北京市电子设计大赛_大学生电子设计大赛

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北京市电子设计大赛调研报告

调查共分为四部分，由比赛的背景起源谈起，分述历届比赛流程和命题范畴特点，进一步提出准备比赛所需要的基本知识、技能，以及完成比赛的分工要求，最后估计一下本次比赛的命题趋势。

一、北京市大学生电子设计竞赛的背景

北京市大学生电子设计竞赛是面向全市在校大学生的群众性科技活动，旨在促进电气信息类专业和课程建设，引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新能力、协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际问题进行电子电路设计、制作的综合能力；吸引、鼓励广大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。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。竞赛内容兼顾理论设计与实际制作，以全面检验和促进参赛学生的理论素养和实践能力。

北京市大学生电子设计竞赛的组织运行模式为：“政府主办、专家主导、学生主体、社会参与”，以充分调动各方面的参与积极性。举办全国竞赛年份时，组织全国大学生电子设计竞赛北京赛区的竞赛；不举办全国竞赛年份时，组织北京市大学生电子设计竞赛。每队由三名学生（全国竞赛）或二名学生（北京市竞赛）组成，除研究生以外所有具有正式学籍的在校本科生、高职高专学生都有资格参加。竞赛时间定于每年的9月份，赛期4天（全国竞赛）或者1天（北京市竞赛），具体安排由市教委发通知。由组委会确定当年的竞赛规模。

竞赛采取“封闭或半封闭、相对集中”的组织方式进行。竞赛期间参赛学生以队为基本单位独立完成竞赛，学生可以查阅相关文献资料，队内学生可以进行讨论，但不得与队外任何人员进行讨论商量。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。要相对集中安排学生进行竞赛，便于组织人员巡查。

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，可能涉及模-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。

题目类型有：（1）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）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）侧重于模拟电路、数字电路、电力电子线路等课程内容的题目；（4）侧重于新型集成电路应用的题目；（5）侧重于常用电子产品和电子仪器初步设计的题目。

二、电子设计大赛试题分析

就全国赛而言,历届电子设计大赛竞赛题目可归纳为七类：

1)电源类（如三项正弦变频电源、数控直流电源、直流稳压电源）

2)信号源类（正弦信号发生器、电压控制LC振荡器、波形发生器、实用信

号源）

3)高频无限类（单工无线呼叫系统、调频收音机、简易无线电遥控系统）

4)放大器类（宽带房贷器、高效率音频功率放大器、测量放大器）

5)仪器仪表类（集成运放测试仪、简易频谱分析仪、简易逻辑分析仪、低

频数字相位测试仪、简易数字存储示波器）、6)数据采集与处理类（数据采集与传输系统、数字化语音存储与回放系统、多路数据采集系统）

7)控制类（悬挂运动控制系统、简易智能电动车、液体点滴速度监控装置、自动往返电动小汽车）。其中控制类、仪器仪表、电源类题目出现频率较高。

纵观历年试题，全国赛重视基础知识、基本技能的考察，每届试题都涉及到电子信息技术的基础课程：模拟电路、数字电路、传感器、微型计算机原理与接口、程序设计、测量仪器仪表等课程的基本知识、基本技能、基本设计。而一个完整的电子系统设计离不开对以下基本知识和内容的掌握：

1、基本单元电路的设计：集成运放!、数据放大器和可编程数据放大器、跨导型放大器（电压/电流转换器）、隔离放大器、A/D转换器、D/A转换器和取样/保持(S/H)电路/传感器。

