第6章 全国大学生电子设计竞赛题目与
分析
6.1 全国大学生电子设计竞赛简介
6.1.1 总则
1．指导思想与目的
全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技活动，目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科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。
2．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。
3．组织运行模式
全国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”十六字方针，以充分调动各方面的参与积极性。
4．领导
全国大学生电子设计竞赛由教育部高等教育司和信息产业部人事司共同主办，负责领导全国范围内的竞赛工作。各地竞赛事宜由地方教委（厅、局）统一领导。为保证竞赛顺利开展，组建全国及各赛区竞赛组织委员会和专家组。
5．组织委员会
（1）全国竞赛组织委员会由教育部、信息产业部、部分参赛省市教育主管部门负责人或有关学校专家组成，组委会成员由教育部高等教育司以文函形式任命，每届全国竞赛组织委员会和赛区组委会任期四年。
全国竞赛组委会设立秘书处，设秘书长一人，常务副秘书长一人，副秘书长若干人，主持全国大学生电子设计竞赛的日常工作。
（2）各赛区竞赛组委会由省（自治区）、直辖市教委（厅、局）、高校代表及电子类专家、企事业代表组成，负责本赛区的竞赛组织领导工作。
（3）原则上以省（自治区）、直辖市独立组成一个赛区。若参赛学校少于3所或参赛队少于20个队时，可与邻近省市联合组成一个赛区。
6．专家组
（1）全国只组建一个全国专家组，主要由来自高等学校电子及其相关专业的专家组成，全国专家组由责任专家、专家和专家库成员三个人员层面构成，全国竞赛的命题和评审工作以责任专家为主体。
（2）各赛区成立赛区专家组，由赛区内高校电子及其相关专业的专家组成，负责本赛区的竞赛征题、评审工作。
7．参赛单位
以高等学校为基本参赛单位，参赛学校应成立电子竞赛工作领导小组，负责本校学生的参赛事宜，包括组队、报名、赛前准备、赛期管理和赛后总结等。
8．参赛队和参赛学生
每支参赛队由三名学生组成，具有正式学籍的全日制在校本、专科生均有资格报名参赛。
9．辅导教师
对于赛前辅导教师的辛勤工作，应按照教育部高等教育司下发的《关于鼓励教师积极参与指导大学生科技竞赛活动的通知》（教高司函[2003]165号）精神，承认并计算其工作量。
6.2 竞赛命题原则及要求
竞赛内容
l、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。
2、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，考核学生的实验技能(制作、调试)。
3、题目在难易程度方面，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。
竞赛题目
竞赛题目是保证竞赛工作顺利开展的关键，应由全国专家组制定命题原则，赛前发至各赛区。全国竞赛命题应在广泛开展赛区征题的基础上由全国竞赛命题专家统一进行命题。全国竞赛命题专家组以责任专家为主体，并与部分全国专家组专家和高职高专学校专家组合而成。
全国竞赛采用两套题目，即本科生组题目和高职高专学生组题目，参赛的本科生只能选本科生组题目；高职高专学生原则上选择高职高专学生组题目，但也可选择本 科生组题目，并按本科生组题目的标准进行评审。只要参赛队中有本科生，该队只能选择本科生组题目，并按本科生组题目的标准进行评审。凡不符合上述选题规定 的作品均视为无效，赛区不予以评审。
6.3 电子设计竞赛的题目分析
由国家教委高教司倡导并组织的全国大学生电子设计竞赛从1994年的首届试点到2003年已经成功地举办了6届。从6届电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成7类。
（1）电源类
简易数控直流电源(第一届),直流稳压电源(第三届);
（2）信号源类
实用信号源的设计和制作(第二届),波形发生器(第五届),电压控制LC振荡器(A题)(第六届);
（3）高频无线电类
简易无线电遥控系统(第二届),调幅广播收音机(第三届),短波调频接收机(第四届),调频收音机(第五届);
（4）放大器类
实用低频功率放大器(第二届),高效率音频功率放大器(第五届),宽带放大器(B题)(第六届);
（5）仪器仪表类
简易电阻、电容和电感测试仪（第二届），简易数字频率计（第三届），频率特性测试仪（第四届），数字式工频有效值多用表（第四届），简易数字存储示波器（第五届），低频数字式相位测量仪（C题）（第六届），简易逻辑分析仪（D题）（第六届）；
（6）数据采集与处理类
多路数据采集系统（第一届）；数字化语音存储与回放系统（第四届），数据采集与传输系统（第五届）。
（7）控制类
水温控制系统采集系统（第三届），自动往返电动小气车（第五届）；简易智能电动车（E题）（第六届）；液体点滴速度监控装置（F题）（第六届）。
从以上试题可见，试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。涉及到的电子信息类专业的课程有：低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器件、EDA设计等；涉及到的实践性教学环节有：电子线路实验课、微机原理实验课、课程设计、生产实习等；竞赛中可选用的器件有：晶体管、集成电路、大规模集成电路、单片机、可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具，如VHDL语言、Xilinx Foundation Series EDA工具、单片机编程器等。不难看出，电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引导高校在教学改革中应注重培养学生的工程实践能力和创新设计能力。
传统的电子信息类专业教学内容，重理论、轻实践；重分析、轻综合；重个体、请协作。实验内容及实验方法上所存在的内容陈旧、形式呆板、方法单一。按传统方法培养学生，在参加电子设计竞赛时，就会发生诸多问题。如：理论设计正确却无法在工程上实现；单元电路正确却无法实现系统连调；个人能力很强却各自为政，不能时间强强联合，等等。 电子设计竞赛既不是单纯的理论设计竞赛也不仅仅是实验竞赛，而是由一个参赛队共同设计、制作完成一个特定工程背景的题目的优劣与快慢的竞赛。它既强调理论设计，更强调系统实现。它考核了学生综合运用基础知识的能力，更注重考察学生的创新意识。题目涉及的内容是一个课程群，而非单一的一门课程。因此，竞赛的形式与内容基本上符合面向21世纪人才培养的目标和需求，是对传统教学方法的一个挑战，同时，竞赛成绩也能从一个侧面反映了这个课程群的教学水平和教学改革的成败。
6.3.1电源类题目分析
电源类题目有“简易数控直流电源（第一届），1994年）”和“直流稳压电源（第三届，1997年）”。
“简易数控直流电源”要求设计制作一个输出电压数控可调直流稳压电源。涉及到的基础知识与制作能力包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，单片机，数字显示与控制等。
“直流稳压电源”要求设计制作一个交流变换为直流的稳定电源。涉及到的基础知识与制作能力包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，恒流电流源，DC—DC变换器，单片机，数字显示与控制等。
各题目具体要求如下。
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：
（二）设计要求
1．基本要求
（3）输出电压值由数码管显示； （4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减； （5）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
（1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；
（2）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）；
（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。
2、直流稳定电源
一、任务
设计并制作交流变换为直流的稳定电源。
二、要求
1．基本要求
