电子设计竞赛 竞赛介绍

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全国大学生电子设计竞赛简介西安电子科技大学通信工程学院易运晖 竞赛指导思想、目的、特点与特色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，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，有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文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。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。2 出题过程面向全国征题（三月-五月）国家专家组长汇总分类专家组讨论出题大类分组出题大组修改、讨论题目无记名投票选题正式定题3 竞赛规模、时间和方式竞赛时间:定于9月。赛期四天。竞赛采用全国统一命题、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。4 竞赛内容1、竞赛题目为两套，即本科生组和高职高专学生组题目。2、竞赛题目包括“理论设计”和“实际制作”两部分，以电子电路（含模拟和数字电路）设计应用为基础，可以涉及模-数混合电路、单片机、可编程器件、EDA软件的应用。3、竞赛题目应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，以期对教学内容和课程体系改革起到一定的引导作用。4、竞赛题目着重考核参赛学生综合运用基础知识进行理论设计的能力、实践创新和独立工作的基本能力、实验综合技能（制作与调试），并鼓励参赛学生发扬团队协作的人文精神。5、竞赛题目在难易程度上，既要考虑使一般参赛学生能在规定时间内完成基本要求，又能使优秀学生有充分发挥与创新的余地。5 2007年竞赛的变化本科、专科分别出题、设奖。时间提前（比赛时间、评奖时间）。设奖总数减少。限制同一学校同一题目获奖数目。国家奖北京统一复测,笔试基本知识点。题目结合实际应用，体现创新。6 有关竞赛的资料网站：www.nuedc.com.cn书籍：北京理工大学出版社7 我校历届选拔参赛学生的程序报名考试理论课培训（低频、数字、单片机）理论课考试组队(实验技能、设计能力培训）校电子设计竞赛暨选拔赛确定选手、强化训练参加全国大学生电子设计竞赛8 课程安排上课时间课程名称学时授课教师上课地点1月8日（星期六）上午8：30～11：30竞赛介绍3课时易运晖D楼2051月8日（星期六）下午2：00～5：00数字电路3课时郭万有D楼2051月9日（星期日）上午8：30～11：30单片机3课时冯毛官D楼2051月9日（星期日）下午2：00～5：00模拟电子电路3课时谢楷D楼2052月27日（星期日）下午2：10～5：10考试（参加考试时请带上学生证）D楼205、2069 竞赛内容以电子电路（含模拟低频、高频和数字电路）应用设计为主要内容，可以涉及模-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。竞赛题目应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。题目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，考核学生的实验综合技能（制作、调试）（三个能力）。题目在难易程度方面，既要考虑使一般参赛学生能在规定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。10 基础能力基本技能：元器件识别、参数测量、查阅手册；常用仪器工作原理、使用方法；电子测量的基本方法、准确度与误差分析；安装，调试，故障分析和排除的初步能力；电路仿真的能力；报告、图表的规范化。基本知识：涵盖电路分析、模拟与数字电路的主要知识点。