2、基本器件的选用：如晶体管、基本运算放大器、电压比较器、A/D、D/A变换器、传感器(光电传感器、超声传感器、金属探测传感器、红外传感器等)。

3、基本仪器的使用：如信号发生器、示波器、毫伏表、频率计、万用表等。所以首先必须要加强对基础知识的学习和掌握。

其次，其涉及知识面极广。由于自然界的物理量绝大多数都是模拟量，一个应用系统总是要和模拟量打交道的，但是数字量具有抗干扰性，便于传输和计算机处理等特点，所以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。电子系统的数字实现技术又可分为用硬件实现和借助计算机（或单片机、信号处理芯片）用软件实现。所以一个实用的电子系统设计总是将电子技术基本内容与多专业方向相结合，涉及多门课程、多个学科，既有电子工程类，又有通信工程类，既有自动控制类，又有计算机类学科，在计算机类学科中，既涉及到计算机硬件知识，又有软件知识。在软件方面，既有 EDA软件的使用，又有程序设计。

同时，电子设计大赛中蕴含了很多新技术、新器件的大量使用。在电子设计竞赛中，单片机、可编程逻辑器件CPLD、EPGA、EDA技术、DSP技术、嵌入式技术一些新技术和相关新器件的大量使用。例如2001年B 题：设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器，与普通示波器不同地方在于，数字存储示波器需要用到高速数据的采集和处理技术，因而，高速数据采集、存储和回放是设计的要点和难点。参赛获一等奖作品中都使用单片机和CPLD结合，并使用 EDA工具来完成此设计。全国大学生电子设计竞赛组织委员会在2002、2004 举办大学生电子设计竞赛——嵌入式系统专题竞赛，其内容涉及微处理器、操作系统和应用系统。由此可以看出，电子设计竞赛的试题反映了现代电子技术的进步发展。电子设计大赛，要求参赛学生在短短四天时间内完成一个电子系统设计，采用传统的设计手段、方法当然也不能满足其要求，所以竞赛学生大量使用Matlab、Protel、Max-plusⅡ等EDA软件来进行电子系统设计。

电子设计竞赛要求参赛学生具有一定的综合性系统性分析，一个电子系统的设计要完成选项、立项、方案论证、电路设计、电路实现、装配调试、系统测试、总结报告、文档整理等工作。这样的综合性的设计要求学生要有系统工程学的概念。由于高校在实验的时间和空间上受到了一定的约束所以综合性和系统性的设计比较少，没有经过系统性设计的同学需要培养综合性系统性分析能力,养成良好的行为习惯。

电子赛的实体设计中，有很多具有实用性的试题，如智能电动小车，自动往返电动小汽车，液体点滴速度监控装置，调幅、调频、短波收音机等，这些试题有的本身就是一个完整的电子产品。

北京赛相比于全国赛，历史更短，难度更小，但就其考查的知识内容和对参赛者能力的要求而言，全国赛具有很高的参考价值。无论是考查范围和命题难度，北京赛都有正在逐步向全国赛靠拢的趋势。

三、赛前准备

在电子设计竞赛中取得比较理想的成绩需要做好以下工作:硬件的基本准备工作,即元器件的准备、基本电路单元的准备、基本软件单元的准备、有针对性地培训；充分发挥本校的资源优势，充分发挥指导老师的作用，发挥指导团队的集体智慧与学科融合。

（一）参赛的基础准备工作

1.元器件的准备

(1)集成运算放大器类

第一个要准备的是通用运算放大器，如LM741、LM1458、LM324等；仅仅有通用运算放大器还不够，还要有精密/低噪声运算放大器，如OP07。除此之外，OP07的单位增益带宽，输出电压摆动速率与通用运算放大器基本相同，也可以在准备OP07后可以不再准备通用运算放大器。

第二个需要准备的集成运算放大器还有优值运算放大器，主要有TL080、TL082、TL084，这些运算放大器的优点是单位增益带宽明显高于通用运算放大器，至少可以达到3MHz，在输出电压摆动速率方面，优值运算放大器也明显优于通用运算放大器，可以达到9~19V/us，其第三个优点就是输入偏置电流源低于通用集成运算放大器。