（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下： a．输出电压可调范围为+9V～+12V
b．最大输出电流为1.5A
c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载） d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）
e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）
f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
g．具有过流及短路保护功能
（2）稳流电源 在输入电压固定为＋12V的条件下：
a．输出电流：4～20mA可调
b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）
（3）DC-DC变换器 在输入电压为+9V～+12V条件下：
a．输出电压为+100V，输出电流为10mA
b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）
c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）
d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV （输入电压+9V下，满载）
2．发挥部分
（1）扩充功能
a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态
b．过热保护
c．防止开、关机时产生的“过冲”
（2）提高稳压电源的技术指标
a．提高电压调整率和负载调整率
b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
a．提高效率（在100V、100mA下） b．提高输出电压 （4）用数字显示输出电压和输出电流
3. 方案例：简易数控直流电源
（1）采用单片机的简易数控直流电源设计方案
采用单片机作为控制器的简易数控直流数控直流电源设计方案如图1.3.2所示。设计方案中采用8031单片机完成整个数控个部分的功能。采用8279作为键盘/显示器接口控制器，不仅简化接口引线，而且减小了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了8031单片机的利用率。输出部分采用D/A 0832及运算放大器OP07输出电压波形与D/A变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出。显示部分采用3位半的数字电压表(DVM)直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。
（2）采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案
采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案如图1.3.4所示。系统由数字控制部分、D/A变换部分及可调稳压部分三部分组成。除了上述的三大部分之外，还包括一些附加的功能电路，如电压显示、控制、防止误操作、波形发生器电路等。
系统中数字控制部分用+/-按键控制产生可增加或减少BCD码，BCD码输入到D/A变换，变换成相应的电压，此电压通过放大到合适的电平后加到可调稳压部分，控制输出电压以手动0.1V的电压步进或步减，或自动连续步进（减），或直接变化到某一设定的电压值。
6.3.2 信号源题目分析
信号源类有“实用信号源的设计和制作（第二届，1995年）”、“波形发生器（第五届，2001年）”和“电压控制LC振荡器（第六届，2003年）”。
“实用信号源的设计和制作”要求设计制作一个正弦波和脉冲波信号源，频率范围20Hz~20kHz，低频信号源。涉及到得基础知识与制作能力包含：RC振荡器，脉冲振荡器，数字可调点位器，单片机，数字显示与控制等。
“波形发生器”要求设计制作一个能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形的波形发生器，频率范围100Hz~20kHz，低频信号源，涉及到的基础知识与制作能力包含：单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示与控制，滤波器等。
“电压控制LC振荡器”要求设计制作一个电压控制LC振荡器，频率范围15MHz~35MHz，高频信号源。涉及到的基础知识与制作能力包含：单片机或者可编程逻辑器件，PLL，LC振荡器，数字显示与控制，滤波器，高频功率放大器等。
各题目具体要求如下。
1、实用信号源的设计和制作
一、任务
在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。
二、要求
1．基本要求
（1）正弦波信号源
① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
② 频率稳定度：优于10-4
③ 非线性失真系数≤3%
（2）脉冲波信号源
① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
② 上升时间和下降时间：≤1μs
③ 平顶斜降：≤5%
④ 脉冲占空比：2%～98%步进可调，步长为2%
（3）上述两个信号源公共要求
① 频率可预置。
② 在负载为600Ω时，输出幅度为3V。
③ 完成5位频率的数字显示。
2．发挥部分
（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。
（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。
（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。
（4）降低正弦波非线性失真系数。
2、波形发生器
一、任务
设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。示意图如下：
二、要求
1．基本要求
（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。
（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。
（3）具有波形存储功能。
4）输出波形的频率范围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。
（5）输出波形幅度范围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。
（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。
2．发挥部分
（1）输出波形频率范围扩展至100Hz～200kHz。
（2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。
（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±3%（负载电阻变化范围：100Ω～∞）。
（4）具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。
（5）可产生单次或多次（1000次以下）特定波形（如产生1个半周期三角波输出）。
（6）其它（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展>200kHz、扫频输出等功能）。
(1)基于单片机和FPGA的波形发生器
基于单片机和FPGA的波形发生器（方案1）方框图如图6.3.6所示。系统以单片机89C52位核心。89C52完成处理键盘数据、生成波形表存储于双口RAM中、控制LED显示、控制DAC0832进行幅值转换、传送频率控制字K值给FPGA处理等功能。双口RAM的使用减少了单片机和FPGA之间的的通信，从而节省了单片机的资源，也使系统更为可靠。 FPGA主要用于实现DDFS技术中累加器的功能，一方面在很大程度上提高了系统的速度，另一方面可以将单片机的外围芯片74LS377、74TH373、74LS138、74IS02都集成在FPGA内，既充分利用了FPGA的资源，又减少了单片机与外部的接口，提高了系统的可靠性。双口RAM中传输出的数据经DAC08完成数/模转换，由DAC032内部的电阻分压网络实现幅度控制，继而经过二阶巴特沃思低通滤波器进行滤波，经过运放和三极管进行扩流，从而得到任意一种具有一定带载能力的所需波形。
