电子设计培训课件.ppt

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1、A.大学生电子设计竞赛概述,一、指导思想与目的全国大学生电子设计竞赛是1993年由教育部倡导的，由教育部高等教育司和信息产业部人事司共同举办并与教学改革实践紧密结合的四大学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技活动，目的在于推动全国普通高等学校促进信息与电子类学科面向二十一世纪课程体系和课程内容的改革，促进教育也要实现两个转变重要思想的落实，有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的创新能力、协作精神和理论联系实际的学风；有助于学生工程实践素质的培养、提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力；有助于吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才的脱颖而出创造条件。,二、竞赛方式 竞赛采用

2、全国统一命题、分赛区组织的方式，竞赛采用“半封闭、相对集中”的组织方式进行。竞赛期间学生可以查阅有关文献资料，队内学生集体商讨设计思想，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；竞赛期间不允许任何教师或其他人员进行任何形式的指导或引导；竞赛期间参赛队员不得与队外任何人员讨论商量。,三、竞赛特点与特色全国大学生电子设计竞赛努力与课程体系和课程内容改革密切结合，与培养学生全面素质紧密结合，与理论联系实际学风建设紧密结合。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。,四、竞赛内容 以电子电路（含模拟和数字电路）应用设计为主要内容，可以涉

3、及模-数混合电路、单片机、可编程器件、EDA软件工具和PC机（主要用于开发）的应用。题目包括“理论设计”和“实际制作与调试”两部分。竞赛题目具有实际意义和应用背景，并考虑到目前教学的基本内容和新技术的应用趋势，同时对教学内容和课程体系改革起一定的引导作用。着重考核学生综合运用基础知识进行理论设计的能力，考核学生的创新精神和独立工作能力，考核学生的实验技能(制作、调试)。在难易程度方面，既要考虑使一般参赛学生能在规定的时间内完成基本要求，又能使优秀学生有发挥与创新的余地。,五、参赛形式 全国大学生电子设计竞赛原则上安排在单数年的9月中旬举行，为期4天。竞赛以赛区为单位统一组织报名、竞赛、评审和评

4、奖工作。鼓励设有信息与电子学科及相关专业或已开展电子设计科技活动的高等学校，积极组织学生参加全国大学生电子设计竞赛。学生自愿组合，三人一队，由所在学校统一向赛区组委会报名。参赛队数由学校自行确定。为鼓励不同类型的高校和不同专业或专业方向的学生都能参加竞赛，全国竞赛专家组根据命题原则，将统一编制若干个竞赛题目，供参赛学生选用。竞赛所需场地、仪器设备、元器件或耗材原则上由参赛学校负责提供。,六、竞赛规则 参赛学生应是高等学校中具有正式学籍的全日制在校本科或专科学生。参赛学生必须按统一时间参加竞赛，按时开赛，准时交卷。各赛区组委会须按时收回学生的答卷(报告和制作实物)并及时封存，然后按规定交赛区专家

5、组评审。竞赛期间，参赛学生可以使用各种图书资料和计算机，但不得与队外人员讨论，教师必须回避。竞赛期间，各赛区组委会要组织巡视检查，以保证竞赛活动正常进行。在竞赛中，如发现辅导教师参与、队与队之间讨论，队员与队外人员讨论、不按规定时间发题和收卷，以及赛前泄题等违纪现象，将取消获奖名次，并通报批评。,七、竞赛评奖 全国大学生电子设计竞赛采取“一次竞赛、两级评奖”方式，评奖等级分为“赛区奖”和“全国奖”两种形式。各赛区负责本赛区的评奖工作，赛区奖的评奖等级及各奖项获奖比例由各赛区根据实际情况自行确定。赛区评审结束后，各赛区组委会将本赛区竞赛优秀参赛队的设计报告及有关评审材料报送全国组委会，报送的优秀