第三个要准备的是宽带或高速运算放大器，以适应频率比较高的试题的需要。比较好买到的有OP147，这种运算放大器的最大特点就是单位增益带宽可以达到10MHz或更高。

第四个要准备的是低压应用的满幅运算放大器，这种运算放大器的特点是输

出电压幅度接近于电源电压，如果试题有对输出电压幅度的要求，同时又有电源电压的要求时，满幅运算放大器是必然的选择

(2)比较器类

如果采用集成运算放大器用做比较器，其性能将是非常差的，其主要原因是运算放大器是设计成闭环应用的，不需要保证闭环下的稳定，因此，加了深度滞后校正，致使输出电压摆动速率变得极低。专用比较器专用于比较电路，应用于开环比较器或正反馈迟滞比较器，不需要考虑闭环的稳定问题。再有就是比较器的输出电压不是高电位就是地电位，不需要中间的电压状态，因此，输出级采用开路集电极就可以了，这样内部电路将非常简单。在实际应用中方，通用比较器有单比较器LM311、双比较器LM393、四比较器LM339。LM393和LM339的内部单元电路完全相同，输出低电压时的典型灌电流不低于16mA。LM311输出低电压时的灌电流不低于50mA，而且在双电源电压时，可以通过设置输出级的发射极电压实现单极性输出电压。

（3）集成稳压器类

集成稳压器的准备中，可调正负电压输出的集成稳压器必须准备，如正电压输出的LM317和负电压输出的LM337。不仅可以用于竞赛试题中的电路应用，也可以用于事先准备为竞赛电路供电的各种输出电压的稳压电源。

(4)集成过滤放大器类

集成过滤放大器不仅用于音频功率放大器还可以用做程控电源等，一可以作为输出功率比较大的应用场合下的运算放大器。需要准备的可以是TDA2030A、LM1875，这两种音频集成功率放大器的外围电路最简单。

（5）数字电路类

对于一般的电子线路应用，数字电路分为TTL、4000两大系列。可以根据偏爱选择，从成功性高的角度考虑，应选择TTL系列。因为4000系列的输入阻抗太高，很容易引进噪声，如果不是应用经验丰富，很容易在应急应用时出现这样那样的问题，延误时机。

（6）与单片机相关的器件

与单片机相连接的扩展功能模块需要准备的有很多，可以分为几大类：模拟开关部分、A/D转换部分、D/A转换部分、程序存储器扩展、数据存储器扩展、中断扩展等。在做这些相关元器件的功能扩展时，需要预留相应的扩展接口。这些扩展接口要实现连接简单，并且可以在自己设计的功能板中做到通用。

2.基本电路单元的准备

基本电路单元主要有以下几种。

（1）基本稳压电路单元

（2）基本放大器单元

（3）基本功率放大器电路单元

（4）基本信号源单元

从近几年的题目上看来，都有关于信号发生器的题目，而且难度也在逐渐增

加，但从基本功能上来看还是依靠基本的信号源。基本信号源从实现方式来看可以分为模拟方式和数字方式两种。

(5)单片机最小系统

在电子设计竞赛中，主要考验的是设计者的整体设计思想，对于设计作品的整体要求相对较高，很少会应用复杂的控制策略与控制模式。在很短的时间内能完成作品，就需要将整体设计的各个部分很好地配合，做到协调统一才是重点。

3.基本软件单元的准备

对于单片机的软件设计语言方面，尽量选择移植性好的语言进行编译，如采用C语言。将具体每一部分的程序模块化，在需要用到这一部分功能扩展的地方可以很容易的调用；更换不同的单片机芯片对模块化的程序影响不大，在有必要更换CPU的场合，应用起来很方便。

做好单片机最小系统以后，就要进行其软件的设计，利用软件的灵活性来控制单片机各个端口的功能状态。对于I/O设置、内存分配、简单的寻址定义等，采用C语言就有些大材小用，不但没有简化代码，反而使程序变得更加复杂化。因此在这样的场合就应该用到汇编语言，这样不仅能够精简代码，还能够整齐易读。

