《大學(xué)生電子競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐》第一講

大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽

設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（第一講）

課程開(kāi)設(shè)目的、進(jìn)程安排及考核方式全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽基本情況及常見(jiàn)題型信號(hào)源類題型實(shí)例分析及課題1布置

針對(duì)全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的特點(diǎn)和需求開(kāi)設(shè)的一門(mén)綜合設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性課程；以電類創(chuàng)新人才技能培養(yǎng)為目標(biāo)，調(diào)動(dòng)同學(xué)們參與課外創(chuàng)新活動(dòng)的積極性和主動(dòng)性；系統(tǒng)、科學(xué)地培養(yǎng)同學(xué)們的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、工程應(yīng)用能力以及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)可為同學(xué)們從事課外創(chuàng)新活動(dòng)奠定理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，并為學(xué)校組隊(duì)參加智能汽車、電子設(shè)計(jì)、機(jī)器人等大型競(jìng)賽選拔優(yōu)秀人才。課程背景與開(kāi)設(shè)目的教學(xué)手段與考核方式

教學(xué)方法上以教師理論教學(xué)為輔、學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)踐為主，重在啟發(fā)學(xué)生開(kāi)闊思路、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題；教學(xué)手段上以教師輔導(dǎo)答疑為輔、學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，重在培養(yǎng)學(xué)生檢索資料、獨(dú)立研究的能力；在設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試過(guò)程中，以指導(dǎo)老師負(fù)責(zé)、學(xué)生自愿組隊(duì)方式進(jìn)行分工協(xié)作，重在培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

課程管理采用注冊(cè)方式，取得合格成績(jī)者才能認(rèn)定學(xué)分；

課程成績(jī)由方案設(shè)計(jì)、實(shí)物制作、性能測(cè)試和設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告綜合評(píng)定。

時(shí)間名稱主要內(nèi)容主講地點(diǎn)第3周日下午（13/3）專題講座1大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)介多功能信號(hào)源系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)3.結(jié)合講座布置設(shè)計(jì)課題1及具體要求武衛(wèi)華東教階101第4周日下午（20/3）專題講座2多路數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)結(jié)合講座布置設(shè)計(jì)課題2及具體要求以小組為單位收/交課題1方案設(shè)計(jì)報(bào)告待定待定第5周日下午（27/3）專題講座3整流、逆變、功放電路分析與設(shè)計(jì)結(jié)合講座布置設(shè)計(jì)課題3及具體要求以小組為單位收/交課題2方案設(shè)計(jì)報(bào)告駱雅琴東教階101第6周日下午（3/4）專題講座4無(wú)線發(fā)射、接收系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)結(jié)合講座布置設(shè)計(jì)課題4及具體要求以小組為單位收/交課題3方案設(shè)計(jì)報(bào)告待定待定第7周日下午（10/4）專題講座51.溫度/角度/速度等參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)2.結(jié)合講座布置設(shè)計(jì)課題5及具體要求3.以小組為單位收/交課題4方案設(shè)計(jì)報(bào)告李丹東教階101第8周日下午（17/4）專題講座6頻率計(jì)/相位計(jì)/數(shù)字存儲(chǔ)示波器分析與設(shè)計(jì)結(jié)合講座布置設(shè)計(jì)課題6及具體要求以小組為單位收/交課題5方案設(shè)計(jì)報(bào)告待定待定第9周第一次選拔雙選組隊(duì)以小組為單位收/交課題6方案設(shè)計(jì)報(bào)告根據(jù)各課題方案設(shè)計(jì)報(bào)告情況評(píng)定成績(jī)1根據(jù)各課題方案設(shè)計(jì)報(bào)告評(píng)閱情況淘汰選拔以指導(dǎo)教師為單位雙選組隊(duì)進(jìn)行分項(xiàng)訓(xùn)練課程組待定第10周購(gòu)置器材制作調(diào)試準(zhǔn)備以指導(dǎo)教師為單位申報(bào)購(gòu)置元器件清單結(jié)合講座布置課題內(nèi)容篩選匯總購(gòu)置元器件安排制作場(chǎng)地/安裝工具軟件/準(zhǔn)備測(cè)試儀器安排學(xué)生實(shí)訓(xùn)批次與指導(dǎo)教師值班時(shí)間表課程組待定第11周綜合實(shí)訓(xùn)(分組進(jìn)行)以小組為單位，結(jié)合講座布置課題內(nèi)容，自選進(jìn)行專項(xiàng)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試課程組(分組值班)工創(chuàng)中心實(shí)驗(yàn)室第12周綜合實(shí)訓(xùn)(分組進(jìn)行)以小組為單位，結(jié)合講座布置課題內(nèi)容，自選進(jìn)行專項(xiàng)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試課程組(分組值班)工創(chuàng)中心實(shí)驗(yàn)室第14周~第18周第二次選拔組隊(duì)調(diào)整強(qiáng)化訓(xùn)練根據(jù)各小組綜合實(shí)訓(xùn)情況評(píng)定成績(jī)2指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)進(jìn)行第二次選拔/調(diào)整組隊(duì)3.指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)進(jìn)行調(diào)整組隊(duì)后的強(qiáng)化訓(xùn)練指導(dǎo)教師待定第19周成績(jī)?cè)u(píng)定由成績(jī)1、成績(jī)2以及后續(xù)的實(shí)物制作、性能測(cè)試和設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告綜合評(píng)定成績(jī)課程組