6、参赛队数应严格控制在本赛区参赛队总数的12%之内。全国组委会根据全国专家组的评审结果确定全国一、二等奖，获奖总数原则上不超过全国参赛队总数的10%。全国大学生电子设计竞赛设立“赛区优秀组织奖”，对当年竞赛组织中表现出色的赛区组委会给予表彰奖励；同时设立“优秀征题奖”，对当年竞赛征题工作中表现突出的个人给予表彰奖励。,B.电子系统设计,一、赛题分析 纵观历届赛题，大致可分为以下四类：(1)基本电路：此类赛题有：“简易数控直流电源”，“直流稳定电源”，“测量放大器”，“高效率音频功率放大器”等。(2)测量仪器：此类赛题有：“实用信号源的设计与制作”，“简易电阻、电容、电感测试仪”，“简易数字频率计

7、”，“数字式工频有效值多用表”，“频率特性测试仪”，“波形发生器”，“简易数字存储示波器”。(3)通信设备：此类赛题有：“简易无线电遥控系统”，“调幅广播接收机”，“短波调频接收机”，“调频收音机”，“数据采集与传输系统”等。(4)其他：如“水温控制系统”，“自动往返电动小汽车”，“数字化语音存储与回放系统”，“多路数据采集系统”。后三类的赛题都属于电子系统设计的课题。即使是基本电路类赛题，例如测量放大器，其控制功能亦相当复杂，设计时也应按系统设计的方法完成。,赛题涉及到知识:低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、传感器、电子测量等,晶体管、集成电路、大规模集成电路、可编程逻辑器件。考查学生

8、的能力：电路设计、原理分析、系统设计、系统调试等,工程实践能力和创新设计能力。体现的意图：对知识的掌握、应用知识、解决问题的思维、合作精神。,二、电子系统设计的基本方法,电子系统的设计方法有自顶向下、自底向上以及自顶向下与自底向上相结合的设计方法。自顶向下方法的特点是将系统按“系统-子系统-功能模块(或称部件)-单元电路-元、器件-版图”这样的过程来设计。自顶向下法从系统级设计开始，首光根据设计课题中对系统的指标要求，将系统的行为(功能)全面、准确地描述出来，然后根据该系统应具备的各项功能将系统划分和定义为若干个适当规模的、能够实现某一功能且相对独立的子系统，全面、准确地描述它们的功能(即输入

9、、输出关系)及相互之间的联系，这项任务完成之后、就设计或选用一些部件去组成实现这些既定功能的子系统，最后进行元件级的设计，即选用适当的元件去实现前面所设计的各个部件。自顶向下法是一种概念驱动的设计方法，该方法要求在整个设计中尽量运用概念（抽象)去描述和分析设计对象，而不要过早地考虑实现该设计的具体电路、元器件和工艺，以便抓住主要矛盾，避免纠缠在具体细节上这样才能控制住设计的复杂性。,电子系统设计方法,自顶向下法应遵循的原则：(1)正确性和完备性原则 该方法要求在每一级(层)的设计完成后。都必须对设计的正确性和完备性进行反复的细致检查，即检查指标所要求的各项功能是否都实现了，且留有必要的余地，最

10、后还要对设计进行适当的优化。(2)模块化、结构化原则 每个子系统、部件或子部件应设计成在功能上相对独立的模块，即每个模块均有明确的可独立完成的功能，且对某个模块内部进行修改时不应影响其他的模块。子系统之间、部件之间或者子部件之间的联系形式应当与结构化程序设计中模块间的联系形式相仿。(3)问题不下放原则 在某一级的设计中如果遇到问题时，必须将其解决后才能进行下级(层)的设计，切不可把上一级(层)的问题留到下一级(层)去解决。,(4)高层主导原则 在底层遇到的问题找不到解决办法时，必须退回到它的上一级(层)去甚至再上一级去，通过修改上一级的设计来减轻下一级设计的困难，或找出上一级设计中未发现的错误

11、并将其解决，才是正确的解决问题的策略。(5)直观性、清晰性原则 设汁中不主张采用那些使人难以理解的诀窍和技巧，应当在实际的设计中和文档中直观、清晰地反映设计者的思路。设计文档的组织与表达应当具有高度的条理性与简洁明了性。一个可懂性好的设计，不仅使得同一项目组的设计人员之间的交流方便、高效，而且使今后系统的修改、升级和维修大为方便。,自底向上的方法则相反“按元器件(版图)-单元电路-功能模块-子系统-系统”这样的过程来设计。自底向上的方法是根据要实现的系统的各个功能的要求，先从可用的元件中选出合用的，设计成个个部件，当一个部件不能直接实现系统的某个功能时，就须由多个部件组成子系统去实现其功能，直

