20132013全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽

2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽題目分析A、單相AC-DC變換電路集成專用PFC芯片 單周期PFC控制芯片如

IR1150，外圍電路非常簡單

反饋環(huán)路為全為模擬環(huán)路，工作穩(wěn)定電路調(diào)試麻煩實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整不靈活專用電能測量芯片CS5463

可直接測出功率因數(shù)，使用方便避免重復(fù)（以后的題目）安全易上手（多數(shù)同學(xué)都能做）有難度（多數(shù)同學(xué)做不好）易測（賽區(qū)專家、學(xué)生）B、四軸飛行器飛行器比賽場地分析1、飛行器飛離地面20cm，從A點(diǎn)飛到B點(diǎn)2、飛行器飛離地面20cm，從B點(diǎn)飛到A點(diǎn)3、飛行器銜住厚度小于0.05cm，形狀為4*4cm正方形鐵片從A點(diǎn)起飛，飛過中間1m示高線在B點(diǎn)上空拋落貼片然后越過示高線飛回A點(diǎn)C、旋轉(zhuǎn)倒立擺控制量為電機(jī)輸入電壓！測量量為旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角

θ

和擺桿轉(zhuǎn)角

α

！結(jié)論：旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)為雙輸入量、單控制量閉環(huán)控制系統(tǒng)！控制器電機(jī)旋轉(zhuǎn)臂擺桿旋轉(zhuǎn)臂θαVm

TVaRVθ-Va旋轉(zhuǎn)臂按照要求設(shè)計控制系統(tǒng)，并行制作：1，被控對象——旋轉(zhuǎn)倒立擺的機(jī)械裝置；2，執(zhí)行機(jī)構(gòu)——選型電機(jī)（減速、直驅(qū)）；3，測量環(huán)節(jié)——角傳感器（電位器、碼盤等）；4，控制器——微處理器。2，被控對象——旋轉(zhuǎn)倒立擺的機(jī)械裝置；旋轉(zhuǎn)倒立擺的機(jī)械裝置按圖1制作，注意：擺桿——采用均勻材質(zhì)；旋轉(zhuǎn)臂——采用均勻材質(zhì)；旋轉(zhuǎn)臂與擺桿之間安裝角位移傳感器，運(yùn)動副之間摩擦（粘性阻尼）適中（能倒立平衡滿足要求即可）；角位移θ與α傳感器選用360量程即可；旋轉(zhuǎn)臂力矩電機(jī)與支架之間安裝角位移傳感器，固定時不要偏心；電路聯(lián)接導(dǎo)線不要影響工作。2，執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電機(jī)選型；旋轉(zhuǎn)倒立擺啟動、制動頻繁，可選擇價格適當(dāng)?shù)闹绷麟姍C(jī)作為旋轉(zhuǎn)臂的驅(qū)動電機(jī)。在直流電機(jī)中，通常有減速型(減速電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大,但是由于速比過高導(dǎo)致啟動延時較大)和直驅(qū)型（伺服、步進(jìn)）均能滿足本題要求。選擇功率較大（如10W）的電機(jī)即可；有較快的動態(tài)響應(yīng)和較大的啟動轉(zhuǎn)矩。3，測量環(huán)節(jié)——角位移傳感器；擺桿轉(zhuǎn)角檢測采用導(dǎo)電塑料角位移傳感器時，必須注意標(biāo)稱

角度檢測范圍（如：0-300度），超過檢測范圍時誤差會增大。

角度超過檢測范圍時，精度有所降低。如在350—360度之間有一小段非線性區(qū)，所以在使用中需要事先標(biāo)定非線性區(qū)的位置，安

裝擺桿時角位移傳感器的非線性區(qū)要避開角度變化較敏感的區(qū)域。旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角檢測宜選用編碼器（如TRD-NA1024NW，輸出為10位的格雷碼。絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點(diǎn)）。4，控制器——微處理器；微處理器選擇的型號較多，如各高校課程所涉及的ARM(stm32),DSP以及其他系列均可。電機(jī)驅(qū)動器可選用典型的驅(qū)動模塊（如：BTN7970B