图6.3.3 基于单片机和FPGA的波形发生器
6.3.4放大器题目类型
放大器类的题目有“实用低频率放大器（第二届，1995年）”“测量放大器（第四届，1999
年），高效率音频功率放大器（第五届，2001年）”和“宽带放大器（第六届，2003）。” “实用低频功率放大器”要求设计制作一个具有弱信号放大能力的低频功率放大器，额定输出功率Por≥10W，带宽BW≥（50~10000）HZ。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，方波信号发生器，低频功率放大器等。
“测量放大器”要求设计制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。差模电压放大倍数AVD=1~500。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，信号变换放大器，测量放大器等。
“高效率音频功率放大器”要求设计制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量，显示安装，3dB通频带为300HZ~3400HZ，最大不失真输出功率≥1W。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，音频功率放大器等。
“宽带放大器”要求设计并制作一个3dB通频带10KHZ~6MHZ,最大增益≥40dB的宽带放大器。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，AGC，宽带放大器等。
各题目具体要求如下。
1、实用低频功率放大器
一、任务
设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如下：
二、要求
1．基本要求
（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻RL为8Ω下，放大通道应满足：
① 额定输出功率POR≥10W；
② 带宽BW≥（50～10000）Hz；
③ 在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%；
④ 在POR下的效率≥55%；
⑤ 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW。
（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
2．发挥部分
（1）放大器的时间响应
① 方波产生：由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波：频率为1000Hz、上升时间≤ 1μs、峰-峰值电压为200mVpp。
用上述方波激励放大通道时，在RL=8Ω下，放大通道应满足：
② 额定输出功率POR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；
③ 在POR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs；
④ 在POR下输出波形顶部斜降≤2%；
⑤ 在POR下输出波形过冲量≤5%。
（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减小非线性失真等）。
2、宽带放大器
一、任务
设计并制作一个宽带放大器。
二、要求
1、基本要求
（1）输入阻抗≥1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻 。
（2）3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB。
（3）最大增益≥40dB，增益调节范围10dB～40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。
（4）最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。
（5）自制放大器所需的稳压电源。
2、发挥部分
（1）最大输出电压有效值≥6V。
（2）最大增益≥58dB (3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB)，增益调节范围10dB～58dB（增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。
（3）增加自动增益控制（AGC）功能，AGC范围≥20dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在 4.5V≤Vo≤5.5V内（详见说明4）。
（4）输出噪声电压峰-峰值VoN ≤0.5V。
（5）进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔。
（6）其它。
3、方案例：测量放大器
（1）测量放大器（方案1）
测量放大器（方案1）方框如图1.3.21所示。系统由前级高共模抑制比仪器放大器、AD7520衰减器和单片机键盘显示处理模块3个模块电路组成。在前级高共模抑制比仪器放大器中还将输出共模电压反馈到正负电源的公共端，使运算放大器电源电压随共模输入电压浮动，各级偏置电压都跟踪共模输入电压，从而提高了共模抑制比。由4片运放构成的前级高共模输入的仪表差带动放大器，对不同的差模输入信号电压进行不同倍数的放大，再经后级数控衰减器得到要求放大倍数的输出信号。AD7520衰减器利用电阻网络的可编
程性，实现衰减器衰减率的数字编程。单片机键盘显示处理模块除可以对8279进行实时监控外，还可进行数字处理和对继电器及AD7520的控制。8位LED显示电路显示提示符及放大倍数。单独设置的“+”、“—”键，实现步进。
（2）测量放大器（方案2）
测量放大器（方案2）方框图如图1.3.22所示。系统由8031最小系统、低噪声前置放大器、程控增益放大等电路组成。采用4位KSA-3型的BCD拨码开关预置调节差模电压增益。8031最小系统包括8031、74LS373、74LS138译码器以及8255等外围芯片。显示驱动芯片采用INTERSIL公司生产的CMOS通用型8位LED数码管驱动电路7218B。7218B。7218B内涵位和段驱动电路及自动扫描控制电路，还有8*8位的静态存储器以及7段十六进制显示码和十进制显示译码电路。8位LED数码管直接与7218B相连。
通过改变电桥桥臂电阻得到一差模信号，信号先经过OP07组成的前置放大器放大，提高共模抑制比，减少零漂。放大倍数通过程控增益放大电路调节。程控增益放大电路有AD7520组成。
图6.3.5测量放大器（方案2）方框图
6.3.5 仪器仪表类题目分析
仪器仪表类有“简易电阻、电容和电感测试仪（第二届，1995年）”、“简易数字频率计（第三届，1997年）”、“频率特性测试仪（第四届，1999年）”、“数字式工频有效值多用表（第四届，1999年）”、“简易数字存储示波器（第五届，2001）”、“低频数字式相位测量仪（第六届，2003年）”、“简易逻辑分析仪（第六届，2003年）”。
“简易电阻、电容和电感测试仪”要求设计制作一个测量范围：电阻100Ω~1MΩ；电容100pF~10000pF；电感100μH~10mH，测量精度：的电阻、电容和电感测试仪。涉及到的基础知识包含有：电阻、电容和电感参数变换，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“简易数字频率计”要求设计制作一个测量范围信号：方波、正弦波；幅度：0.5V~5V；频率：1HZ~1MHZ,测量误差≤0.1%数字频率计。涉及到的基础知识包含有：信号变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“频率特性测试仪”要求设计制作一个频率范围100HZ~100KHZ;频率步进：10HZ;频率稳定度：10-4；测量精度：5%；能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量的频率特性测试仪。涉及到的基础知识包含有：信号变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“数字式工频有效值多用表”要求设计制作一个能同时对一路工频交流电（频率波动范围为50+1HZ、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表。涉及到的基础知识包含有：电压、电流变换与检测，单片
