1.2 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目分析

每逢全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽舉辦年度，全國競賽組委會都向參賽的賽區(qū)發(fā)布當(dāng)年競賽的《命題原則及征題要求》。各賽區(qū)組委會根據(jù)命題原則，廣泛征集來自教學(xué)第一線教師設(shè)計的競賽題目，這些題目必須包括理論設(shè)計、實際制作與調(diào)試內(nèi)容，既應(yīng)考慮到教學(xué)的基本內(nèi)容要求，又應(yīng)適當(dāng)反映新技術(shù)和新器件的應(yīng)用。

1.2.1 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽命題原則及要求

1．命題范圍

以電子技術(shù)（包括模擬低頻、高頻和數(shù)字電路）應(yīng)用設(shè)計為主要內(nèi)容，涉及單片機(jī)、可編程邏輯器件、EDA軟件工具和PC（主要用于開發(fā)）的應(yīng)用。題目包括“理論設(shè)計”和“實際制作與調(diào)試”兩部分。競賽題目應(yīng)具有實際意義和應(yīng)用背景，并考慮到目前教學(xué)基本內(nèi)容和新技術(shù)應(yīng)用趨勢。

從2007年開始，本科生與高職高專生的命題和評審分開，設(shè)A、B兩套題型。兩套題在技術(shù)難度和工藝工裝方面會有所差異。

2．題目要求

題目原則上應(yīng)包括基本要求部分和發(fā)揮部分，從而使絕大多數(shù)參賽學(xué)生能在規(guī)定時間內(nèi)完成基本要求部分的設(shè)計工作，又能使一部分優(yōu)秀學(xué)生有發(fā)揮與創(chuàng)新的余地。

命題包括四個部分：題目名稱，設(shè)計任務(wù)和要求，評分標(biāo)準(zhǔn)以及命題說明。

題目名稱應(yīng)簡明扼要。設(shè)計任務(wù)、要求和需要對題目做必要的說明，明確提出設(shè)計任務(wù)和對功能指標(biāo)的要求，文字描述準(zhǔn)確，避免含混不清。按設(shè)計報告、實際制作兩部分提出具體評分細(xì)則，實際制作又分為基本要求和發(fā)揮兩部分。總分一般是130分，其中設(shè)計報告占30分，基本要求占50分，發(fā)揮部分占50分。對命題的意圖、涉及的主要知識范圍及其他問題予以必要的說明，供全國專家組選題時參考。

1.2.2 大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目統(tǒng)計分析

不包含各賽區(qū)賽題，從第一屆到第九屆共有46道競賽題目，見表1-2。競賽題的數(shù)量及難度逐年遞增，試題實用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)，涉及的內(nèi)容是一個課程群而非單一的一門課程。目前命題正朝著綜合型發(fā)展，很難對命題進(jìn)行明確分類。例如正弦信號發(fā)生器（2005年A題），既可以歸為模電類，也可以歸為數(shù)電類，還可以歸為高頻類，甚至還可以歸于儀器儀表類。這里對命題進(jìn)行分類，目的在于訓(xùn)練和教學(xué)上的方便。

1.2.3 大學(xué)生電子設(shè)計競賽試題特點(diǎn)

電子設(shè)計競賽既不是單純的理論設(shè)計競賽，也不僅僅是實驗競賽，而是由一個參賽隊共同設(shè)計、制作完成一個具有特定工程背景的題目的優(yōu)劣與快慢的競賽。它既強(qiáng)調(diào)理論設(shè)計，又強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)，考核了學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識的能力，更注重考察學(xué)生的創(chuàng)新意識。競賽題目具有如下特點(diǎn)：

