20132013全国大学生电子设计大赛

2013年全国大学生电子设计大赛题目分析A、单相AC-DC变换电路集成专用PFC芯片 单周期PFC控制芯片如

IR1150，外围电路非常简单

反馈环路为全为模拟环路，工作稳定电路调试麻烦实现功率因数调整不灵活专用电能测量芯片CS5463

可直接测出功率因数，使用方便避免重复（以后的题目）安全易上手（多数同学都能做）有难度（多数同学做不好）易测（赛区专家、学生）B、四轴飞行器飞行器比赛场地分析1、飞行器飞离地面20cm，从A点飞到B点2、飞行器飞离地面20cm，从B点飞到A点3、飞行器衔住厚度小于0.05cm，形状为4*4cm正方形铁片从A点起飞，飞过中间1m示高线在B点上空抛落贴片然后越过示高线飞回A点C、旋转倒立摆控制量为电机输入电压！测量量为旋转臂转角

θ

和摆杆转角

α

！结论：旋转倒立摆控制系统为双输入量、单控制量闭环控制系统！控制器电机旋转臂摆杆旋转臂θαVm

TVaRVθ-Va旋转臂按照要求设计控制系统，并行制作：1，被控对象——旋转倒立摆的机械装置；2，执行机构——选型电机（减速、直驱）；3，测量环节——角传感器（电位器、码盘等）；4，控制器——微处理器。2，被控对象——旋转倒立摆的机械装置；旋转倒立摆的机械装置按图1制作，注意：摆杆——采用均匀材质；旋转臂——采用均匀材质；旋转臂与摆杆之间安装角位移传感器，运动副之间摩擦（粘性阻尼）适中（能倒立平衡满足要求即可）；角位移θ与α传感器选用360量程即可；旋转臂力矩电机与支架之间安装角位移传感器，固定时不要偏心；电路联接导线不要影响工作。2，执行机构——电机选型；旋转倒立摆启动、制动频繁，可选择价格适当的直流电机作为旋转臂的驱动电机。在直流电机中，通常有减速型(减速电机的转矩大,但是由于速比过高导致启动延时较大)和直驱型（伺服、步进）均能满足本题要求。选择功率较大（如10W）的电机即可；有较快的动态响应和较大的启动转矩。3，测量环节——角位移传感器；摆杆转角检测采用导电塑料角位移传感器时，必须注意标称

角度检测范围（如：0-300度），超过检测范围时误差会增大。

角度超过检测范围时，精度有所降低。如在350—360度之间有一小段非线性区，所以在使用中需要事先标定非线性区的位置，安

装摆杆时角位移传感器的非线性区要避开角度变化较敏感的区域。旋转臂转角检测宜选用编码器（如TRD-NA1024NW，输出为10位的格雷码。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点）。4，控制器——微处理器；微处理器选择的型号较多，如各高校课程所涉及的ARM(stm32),DSP以及其他系列均可。电机驱动器可选用典型的驱动模块（如：BTN7970B

），也可自制。5，控制软件首先根据Lagrange方程建立系统的理论模型。对于摆杆与旋臂构成的系统而言，系统输入量为电机转矩，输出量为圆周位置及摆杆角度，是典型的单入双出系统。为了实现有效控制，系统选取摆杆角度及其角速度，旋臂角度及其角速度四个状态量，列出系统的运动方程与能量方程，进而推出了倒立摆的数学模型。根据现代控制理论，可以通过状态反馈，实现对该可控系统零极点的配置，从而控制系统的性能。利用该模型，进一步利用LQR算法计算出系统的最优控制反馈矩阵。也可以采用不依赖模型的“PID”控制器。D、射频宽带放大器一、任务设计并制作一个射频宽带放大器。二、要求1．基本要求电压增益Av≥20dB，输入电压有效值Ui≤20mV。Av在0～20dB范围内可调。最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真。放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥20MHz，并要求在1MHz～15MHz频带内增益起伏≤1dB。（4）放大器的输入阻抗

=

50

，输出阻抗

=

50

。2．发挥部分电压增益Av≥60dB，输入电压有效值Ui≤1mV。Av在0～60dB范围内可调。在Av≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100mV。放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz频带内增益起伏≤1dB。该项目要求在Av≥

60dB（或可达到的最高电压增益点），最大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。最大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真。其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。3.说明1）要求负载电阻两端预留测试端子。最大输出正弦波电压有效值应在RL=50

条件下测试（要求RL阻值误差≤5%），如负载电阻不符合要求，该项目不得分。评测时参赛队自备一台220V交流输入的直流稳压电源。建议的测试框图如图1所示，可采用点频测试法。信号源射频宽带放大器示波器/高频毫伏表直流稳压电源UiUo该题目的考点主要有：带宽、增益（高增益、可调、带内波动）、带负载能力、动态范围（增益分配）、阻抗匹配、降低噪声、测量方法。带宽指标主要通过选择新型高性能的运算放大器实现，如OPA847、OPA690、THS3091、OPA2694、AD8321高增益均采用多级放大器实现，典型的设计方案是采用3级放大器，也有采用4级放大的方案。由于今年题目对增益可调功能没有程控、步进的要求。所以，可简单的使用手动调整方案。如选择程控增益解决方案，有两种实现方法。1.采用可程控增益运放；2.采用可程控衰减器实现。带内增益波动指标通过极间阻抗匹配、补偿等解决。动态范围（增益分配）指标主要是做好增益分配。今年全

