南华大学黄智伟系列--好的系统设计方案是取得好的竞赛成绩的保证
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本帖最后由 paulhyde 于 2014-9-15 09:43 编辑
1. 竞赛特点与赛题范围、要求和类型
在“全国大学生电子设计竞赛组委会官方网站”所公布的“全国大学生电子设计竞赛章程”、“关于组织2011年全国大学生电子设计竞赛的通知”和“2011年全国大学生电子设计竞赛命题原则及征题要求”中可以看到：
（1）竞赛特点与特色
全国大学生电子设计竞赛的特点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内容改革密切结合，以推动其课程教学、教学改革和实验室建设工作。竞赛的特色是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，以全面检验和加强参赛学生的理论基础和实践创新能力。
（2）命题范围
赛题应以电子电路（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。
（3）题目要求
赛题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)。竞赛题目应能测试学生运用基础知识的能力、实际设计能力和独立工作能力。赛题原则上应包括基本要求部分和发挥部分，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。命题应充分考虑到竞赛评审的操作性。
（4）题目类型
① 综合题。综合题应涵盖模-数混合电路，可涉及单片机和可编程逻辑器件的应用，并尽可能适合不同类型学校和专业的学生选用；
② 专业题。专业题是侧重于某一专业（如计算机、通信、自控、电子技术应用等）的题目；
③ 电路题。电路题是侧重于模拟电路、数字电路、电力电子线路等的题目；
④ 新型器件和集成电路应用题。新型器件和集成电路应用题侧重于新型器件的应用、新型集成电路的应用；
⑤ 电子产品和仪器初步设计题。常用电子产品和电子仪器初步设计的题目侧重于某一产品的初步设计。
不同类型的题目之间，在难易程度上允许有差别。
2. 介绍几个优秀的系统设计方案例
2.1 2009NEC杯“宽带直流放大器 C题”
作者：沈军 袁德生 陈虹佐（电子科技大学）
赛前辅导及文稿整理辅导教师：陈祝明
（1）系统结构方框图
系统结构方框图如图2.1.1所示，宽带直流放大器分为可控增益放大、程控滤波、功率放大、自动直流偏移调零几个部分。
图2.1.1 系统结构方框图
采用AD603是一款低噪声的VCA，通过D/A输出控制电压，可使其增益在-10~30 dB变化，通过继电器选择是否接入由低噪声低零漂宽带电压反馈运放OPA2846构成的30 dB的固定增益放大器，实现增益的-10~40 dB或者20~60 dB可调。
（2）低通滤波器
按题目要求，低通滤波器采用无源LC滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。无源LC滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗。为了使通带尽量平坦，选用了通带比较平坦的巴特沃斯滤波器。
（3）功率放大器
采用单片集成宽带运算放大器THS3091和THS3092。电路采用THS3091驱动。为提供较高的输出电压，通过THS3092并联方式扩流输出，以满足负载要求。该方案电路较简单，容易调试，易于控制零点漂移。功率放大器结构示意图如图2.1.2所示。
图2.1.2 功率放大器结构示意图
（4）零漂的控制
采用固定补偿和闭环自动补偿结合的方式实现宽范围的零漂控制。固定补偿由加法器实现，自动补偿由AD和DA实现。
该作品的设计方案与其他获奖作品比较，采用不同的宽带放大器IC满足放大器各级电路需要，在降低电路的复杂程度和提高电路的性能指标上有明显的优势。
2.2 2007 “无线识别装置 B题”
2.2.1 赛题要求
设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成，其方框图参见图2.2.1。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。