課程開(kāi)設(shè)安排表

《模擬電子技術(shù)》童詩(shī)白編著清華大學(xué)出版社《數(shù)字電子技術(shù)》閻石編著清華大學(xué)出版社《高頻電子技術(shù)》鐘蘇編著西安電子科技大學(xué)出版社《數(shù)字系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》高吉祥編著電子工業(yè)出版社《全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)》黃智偉編著北京航空航天大學(xué)出版社《全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽制作實(shí)訓(xùn)》黃智偉編著北京航空航天大學(xué)出版社《全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編》全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)編著北京理工大學(xué)出版社

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參考教材及資料全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)介

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是教育部倡導(dǎo)的四大學(xué)科競(jìng)賽之一，競(jìng)賽內(nèi)容既有理論設(shè)計(jì)，又有實(shí)際制作，可以全面檢驗(yàn)和促進(jìn)參賽學(xué)生的理論素養(yǎng)和工作能力；全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽由教育部高教司及信息產(chǎn)業(yè)部人事司負(fù)責(zé)組織；各賽區(qū)競(jìng)賽組委會(huì)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(xué)校為單位獨(dú)立組隊(duì)(不超過(guò)20)參賽，每隊(duì)由三名具有正式學(xué)籍的在校學(xué)生組成（研究生除外）；競(jìng)賽時(shí)間定于競(jìng)賽舉辦年度的9月初，賽期四天(具體日期屆時(shí)通知)，全國(guó)性比賽每二年舉辦一屆(奇數(shù)年)，安徽等省級(jí)比賽每年舉辦一屆;競(jìng)賽采用全國(guó)統(tǒng)一命題、分賽區(qū)組織，“半封閉/相對(duì)集中”的方式進(jìn)行。競(jìng)賽期間學(xué)生可以查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料，隊(duì)內(nèi)學(xué)生可集體商討設(shè)計(jì)思想，確定設(shè)計(jì)方案，分工負(fù)責(zé)、團(tuán)結(jié)協(xié)作，以隊(duì)為基本單位獨(dú)立完成競(jìng)賽任務(wù)；競(jìng)賽題目于競(jìng)賽當(dāng)日網(wǎng)上同時(shí)公布，一般有5-6套題目任選，題型以工程應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)為主，也兼有側(cè)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(yīng)用等）的專業(yè)題型；每個(gè)賽題包括基本要求和提高發(fā)揮兩部分，競(jìng)賽成績(jī)按實(shí)際制作裝置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和設(shè)計(jì)報(bào)告來(lái)綜合評(píng)定，每部分都制定了非常具體詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)則。全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)常見(jiàn)題型

電源類：簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源（第一屆），直流穩(wěn)壓電源（第三屆）；信號(hào)源類：實(shí)用信號(hào)源的設(shè)計(jì)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(wú)線電類：簡(jiǎn)易無(wú)線電遙控系統(tǒng)（第二屆），調(diào)幅廣播收音機(jī)（第三屆）短波調(diào)頻接收機(jī)（第四屆），調(diào)頻收音機(jī)（第五屆）

放大器類：實(shí)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(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀（第二屆），簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)（第三屆），頻率特性測(cè)試儀（第四屆），數(shù)字式工頻有效值多用表（第四屆），簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器（第五屆），低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x（第六屆），簡(jiǎn)易邏輯分析儀（第六屆）

；數(shù)據(jù)采集與處理類：多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（第一屆），數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)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(dòng)控制類：水溫控制系統(tǒng)（第三屆），自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車（第五屆）；簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車（第六屆）；液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置（第六屆）。

從以上試題可見(jiàn)，試題具有強(qiáng)實(shí)用性、強(qiáng)綜合性、技術(shù)水平發(fā)揮余地大的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)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(jī)原理、電子測(cè)量、單片機(jī)、可編程邏輯器件、EDA設(shè)計(jì)等；設(shè)計(jì)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(jī)、可編程邏輯器件等；設(shè)計(jì)手段必須采用現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法與開(kāi)發(fā)工具:如VHDL語(yǔ)言、EDA工具、單片機(jī)編程器等。