机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“简易数字存储示波器”要求设计制作一个一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器。频率范围为DC~50KHZ，误差≤5%。涉及到的基础知识包含有：A/D和D/A变换，单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示等。
“低频数字式相位测量仪”要求制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分。频率范围：20HZ~20KHZ，相位测量绝对误差≤2o。涉及到的基础知识包含有：相位检测，A/D和D/A交换，单片机或者可编程逻辑器件，存储器，RC移相网络，数字显示等。
“简易逻辑分析仪”要求设计制作一个8路数字信号发生器与简易逻辑分析仪，能产生8路可预置的循环移位逻辑信号序列，输出信号为TTL电平，序列时钟频率为100HZ，并能够重复输出。涉及到的基础知识包含有：单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示等。
各题目具体要求如下。
1、简易电阻、电容和电感测试仪
一、任务
设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪，示意框图如下：
二、要求
1．基本要求
（1）测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。
（2）测量精度：±5% 。
（3）制作4位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。
2．发挥部分
（1）扩大测量范围。
（2）提高测量精度。
（3）测量量程自动转换。
2、简易数字频率计
一、任务
设计并制作一台数字显示的简易频率计。
二、要求
1．基本要求
（1）频率测量
a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz
b．测量误差≤0.1%
（2）周期测量
a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz
b．测量误差≤0.1%
（3）脉冲宽度测量
a．测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V～5V；脉冲宽度≥100μs
b．测量误差≤1%
（4）显示器
十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。
（5）具有自校功能，时标信号频率为1MHz。
（6）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
2．发挥部分
（1）扩展频率测量范围为0.1Hz～10MHz（信号幅度0.5V～5V），测量误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。
（2）测量并显示周期脉冲信号（幅度0.5V～5V、频率1Hz～1kHz）的占空比，占空比变化范围为10%～90%，测量误差≤1% 。
（3）在1Hz～1MHz范围内及测量误差≤1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。
6.3.7 控制类题目分析
控制类题目有“水温控制系统（第三届，1997年）”、“自动往返电动小汽车（第五届，2001年）”、“简易智能电动车（第六届，2003年）”、“液体点滴速度监控装置（第六届，2003年）”。
“水温控制系统”控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。温度设定范围为40℃～90℃，最小区分度为1℃,标定温度≤1℃。涉及到的基础知识包含有：温度检测电路，加热器控制电路，A/D和D/A变换，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“自动往返电动小汽车”设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线之间的小汽车。车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小。在限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒。涉及到的基础知识包含有：光电检测电路，电机控制电路，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“简易智能电动车”电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实施存储、显示在
“直道区”检测到的薄铁片数目。电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间到达90秒时必须立即自动停车。涉及到的基础知识包含有:光电、金属、超声波检测电路，电机控制电路，单片机或者可编程逻辑器件、数字显示等。
“液体点滴速度监控装置”在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。通过改变高度h2控制点滴速度；也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其他方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20～150（滴/分）,控制误差范围为设定值±1滴。当高度h1降到警戒值（2～3cm）时，能发出报警信号。涉及到的基础知识包含有：光电检测电路，不仅电机控制电路，单片或者可编程逻辑器件，数字显示等。
各题目具体要求如下。
1、水温控制系统
一、任务
设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。
二、要求
1．基本要求
（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。
（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。
（3）用十进制数码管显示水的实际温度。
2．发挥部分
（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。
（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。
（3）在设定温度发生突变（由40℃提高到60℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。
5.方案例：自动往返电动小汽车
（1）自动往返电动小汽车（方案1）
自动往返电动小汽车（方案1）方框图如图1.3.45所示。系统采用两块单片机（89C52和89C2051）作为自动往返小汽车的检测和控制核心。路面黑线检测使用反射式红外传感器，车速和距离检测使用断续式光电开光，利用PWM技术动态控制电动机的转速。使用了一套独特的软件算法，实现了小汽车在限速和压线过程中的精确控制。
本设计的主要特点是：电动机驱动调速采用由达林顿管组成的H型PWM电路。控制电路电源和电动机电源隔离，信号通过光电耦合器传输。路面黑线探测采用脉冲调制的反射红外方式一接收器，超强纠错，免受路面杂质干扰。车轮检速采用断续式光电开关。双电
源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。优化软件算法。后置式红、绿方向灯，显示行驶状态。改进的导向装置，减少了挡板摩擦。
图1.3.45 自动往返电动小汽车（方案1）方框图
（2）自动往返电动小汽车（方案2）
自动往返电动小汽车（方案2）方框图如图1.3.46所示。单片机是整个系统的核心控制元件，光电传感器完成对跑道标志线的检测和左右挡板防撞检测，为此设置多个光电传感器，通过多个红外光电传感器对汽车运动位置和姿态进行检测。霍尔速度传感器完成对运行距离的测量；单片机通过PW,调节后轮电动机运动速度，实现对汽车运行速度的调节，通过控制前轮转向电机调节汽车运动方向。
单片机通过检测4个左右防撞光电传感器的输出信号，确定汽车是否过于接近跑道左右挡板，从而发出前轮电机驱动信号，对汽车运动方向实现纠偏。
单片机通过霍尔元件检测后轮的转动圈数，经计算，在显示器上显示并记录汽车的运动距离。