图2.2.1 无线识别装置方框图
装置中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径不大于1 mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。线圈直径为（6. 6±0. 5） cm（可用直径6. 6 cm左右的易拉罐作为骨架，绕好取下，用绝缘胶带固定即可）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。
阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。
（1）基本要求
① 应答器采用两节1. 5 V干电池供电，阅读器用外接单电源供电。阅读器采用发光二极管显示识别结果，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。识别正确率80%，识别时间≤5 s，耦合线圈间距D≥5 cm。
② 应答器增加编码预置功能，可以用开关预置4位二进制编码。阅读器能正确识别并
显示应答器的预置编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5 s，耦合线圈间距D≥5 cm。
（2）发挥部分
① 应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），不允许使用电池及内部含有电池的集成电路。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的4位二进制编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5s，耦合线圈间距D≥5 cm。
② 阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率≤2 W。在显示编码正确率≥80%、响应时间≤5 s的条件下，尽可能增加耦合线圈间距D。
③ 应答器增加信息存储功能，其存储容量不小于两个4位二进制数。装置断电后，应答器存储的信息不丢失。无线识别装置具有在阅读器端写入、读出应答器存储信息的功能。
④ 其他。
2.2.2 一个PT2622和PT2722的设计方案
作者：王盛青 陆冰 贺鹏（华中科技大学）
赛前辅导及文稿整理辅导教师：赵云娣
（1）系统结构方框图
系统结构方框图如图2.2.2所示。采用负载调制实现了阅读器对无源应答器的无线识别。阅读器发射端由载波产生电路、功放电路、耦合线圈匹配电路构成，阅读器的接收端由检波电路、整形电路、解码电路构成。阅读器采用检波电路完成ASK解调，采用PT2272对信号解码。应答器由负载调制电路、编码电路构成。采用模拟开关TSSA3166完成负载调制，采用 PT2262对信号进行编码。具有电路简单、识别距离远等特点。
图2.2.2 系统结构方框图
（2）数字信号编、解码方案
采用专用的数据编、解码芯片PT2622和PT2722来实现数据产生和编、解码，应答器用简单拨码开关设定存储信息。
（3）阅读器发射部分
该设计中只需要产生单一频率的载波即可，加之本套系统功耗受限，采用晶振电路。
（4）应答器部分
负载调制，通过改变线圈后级负载的大小来影响藕合线圈上波形的幅值。负载调制部分通过模拟开关TSS A3166实现，TSSA3166的带宽为300 MHz，导通电阻为0. 9Ω，在1 MHz时的关断衰减为64 dB，将编码后的数据直接接到模拟开关的控制口，来控制开关的导通和关断。由于模拟开关导通时，电阻很小，相当于将线圈短路，此时应答器耦合到阅读器端的线圈上的幅度将变小，模拟开关关断时，相当于开路，此时耦合到阅读器端线圈的信号幅度会发生变化，从而实现了负载调制。
（5）解调电路
由于本系统在实际使用中，阅读器和应答器距离比较近，阅读器检测到的信号并不小。采用包络检波法已经能够很好地完成设计指标，而且电路简单，需要功耗低，所以选择包络检波法，这是ASK最简单的解调方式，也可适用于负载调制解调。
载波信号的频率在1 kHz左右，使用宽带单电源运放MAX4256对检波后信号进行放大，放大倍数取100倍。放大后载波和调制信号都得到了放大，为了滤除载波信号，使用程控滤波器MAX291对放大后的信号进行滤波，滤波后的信号再通过LM311构成的施密特触发器整形输出。