12、至系统所要求的全部功能都能实现为止。显然，由于在设计过程中，部件设计在先，设计人员的思想将受限于这些所设计出的或选用的现成部件，便不容易实现系统化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设汁。因此在现代设计中普遍采用自顶向下法。但自底向上法也并非完全无用武之地，它在系统的组装和测试过程中却是行之有效的。,三、电子系统设计的一般步骤 审题、方案论证、单元设计、组装调 测和总结报告。,1、审题 设计的第一步是审题，即对设计课题作认真的分析，而在未将竞赛题充分“吃透”以前，千万不要匆匆动手设计。特别要注意不要选取与自己的背景知识相差太远的赛题，因为竞赛只有4天时间，每一分钟都十分宝贵，是轻易返工不得

13、的。必须将题意理解清楚，明确题目要求我们“做什么?”，以及“做到何种程度?”，即明确所要设计的系统的功能、性能、技术指标及要求。对赛题中每一个细节都不能放过，来不得半点含糊，否则将有偏题或漏题的危险。,2、方案论证 弄清“做什么?”以及“做到何种程度?”后就要考虑“怎样做?”了，这需要对完成该任务的方法充分地调研，查阅有关资料。一般仅参考教科书是不够的，因为教科书上所介绍的通常只是一些基本原理，与实际使用的电路和系统还有一些差别，而且常常不能反映最新的科技成果，所以建议到文献资料中去查找，最好能通过网络来检索，可以参照一些与设计题目相同或相近的产品或以往赛题所使用的方法，但要注意这些方法的使用

14、条件与赛题是否相符，赛题所要求的性能指标是否能达到，对于可以采用的各种方法，须认真比较它们的优缺点，特别要注意讨论设计的可行性。可行性包括：(1)所使用的器件能否保证供应？价格加何?(2)设计的难度如何?自己的知识与能力能否胜任？(3)工作量如何?4天时间能否完成？(4)有无进一步发挥的余地?对上述问题经过充分、细致的考虑和分析比较后，拟订较切实可行的方案。,方案设计步骤行为描述与设计（系统的外部特性描述）包括：系统有哪些主要功能以及输入和输出?它们各是什么物理量？有何特征?相互之间是什么关系？其来源或负载是什么?对系统的信号源和负载有何要求?结构描述与设计（系统的内部特性描述）包括：实现系统

15、功能的基本原理、基本框图、系统的基本控制流程。注意此时的方框图通常只要画出一些子系统，以及各子系统之间的接口要求。例如“简易数字频率计”的设计中就将系统划分为输入通道、多周期同步等精度测量频率计的核心结构、键盘开关旋扭以及LED数码显示器。一 般说来，这些子系统有数字子系统、模拟子系统、计算机(单片机、DSP)子系统、电源子系统、时钟子系统等类型。这一步最关键之处是确定系统的实现技术。,一个系统可以用模拟技术完成，也可以用数字技术完成，这是两种不同的实现技术。一般说来，用数字技术实现有以下优点：a.数字系统对于器件参数的依赖较少，系统购抗干扰性较强，一般情况下，只要设计的逻辑正确，成功的可能性

16、较大。而模拟系统对器件的要求较高，且影响系统性能的因素很多，虽然通常所使用的器件量较少，但调试比较困难，设计人员如无较丰富的实践经验，很难设计出指标完善且稳定可靠的系统。b.目前数字电路的集成工艺已非常成熟，集成规模已达每片数十万门、100万门的超大规模集成芯片也已问世，各种可编程逻辑器件以及单片机的应用已很普遍，这样就使得系统的器件量大大减少，而模拟集成电路还远达不到此水平。c.现代的复杂系统几乎都离不开计算机处理，而用计算机处理的只能是数字信号，因此用数字方法设计的系统无论在质量、精度、可靠性还是成本方面都比用模拟方法设计的系统优越。,数字实现技术又可分为硬件实现和借助计算机(或单片机、信