4.有针对性地培训

有针对性的培训是电子设计竞赛成功的一项基础工作。根据自身的特点和偏爱有针对性地进行硬件和软件方面的培训，或者进行信息电子或电力电子方面的培训。在赛前应该系统性地完成一个或多个历届试题的实际制作。通过这样的实际制作得到实际制作技能的最基本的训练，了解电子设计竞赛时的时间紧迫性。

培训的最迟时间不应晚于暑假。前期在理论上、理论与实践相结合方面、电子电路设计技巧、编程方面进行系统的培训，较好地消化所学知识。最后通过暑假的赛前强化培训，让自己具有紧迫感，培养自己在有效的时限内完成应完成的内容。

理论课培训:对于本科院校来讲，参赛的学生如果是大三的学生，从课程安排来讲有些课程如单片机、可编程逻辑器件、传感与检测技术等是需要提前的。基本的安排可参考如下：

理论课程培训：单片机和可编程逻辑器件课程按基础知识和实际编程两部分进行，以应用为导向，对理论知识不作全面的展开，特别是单片机指令和VHDL语言用多少学多少，根据实际编程需要讲解。特别注重软件开发工具的使用，接口电路的学习与训练。传感与检测技术按必需和够用的原则来安排课程内容，尽可能的利用现有的实验设备多做实验。

实践课培训:按照基础训练、仪器仪表使用、单元电路训练、单片机系统训练、可编程逻辑器件系统训练一步一步的进行。以实际动手能力的培训为主。基础训练主要训练装配工具及使用方法、装配工艺、元器件识别、印制电路板设计与制作等内容。仪器仪表使用主要训练数字万用表、示波器、逻辑分析仪、LC测试仪、频谱分析仪、信号发生器等仪器仪表的使用。单元电路训练包括电源电

路、基本放大电路、射频功率放大器电路、正弦波发生器电路、非正弦波发生器电路、比较器电路、限幅器电路、检波电路、电压/频率变换电路、电压/电流变换电路、光电、红外、超声、金属传感器电路、电机驱动电路、LED和LCD显示与驱动电路、A/D电路、D/A电路等。所有电路训练都要求按照工作原理、电原理图、印制板图、装配图、电路调试进行实际制作和整理资料（设计报告）。

单片机和可编程逻辑器件系统训练包括最小系统设计制作、AD/DA接口电路与程序设计、LED数码管接口电路与程序设计、LCD接口电路与程序设计、其他接口电路与程序设计、以及编程技巧、容易混淆的几个概念、常见错误类型及原因分析等内容。所有训练都要求按照工作原理、电原理图、印制板图、装配图、电路调试、程序设计进行实际制作和整理资料（设计报告）。

强化训练在暑假中进行。训练目标是模拟实际竞赛。以历年的竞赛题目为模板，适当进行一些调整。每周一个题目，全部训练要求按照实际竞赛要求进行，“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。”。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。

（二）充分发挥本校的资源优势

充分发挥指导教师的指导作用是在电子设计竞赛中取得优异成绩的基本条件，其次，发挥指导团队的集体智慧与学科融合是另一个基本条件。

参赛学生的赛前培训，包括理论培训，实践培训，还有赛前准备，命题趋势预测等等，都离不开指导教师的付出和努力。在历届参赛获奖者中，只有极少数是自行准备的。有相关比赛经验的的老师甚至对出题趋势有过很好的把握，对其指导的参赛学生有极大的指导作用。

四、命题趋势

我们找到参加过前几届北京赛的老师和学长，经过前后几次交流过后，我们了解到北京赛命题一直倾向于电源类（如三项正弦变频电源、数控直流电源、直流稳压电源）和信号源类（小信号放大、正弦信号发生器），且命题难度有逐届提升的趋势。今年的命题可能仍类似于08年的竞赛内容——设计模拟-数字综合小系统（包括A/D），涉及对放大器、比较器、单片机、FPGA和CPLD等元器件应用的考查。

袁敬梅 陈煜 杨春华2010年3月28