），也可自制。5，控制軟件首先根據(jù)Lagrange方程建立系統(tǒng)的理論模型。對于擺桿與旋臂構(gòu)成的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)輸入量為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，輸出量為圓周位置及擺桿角度，是典型的單入雙出系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)有效控制，系統(tǒng)選取擺桿角度及其角速度，旋臂角度及其角速度四個狀態(tài)量，列出系統(tǒng)的運(yùn)動方程與能量方程，進(jìn)而推出了倒立擺的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)現(xiàn)代控制理論，可以通過狀態(tài)反饋，實(shí)現(xiàn)對該可控系統(tǒng)零極點(diǎn)的配置，從而控制系統(tǒng)的性能。利用該模型，進(jìn)一步利用LQR算法計算出系統(tǒng)的最優(yōu)控制反饋矩陣。也可以采用不依賴模型的“PID”控制器。D、射頻寬帶放大器一、任務(wù)設(shè)計并制作一個射頻寬帶放大器。二、要求1．基本要求電壓增益Av≥20dB，輸入電壓有效值Ui≤20mV。Av在0～20dB范圍內(nèi)可調(diào)。最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥200mV，輸出信號波形無明顯失真。放大器BW-3dB的下限頻率fL≤0.3MHz，上限頻率fH≥20MHz，并要求在1MHz～15MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。（4）放大器的輸入阻抗

=

50

，輸出阻抗

=

50

。2．發(fā)揮部分電壓增益Av≥60dB，輸入電壓有效值Ui≤1mV。Av在0～60dB范圍內(nèi)可調(diào)。在Av≥60dB時，輸出端噪聲電壓的峰峰值UoNpp≤100mV。放大器BW-3dB的下限頻率fL≤0.3MHz，上限頻率fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。該項目要求在Av≥

60dB（或可達(dá)到的最高電壓增益點(diǎn)），最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥1V，輸出信號波形無明顯失真條件下測試。最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥1V，輸出信號波形無明顯失真。其他（例如進(jìn)一步提高放大器的增益、帶寬等）。3.說明1）要求負(fù)載電阻兩端預(yù)留測試端子。最大輸出正弦波電壓有效值應(yīng)在RL=50

條件下測試（要求RL阻值誤差≤5%），如負(fù)載電阻不符合要求，該項目不得分。評測時參賽隊自備一臺220V交流輸入的直流穩(wěn)壓電源。建議的測試框圖如圖1所示，可采用點(diǎn)頻測試法。信號源射頻寬帶放大器示波器/高頻毫伏表直流穩(wěn)壓電源UiUo該題目的考點(diǎn)主要有：帶寬、增益（高增益、可調(diào)、帶內(nèi)波動）、帶負(fù)載能力、動態(tài)范圍（增益分配）、阻抗匹配、降低噪聲、測量方法。帶寬指標(biāo)主要通過選擇新型高性能的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，如OPA847、OPA690、THS3091、OPA2694、AD8321高增益均采用多級放大器實(shí)現(xiàn)，典型的設(shè)計方案是采用3級放大器，也有采用4級放大的方案。由于今年題目對增益可調(diào)功能沒有程控、步進(jìn)的要求。所以，可簡單的使用手動調(diào)整方案。如選擇程控增益解決方案，有兩種實(shí)現(xiàn)方法。1.采用可程控增益運(yùn)放；2.采用可程控衰減器實(shí)現(xiàn)。帶內(nèi)增益波動指標(biāo)通過極間阻抗匹配、補(bǔ)償?shù)冉鉀Q。動態(tài)范圍（增益分配）指標(biāo)主要是做好增益分配。今年全