17、号处理芯片)用软件实现的两种方法。从原理上讲，任何数字系统均可用软件技术实现，例如采用单片机系统(电子设计竞赛中使用最多的方法)，但其速度有一定局限，在对系统运行速度有一定要求的情况下，有时必须采用硬件数字系统。例如。如“简易存储示波器”中关于信号处理的电路是一个数字电路，如全部用单片机处理，从原理上看是可能的，但赛题要求最高扫描速度为20usdiv，水平分辨率为20点div，这样电路的最高采样率为1MsaS，时钟频率为12MHz的一般单片机是不能胜任的，因而必须采用硬件来实现。,物理描述与设计 包括：确定各子系统中所使用的关键模块、关键元器件以及输入输出接口的类型、布局的几何式样与尺寸、位置

18、和安装方法等。系统设计的可行性需要通过对所选用的物理器件等的调查才能确定，在这一步查询手册和上网查询是非常必要的。在设计过程中要敢于创新，敢于采用新技术，不断完善所提的方案，要提出几种不同的方案，从其可行性进行论证，即从完成的功能的齐全性、性能和技术指标的高低程度、经济性、技术的先进性以及完成的进度等方面进行比较，最后选择个较好的方案。在设计总体方案时，还有个问题需要解决，此问题在一般设计时常常不被重视，但对电子设计竞赛而言，由于其特殊的设计条件(时间短，半封闭)，就显得非常重要。这就是-对系统功能的检测。,系统功能的检测确定系统功能的检测方法和检测环境 在拟订初步方案时，需认真讨论系统功能的

19、检测方法和检测环境，因为一个电子系统是否符合设计要求，不能“定性”地回答，需要凭借科学的数据或文件来证明，而用什么手段和仪器去检测，应在设计开始时就拟定，并做好充分的准备。如对于仪器的指标，应采用高一精度的测量仪器才可测量。有些指标可能不是在系统的输出端测量，而是在系统中的某个节点上测量，在制作时就应预先安排好测试点，否则就有可能需要在集成电路引脚或其他不合适的地方测量，既不方便，有时还合造成线与线之间的短路，如因此损坏了系统，就会带来更大的遗憾。这些问题，也应在制定方案时有所考虑，作为一个要点记录在案，在具体电路设计时实现。,3、单元设计（设计的逐层细化）,4、组装调测,设计完毕，进入装配、

20、调试阶段，这是大学生电子设计竞赛中至关重要的一个环节。设计成功与否，是用作品体现的，竞赛成绩的评定，赛区成绩主要取决于作品的实测结果是否满足赛题的要求，全国决赛成绩23取决于作品的实测结果是否满足赛题的要求，13取决于报告的水平。一般的组装可在通用印制板上完成，组装前须设计好各元器件之间的的布局。如缺乏使用计算机模拟的条件，有时还需事先在面包板搭试，对高频电路，最好制作印制电路板，绘制印制电路板时一定要充分考虑电磁兼容的问题，防止因干扰影响电路的正常工作。组装调试工作与设计时相反，是采用自底向上的方法，其过程是先电路及部件，再子系统，最后才是整个系统。所以通常应先调试每个单元，单元调试正确后，

21、再调试整个系统，并认真做好记录。当整个系统的工作调整至正常时，需要选用恰当的测量仪器，对照任务书中各项技术指标的要求，逐一进行定量的测量，根据测量结果判断是否满足任务书的要求。,5、总结报告,撰写设计报告也是非常重要的一环、专家们将从报告中了解设计者的设计思想、设计过程与设计结果。从而了解设计者的基本概念是否清楚，设计结果是否正确，是否有创新等，所以设计者完成作品的同时必须交出一份科学、完整、符合要求、有新意的报告。设计文档也是科研或产品设计的重要组成部分。一个科学的设计方法应当从设计一开始就与之平行地建立设计文档，即将每一次的设汁思想、方案论证、分析计算和各阶段的最终设计结果(包括图纸与数据