1．重視基礎(chǔ)知識、基本技能

競賽試題涉及電子信息技術(shù)的基本理論、基本技能、基本方法。而一個完整的電子系統(tǒng)設(shè)計，離不開對以下基本知識和內(nèi)容的掌握。

（1）基本單元電路的設(shè)計：集成運(yùn)放、數(shù)據(jù)放大器和可編程數(shù)據(jù)放大器、跨導(dǎo)型放大器（電壓電流轉(zhuǎn)換器）、隔離放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和取樣/保持（S/H）電路、傳感器。

（2）基本器件的選用：如晶體管、基本運(yùn)算放大器、電壓比較器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、傳感器（光電傳感器、超聲傳感器、金屬探測傳感器、紅外傳感器等）。

（3）基本儀器的使用：如信號發(fā)生器、示波器、毫伏表、頻率計、萬用表等。

2．涉及的知識面廣

一個實用的電子系統(tǒng)設(shè)計總是將電子技術(shù)基本內(nèi)容與多專業(yè)方向相結(jié)合，涉及多門課程、多個學(xué)科，既有電子工程類，又有通信工程類，既有自動控制類，又涉及計算機(jī)類學(xué)科。在計算機(jī)類學(xué)科中，既涉及硬件知識，又有軟件知識。在軟件方面，既有EDA軟件的使用，又有程序設(shè)計。例如2003年F題：設(shè)計并制作一個液體點(diǎn)滴速度監(jiān)測與控制裝置，發(fā)揮部分要求設(shè)計并制作一個由主站控制16個從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)。這就是典型的電子、計算機(jī)、通信、自動控制多學(xué)科的融合。

3．新技術(shù)、新器件、新的設(shè)計手段和方法的大量使用

競賽要求在短短四天時間內(nèi)完成一個電子系統(tǒng)設(shè)計，采用傳統(tǒng)的設(shè)計手段、方法很難完成，所以競賽學(xué)員大量使用Matlab、Protel、Max-PlusⅡ、ISE、Multism等EDA軟件來進(jìn)行設(shè)計。同時為簡化設(shè)計、縮短研制周期和體現(xiàn)創(chuàng)新性，CPLD、FPGA、DSP、嵌入式技術(shù)等一些新技術(shù)和相關(guān)新器件被大量使用。例如2007年C題，數(shù)字示波器，高速數(shù)據(jù)采集、存儲和回放是設(shè)計的要點(diǎn)和難點(diǎn)。參賽獲一等獎作品中都使用了DDS、MCU和FPGA融合使用的復(fù)雜系統(tǒng)方案，并使用EDA工具來完成。

4．應(yīng)用性、綜合性、系統(tǒng)性

電子設(shè)計競賽以應(yīng)用為背景，試題本身就是一個完整的電子產(chǎn)品。例如，2001年F題是用SONY公司提供的FM/AM收音機(jī)集成芯片CXA1019和鎖相頻率合成調(diào)諧集成芯片BU2614，制作一臺調(diào)頻收音機(jī)。再如2003年F題液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置，經(jīng)過改進(jìn)和試用后已進(jìn)行市場推廣。

1.2.4 賽前題目分析

1．賽前公布的基本儀器和主要元器件清單

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會專家組在電子設(shè)計競賽開始的前一周都會在網(wǎng)上公布本次全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽需要的基本儀器和主要元器件清單，以便參賽學(xué)校做好準(zhǔn)備。通過對所公布的基本儀器和主要元器件清單進(jìn)行分析，可以得到一些競賽題目的信息。以下是《2005年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽基本儀器和主要元器件清單》。

