测试和设计总结报告综合评定。,课程开设安排表,模拟电子技术 童诗白编著 清华大学出版社 数字电子技术 阎石编著 清华大学出版社 高频电子技术 钟苏编著 西安电子科技大学出版社 数字系统与自动控制系统设计 高吉祥编著 电子工业出版社全国大学生电子设计竞赛系统设计

3、黄智伟编著 北京航空航天大学出版社全国大学生电子设计竞赛制作实训黄智伟编著 北京航空航天大学出版社全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 全国大学生电子设计竞赛组委会编著 北京理工大学出版社 http:/http:/http:/,参考教材及资料,全国大学生电子设计竞赛简介,全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的四大学科竞赛之一，竞赛内容既有理论设计，又有实际制作，可以全面检验和促进参赛学生的理论素养和工作能力；全国大学生电子设计竞赛由教育部高教司及信息产业部人事司负责组织；各赛区竞赛组委会由省、市、自治区教委、高校代表及电子类专家、企事业代表组成；参赛单位以普通高等学校为单位独立组队(不超过20)参

4、赛，每队由三名具有正式学籍的在校学生组成（研究生除外）；竞赛时间定于竞赛举办年度的9月初，赛期四天(具体日期届时通知)，全国性比赛每二年举办一届(奇数年)，安徽等省级比赛每年举办一届;竞赛采用全国统一命题、分赛区组织，“半封闭/相对集中”的方式进行。竞赛期间学生可以查阅有关文献资料，队内学生可集体商讨设计思想，确定设计方案，分工负责、团结协作，以队为基本单位独立完成竞赛任务；竞赛题目于竞赛当日网上同时公布，一般有5-6套题目任选，题型以工程应用综合设计为主，也兼有侧重于某一方向（如模拟电路、数字电路、电力电子线路、仪器仪表、通信、自控、新型器件和集成电路应用等）的专业题型；每个赛题包括基本要求

5、和提高发挥两部分，竞赛成绩按实际制作装置的现场测试和设计报告来综合评定，每部分都制定了非常具体详细的评分标准和细则。,全国大学生电子设计竞赛特点,全国大学生电子设计竞赛始于1994年；97年起每两年举办一次。,教育部倡导的大学生学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技活动。,竞赛的特点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内容改革密切结合，以推动其课程教学、教学改革和实验室建设工作。,全国大学生电子设计竞赛特点,竞赛的特色是:理论联系实际，并与学风建设紧密结合。竞赛内容既有理论设计，又有实际制作，以全面检验和加强参赛学生的理论基础和实践创新能力。,王越院士颁奖,竞赛关键是用四天三夜时间半封闭完成一

6、件作品！,挑战杯：开放制作、一年时间,嵌入式：开放制作、4个月时间,机器人：开放制作、超过3个月时间,其他：开放制作、超过3个月时间,专家命题,封闭制作,教学内容,全国大学生电子设计竞赛特点,电源类,信号源类,通信类,放大器类,数据处理类,自动化类,仪器类,适应电类各专业学生,全国大学生电子设计竞赛特点,题目特色,今年A题,（1）仪器仪表方向：,传输性能分析仪：2011年E题音频信号分析仪：2009年A题数字取样示波器：2007年C题简易频谱分析仪：2005年C题简易逻辑分析仪：2003年D题低频相位测量仪：2003年C题数字存储示波器：2001年B题频率特性测量仪：1999年C题数字工频多用

7、表：1999年B题简易数字频率计：1997年B题简易RLC测量仪：1995年D题,难点：强调速度、处理能力、显示性能等。需要通过构建新技术硬件平台及运用信号处理算法来实现。系统中的部分任务需要在训练阶段完成。训练：DDS任意信号产生、高速/宽带模拟电路、滤波器、高速ADC/DAC采样与回放、高速数据存储（FIFO）、算法（FFT、卷积、相关、数字滤波等）、显示技术（LCD、绘图、实时曲线等）、强实时性并发多任务软件设计、FPGA/CPLD与单片机的接口、仪器仪表原理、各类电参数测量、等内容。,全国大学生电子设计常见题型,全国大学生电子设计常见题型,电源类：简易数控直流电源（第一届），直流稳压电

8、源（第三届）；信号源类：实用信号源的设计和制作（第二届），波形发生器（第五届），电压控制LC振荡器（第六届）；高频无线电类：简易无线电遥控系统（第二届），调幅广播收音机（第三届）短波调频接收机（第四届），调频收音机（第五届）放大器类：实用低频功率放大器（第二届），高效率音频功率放大器(第五届）宽带放大器（第六届）;仪器仪表类：简易电阻、电容和电感测试仪（第二届），简易数字频率计（第三届），频率特性测试仪（第四届），数字式工频有效值多用表（第四届），简易数字存储示波器（第五届），低频数字式相位测量仪（第六届），简易逻辑分析仪（第六届）；数据采集与处理类：多路数据采集系统（第一届），数字化语音存储