國復(fù)測時比賽區(qū)測試多了一項輸入20mV時測輸出電壓。結(jié)果，不少的隊因為增益分配不太合理，輸出失真，丟了分。主要原

因是一些隊為了降低噪聲，將第一級的增益設(shè)置過高且不可調(diào)。結(jié)果輸入稍大，第一級就飽和了，后面再衰減或調(diào)整也起不了

作用，造成輸出失真。阻抗匹配。該題目要求輸入、輸出阻抗均為50

，并要求負(fù)載為50

。所以，需要在輸入端和輸出端設(shè)置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。其中輸出端最好為可方便摘下來的負(fù)載電阻，但實(shí)際很少有這樣做的。當(dāng)運(yùn)放的輸出電阻很小時，還要考慮先在運(yùn)放輸出端串一個50

的電阻，然后再接50

負(fù)載。E、簡易頻率特性測試儀幅頻/相頻：1MHz~40MHz；RLC串聯(lián)諧振被測網(wǎng)絡(luò)；LCD顯示曲線知識點(diǎn)：正交解調(diào)原理、幅頻/相頻特性；正交信號產(chǎn)生；放大、濾波、混頻；數(shù)字信號計算、曲線顯示題目內(nèi)容制作一個正交掃頻信號源：（1）1MHz~40MHz，頻率穩(wěn)定度≤10-4

；頻率可設(shè)置，100kHz；相位差誤差的絕對值≤5o，幅度平衡誤差的絕對值≤5%；信號電壓的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%；可掃頻輸出，掃頻范圍及頻率步進(jìn)值可設(shè)置，最小步進(jìn)100kHz。制作頻率特性測試儀：輸入阻抗為50?，輸出阻抗為50?；點(diǎn)頻測量：幅頻測量誤差≤0.5dB，相頻測量誤差≤5o；制作一個RLC串聯(lián)諧振電路作為被測網(wǎng)絡(luò)a.中心頻率為20MHz，誤差的絕對值≤5%；b.有載品質(zhì)因數(shù)為4，誤差的絕對值≤5%；c.有載最大電壓增益≥-1dB。掃頻測量：顯示其中心頻率和-3dB帶寬；掃頻測量并顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線，要求具有電壓增益、相移和頻率坐標(biāo)刻度。F、簡易紅外光通信要求設(shè)計并制作一個紅外光通信裝置。用紅外發(fā)光管和紅外光接收模塊作為收發(fā)器件，用來定向傳輸語音信號，傳輸距離為2m，接收的聲音應(yīng)無明顯失真。增加一路數(shù)字信道，實(shí)時傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度，并能在接收端顯示。語音信號和數(shù)字信號能同時傳輸。設(shè)計并制作一個紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以改變通信方向90°，延長通信距離2

m，盡量減小中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)供電電流。這是一道光通信題目，考點(diǎn)：信道復(fù)用，中繼，信噪比，低功耗。采用信道復(fù)用技術(shù)就是將用于傳輸信道劃分成若干子信道，每一個子信道傳輸1路信號。同時為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘柣ゲ桓蓴_。最常用的復(fù)用技術(shù)有：時分復(fù)用：利用組幀技術(shù)，分時傳輸數(shù)字語音流和溫度信息；頻分復(fù)用：利用濾波器，將溫度信息放在300Hz以下，或3400Hz以上傳輸；碼分復(fù)用：利用正交碼調(diào)制，相關(guān)解調(diào)實(shí)現(xiàn)；空分復(fù)用：利用多個空間隔離的信道實(shí)現(xiàn)。怎樣增加一路數(shù)字信道？怎樣減少中繼電流？采用數(shù)字調(diào)制方案，使紅外發(fā)射管工作在開關(guān)態(tài)；加光學(xué)聚光裝置，降低光束發(fā)散程度，減少紅外發(fā)射管工作電流；加強(qiáng)接收端屏蔽，降低接收噪聲；采用成品接收模塊；采用開關(guān)電源供電，提高電源效率； 實(shí)測全國最小電流僅3mA測試中發(fā)現(xiàn)的主要問題調(diào)制方案選擇不當(dāng)，傳輸語音失真。不能靠耳朵聽，至少應(yīng)用示波器看一看800Hz正弦波的接收波形。復(fù)用原理錯誤：分時傳輸模擬信號（可以聽見咔咔聲）。采用兩路紅外信號，無法做到相互隔離（相互干擾）。題目反思題目難度?？此坪唵?，實(shí)際較難。選擇此題學(xué)生水品較低，這一點(diǎn)從綜合測試成績看，平均分最低（11.4分），1分以下23支隊。題目描述的過于通俗。題目基本部分和發(fā)揮部分難度有較大差異。沒學(xué)過通信原理課程的同學(xué)系統(tǒng)理論欠缺。F、手寫繪圖板一.任務(wù)要求在普通單面PCB覆銅板上一設(shè)計和制作一款手寫繪圖輸入設(shè)備。系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。一塊普通單面覆銅板，尺寸為15x10cm，其四角用導(dǎo)線連接到電路。覆銅板表面自行繪制縱橫坐標(biāo)。同時，電路引入一根帶導(dǎo)線的普通表筆，手持表筆可與覆銅板表面任意位置接觸。電路應(yīng)能感應(yīng)表筆與銅箔的接觸，并測量觸點(diǎn)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手寫繪圖功能，并盡量降低功耗。二.要求