22、)都加以记录整理，编写成结构化、条理分明、文字简练的文档。设计报告应包括（1）方案设计与论证；（2）必要的理论计算；(3)电路图和有关的设计文件；(4)测试方法和数据；(5)结果分析。,电子系统设计的全过程,四、单片机控制子系统设计,单片机控制子系统在电子设计竞赛中应用非常普遍，其设计过程可分为确定任务、总体设计、子系统设计、硬件设计与调试、软件设计与调试和总调等步骤。,单片机控制子系统设计流程,1、确定任务,是否采用单片机是在总体设计阶段确定的。如果确定采用以单片机为核心的设计方案，单片机子系统所应完成的功能以及输入信号(包括所需要的中断请求信号)、输出信号等就应当被确定，并对这些信号的电平

23、大小也作了规定。,2、总体设计,首先根据任务选择合适的机型。选择时应根据所需要完成的功能，指令执行的速度、所需的I/O端口数，对并、串行端口的特殊要求，对片内RAM、片内定时器计数器以及对成本等要求而定，但最重要的一个原则还是选自己所熟悉的机型，除非在训练时有足够的时间可以对新的优秀的机型进行训练。,3、硬件设计与调试,硬件设计的任务有两点：一是补充在总体方案时的不足，例如“简易数字频率计”的设计，倘若单片机内部的定时器计数器资源不能满足计数器容量的要求，则还需要安排外部硬件作计数器的一部分或全部。二是构建一个单片机最小系统，所谓最小系统，就是在外部电路尽可能少的条件下可以独立工作的单片机系统

24、，最简单的最小系统可使用片内E2PROM程序存储器(倘若该存储器的容旦足够使用)，因而只需要加上合适的晶体构成单片机的时钟，在RST端加上手动复位功能即可。在硬件设计完成后，最好先调试，待调试成功后再进入下一步-软件设计。,4、软件设计,软件设计最重要的是建立数学模型，确定算法和安排数据结构，这是设计能否成功的关键。这一步完成后，应绘出若干程序流程图(包括主程序和子程序)，并作为编制程序的依据。编程语言可以是汇编语言或C语言等，一般情况下建议使用C语言。因为：（1）编程者无须很熟悉单片机的指令集及具体硬件。也能编出符合硬件实际的专业水平的程序。（2）用C语言编译出来的机器语言程序的坚固性好。不

25、易发生因数据在运行中间被破坏而导致程序运行异常的情况，这是出为C语言对数据进行了许多专门的处理。（3）C语言提供处理复杂的数据类型(如数组、结构、联合、枚举、指针)的机制，大大增强了程序处理的能力和灵活性。,(4)C语言编译器提供常用标准函数库供用户直接使用，使用时只须简单地引用说明即可，非常方便。(5)程序移植、函数引用方便，能够适应几十种单片机系列芯片，因为C编译器提供了众多的头文件。可通过在头文件定义宏，来说明复杂数据类型的原型和函数原型，这不仅有利于程序的移植，复杂数据类型的定义和函数的引用性说明，还可为单片机的系列化产品提供片上资源的说明。(6)含通用初始化软件，单片机上的资源初始化

26、是很麻烦的的事，现已有厂商用C语言编写了专门的应用程序。自动生成符合具体要求的创始化程序，给开发单片机应用系统的用户提供了极大的力便。,五、模拟子系统的设计,模拟子系统设计步骤通常可分为总体设计、模块划分与指标分配、功能块设计、级间耦合电路设计、指标核算、PCB设计、调试等步骤。1)总体设计 先分析系统的输入信号和输出信号，将每 个输入信号的波形和幅度、频率等参数以及对输出的要求都准确地搞清楚，从而明确系统的功能和各项性能指标，例如增益、频带宽度、信噪比、失真度等，作为设计的基本要求，并由此选样子系统的方案。,2)模块划分与指标分配 总体方案设计完成后，应作出子系统的框图，接着，应将某些技术指