不難看出，電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的試題既反映了電子技術(shù)的先進(jìn)水平，又引導(dǎo)高校在教學(xué)改革中對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的關(guān)注。按照傳統(tǒng)的重理論、輕實(shí)踐；重分析、輕綜合；重個(gè)體、輕協(xié)作的教學(xué)模式培養(yǎng)的學(xué)生在參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽時(shí)往往會(huì)發(fā)生諸多問(wèn)題：理論設(shè)計(jì)正確卻無(wú)法在工程上實(shí)現(xiàn)；單元電路正確卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；個(gè)人能力很強(qiáng)卻各自為政，不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合等等。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽既不是單純的理論設(shè)計(jì)競(jìng)賽也不僅僅是實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽，而是由參賽隊(duì)共同設(shè)計(jì)、制作完成一個(gè)有特定工程背景的題目的優(yōu)劣與快慢的競(jìng)賽。它既強(qiáng)調(diào)理論設(shè)計(jì)，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。它考核學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)的能力，更注重考察學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。題目涉及的內(nèi)容是一個(gè)課程群，而非單一的一門(mén)課程。因此競(jìng)賽的形式與內(nèi)容基本上符合面向21世紀(jì)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和需求，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)競(jìng)賽成績(jī)也能從一個(gè)側(cè)面反映了這個(gè)課程群的教學(xué)水平和教學(xué)改革的成敗。信號(hào)源題型分析舉例“波形發(fā)生器”

（第五屆，2001年）

（1）任務(wù)

設(shè)計(jì)制作一個(gè)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(hào)源題型分析舉例（2）要求①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(pán)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(chǔ)功能；d.輸出波形的頻率范圍為100Hz～20kHz(非正弦波頻率按10次諧波計(jì)算)；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔≤100Hz；e.輸出波形幅度范圍0～5V（峰-峰值），可按步進(jìn)0.1V（峰-峰值）調(diào)整；f.具有顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率(周期)和幅度的功能。②發(fā)揮部分

輸出波形頻率范圍擴(kuò)展至100Hz～200kHz；用鍵盤(pán)或其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形；d.具有掉電存儲(chǔ)功能，可存儲(chǔ)掉電前用戶編輯的波形和設(shè)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(gè)半周期三角波輸出)

f.其它(如頻譜分析、失真度分析、頻率擴(kuò)展>200kHz、掃頻輸出等功能)。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)—比較與論證一、波形生成方案：方案一：采用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(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)任意波形以及波形的運(yùn)算輸出等智能化功能。方案二：采用鎖相式頻率合成技術(shù)。首先通過(guò)頻率合成技術(shù)產(chǎn)生所需要頻率的方波通過(guò)積分電路就可以得到同頻率的三角波，再經(jīng)過(guò)濾波器就可以得到正弦波，優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率高，也可以達(dá)到較高的頻率分辨率；缺點(diǎn)是要求濾波器通帶可變，實(shí)現(xiàn)困難，還有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意波形功能。方案三：采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。DDFS技術(shù)以Nyquist時(shí)域采樣定理為基礎(chǔ)，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成，通過(guò)更換波形數(shù)據(jù)可以輕易實(shí)現(xiàn)任意波形功能，并且頻率、相位、幅度都可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)程控；缺點(diǎn)是輸出頻率受到單片機(jī)工作頻率的制約在輸出頻率要求不高的場(chǎng)合可考慮應(yīng)用。方案四：采用基于CPLD/FPGA的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是可以輕易實(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜分析算法。方案五：采用基于單片機(jī)+CPLD/FPGA的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。綜合考慮了方案三與方案四的優(yōu)點(diǎn)并能彌補(bǔ)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(shí)鐘fc相位累加器波形數(shù)據(jù)查詢表D／A轉(zhuǎn)換器

DDS技術(shù)原理=kc.注：最大頻率需滿足輸出上限，而最小頻率需滿足輸出步進(jìn)要求不能同滿足時(shí)需分段考慮。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)—比較與論證二、輸入設(shè)置方案：

設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)具有用戶選擇預(yù)設(shè)波形、調(diào)控波形和輸入存儲(chǔ)自定義波形的功能。

方案一：采用鍵盤(pán)輸入。這是最基本的方法。優(yōu)點(diǎn)是輸入值精確，實(shí)現(xiàn)方便；但用戶自定義輸入時(shí)難以自由輸入想要的特殊波形。方案二：采用手寫(xiě)板輸入。這對(duì)于用戶輸入想要的特殊波形非常方便，但接口電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，數(shù)值輸人不夠直觀。考慮到鍵盤(pán)輸入已能滿足波形預(yù)設(shè)、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。可以顯示有限的符號(hào)和數(shù)字，不易滿足本設(shè)計(jì)的復(fù)雜功能。方案二：采用字符式LCD顯示。可顯示較為清晰的字符和數(shù)字，基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。但在用戶輸入波形時(shí)，無(wú)法顯示其波形形狀。方案三：采用點(diǎn)陣式LCD顯示?？梢詫⒂脩糨斎氲牟ㄐ渭皶r(shí)