基本要求：指示功能:

表筆接觸銅箔表面時電路接觸應(yīng)能給出 明確指示。10分坐標(biāo)定位功能:覆銅板表面自行繪制縱橫坐標(biāo)以及

6x4cm（高精度區(qū)A）和12x8cm（一般精度區(qū)B）兩個虛線框。顯示表筆接觸覆銅板的觸點(diǎn)坐標(biāo)值。坐標(biāo)值以預(yù)先繪制在銅箔表面的刻度為準(zhǔn)。(共40分)能顯示左右位置;能顯示四象限;10分10分10分10分能進(jìn)行必要的坐標(biāo)變換,顯示坐標(biāo)值;(可用列表法進(jìn)行坐標(biāo)變換)坐標(biāo)精度達(dá)10mm;(誤差大于10％扣5分,大于20％不給分)擴(kuò)展部分：1.進(jìn)一步提高坐標(biāo)精度:

精量每提高2mm給5分,范圍為區(qū)域A。(誤差大于20％不給計分) 10分繪圖功能。跟蹤表筆動作,并顯示繪圖軌跡。以園為標(biāo)準(zhǔn);在A區(qū)內(nèi)劃不同直徑的園,直徑分20mm,12mm和8mm,并顯示該園;20mm的園要求10秒內(nèi)完成,每增加2秒扣1分,超過20秒不計分;完成20mm的園給5分10mm的園要求10秒內(nèi)完成,每增加2秒扣1分,超過20秒不計分完成12mm的園給3分完成8mm的園給4分12分單12V供電，低功耗設(shè)計。功耗為輸入手寫板的電流乘12V;功耗越低得分越高。大于2W不給分;4.其它擴(kuò)展功能如顯示文字20分8分三.說明1.必須使用普通的單面覆銅板。a.不得更換其它高電阻率的材料。b.不得對銅箔表面進(jìn)行改變電阻率的特殊鍍層處理。c.覆銅板表面的刻度自行繪制。d.測試時以該刻度為準(zhǔn)。e.考慮到繪制刻度的油墨可能是絕緣的，此處不要求表筆接觸刻度線條時也能具有正確感應(yīng)能力。覆銅板到電路的連接應(yīng)滿足以下條件只有銅箔四角可連接到電路，除此之外不應(yīng)有其它連接點(diǎn)（表筆觸點(diǎn)除外）。不得使用攝像頭、磁感應(yīng)等額外傳感裝置。表筆可選用一般的散裝萬用表表筆。電源供電必須為單12V供電，系統(tǒng)功耗以電流表顯示為準(zhǔn)。命題意圖和知識范圍本題的難度在于覆銅板的銅箔絕對