（1）基本儀器清單：

● 20MHz普通示波器（雙通道，外觸發(fā)輸入，有X軸輸入，可選帶Z軸輸入）；

● 60MHz雙通道數(shù)字示波器；

● 低頻信號發(fā)生器（10-6～1MHz）；

● 高頻信號發(fā)生器（1～40MHz）具有調(diào)頻調(diào)幅及外調(diào)制功能；

● 低頻毫伏表；

● 高頻毫伏表；

● 普通頻率計；

● 失真度測試儀；

● 直流穩(wěn)壓電源；

● 秒表；

● 10m卷尺；

● 單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)及EDA開發(fā)系統(tǒng)；

● 交流電壓表和電流表（5A）；

● 單向自耦調(diào)壓器（>500W）；

● 4位半數(shù)字萬用表。

（2）主要元器件清單：

● 單片機(jī)最小系統(tǒng)板（僅含單片機(jī)芯片、鍵盤與顯示裝置、存儲器、A/D、D/A）；

● A/D、D/A轉(zhuǎn)換器；

● 可編程邏輯器件及其下載板；

● 話筒，耳機(jī)；

● 顯示器件；

● 小型電動機(jī)；

● 小型繼電器；

● 康銅、錳銅電阻絲；

● 光電傳感器；

● 隔離變壓器（>250W，200V/60V）；

● DDS集成芯片。

2．賽前題目分析方法

分析方法可以采用基本要素組合法，一是分析所提供的儀器儀表，二是分析所提供的元器件，三是分析歷屆題目及核心知識點(diǎn)，將三者結(jié)合元器件清單所列參數(shù)進(jìn)行綜合分析，如圖1.1所示。

以2005年公布的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽基本儀器和主要元器件清單為例：

● 從信號發(fā)生器和示波器的頻率范圍可見，信號頻率不會超過40MHz，最高也不會超過60MHz。信號波形為正弦波，要求調(diào)頻、調(diào)幅及外調(diào)制功能。

● 使用雙蹤示波器，表示作品制作時需要同時觀測兩路信號；使用數(shù)字示波器，表示作品制作時需要直接讀取一些數(shù)據(jù)。

● 使用頻率計，表示作品制作時需要測量頻率。

● 使用失真度測試儀，表示作品制作時需要測量信號的失真。

● 使用低頻毫伏表，表示作品制作時需要測量低頻信號電壓。

● 使用高頻毫伏表，表示作品制作時需要測量高頻信號電壓。

● 使用交流電壓表和電流表（5A），表示作品制作時需要測量交流電壓和電流。

● 使用4位半數(shù)字萬用表，表示作品制作時需要精確測量電壓值。

● 使用單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)及EDA開發(fā)系統(tǒng)、單片機(jī)最小系統(tǒng)板（僅含單片機(jī)芯片、鍵盤與顯示裝置、存儲器）和可編程邏輯器件下載板（僅含可編程芯片、下載電路、配置存儲器），表示作品制作時需要使用單片機(jī)或者可編程邏輯器件才可以完成。

● 使用單向自耦調(diào)壓器（>500W）和隔離變壓器（>250W，200V/60V），表示作品制作時需要調(diào)節(jié)交流電壓和隔離交流電壓。

● 需要秒表，表示作品制作時需要對時間進(jìn)行測量。

● 需要10m卷尺，表示作品制作時需要對長度進(jìn)行測量。

●使用A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，表示作品制作時需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，也需要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。