9、与回放系统（第四届），数据采集与传输系统（第五届）；自动控制类：水温控制系统（第三届），自动往返电动小汽车（第五届）；简易智能电动车（第六届）；液体点滴速度监控装置（第六届）。,（1）仪器仪表方向：,传输性能分析仪：2011年E题音频信号分析仪：2009年A题数字取样示波器：2007年C题简易频谱分析仪：2005年C题简易逻辑分析仪：2003年D题低频相位测量仪：2003年C题数字存储示波器：2001年B题频率特性测量仪：1999年C题数字工频多用表：1999年B题简易数字频率计：1997年B题简易RLC测量仪：1995年D题,难点：强调速度、处理能力、显示性能等。需要通过构建新技术硬件平台及

10、运用信号处理算法来实现。系统中的部分任务需要在训练阶段完成。训练：DDS任意信号产生、高速/宽带模拟电路、滤波器、高速ADC/DAC采样与回放、高速数据存储（FIFO）、算法（FFT、卷积、相关、数字滤波等）、显示技术（LCD、绘图、实时曲线等）、强实时性并发多任务软件设计、FPGA/CPLD与单片机的接口、仪器仪表原理、各类电参数测量、等内容。,训练实施方案,训练实施方案,（2）电路系统方向：,LC谐振放大器：2011年D题宽带直流放大器：2009年C题简易程控滤波器：2007年D题正弦信号发生器：2005年A题宽 带 放 大 器：2003年B题压控L/C振荡器：2003年A题任意波形发生器

11、：2001年A题简易测量放大器：1999年A题录音与回放系统：1999年E题实用信号源制作：1995年B题,难点：特别强调指标，通常经典设计、通用IC是难以完成的。训练：（程控）放大器、（程控）滤波器、振荡器、DDS任意信号产生、基本模拟调理电路、电性能指标测试（阻抗、相位、带宽）、开拓设计思路等。,训练实施方案,（3）功率电子方向：,开关电源并联供电：2011年A题光伏发电模拟装置：2009年A题电能收集充电器：2009年E题开关型稳压电源：2007年E题数 控 恒 流 源：2005年F题三相正弦变频电源：2005年G题高效 D 类放大器：2001年D题直流稳定电源：1997年A题实用音频放

12、大器：1995年A题,难点：大电流、高效率要求。实验过程中烧毁事故率很高！训练：常见DC-DC开关拓扑（Buck/Boost/Backboost/Flyback）、常见PWM控制器（电流/电压控制、单周期关断控制、双环反馈控制）、闭环反馈与稳定性（补偿回路、稳定性与瞬态响应）、功率开关器件（MOSFET/IGBT）及驱动(半桥/全桥/浮栅)、SPWM正弦波逆变、磁性元件基础知识（各种铁氧体、变压器和电感设计及制作、磁隙调整等动手能力）、MPPT控制算法及拓扑、同步整流。,训练实施方案,（4）自动控制方向：,自由摆平衡控制：2011年B题声音导引系统：2009年B题电动车跷跷板：2007年F题悬

13、挂运动控制系统：2005年E题液体点滴速度监控：2003年F题简易智能电动车：2003年E题自动往返电动小汽车：2001年C题水温自动控制系统：1997年C题,难点：构建稳定的反馈，以及设计控制算法是最大难点（要求基础功底），涉及机械、物理等非电专业知识，动手能力挑战。【还有运气成分】训练：控制算法（PID及其改进）、传感器（速度、温度、位移、倾角、红外光电等）、反馈稳定性与控制系统调试技能、电机驱动（步进、直流、角度/速度舵机）、PWM+功率开关及驱动。,（5）高频/通信方向：,训练实施方案,无线环境监测模拟装置：2009年D题无线识别装置：2007年B题单工无线呼叫系统：2005年D题数据

14、采集与传输系统：2001年E题调频收音机：2001年F题调幅广播收音机：1997年D题简易无线电遥控系统：1995年C题,难点：非常规的信道，非常规通信方式，无现成IC可用。训练：调制与解调（ASK、FSK、DPSK、OOK）方法与电路、振荡器、丙类放大器、谐振回路、天线与电磁场基础知识、超低功耗设计。关注近年来的新技术：RFID（传递能量）、无线自组网协议、物联网,2011年全国赛题A,2011年全国赛题B,2011年全国赛题C,2011年全国赛题D,2011年全国赛题E,从以上试题可见，试题具有强实用性、强综合性、技术水平发挥余地大等特点。涉及到的电子信息类专业的课程有：低频电路、高频电路