单元电路分析、验证设计方法；电路主要性能指标测量方法：如时域与频域，频率与相位，功率与效率，瞬态与稳态，集中与分布，线性与非线性，动态范围、精度、分辨力、阻抗、匹配、调整能力等等基本概念。11 （系统设计）能力掌握先进仪器使用方法（如数字存储示波器、逻辑分析仪等）；掌握单片机、CPLD、*DSP基本知识；掌握一些系统分析软件，能完成部件设计；掌握先进的软件、开发系统，结合硬件实现小的电子系统的能力；12 综合能力实现小系统的设计实现能力；掌握常用传感器、执行机构的基本知识，和用简单的或与本专业有关的光、机、电一体化组成系统的能力；能在网上查阅相关元器件资料，具有一定的选择能力，并能根据要求正确使用；具有绘制印刷板能力，并有初步的电磁兼容知识；13 元器件知识 电阻功能分：限流电阻、降压电阻、分压电阻、保护电阻、启动电阻、取样电阻、去耦电阻、信号衰减电阻材料和特性分：金属膜电阻、碳膜电阻、水泥电阻、无感电阻、热敏电阻、压敏电阻、拉线电阻等15 电阻阻值和精度：E24（5%）、E48（2%）、精密电阻；功率：1/4w（直插）、1/8W（0805）温度特性噪声分布参数特殊电阻：压敏、光敏等16 17 电容钽电解电容、铝电解电容、OS固体电容、无极电解电容、瓷片电容、云母电容、聚丙稀电容极性、额定电压、精度、温度范围等效串连电阻（ESR，EquivalentSeriesResistance）漏电流或绝缘电阻、损耗角以及温度系数。18 电容充电到峰值后，即会对负载RL放电(放电电流IL)，，而这纹波的大小除与所加上的负载RL有关外，也与ESR的大小有关，如果ESR太大，则纹波变大，同样，消耗功率也大，这也就是在实际电路工作时，有时在摸电解电容时会发热的原因，19 许多电容受体积的限制，其表面经常不标注单位。但都遵循一定的识别规则。即：当数字小于1时，默认单位为微法,如某电容标注为0.47表示此电容标称容量为0.47μF。；当数字大于等于1时，默认单位为皮法，如某电容标注为100表示此电容标称容量为100pF。这时有一种特殊情况，即当数字为3位数字、且末位数不为零时，这时前两位数字为有效数字，末位数为10的幂次，单位为皮法，类似于色码电阻表示法。如：某电容标注为103表示此电容标称容量为10×103pF=10000pF=0.01μF。20 尤其重要的一点是MLCC多层陶瓷电容提供的电容值都是指静电容量，表示电容在很低的电压下测试得到的电容量，当电容的两端的直流电压在不超过电容耐压下加大时电容量将急剧下降，例如在某耐压16V的MLCC电容的测试数据中有：0V－－>100%，8V——>86%，12V——>68%，16V——55％21 电感电感和磁珠额定电流分布电容Q值22 二极管发光二极管三极管常见的三端稳压电路晶体晶振常见的集成运放常见的其它集成电路23 型号极性用途特点PT(mW)fT(MHz)9011NPN高、中频放大4003709012PNP极好的线性hFE6259013NPN于9012配对作推挽6259014NPN线性好，hFE高6252709015PNP于9014配对6251909018NPN宽带高增益、放大400110024 元器件选择“要什么？“根据指标要求系统需要什么样的器件，即指每个器件应具备的功能和性能参数。“有什么？”指那些元器件手头有，那些可以在市场上买到或订到，它们的供货周期长短、价格、体积、性能如何等等25 电子测量的基本方法 常用测量方法直接测量法：直接用仪表测量出待测量的值称为直接测量法。间接测量法：用仪表测量出与待测量有关的中间量的值，再利用其与待测量间存在的关系，通过计算得到待测量的值。如：测出电压和电流来求电功率。组合测量法：兼用直接测量法和间接测量法，得到一组联立方程的有关参数，求解联立方程，得到待测量。27 测量误差系统误差：在相同条件下，多次测量同一个量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件变化时，误差变化存在确定性规律，则将这种误差称为系统误差。随机误差：在相同条件下，多次测量同一个量值时，误差的绝对值和符号随机变化，则将这种误差称为随机误差。随机误差一般都服从一定的统计规律，用均值和方差来表征其特性。人为误差：由于人的疏忽和失误导致的误差。