（3）自动往返电动小汽车（方案3）
自动往返电动小汽车（方案3）方框图如图1.3.47所示。体统采用单片机作为核心器件实现对电动小汽车行驶的自动控制。控制过程是利用反射式光电检测器采集的数据，通过软件完成对电动小汽车在不同路段的行驶速度实时控制，用数码管实现对指定行程和所
用时间显示，同时利用红外数据传输方式将在限速区、终点区和返回到起点区后的时间和距离数据向手持显示装置单向传送。键盘设置在小汽车中，对速度的控制调整更加方便、精确。
图1.3.46 自动往返电动小汽车（方案2）方框图
(a)车载系统
(b)手持接收系统
第6章 全国大学生电子设计竞赛题目与
分析
6.1 全国大学生电子设计竞赛简介
6.1.1 总则
1．指导思想与目的
全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技活动，目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科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。
2．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。
3．组织运行模式
全国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”十六字方针，以充分调动各方面的参与积极性。
4．领导
全国大学生电子设计竞赛由教育部高等教育司和信息产业部人事司共同主办，负责领导全国范围内的竞赛工作。各地竞赛事宜由地方教委（厅、局）统一领导。为保证竞赛顺利开展，组建全国及各赛区竞赛组织委员会和专家组。
5．组织委员会
（1）全国竞赛组织委员会由教育部、信息产业部、部分参赛省市教育主管部门负责人或有关学校专家组成，组委会成员由教育部高等教育司以文函形式任命，每届全国竞赛组织委员会和赛区组委会任期四年。
全国竞赛组委会设立秘书处，设秘书长一人，常务副秘书长一人，副秘书长若干人，主持全国大学生电子设计竞赛的日常工作。
（2）各赛区竞赛组委会由省（自治区）、直辖市教委（厅、局）、高校代表及电子类专家、企事业代表组成，负责本赛区的竞赛组织领导工作。
（3）原则上以省（自治区）、直辖市独立组成一个赛区。若参赛学校少于3所或参赛队少于20个队时，可与邻近省市联合组成一个赛区。
6．专家组
（1）全国只组建一个全国专家组，主要由来自高等学校电子及其相关专业的专家组成，全国专家组由责任专家、专家和专家库成员三个人员层面构成，全国竞赛的命题和评审工作以责任专家为主体。
（2）各赛区成立赛区专家组，由赛区内高校电子及其相关专业的专家组成，负责本赛区的竞赛征题、评审工作。
7．参赛单位
以高等学校为基本参赛单位，参赛学校应成立电子竞赛工作领导小组，负责本校学生的参赛事宜，包括组队、报名、赛前准备、赛期管理和赛后总结等。
8．参赛队和参赛学生
每支参赛队由三名学生组成，具有正式学籍的全日制在校本、专科生均有资格报名参赛。
9．辅导教师
对于赛前辅导教师的辛勤工作，应按照教育部高等教育司下发的《关于鼓励教师积极参与指导大学生科技竞赛活动的通知》（教高司函[2003]165号）精神，承认并计算其工作量。
6.2 竞赛命题原则及要求
竞赛内容
l、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。
2、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，考核学生的实验技能(制作、调试)。
3、题目在难易程度方面，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。
竞赛题目
竞赛题目是保证竞赛工作顺利开展的关键，应由全国专家组制定命题原则，赛前发至各赛区。全国竞赛命题应在广泛开展赛区征题的基础上由全国竞赛命题专家统一进行命题。全国竞赛命题专家组以责任专家为主体，并与部分全国专家组专家和高职高专学校专家组合而成。
全国竞赛采用两套题目，即本科生组题目和高职高专学生组题目，参赛的本科生只能选本科生组题目；高职高专学生原则上选择高职高专学生组题目，但也可选择本 科生组题目，并按本科生组题目的标准进行评审。只要参赛队中有本科生，该队只能选择本科生组题目，并按本科生组题目的标准进行评审。凡不符合上述选题规定 的作品均视为无效，赛区不予以评审。
6.3 电子设计竞赛的题目分析
由国家教委高教司倡导并组织的全国大学生电子设计竞赛从1994年的首届试点到2003年已经成功地举办了6届。从6届电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成7类。
（1）电源类
简易数控直流电源(第一届),直流稳压电源(第三届);
（2）信号源类
实用信号源的设计和制作(第二届),波形发生器(第五届),电压控制LC振荡器(A题)(第六届);
（3）高频无线电类
简易无线电遥控系统(第二届),调幅广播收音机(第三届),短波调频接收机(第四届),调频收音机(第五届);
（4）放大器类
实用低频功率放大器(第二届),高效率音频功率放大器(第五届),宽带放大器(B题)(第六届);
（5）仪器仪表类
简易电阻、电容和电感测试仪（第二届），简易数字频率计（第三届），频率特性测试仪（第四届），数字式工频有效值多用表（第四届），简易数字存储示波器（第五届），低频数字式相位测量仪（C题）（第六届），简易逻辑分析仪（D题）（第六届）；
（6）数据采集与处理类
多路数据采集系统（第一届）；数字化语音存储与回放系统（第四届），数据采集与传输系统（第五届）。
（7）控制类
水温控制系统采集系统（第三届），自动往返电动小气车（第五届）；简易智能电动车（E题）（第六届）；液体点滴速度监控装置（F题）（第六届）。
从以上试题可见，试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。涉及到的电子信息类专业的课程有：低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器件、EDA设计等；涉及到的实践性教学环节有：电子线路实验课、微机原理实验课、课程设计、生产实习等；竞赛中可选用的器件有：晶体管、集成电路、大规模集成电路、单片机、可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具，如VHDL语言、Xilinx Foundation Series EDA工具、单片机编程器等。不难看出，电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引导高校在教学改革中应注重培养学生的工程实践能力和创新设计能力。
传统的电子信息类专业教学内容，重理论、轻实践；重分析、轻综合；重个体、请协作。实验内容及实验方法上所存在的内容陈旧、形式呆板、方法单一。按传统方法培养学生，在参加电子设计竞赛时，就会发生诸多问题。如：理论设计正确却无法在工程上实现；单元电路正确却无法实现系统连调；个人能力很强却各自为政，不能时间强强联合，等等。 电子设计竞赛既不是单纯的理论设计竞赛也不仅仅是实验竞赛，而是由一个参赛队共同设计、制作完成一个特定工程背景的题目的优劣与快慢的竞赛。它既强调理论设计，更强调系统实现。它考核了学生综合运用基础知识的能力，更注重考察学生的创新意识。题目涉及的内容是一个课程群，而非单一的一门课程。因此，竞赛的形式与内容基本上符合面向21世纪人才培养的目标和需求，是对传统教学方法的一个挑战，同时，竞赛成绩也能从一个侧面反映了这个课程群的教学水平和教学改革的成败。
6.3.1电源类题目分析
电源类题目有“简易数控直流电源（第一届），1994年）”和“直流稳压电源（第三届，1997年）”。
“简易数控直流电源”要求设计制作一个输出电压数控可调直流稳压电源。涉及到的基础知识与制作能力包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，单片机，数字显示与控制等。
“直流稳压电源”要求设计制作一个交流变换为直流的稳定电源。涉及到的基础知识与制作能力包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，恒流电流源，DC—DC变换器，单片机，数字显示与控制等。
各题目具体要求如下。
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：
（二）设计要求
1．基本要求
（3）输出电压值由数码管显示； （4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减； （5）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