15、、数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器件、EDA设计等；可选用的器件有：晶体管、集成电路、大规模集成电路、单片机、可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具:如VHDL语言、EDA工具、单片机编程器等。不难看出，电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引导高校在教学改革中对学生工程实践能力和创新设计能力培养的关注。按照传统的重理论、轻实践；重分析、轻综合；重个体、轻协作的教学模式培养的学生在参加电子设计竞赛时往往会发生诸多问题：理论设计正确却无法在工程上实现；单元电路正确却无法实现系统联调；个人能力很强却各自为政，不能实现强强联合等等。电子设计竞赛既不是

16、单纯的理论设计竞赛也不仅仅是实验技能竞赛，而是由参赛队共同设计、制作完成一个有特定工程背景的题目的优劣与快慢的竞赛。它既强调理论设计，更强调系统实现。它考核学生综合运用基础知识的能力，更注重考察学生的创新意识。题目涉及的内容是一个课程群，而非单一的一门课程。因此竞赛的形式与内容基本上符合面向21世纪人才培养的目标和需求，是对传统教学方法的一个挑战，同时竞赛成绩也能从一个侧面反映了这个课程群的教学水平和教学改革的成败。,1简述以下元件的类别和用途 74HC74 NE555 9013 LM324 2根据标注写出元件的参数 电容：224 473 电阻：棕红黑红棕 绿蓝红金 金橙橙橙,3如图所示电路中

17、，如果用万用表测得T1集电极的静态电压为12V，请判断电路是否正常；如果不正常，请简单分析故障的原因和确认方法。,4简述测量放大器输入阻抗所需的仪器，画出测试框图、写出数据处理步骤。,考查基本技能掌握,训练思考题,训练思考题,MC34063为一款常用的开关电源芯片，配合少量的外围元件即可搭建开关电源。下图给出了MC34063芯片内部的等效电路，配合外部元件构成了某种开关电源，试分析电路并回答问题。1）简述开关及反馈过程？2）计算输出电压？3）如何减小输出纹波，提出2种可行方案？,考查资料阅读与理解能力,信号源题型分析举例,“波形发生器”（第五届，2001年）（1）任务 设计制作一个波形发生器，

18、该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形,如下图所示。,信号源题型分析举例,（2）要求 基本要求a.具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能；b.用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形；c.具有波形存储功能；d.输出波形的频率范围为100Hz20kHz(非正弦波频率按10次谐波计算)；重复频率可调，频率步进间隔100Hz；e.输出波形幅度范围05V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整；f.具有显示输出波形的类型、重复频率(周期)和幅度的功能。发挥部分 输出波形频率范围扩展至100Hz200k

19、Hz；用键盘或其他输入装置产生任意波形；d.具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置；e.可产生单次或多次(1000次以下)特定波形(如产生1个半周期三角波输出)f.其它(如频谱分析、失真度分析、频率扩展200kHz、扫频输出等功能)。,系统方案设计比较与论证,一、波形生成方案：,方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX8038，可产生正弦波、方波、三角波，通过调整外部元件可改变输出频率；但由于模拟元器件参数分散性太大，因而对波形频率的稳定性影响很大，频率分辨率不高，且灵活性较差不能实现任意波形以及波形的运算输出等智能化功能。方案二：采用锁相式频率合成技术。首先通过频率合成

20、技术产生所需要频率的方波通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波，优点是输出频率高，也可以达到较高的频率分辨率；缺点是要求滤波器通带可变，实现困难，还有一个致命的弱点，即无法实现任意波形功能。方案三：采用直接数字频率合成技术。DDFS技术以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成，通过更换波形数据可以轻易实现任意波形功能，并且频率、相位、幅度都可利用单片机实现程控；缺点是输出频率受到单片机工作频率的制约在输出频率要求不高的场合可考虑应用。方案四：采用基于CPLD/FPGA的直接数字频率合成技术。优点是可以轻易实现任意波形功能且输出频率及其分辨率可以做得很