人为误差一般可通过重复测量来进行控制。28 直流电压的测量模拟仪表测量方法采用磁电式表头和分压器、隔离电路等通过表头指针指示刻度值得到测量电压值。一般模拟电压表的精度多为1%，计量级精度可达0.5%。（注意阻抗）数字测量方式的取样电路必须注意的一个问题是参考地线的选择。如果选用单端输入，则接地点应当在测量电路的输入端位置。如果选用双端浮地输入，则第一级放大器的共模输入电压范围必须要大于现场地电平差异的最大值。（注意阻抗）取样信号调理A/D数据处理、记录存储显示29 直流电流测量在数字化测量系统中，一般是先把电流信号转换为电压信号，测出电压值后再折算成电流值。利用电阻来实现电流信号与电压信号的转换是最基本的取样方法。取样电阻一般采用温度系数很小的合金（如：锰铜）材料制作。30 对于电路中非接地点处的电流检测，需要用专用的在线电流/电压转换电路来进行处理。如ADI的AD626/AD628/AD629,MAXIM公司的MAX471/472等。31 峰值32 33 交变电压平均值对于周期信号，该极限值等于其一周内的平均值。一般在交流信号测量时，指检波后信号的平均值，34 交变电压有效值测量注意：周期T35 利用平方律器件进行功率测量36 运算式有效值电压测量电路37 RMS转换器38 频率测量方法39 等精度测频法等精度测频法通过电路措施使闸门时间与被测信号相位相同，从而可以较好地消除±1误差，40 时间测量测量脉冲持续期的基本方法是对高频率的标准时钟信号进行计数41 相位差测量方法模拟测量法可以通过利用示波器比较两路输入信号的相位差来进行粗略的相位检测，或者利用示波器的X/Y通道输入两路信号，根据其形成的李萨育图形来判断其相对的相位关系。对于精度要求不高的高频信号的相位检测，也可以采用乘法器鉴相，利用各种具有相乘作用的非线性电路来实现相位检测。42 相位差测量方法数字测量法的基本原理是通过波形变换电路和脉冲鉴相电路把相位差转换为矩形波的脉宽，然后用脉冲计数法测量出该脉宽值，再换算为相位差值。43 填充计数法两路信号A、B的相位差通过测量鉴相输出脉冲的时间宽度得到。再通过鉴相器的两输入信号的上升沿控制计数器的数据锁存、清零测出相差脉冲宽度。44 电阻测量方法通常在自动测量系统中采用把电阻变换为电压或电流值，通过测量电流或电压来间接地计算出电阻值。电阻—电压转换电路根据驱动方式可有恒流源方式和恒压源方式两种，。对于微弱电阻或者高精度时测量可以用惠斯通电桥(又称单臂电桥)进行电阻-电压转换，也可以用双电桥电路。45 电容测量方法C-F转换法、C-U转换法、C-T转换法等。46 电感测量方法L-U转换法、L-F转换法、L-T转换法等47 电路特性测量增益；幅频、相频特性；输入、输出阻抗；纹波频率稳定度等；注意：电路要处于正常状态改变频率等参数时，电路和仪表特性的变化48 49 常用仪器的功能和用途万用表示波器（fBW≥5xfclk）信号源（内阻600欧姆,50欧姆）稳压电源（并联、串联、多路等模式）频谱仪（阻抗，db，dbm，dbuv等）网络分析仪LCR电桥50 测量500ps上升时间(10-90%)时具有正确的高斯频率响应的示波器如果信号的上升/下降时间约为500ps(按10%到90%的标准定义)，那么该信号的最大实际频率成分((fknee)就约为1GHz。fknee=(0.5/500ps)=1GHz如果在进行上升时间和下降时间参数测量时允许20%的定时误差，那么带宽为1GHz的示波器就能满足该数字测量应用的要求。20％定时精度：示波器带宽＝1.0x1GHz＝1.0GHz3％定时精度：示波器带宽＝1.9x1GHz＝1.9GHz51 探头（1）1×探头也称1：1探头，可简单的将高输入阻抗示波器接到被测电路。它们相当于电缆的功能。（2）10×探头也称10：1探头（也称分压探头或衰减探头），它中间插有并联的电阻和电容。52 53 利用互联网络查询所需资料Google百度文库http://www.eet-china.com/http://www.eeworld.com.cn/54 www.ti.com.cnwww.analog.comwww.21ic.comwww.laogu.comwww.alldatasheet.comwww.zlgmcu.com55 测量精度ADC、DAC位数电压基准时间基准（ppm）56 故障分析和排除常见故障：短路开路参数错误57 静态电阻测试法“在线”测量时由于被测元件在电路板上，所测阻值并非真实阻值，应比其真实阻值小。