该作品的设计方案与其他获奖作品比较，采用专用的数据编、解码芯片PT2622和P12722来实现数据产生和编、解码，应答器用简单拨码开关设定存储信息。在降低电路的复杂程度、降低电路的功耗和提高识别距离上有明显的优势。
2.3 2007索尼杯“程控滤波器 D题”
作者：李清江 肖志斌 银庆宏（国防科学技术大学）
赛前辅导教师：库锡树 徐欣 高吉祥 文稿整理辅导教师：高吉祥 陆氓
（1）系统结构方框图
根据题目要求，系统由可控增益放大器、程控滤波器、椭圆滤波器和幅频特性测试仪四部分构成。可控增益放大器以AD603作为核心器件，实现增益可调；程控滤波器和椭圆滤波器以LTC1068为核心器件，通过改变时钟实现滤波器截止频率、带宽可调；以单片机和FPGA为控制核心，辅以DDS扫频和有效值测量电路实现幅频特性的测试和显示。
图2.2.1 系统结构方框图
（2）可控增益放大器
采用集成可控增益放大器AD603。AD603是一款低噪声，精密控制的可控增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0. 5 dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）呈线性关系，可以采用DAC来控制放大器的增益。
（3）程控滤波器
采用集成的开关电容滤波器芯片LTC1068。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其特点是：①当时钟频率一定时，开关电容滤波器的特性仅取决于电容的比值。由于采用了特种工艺，这种电容的比值精度可达0. 01 %，并且具有良好的温度稳定性。②当电路结构确定之后，开关电容滤波器的特性仅与时钟频率有关，改变时钟频率即可改变其滤波器特性。低通和高通滤波器均采用LTC1068实现。
（4）椭圆滤波器
采用集成的开关电容滤波器芯片LTC1068。由于此种芯片滤波器的截止频率由外部时钟决定，只要有一个稳定的外部时钟，滤波器的截止频率是可以保证精度的，同时，为了校准元件误差，可以通过时钟频率的微调改变滤波器的截止频率，从而使其准确地达到设计要求。
（5）简易幅频特性测试仪
幅频特性测试仪方框图如图2.2.2所示，单片机与FPGA控制DDS扫频源芯片AD9850以一定步进产生扫频信号，同时测量并记下其通过被测网络后的有效值，利用各个频点通过网络后的有效值可在液晶上画出其幅频特性图。
图2.2.2 幅频特性测试仪方框图
该作品的设计方案与其他获奖作品比较，采用集成的开关电容滤波器芯片LTC1068完成所有类型滤波器设计，在降低电路的复杂程度和提高电路的性能指标上有明显的优势。
3. “系统方案设计”是训练的关键环节
全国大学生电子设计竞赛是在一个半封闭、相对集中环境和限定时间内，由一个参赛队共同设计、制作完成一个有特定工程背景的作品，受竞赛时间的限制，需要参赛者能够尽快拿出系统方案，而好的、合理的系统方案关系到作品能否制作成功，因此系统方案设计是训练的关键环节。
（1）系统方案决定作品成绩
有太多的例子可以证明系统方案决定作品成绩。
例如：2009“宽带直流放大器 C题”，如果不能够选择合适的功率放大器IC（如THS3092， LT1210，BUF634等）和设计合适的电路结构形式（如并联方式扩流输出），测试时是不可能获得好成绩的。
例如：2007 “无线识别装置 B题”，赛题的发挥部分① 应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得。如果采用单片机作为控制器的方案，单片机需要采用PIC16F84、MSP430等低功耗单片机，否则是无法达到赛题要求的。
（2）竞赛时间的限制需要参赛者能够尽快拿出系统方案
竞赛时间按照规定是4天3晚。受竞赛时间的限制，需要参赛者能够尽快拿出系统方案。因为确定了系统方案，才可能确定元器件。而元器件采购是保证竞赛顺利进行的基础，没有元器件，作品是不可能制作成功的。因为竞赛题目事先是不可能知道的，学生作出的设计方案也是各有不同，需要的元器件也会是多种多样的。可以事先准备一些元器件，但不可能完全备齐。竞赛中采购是必需的。不同的院校处在不同的城市，元器件供应商的情况是不同的。