21、高，但难以实现复杂分析算法。方案五：采用基于单片机+CPLD/FPGA的直接数字频率合成技术。综合考虑了方案三与方案四的优点并能弥补各自的不足。比较后选择方案五。,核心原理:采样定理 组成部分：参考时钟fc 相位累加器 波形数据查询表 DA转换器,DDS技术原理,=,k,c,.,注：最大频率需满足输出上限，而最小频率需满足输出步进要求不能同满足时需分段考虑。,系统方案设计比较与论证,二、输入设置方案：,设计要求系统具有用户选择预设波形、调控波形和输入存储自定义波形的功能。方案一：采用键盘输入。这是最基本的方法。优点是输入值精确，实现方便；但用户自定义输入时难以自由输入想要的特殊波形。方案二：采

22、用手写板输入。这对于用户输入想要的特殊波形非常方便，但接口电路实现较为复杂，数值输人不够直观。考虑到键盘输入已能满足波形预设、编辑组合等基本功能，比较后选择方案一。,三、输出显示方案：,方案一：采用LED显示。可以显示有限的符号和数字，不易满足本设计的复杂功能。方案二：采用字符式LCD显示。可显示较为清晰的字符和数字，基本可以满足设计要求。但在用户输入波形时，无法显示其波形形状。方案三：采用点阵式LCD显示。可以将用户输入的波形及时显示出来，但编程设计工作量较大。综合比较后选择方案二。,系统方案设计结构框图,单片机开发板,FPGA开发板,系统硬件设计电路与参数,一、单片机控制单元,单片机单元可

23、选用89C52开发板(含电源、晶振、复位、键盘、LCD等电路)单片机单元参数选择与资源配置(端口电压、时钟频率、按键定义、存储容量、显示内容与方式等),AT89C52单片机,单片机单元电路,系统硬件设计电路与参数,二、FPGA波形产生单元,FPGA单元可选用EP1C6开发板(含电源、晶振、复位、存储器等电路)FPGA单元参数选择与资源配置(时钟频率及PLL配置、I/O端口及引脚分配、存储容量及定制方式等),外部晶振：10MHz系统时钟：可通过PLL配置为：10MHz/20MHz/50MHz/100MHz等存储器个数：正弦波/三角波各10个存储器容量：可片内定制或片外配置 10*1000正弦RO

24、M/10*1000三角ROM用户引脚数：185个信号I/O端口：4位功能选择信号线 8位频率/4位幅度控制口线 10位外扩存储器地址线 8-10位波形数据总线,时钟信号与谐波选择产生模块,PLL倍频模块,频率选择模块,幅值选择模块,ADDR1,ADDR2,ADDR3,ADDR10,ROM1,ROM2,ROM3,ROM10,信号叠加模块,DA转换,.,.,晶振信号,频率控制,幅度控制,en1,clk1,clk2,en2,en3,en20,clk3,clk20,FPGA开发板,基于FPGA的正弦波形产生模块,系统硬件设计电路与参数,三、波形输出单元,波形输出单元由数-模转换器与低通滤波器等电路组成

25、 数-模转换器的选择与参数配置(D/A芯片转换速度、转换精度、输出方式等)低通滤波器的选择与参数配置(滤波器结构、通带截止频率、输出幅度调节与输出阻抗匹配等),系统硬件设计电路原理框图,系统软件设计思路与流程,K1为（1-3）,频率选择(K2,K3,K4,K5,K6),输出功能/频率/幅度控制信号,数值输入(K2,K3),FPGA波形产生,N,Y,Y,N,参数设定完成?,Y,功能选择(K1),系统软件设计思路与流程,设计实现实物作品,设计实现输出波形,设计课题1 正弦信号发生器（2005年全国第七届竞赛A题）,一、任务 设计制作一个正弦信号发生器。,二、要求1、基本要求（1）正弦波输出频率范围

26、：1kHz10MHz；（2）具有频率设置功能，频率步进：100Hz；（3）输出信号频率稳定度：优于10-4；（4）输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰-峰值Vopp1V；（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。2、发挥部分（1）增加输出电压幅度：在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V1V；（2）产生模拟幅度调制(AM)信号：在1MHz-10MHz范围内调制度ma可在10%100%之间程控调节，步进量10%，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（3）产生模拟频率调制(FM)信号：在100kHz10MHz频率范围内产生10kHz最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（4）产生二进制PSK、ASK信号：在100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号自行产生；,请转告（或转发）各小组组长：（1）召集小组成员共同讨论并确定系统设计方案；（2）进行系统功能划分并明确小组各成员工作；（3）确定各功能子系统方案设计报告提交时间；（4）进行系统集成并归纳撰写系统设计总结报告；（5）第五周日前（3月27日）由各小组组长将总结报告发至；（请在报告中注明各部分设计的完成人）（6）若有问题可与武老师联系答疑（3389131）,设计报告提交方式,