（1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；
（2）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）；
（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。
2、直流稳定电源
一、任务
设计并制作交流变换为直流的稳定电源。
二、要求
1．基本要求
（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下： a．输出电压可调范围为+9V～+12V
b．最大输出电流为1.5A
c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载） d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）
e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）
f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
g．具有过流及短路保护功能
（2）稳流电源 在输入电压固定为＋12V的条件下：
a．输出电流：4～20mA可调
b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）
（3）DC-DC变换器 在输入电压为+9V～+12V条件下：
a．输出电压为+100V，输出电流为10mA
b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）
c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）
d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV （输入电压+9V下，满载）
2．发挥部分
（1）扩充功能
a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态
b．过热保护
c．防止开、关机时产生的“过冲”
（2）提高稳压电源的技术指标
a．提高电压调整率和负载调整率
b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
a．提高效率（在100V、100mA下） b．提高输出电压 （4）用数字显示输出电压和输出电流
3. 方案例：简易数控直流电源
（1）采用单片机的简易数控直流电源设计方案
采用单片机作为控制器的简易数控直流数控直流电源设计方案如图1.3.2所示。设计方案中采用8031单片机完成整个数控个部分的功能。采用8279作为键盘/显示器接口控制器，不仅简化接口引线，而且减小了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了8031单片机的利用率。输出部分采用D/A 0832及运算放大器OP07输出电压波形与D/A变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出。显示部分采用3位半的数字电压表(DVM)直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。
（2）采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案
采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案如图1.3.4所示。系统由数字控制部分、D/A变换部分及可调稳压部分三部分组成。除了上述的三大部分之外，还包括一些附加的功能电路，如电压显示、控制、防止误操作、波形发生器电路等。
系统中数字控制部分用+/-按键控制产生可增加或减少BCD码，BCD码输入到D/A变换，变换成相应的电压，此电压通过放大到合适的电平后加到可调稳压部分，控制输出电压以手动0.1V的电压步进或步减，或自动连续步进（减），或直接变化到某一设定的电压值。
6.3.2 信号源题目分析
信号源类有“实用信号源的设计和制作（第二届，1995年）”、“波形发生器（第五届，2001年）”和“电压控制LC振荡器（第六届，2003年）”。
“实用信号源的设计和制作”要求设计制作一个正弦波和脉冲波信号源，频率范围20Hz~20kHz，低频信号源。涉及到得基础知识与制作能力包含：RC振荡器，脉冲振荡器，数字可调点位器，单片机，数字显示与控制等。
“波形发生器”要求设计制作一个能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形的波形发生器，频率范围100Hz~20kHz，低频信号源，涉及到的基础知识与制作能力包含：单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示与控制，滤波器等。
“电压控制LC振荡器”要求设计制作一个电压控制LC振荡器，频率范围15MHz~35MHz，高频信号源。涉及到的基础知识与制作能力包含：单片机或者可编程逻辑器件，PLL，LC振荡器，数字显示与控制，滤波器，高频功率放大器等。
各题目具体要求如下。
1、实用信号源的设计和制作
一、任务
在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。
二、要求
1．基本要求
（1）正弦波信号源
① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
② 频率稳定度：优于10-4
③ 非线性失真系数≤3%
（2）脉冲波信号源
① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
② 上升时间和下降时间：≤1μs
③ 平顶斜降：≤5%
④ 脉冲占空比：2%～98%步进可调，步长为2%
（3）上述两个信号源公共要求
① 频率可预置。
② 在负载为600Ω时，输出幅度为3V。
③ 完成5位频率的数字显示。
2．发挥部分
（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。
（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。
（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。
（4）降低正弦波非线性失真系数。
2、波形发生器
一、任务
设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。示意图如下：
二、要求
1．基本要求
（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。
（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。
（3）具有波形存储功能。
4）输出波形的频率范围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。
（5）输出波形幅度范围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。
（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。
2．发挥部分
（1）输出波形频率范围扩展至100Hz～200kHz。
（2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。
（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±3%（负载电阻变化范围：100Ω～∞）。
（4）具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。
（5）可产生单次或多次（1000次以下）特定波形（如产生1个半周期三角波输出）。
（6）其它（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展>200kHz、扫频输出等功能）。
(1)基于单片机和FPGA的波形发生器