以南华大学为例，要保证能够采购到所有竞赛需要的元器件，保险的做法是到深圳电子市场去采购。因此，我们在竞赛开始前两天，派1～2名老师先去深圳，找好元器件供应商。竞赛开始后，竞赛学生不断的将需要的元器件清单发送到深圳，由老师去购买。注意：我们要求学生应尽快的拿出系统设计方案和元器件清单，可以分多次提出，最迟的时间是竞赛开始当天的下午4点钟（16.00）。因为采购元器件的老师需要当天晚上乘车返回学校（第2天清早返回到学校）。也就是说，系统设计方案必须在几个小时内确定。
另外，现在全国参赛的队有很多，据统计，2009年竞赛，全国共有938所高校的8766个代表队（26298名学生）实际参赛。赛题就只有几个，其中关键的元器件在同一个时间点会有很多人需要，势必带来采购的困难，如：“正弦信号发生器（2005年第七届A题）需要的DDS芯片AD9852（可以直接完成FSK、BPSK、PSK、线性调频、AM操作）”，“电动车跷跷板（2007年F题本科组）需要的倾角传感器”，就出现过一片难求的局面。
（3）系统方案的确定中应注意的一些问题
系统方案的确定，可以分为总体实现方案、子系统实现方案、部件实现方案几个层次进行。
① 确定设计的可行性
方案论证最重要的一点是要确定设计的可行性，需要考虑的问题有：
原理的可行性？解决同一个问题，可以有许多种方法，但有的方法是不能够达到设 计要求的，千万要注意。 元器件的可行性？如采用什么器件？微控制器？可编程逻辑器件？能否采购得到？ 测试的可行性？有无所需要的测量仪器仪表？ 设计、制作的可行性？如难度如何？本组队员是否可以完成？
时间的可行性？4天3晚能否完成？
设计的可行性需要查阅有关资料，充分地进行讨论、分析比较后才能确定。在方案设计过程中要要提出几种不同的方案，从能够完成的功能、能够达到的技术性能指标、元器件材料采购的可能性和经济性、采用元器件、设计技术的先进性、以及完成时间等方面进行比较，要敢于创新，敢于采用新器件新技术，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。
② 明确方案的内容
拟订的方案要明确以下内容：
a. 系统的外部特性
系统具有的主要功能？ 引脚数量？功能？ 输入信号和输出信号形式（电压？电流？脉冲？等）、大小（量级？）、相互之间的关系？ 输入信号和输出信号相互之间的关系？函数表达式？线性？非线性？ 测量仪器仪表与方法？ 系统的内部特性。
系统的基本工作原理？ 系统的实现方法？数字方式？模拟方式？数字模拟混合方式？ 系统的方框图？ 系统的控制流程？ 系统的硬件结构？ 系统的软件结构？
系统中各子系统、部件之间的关系？接口？尺寸？安装方法？
系统的测量方法和仪器仪表
作品设计制作是否成功是通过能够实现的功能和达到的技术性能指标来表现的。在拟订方案时，应认真讨论系统功能和技术性能指标的测量方法和测量用仪器仪表。需要考虑的问题有：
仪器仪表的种类？ 仪器仪表的精度？ 测量参数形式？测量方法？测试点？ 测量数据的记录与处理？表格形式？数据处理工具？matlab?
（3）系统设计与制作训练
通常，系统设计与制作训练是培训的第3个阶段，在第3个学期（三年二期）和暑假中进行，按15～18周进行。训练目标是模拟电子设计竞赛的全过程，进行系统训练。各参赛小组可以根据自己的培训方向和经费，选择1～2赛题类型进行设计与制作训练。历届赛题类型可以分为：电源类赛题，信号源类赛题，高频无线电类赛题，放大器类赛题，仪器仪表类赛题，数据采集与处理类赛题，控制类赛题。
系统设计与制作训练以历年的竞赛题目为模板，可以适当进行一些调整。每周一个题目，全部训练要求模拟实际竞赛要求进行。按照“竞赛期间采用半封闭、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。每次制作完成后，分软件编程、硬件制作、设计总结报告3部分进行分析比较和交流，找出存在的问题。
与一般的电子产品设计制作不同的是，电子设计竞赛作品设计制作一方面需要遵守电子产品设计制作的一般规律，另一方面要在限定时间、限定人数、限制设计制作条件、限制交流等情况下完成作品的设计制作，电子竞赛作品设计制作有自己的规律。电子竞赛作品设计制作大约需经过题目选择、系统方案论证、子系统、部件设计与制作、系统综合、调试与测量等步骤，最后完成作品和设计总结报告。
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