国复测时比赛区测试多了一项输入20mV时测输出电压。结果，不少的队因为增益分配不太合理，输出失真，丢了分。主要原

因是一些队为了降低噪声，将第一级的增益设置过高且不可调。结果输入稍大，第一级就饱和了，后面再衰减或调整也起不了

作用，造成输出失真。阻抗匹配。该题目要求输入、输出阻抗均为50

，并要求负载为50

。所以，需要在输入端和输出端设置阻抗匹配网络。其中输出端最好为可方便摘下来的负载电阻，但实际很少有这样做的。当运放的输出电阻很小时，还要考虑先在运放输出端串一个50

的电阻，然后再接50

负载。E、简易频率特性测试仪幅频/相频：1MHz~40MHz；RLC串联谐振被测网络；LCD显示曲线知识点：正交解调原理、幅频/相频特性；正交信号产生；放大、滤波、混频；数字信号计算、曲线显示题目内容制作一个正交扫频信号源：（1）1MHz~40MHz，频率稳定度≤10-4

；频率可设置，100kHz；相位差误差的绝对值≤5º，幅度平衡误差的绝对值≤5%；信号电压的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%；可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100kHz。制作频率特性测试仪：输入阻抗为50Ω，输出阻抗为50Ω；点频测量：幅频测量误差≤0.5dB，相频测量误差≤5º；制作一个RLC串联谐振电路作为被测网络a.中心频率为20MHz，误差的绝对值≤5%；b.有载品质因数为4，误差的绝对值≤5%；c.有载最大电压增益≥-1dB。扫频测量：显示其中心频率和-3dB带宽；扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。F、简易红外光通信要求设计并制作一个红外光通信装置。用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离为2m，接收的声音应无明显失真。增加一路数字信道，实时传输发射端环境温度，并能在接收端显示。语音信号和数字信号能同时传输。设计并制作一个红外光通信中继转发节点，以改变通信方向90°，延长通信距离2

m，尽量减小中继转发节点供电电流。这是一道光通信题目，考点：信道复用，中继，信噪比，低功耗。采用信道复用技术就是将用于传输信道划分成若干子信道，每一个子信道传输1路信号。同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰。最常用的复用技术有：时分复用：利用组帧技术，分时传输数字语音流和温度信息；频分复用：利用滤波器，将温度信息放在300Hz以下，或3400Hz以上传输；码分复用：利用正交码调制，相关解调实现；空分复用：利用多个空间隔离的信道实现。怎样增加一路数字信道？怎样减少中继电流？采用数字调制方案，使红外发射管工作在开关态；加光学聚光装置，降低光束发散程度，减少红外发射管工作电流；加强接收端屏蔽，降低接收噪声；采用成品接收模块；采用开关电源供电，提高电源效率； 实测全国最小电流仅3mA测试中发现的主要问题调制方案选择不当，传输语音失真。不能靠耳朵听，至少应用示波器看一看800Hz正弦波的接收波形。复用原理错误：分时传输模拟信号（可以听见咔咔声）。采用两路红外信号，无法做到相互隔离（相互干扰）。题目反思题目难度。看似简单，实际较难。选择此题学生水品较低，这一点从综合测试成绩看，平均分最低（11.4分），1分以下23支队。题目描述的过于通俗。题目基本部分和发挥部分难度有较大差异。没学过通信原理课程的同学系统理论欠缺。F、手写绘图板一.任务要求在普通单面PCB覆铜板上一设计和制作一款手写绘图输入设备。系统构成如图所示。一块普通单面覆铜板，尺寸为15x10cm，其四角用导线连接到电路。覆铜板表面自行绘制纵横坐标。同时，电路引入一根带导线的普通表笔，手持表笔可与覆铜板表面任意位置接触。电路应能感应表笔与铜箔的接触，并测量触点位置，进而实现手写绘图功能，并尽量降低功耗。二.要求

基本要求：指示功能:

表笔接触铜箔表面时电路接触应能给出 明确指示。10分坐标定位功能:覆铜板表面自行绘制纵横坐标以及

6x4cm（高精度区A）和12x8cm（一般精度区B）两个虚线框。显示表笔接触覆铜板的触点坐标值。坐标值以预先绘制在铜箔表面的刻度为准。(共40分)能显示左右位置;能显示四象限;10分10分10分10分能进行必要的坐标变换,显示坐标值;(可用列表法进行坐标变换)坐标精度达10mm;(误差大于10％扣5分,大于20％不给分)扩展部分：1.进一步提高坐标精度:

精量每提高2mm给5分,范围为区域A。(误差大于20％不给计分) 10分绘图功能。跟踪表笔动作,并显示绘图轨迹。以园为标准;在A区内划不同直径的园,直径分20mm,12mm和8mm,并显示该园;20mm的园要求10秒内完成,每增加2秒扣1分,超过20秒不计分;完成20mm的园给5分10mm的园要求10秒内完成,每增加2秒扣1分,超过20秒不计分完成12mm的园给3分完成8mm的园给4分12分单12V供电，低功耗设计。功耗为输入手写板的电流乘12V;功耗越低得分越高。大于2W不给分;4.其它扩展功能如显示文字20分8分三.说明1.必须使用普通的单面覆铜板。a.不得更换其它高电阻率的材料。b.不得对铜箔表面进行改变电阻率的特殊镀层处理。c.覆铜板表面的刻度自行绘制。d.测试时以该刻度为准。e.考虑到绘制刻度的油墨可能是绝缘的，此处不要求表笔接触刻度线条时也能具有正确感应能力。覆铜板到电路的连接应满足以下条件只有铜箔四角可连接到电路，除此之外不应有其它连接点（表笔触点除外）。不得使用摄像头、磁感应等额外传感装置。表笔可选用一般的散装万用表表笔。电源供电必须为单12V供电，系统功耗以电流表显示为准。命题意图和知识范围本题的难度在于覆铜板的铜箔绝对