基于单片机和FPGA的波形发生器（方案1）方框图如图6.3.6所示。系统以单片机89C52位核心。89C52完成处理键盘数据、生成波形表存储于双口RAM中、控制LED显示、控制DAC0832进行幅值转换、传送频率控制字K值给FPGA处理等功能。双口RAM的使用减少了单片机和FPGA之间的的通信，从而节省了单片机的资源，也使系统更为可靠。 FPGA主要用于实现DDFS技术中累加器的功能，一方面在很大程度上提高了系统的速度，另一方面可以将单片机的外围芯片74LS377、74TH373、74LS138、74IS02都集成在FPGA内，既充分利用了FPGA的资源，又减少了单片机与外部的接口，提高了系统的可靠性。双口RAM中传输出的数据经DAC08完成数/模转换，由DAC032内部的电阻分压网络实现幅度控制，继而经过二阶巴特沃思低通滤波器进行滤波，经过运放和三极管进行扩流，从而得到任意一种具有一定带载能力的所需波形。
图6.3.3 基于单片机和FPGA的波形发生器
6.3.4放大器题目类型
放大器类的题目有“实用低频率放大器（第二届，1995年）”“测量放大器（第四届，1999
年），高效率音频功率放大器（第五届，2001年）”和“宽带放大器（第六届，2003）。” “实用低频功率放大器”要求设计制作一个具有弱信号放大能力的低频功率放大器，额定输出功率Por≥10W，带宽BW≥（50~10000）HZ。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，方波信号发生器，低频功率放大器等。
“测量放大器”要求设计制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。差模电压放大倍数AVD=1~500。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，信号变换放大器，测量放大器等。
“高效率音频功率放大器”要求设计制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量，显示安装，3dB通频带为300HZ~3400HZ，最大不失真输出功率≥1W。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，音频功率放大器等。
“宽带放大器”要求设计并制作一个3dB通频带10KHZ~6MHZ,最大增益≥40dB的宽带放大器。涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，AGC，宽带放大器等。
各题目具体要求如下。
1、实用低频功率放大器
一、任务
设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如下：
二、要求
1．基本要求
（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻RL为8Ω下，放大通道应满足：
① 额定输出功率POR≥10W；
② 带宽BW≥（50～10000）Hz；
③ 在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%；
④ 在POR下的效率≥55%；
⑤ 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW。
（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
2．发挥部分
（1）放大器的时间响应
① 方波产生：由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波：频率为1000Hz、上升时间≤ 1μs、峰-峰值电压为200mVpp。
用上述方波激励放大通道时，在RL=8Ω下，放大通道应满足：
② 额定输出功率POR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；
③ 在POR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs；
④ 在POR下输出波形顶部斜降≤2%；
⑤ 在POR下输出波形过冲量≤5%。
（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减小非线性失真等）。
2、宽带放大器
一、任务
设计并制作一个宽带放大器。
二、要求
1、基本要求
（1）输入阻抗≥1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻 。
（2）3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB。
（3）最大增益≥40dB，增益调节范围10dB～40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。
（4）最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。
（5）自制放大器所需的稳压电源。
2、发挥部分
（1）最大输出电压有效值≥6V。
（2）最大增益≥58dB (3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB)，增益调节范围10dB～58dB（增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。
（3）增加自动增益控制（AGC）功能，AGC范围≥20dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在 4.5V≤Vo≤5.5V内（详见说明4）。
（4）输出噪声电压峰-峰值VoN ≤0.5V。
（5）进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔。
（6）其它。
3、方案例：测量放大器
（1）测量放大器（方案1）
测量放大器（方案1）方框如图1.3.21所示。系统由前级高共模抑制比仪器放大器、AD7520衰减器和单片机键盘显示处理模块3个模块电路组成。在前级高共模抑制比仪器放大器中还将输出共模电压反馈到正负电源的公共端，使运算放大器电源电压随共模输入电压浮动，各级偏置电压都跟踪共模输入电压，从而提高了共模抑制比。由4片运放构成的前级高共模输入的仪表差带动放大器，对不同的差模输入信号电压进行不同倍数的放大，再经后级数控衰减器得到要求放大倍数的输出信号。AD7520衰减器利用电阻网络的可编
程性，实现衰减器衰减率的数字编程。单片机键盘显示处理模块除可以对8279进行实时监控外，还可进行数字处理和对继电器及AD7520的控制。8位LED显示电路显示提示符及放大倍数。单独设置的“+”、“—”键，实现步进。
（2）测量放大器（方案2）
测量放大器（方案2）方框图如图1.3.22所示。系统由8031最小系统、低噪声前置放大器、程控增益放大等电路组成。采用4位KSA-3型的BCD拨码开关预置调节差模电压增益。8031最小系统包括8031、74LS373、74LS138译码器以及8255等外围芯片。显示驱动芯片采用INTERSIL公司生产的CMOS通用型8位LED数码管驱动电路7218B。7218B。7218B内涵位和段驱动电路及自动扫描控制电路，还有8*8位的静态存储器以及7段十六进制显示码和十进制显示译码电路。8位LED数码管直接与7218B相连。
通过改变电桥桥臂电阻得到一差模信号，信号先经过OP07组成的前置放大器放大，提高共模抑制比，减少零漂。放大倍数通过程控增益放大电路调节。程控增益放大电路有AD7520组成。
图6.3.5测量放大器（方案2）方框图
6.3.5 仪器仪表类题目分析
仪器仪表类有“简易电阻、电容和电感测试仪（第二届，1995年）”、“简易数字频率计（第三届，1997年）”、“频率特性测试仪（第四届，1999年）”、“数字式工频有效值多用表（第四届，1999年）”、“简易数字存储示波器（第五届，2001）”、“低频数字式相位测量仪（第六届，2003年）”、“简易逻辑分析仪（第六届，2003年）”。
“简易电阻、电容和电感测试仪”要求设计制作一个测量范围：电阻100Ω~1MΩ；电容100pF~10000pF；电感100μH~10mH，测量精度：的电阻、电容和电感测试仪。涉及到的基础知识包含有：电阻、电容和电感参数变换，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“简易数字频率计”要求设计制作一个测量范围信号：方波、正弦波；幅度：0.5V~5V；频率：1HZ~1MHZ,测量误差≤0.1%数字频率计。涉及到的基础知识包含有：信号变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“频率特性测试仪”要求设计制作一个频率范围100HZ~100KHZ;频率步进：10HZ;频率稳定度：10-4；测量精度：5%；能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量的频率特性测试仪。涉及到的基础知识包含有：信号变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“数字式工频有效值多用表”要求设计制作一个能同时对一路工频交流电（频率波动范围为50+1HZ、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表。涉及到的基础知识包含有：电压、电流变换与检测，单片