例如检测R=68欧姆/15W两端电阻,检测为60欧姆，则认为正常，如测得为2K,则R开路、虚焊或者印制板断裂等。“脱焊”检查时,必须注意万用表笔和元件需接触良好,手不能同时接触待测量的电阻的两个管脚58 静态电压测试静态电压测试时,注意万用表的表笔,不能搭接其它元件管脚注意和电路图上的标称值对比,以确定是否正确测量+12V等各级电压测量各晶体管/集成电路对地电压(正常放大情况下硅管UBE=0.7V,锗管UBE=0.3V59 60 EDA工具设计方法必须充分利用各种EDA工具，采取先“仿真”，后“实验”,先“虚拟”，后“硬件”的方法。用于数模混合仿真的有PsPice、HsPice、workbanch、multisim等。用于系统仿真的有Systemview、Cadence、Synopsys等。用于纯数字系统仿真的有MaxPlusⅡ、QuartusⅡ、Fundation等等。61 报告评分方案设计与论证１４分（方案比较４分；正确性６分；优良程度４分）理论计算１４分（完成程度８分；正确性６分）电路图及设计文件６分（完整性４分；规范程度２分）测试方法与数据９分（方法正确性４分；数据完整性４分；测试仪器型号１分）结果分析４分设计报告工整性３分总共５０分62 技术报告（一）系统设计目标及性能要求；（二）方案论证及选择；（三）理论分析、算法研究及参数计算；（四）系统组成、各子系统的指标分配；（五）系统的实现——硬件设计、EDA仿真；（六）系统的实现——软件设计；（七）系统调试，出现问题及解决的途径与方法；（八）测试结果。包括：测试仪器，测试的曲线、数据、波形等；（九）误差分析；（十）结论（十一）必要的附件文档：如电路原理图、PCB图、元件清单原程序清单等。63 文档整理设计要求、指标总体方框图；各功能块电路图；计算机仿真波形图或曲线图；总的完整的电路图。PCB图元器件清单软件流程图，执行程序及源程序，源程序各部分要注悉清楚，以免时间久了忘记掉。重要的理论计算、分析与算法调试步骤及测试结果64 PCB知识 双层板66 PCB设计——工作层面的类型说明信号层(SignalLayers)：TopLayer、BottomLayer、MidLayer1…14；内层(InternalPlane):Plane1…4；机械层(MechanicalLayers):Mech1…4;钻孔层(DrillLayer):DrillGride,Drilldrawing;阻焊层及焊膏层：SolderMask,PasteMask;丝印层(Silkscreen);其它层：KeepOutLayer(禁布层)；MultiLayer(多层）；67 常用元件封装电阻：AXIAL0.4(1/4W)电容：RAD0.1(1p-1000p),RAD0.2(1000p-1u无极性),RB.1/.2(1u-100u),RB.2/.4(100u-1000u)集成电路：DIP14,DIP16,DIP20注意：焊盘孔的大小68 安全间距一般间距13mil。100mil间距62mil的焊盘间走12mil的线一根。线较长时，线线间距20mil69 布线线宽一般印制板（铜箔厚0.05mm)，线宽1-1.5mm(40-60mil)过2A电流，温升<3oc,一般电路，线宽12mil即可。电源和地线在允许状况下要粗。间距1.5mm时，绝缘电阻超过20M,允许电压为300V,1mm允许200V。数字电路或一般电路间距13mil即可。焊盘外径D>(d+0.1-0.3)mm大电流时要尽量走管脚换面，而不用过孔。70 电路中的干扰及其消除方法公共阻抗通道71 导线间串扰72 旁路（Bypass）退耦（Decouple）73 接地的基本方式74 75 76 77 接地环路78 去耦电容在电源和地之间连接着，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。