27、标在各级方框中进行合理的分配，这些指标包括增益、噪声、非线性等，因为它们都是各部分指标的综合结果，将指标分配到各模块以后，就对各模块提出了定量的要求。3)功能块设计 这一步应选择功能块的具体电路，并通过计算完成各个功能单元的外接电路与元件的配置，与数字子系统不同的是，在模拟子系统的设计过程中还要考虑如下问题：(1)模拟子系统的设计中不仅要满足一般的功能和指标要求，还应特别注意技术指标的精度及稳定性，应充分考虑元器件的温度特性、电源电压波动、负载变化及干扰等因素的影响，要注意各功能单元的静态与动态指标及其稳定性，更要注意组成系统后各单元之间的耦合形式、反馈类型、负载效应及电源内阻、地线电阻等对系

28、统指标影响。,(2)应十分重视级间阻抗匹配问题，例如一个多级放大器，其输入级与信号源之间的阻抗匹配有利于提高信噪比，中间级之间的阻抗匹配有利于提高开环增益；输出级与负载之间阻抗匹配有利于提高输出功率和效率等。(3)元器件选择应注意参数的分散性及温度的影响，在满足设计指标要求的前提下，应尽量选择来源广泛的通用型元器件。可供选择的元器件有：各类晶体管。运算放大器。专用集成电路。可编程模拟器件。无论使用什么器件都应认真查阅器件手册，弄清器件的各个参数是否符合技术指标。并考虑如下问题：器件的来源是否广泛，切不可选取那些市场很少见，难以买到的产品；要尽量选取较新问世的产品，不要选取那些已经淘汰的产品；尽

29、量选取调试容易的器件；尽量选取自己曾经使用过的器件；价格过于昂贵的器件不宜使用。,4)耦合电路的设计 各级电路之间的偶合必须适配，其个最主要的是阻抗匹配问题。5)指标核算 对于模拟子系统，由于它在相当程度上是依赖参数之间的配合，而每一步设计的结果又总会有一定的误差，整个系统的误差是各部分误差的综合效果，就有可能使系统误差超出指标要求。所以对模拟子系统而言，在完成前一步设计后，有必要重新核算一次系统的参数，看它是否满足指标要求。核算系统指标的方法是按与设计相反的路径进行。6)PCB设计 画出子系统元器件布置图和印制电地板的布线图。并考虑其测试方案，设置相关的测试点。,六、数字子系统的设计,数字子

30、系统设计步骤大致为：明确设计要求、确定设计方案和模块设计。1)明确设计要求 首先明确数字系统的输入和输出，数字系统的输入和输出都应是数字量，然而实际与系统相连接的却不一定是数字量。由于所使用的器件的生产工艺不同，对输入信号和输出负载的要求也不问，如TTL和CMOS工艺生产的芯片的逻辑电平有差别，输入阻抗和带负载能力也不一样，在与其他系统相连接时，就有许多接口问题需要考虑。在输入、输出的逻辑信号中，还需要弄清他们的工作频率，串行还是并行。对控制信号，还要了解其有效电平的极性。但这一切只是初步确定，有些信号在设计过程内还要根据需要调整，有时还要增加某些信号或去掉某些信号。,2)确定设计方案 确定设

31、计方案前应先考虑采用什么实现技术，在用硬件实现数字系统时，尽量使用中大规模集成电路。3)模块设计 根据子系统详细框图中的每一个模块，选样合适的集成电路(用M5I、SSI方法)或在PLD开发平台的器件库中选择合适的器件。对于规模较大或功能较特殊的模块，市场上没有相应的元件时，需要设计者自行设计。无论采用什么方法，都需要对各集成功能模块相当熟悉，所以在学习和训练过程中，应注意积累关于各种模块的使用的知识，特别注意什么样的功能可使用什么器件实现，其优缺点如何等问题。,七、电子设计竞赛训练方法,“三阶段训练法”：(1)基础训练 达到“五会”(会看图，会查资料，会焊接安装，会测量，会写文档)熟悉：Pro