● 使用DDS集成芯片，表示作品制作時需要使用數(shù)字頻率合成技術(shù)。

● 使用光電傳感器，表示作品制作時需要對光信號進(jìn)行檢測。

● 使用運(yùn)算放大器、電壓比較器，表示作品制作時需要對信號進(jìn)行放大和比較。

● 使用話筒、耳機(jī)，表示作品制作時需要對聲音信號進(jìn)行傳播。

● 使用小型電動機(jī)，表示作品制作時需要有一個驅(qū)動力。

● 使用小型繼電器，表示作品制作時需要對一定功率的電信號進(jìn)行控制。

● 使用康銅、錳銅電阻絲，表示作品制作時需要繞制電阻。

3．題目組合

如圖1.1所示，將以上的一些基本要素進(jìn)行組合，結(jié)合歷屆的競賽試題，可以得到可能出現(xiàn)的一些題目和作品應(yīng)完成的功能。

【例1】查找DDS芯片資料可知，在微控制器的控制下，DDS芯片還可以產(chǎn)生正弦/余弦波信號輸出，實現(xiàn)AM/FM/FSK調(diào)制等功能。DDS芯片+單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件+低頻信號發(fā)生器（10-6～1MHz）+高頻信號發(fā)生器（1～40MHz）具有調(diào)頻、調(diào)幅及外調(diào)制功能+低頻毫伏表+高頻毫伏表+話筒、耳機(jī)+失真度測試儀，結(jié)合歷年的競賽題目：簡易無線電遙控系統(tǒng)（第二屆，1995年）、調(diào)幅廣播收音機(jī)（第三屆，1997年）、短波調(diào)頻收音機(jī)（第五屆，2001年）分析，可能出現(xiàn)的題目和功能是：

以DDS芯片為核心，在單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件的控制下，產(chǎn)生正弦/余弦波信號輸出，或者AM/FM/FSK調(diào)制信號輸出的信號發(fā)生器。

【例2】單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件+低頻信號發(fā)生器（10-6～1MHz）+高頻信號發(fā)生器（1～40MHz）具有調(diào)頻調(diào)幅及外調(diào)制功能+低頻毫伏表+高頻毫伏表+話筒、耳機(jī)+失真度測試儀，結(jié)合歷年的競賽題目：簡易無線電遙控系統(tǒng)（第二屆，1995年）、調(diào)幅廣播收音機(jī)（第三屆，1997年）、短波調(diào)頻收音機(jī)（第四屆，1999年）、調(diào)頻收音機(jī)（第五屆，2001年）分析，可能出現(xiàn)的題目和功能是：

頻率在40MHz以下，調(diào)頻或者調(diào)幅的無線語音傳輸系統(tǒng)。

【例3】交流電壓表和電流表（5A）+4位半數(shù)字萬用表+低頻毫伏表+單向自耦調(diào)壓器（>500W）和隔離變壓器（>250W，220V/60V）+小型繼電器+康銅、錳銅電阻絲+單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件，結(jié)合歷年的競賽題目：直流穩(wěn)壓電源（第三屆，1997年）、簡易數(shù)控直流電源（第1屆，1994年）進(jìn)行分析，可能出現(xiàn)的題目和功能是：

功率為250W，電壓不超過60V，過流保護(hù)的交流穩(wěn)壓電源、變頻電源或者直流數(shù)控電源。

【例4】60MHz雙通道數(shù)字示波器+普通頻率計+單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件+A/D、D/A轉(zhuǎn)換器+運(yùn)算放大器+電壓比較器+DDS芯片，結(jié)合歷年的競賽題目：簡易電阻、電容和電感測試儀（第二屆，1995年）、實用信號源的設(shè)計與制作（第二屆，1995年）、簡易數(shù)字頻率計（第三屆，1997年）、頻率特性測試儀（第四屆，1999年）、數(shù)字式工頻有效值多用表（第四屆，1999年）、簡易數(shù)字存儲示波器（第五屆，2001年）波形發(fā)生器（第五屆，2001年）、簡易邏輯分析儀（第六屆，2003年）、低頻數(shù)字式相位測試儀（第六屆，2003年）進(jìn)行分析，可能出現(xiàn)的題目和功能是：

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件+A/D、D/A轉(zhuǎn)換器+DDS芯片→有可能制作掃頻儀。

（2）單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件+運(yùn)算放大器+電壓比較器→有可能制作小信號測試儀，或者器件參數(shù)測試儀。

【例5】光電傳感器+小型電動機(jī)+單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者可編程邏輯器件+秒表+10m卷尺，結(jié)合歷年的競賽題目：簡易智能電動車（第六屆，2003年）、液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置（第六屆，2003年）、自動往返電動小車（第五屆，2001年）進(jìn)行分析，可能出現(xiàn)的題目和功能是：

可利用光電傳感器檢測信號的運(yùn)動控制系統(tǒng)。