79 我们假设一个模型，在一个Vcc＝3.3V的SRAM系统中，有36根输出数据线，单根数据线的负载为Cload＝30pF（相当的大了），输出驱动需要在Tr＝2ns（上升时间）内将负载从0V驱动到3.3V，该芯片资料里规定的电源电压要求是3.3V＋0.3V/-0.165V。    可以看出在SRAM的输出同时从0V上升到3.3V时，从电源系统抽取的电流最大，我们选择此时计算所需的退耦电容量。我们采用第一种计算方法进行计算，单根数据线所需要的电流大小为：I＝Cload×（dV/dt）＝30pF×（3V/2ns）=45mA;36根数据线同时翻转时的电流大小为Itot＝45mA×36＝1.62A。芯片允许的供电电压降为0.165V，假设我们允许该芯片在电源线上因为SSN引入的噪声为50mV，那么所需要的电容退耦电容为：C＝I×（dt/dV）＝1.62A×（2ns/50mV）=64nF；80 电源系统的总的感抗最大：Xmax＝（dV/dI）＝0.05/1.62=31m欧；Fknee＝（1/2×Tr）＝250MHz，其中Tr＝2nsLtot＝Xmax/(2pi×Fknee)＝(Xmax×Tr/pi)=19.7pH;如前面提到的常见的贴片电容的串联电感在1.5nH左右，所需要的电容个数是：N＝（Lserial/Ltot）=7681 高频数字板： 对于大型IC来说一般要加1～2个钽电容，容值在10u～47uf之间； 理论上，每个电源管脚还需要一个0.01～0.001uf的电容，实际上小电容个数不要小于电源管脚数的3/482 校赛试题分析 设计并制作一个数字化低频信号测量、存储与回放系统，实现对频率小于50Hz-20KHz的正弦信号的测量、存储和回放，其框图如下。要求通过按键触发，对U2的信号进行采样，存储3秒内信号波形，并通过DAC、平滑滤波电路进行循环重复回放。84 85 1．请根据系统的要求，详细设计所需的单片机最小系统，画出16位寻址的单片机的最小系统的框图，并详细计算各元件的最经济指标（比如ADC、DAC的采样速度、精度等）。86 2．系统进行采集、回放时，U2/U1可设置为0dB，6dB，12dB，18dB共4档。如果试用2种方法设计增益可控放大电路，只需叙述其实现方法，并比较两种方法的优缺点。87 在50欧姆负载上，信号波形的上升时间是100nS（10分，5分/个）。(1)要测量其上升时间，应采用什么设备，并计算所需设备的带宽。(2)现有(a)开路双夹线缆(b)50欧姆电缆(c)1:1衰减,1M欧姆,100pf(d)10：1衰减，1M欧姆，15pf四种连接线/探针，请选择最好的一种，并说明理由。88 请你设计一种测量普通电容容量的仪器，试简单说明方法（6分）并画出其框图（4分）89 2005（B）二极管伏-安特性测试仪一、任务设计并制作一个二极管伏-安特性测试仪。二、要求1、基本要求（1）测量二极管的伏-安特性曲线，并利用示波器显示。（2）X轴显示电压：范围0V~1V(0.1V/格)，要求不少于50个显示点。（3）Y轴显示电流：范围0mA~8mA(1mA/格)，要求不少于40个显示点。2、发挥部分（1）可分别保存两个二极管的测试结果，并选择显示。（2）改变Y轴（电流）范围0mA~40mA，刻度至5mA/格。（3）测量并显示当二极管工作电流为5mA时的直流电阻以及交流电阻。（4）其它，如掉电参数保存、测试正向导通电压等。90 伏安法电压电流？91 92 电流源设计基本部分：（3）Y轴显示电流：范围0mA~8mA(1mA/格)，要求不少于40个显示点。发挥部分：（2）改变Y轴（电流）范围0mA~40mA，刻度至5mA/格。输出电流范围：0-40mA201点不分档：0-51mA256点电压范围：0–1V93 AD设计采样电路输入阻抗？（2）X轴显示电压：范围0V~1V(0.1V/格)，要求不少于50个显示点。所以8位的AD就足够了（精度7位）。94 数据处理多次平均（采样多少次平均）滤波算法坏值抛弃95 示波器显示XY方式或者单踪+外触发时基选择DA的速率垂直灵敏度选择DA的幅度注意：Y轴调理电路中需要滤波。96 测试电流源的测试：电流输出范围驱动能力精度和线性度响应时间等等整机功能用电阻测试？97 （完）98