32、tel、PLD和单片机编译软件 会使用：万用表、示波器、信号发生器等测量仪器 时间20天(2)模块训练 达到建立相关硬件、软件、资料的“资源库”时间30-60天包括：(a)振荡器或信号发生器(b)放大器 重点是可编程放大或衰减、低通、高通、带通、调谐滤波器等。(c)运算放大器 差放、跟随器、运算器、电压/电流变送器。(d)调制与解调(e)数字电路方面 A/D、D/A、比较器、逻辑门、计数器、可编程逻辑器件。(f)常用传感器和执行器电路 声纳、红外、霍尔、光电编码、继电器、电机等。（g)单片机 最小系统、编程方法、显示器与接口电路、键盘与接口电路。(3)综合训练 将模块综合成某种系统。时间20天

33、,八、电子设计竞赛赛题分析举例,例1：电动车跷跷板2007年赛题,一、任务,设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的200mm600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图1和图2所示。二、要求1.基本要求 在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；（3）电动车从（2）中的平衡点出发，

34、30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）；（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。,2.发挥部分将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：（1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图3所示.（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；（3）将另一块质量为电动车质量1020的块状配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取

35、得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；（4）电动车在3分钟之内完成（1）（3）全过程。（5）其他。,三、说明（1）跷跷板长1600mm、宽300mm，为便于携带也可将跷跷板制成折叠形式。（2）跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上，轴两端支撑在支架上，并保证与支架圆滑接触，能灵活转动。（3）测试中，使用参赛队自制的跷跷板装置。（4）允许在跷跷板和地面上采取引导措施，但不得影响跷跷板面和地面平整。（5）电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长300mm，宽200mm。（6）平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=dA-dB不大于40mm。（7）整个行程约为1600mm减

36、去车长。（8）测试过程中不允许人为控制电动车运动。（9）基本要求（2）不能完成时，可以跳过，但不能得分；发挥部分（1）不能完成时，可以直接从（2）项开始，但是（1）项不得分。,四、评分标准,1、系统基本方案,2、各模块方案选择和论证,1）控制器模块,采用单片机AT89C52作为控制核心。它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，兼容标准MCS-51指令系统及8051引脚结构。2）电机驱动模块 采用L298N组成的开关PWM电路作为电机驱动电路。用单片机控制L298N的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。该

37、芯片能同时控制两个直流电机。且具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、能承受频繁的负载冲击等优点。3）寻迹模块 采用红外光电传感器来检测黑线踪迹。利用红外线对不同颜色反射系数不同来确定运动路线。4）平衡点探测模块 采用水银开关探测跷跷板平衡度，其原理是跷板左偏水银开关电路导通，右偏水银开关断开电路不通，这样控制电动车在平衡点小角度来回摆动来使跷跷板动态平衡，此方案测量灵敏、安装简单而且成本很低。,3、系统设计与实现,1）系统硬件设计,a.最小系统电路 最小系统电路中包括单片机、LCD液晶显示、键盘和声光提示电路，单片机是整个硬件电路的核心模块，它直接控制其它所有模块工作和运行。b.直流电机PW

38、M驱动电路,采用专用集成芯片L298来驱动电机，L298芯片内有两个H桥式功率放大器驱动电路分别用来驱动两直流电机行驶，当单片机给INLO高电平、INL1低电平时，电机1正传，当给INL0低电平、INL1高电平时，电机1反转。,c.光电检测电路,d.水银开关平衡点测试电路,水银开关的原理是:玻璃棒内有一个水银球，棒的一端固定有一对电极，当水银球左倾时，固定在棒的右端两电极断开，水银球右倾时，两电极导通。采用五个水银开关平放在小车的不同位置，使其一端接地，另一端接741LS20与非门，只有检测到所有水银球左倾时，单片机的P0.4口由高电平变为低电平，说明已到临界平衡;小车应立即后退，然后来回小角

39、度摆动，使水银球处在中间位置，跷跷板维持动态平衡。,2)系统软件设计,4、系统参数测试,1）往返运动 将电动车放在起始位置，使其在水平及斜坡跷跷板上前进行驶、终点停留及倒退行驶。2）平衡运动 将电动车放置起始点，使其在活动跷跷板上行驶到平衡状态然后停留。,例2：信号发生器2007 年全国大学生电子设计竞赛高职高专组H题,一、任务设计并制作一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波和三角波信号，其系统框图如图1所示。,图1 信号发生器系统框图,二、要求1基本要求（1）信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形；（2）输出信号频率在100Hz100kHz范围内可调,输出信号频率稳定度优于10-

40、3；（3）在1k负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在05V范围内可调；（4）输出信号波形无明显失真；（5）自制稳压电源。2发挥部分（1）将输出信号频率范围扩展为10Hz1MHz，输出信号频率可分段调节：在10Hz1kHz范围内步进间隔为10Hz；在1kHz1MHz范围内步进间隔为1kHz。输出信号频率值可通过键盘进行设置；（2）在50负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在05V范围内可调，调节步进间隔为0.1V，输出信号的电压值可通过键盘进行设置；（3）可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值；（4）其他。,三、说明 设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原

41、理图、主要流程图和主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出,四、评分标准,1、方案设计控制器方案方案一:采用专用的波形产生单片机，产生波形是具有十分明显的优势，但市场上 难以买到。方案二:采用通用型单片机，如MCS一51系列，它的可用资源比较丰富，性能全面，实用性强，在设计中使用非常方便，同时也能完成本系统的设计认务，故 采用本方案。波形产生方案方案一:直接数字频率合成(DDFS)。DDFS可以快速转换波型、频率、相位、幅度，但缺点是较低的频率难以产生。方案二:直接用单片机来产生脉冲信号，再进行转换所需波形，但是难以完成高频 段的信号。,方案三:用锁相环完成，

42、缺点是不能产生低频段信号。方案四:采用单片压控函数发生器MAX038，可以产生正弦波，方波，三角波，通过 调整输人电压可以改变输出频率，但是外接的电阻电容参数难以确定，对 软件要求高。综合考虑方案一、方案二和系统设计任务，选用方案四。,显示方案方案一：采用LED显示。只能显示非常有限的符号和数码字，对于本设计如此复杂 的显示功能是难以实现的，即使实现了，也只有设计者本人能够方便使用，这给使用者带来很多不便，故不能选择。方案二：采用点阵式LCD显示。不仅可以清晰的显示英文、数字和一些特殊符号，而且可以显示文字，其功能非常强大，因此采用本方案。,2、系统设计与实现,1）单片机系统,包括单片机、LC

43、D液晶显示、键盘和D/A转换等。,2）波形发生与控制,MAX038是需要很少外部元件的精密高频波形产生器，它能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制。所需的输出波形可由在A0 和A1输入端设置适当的代码来选择。(1)0.1Hz-20MHz工作频率范围，fout=IIN/Cosc(2)15%一85%可变的占空比(3)低阻抗输出缓冲器(4)低失真正弦波:0.75%(5)低温度漂移:200ppm/。,3)软件设计,3、系统测试,九、电子设计竞赛练习题,1、简易数控直流电源 一、设计任务 设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。其原理示意图如下图

44、所示。,二、设计要求 1基本要求 输出电压：范围0-+9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；输出电流：500mA；输出电压值由数码管显示；由“+”、“一”两键分别控制输出电压步进增减；为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出15V，+5V。2发挥部分 输出电压可预置在0-9.9V之间的任意一个值；用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化(步进0.1V不变)；扩展输出电压种类(比如三角波等)。,2、多路数据采集系统 一、设计任务 设计一个八路数据采集系统，系统原理框图如下图所示。,主控器能对50米以外的各路数据，通过串行传输线(实验中用1米线代替)进行采集和显示。具体设计任务是：现场信号产生器。八路数据采集器。主控器。二、设计要求 现场信号产生器 自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz2kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应1-5V直流电压(200Hz对应1V，2kHz对应5V)八路数据采集器 数据采集器第1路输入自制1-5V直流电压，第2-7路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压(各路输入可由分压器产生，不要求精度)，第8路备用。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，再经并串变换电路，用串行通信方式传至主控制器。主控制器显示测量数据及其通道号。,