机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“简易数字存储示波器”要求设计制作一个一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器。频率范围为DC~50KHZ，误差≤5%。涉及到的基础知识包含有：A/D和D/A变换，单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示等。
“低频数字式相位测量仪”要求制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分。频率范围：20HZ~20KHZ，相位测量绝对误差≤2o。涉及到的基础知识包含有：相位检测，A/D和D/A交换，单片机或者可编程逻辑器件，存储器，RC移相网络，数字显示等。
“简易逻辑分析仪”要求设计制作一个8路数字信号发生器与简易逻辑分析仪，能产生8路可预置的循环移位逻辑信号序列，输出信号为TTL电平，序列时钟频率为100HZ，并能够重复输出。涉及到的基础知识包含有：单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示等。
各题目具体要求如下。
1、简易电阻、电容和电感测试仪
一、任务
设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪，示意框图如下：
二、要求
1．基本要求
（1）测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。
（2）测量精度：±5% 。
（3）制作4位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。
2．发挥部分
（1）扩大测量范围。
（2）提高测量精度。
（3）测量量程自动转换。
2、简易数字频率计
一、任务
设计并制作一台数字显示的简易频率计。
二、要求
1．基本要求
（1）频率测量
a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz
b．测量误差≤0.1%
（2）周期测量
a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz
b．测量误差≤0.1%
（3）脉冲宽度测量
a．测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V～5V；脉冲宽度≥100μs
b．测量误差≤1%
（4）显示器
十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。
（5）具有自校功能，时标信号频率为1MHz。
（6）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
2．发挥部分
（1）扩展频率测量范围为0.1Hz～10MHz（信号幅度0.5V～5V），测量误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。
（2）测量并显示周期脉冲信号（幅度0.5V～5V、频率1Hz～1kHz）的占空比，占空比变化范围为10%～90%，测量误差≤1% 。
（3）在1Hz～1MHz范围内及测量误差≤1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。
6.3.7 控制类题目分析
控制类题目有“水温控制系统（第三届，1997年）”、“自动往返电动小汽车（第五届，2001年）”、“简易智能电动车（第六届，2003年）”、“液体点滴速度监控装置（第六届，2003年）”。
“水温控制系统”控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。温度设定范围为40℃～90℃，最小区分度为1℃,标定温度≤1℃。涉及到的基础知识包含有：温度检测电路，加热器控制电路，A/D和D/A变换，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“自动往返电动小汽车”设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线之间的小汽车。车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小。在限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒。涉及到的基础知识包含有：光电检测电路，电机控制电路，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。
“简易智能电动车”电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实施存储、显示在
“直道区”检测到的薄铁片数目。电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间到达90秒时必须立即自动停车。涉及到的基础知识包含有:光电、金属、超声波检测电路，电机控制电路，单片机或者可编程逻辑器件、数字显示等。
“液体点滴速度监控装置”在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。通过改变高度h2控制点滴速度；也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其他方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20～150（滴/分）,控制误差范围为设定值±1滴。当高度h1降到警戒值（2～3cm）时，能发出报警信号。涉及到的基础知识包含有：光电检测电路，不仅电机控制电路，单片或者可编程逻辑器件，数字显示等。
各题目具体要求如下。
1、水温控制系统
一、任务
设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。
二、要求
1．基本要求
（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。
（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。
（3）用十进制数码管显示水的实际温度。
2．发挥部分
（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。
（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。
（3）在设定温度发生突变（由40℃提高到60℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。
5.方案例：自动往返电动小汽车
（1）自动往返电动小汽车（方案1）
自动往返电动小汽车（方案1）方框图如图1.3.45所示。系统采用两块单片机（89C52和89C2051）作为自动往返小汽车的检测和控制核心。路面黑线检测使用反射式红外传感器，车速和距离检测使用断续式光电开光，利用PWM技术动态控制电动机的转速。使用了一套独特的软件算法，实现了小汽车在限速和压线过程中的精确控制。
本设计的主要特点是：电动机驱动调速采用由达林顿管组成的H型PWM电路。控制电路电源和电动机电源隔离，信号通过光电耦合器传输。路面黑线探测采用脉冲调制的反射红外方式一接收器，超强纠错，免受路面杂质干扰。车轮检速采用断续式光电开关。双电
源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。优化软件算法。后置式红、绿方向灯，显示行驶状态。改进的导向装置，减少了挡板摩擦。
图1.3.45 自动往返电动小汽车（方案1）方框图
（2）自动往返电动小汽车（方案2）
自动往返电动小汽车（方案2）方框图如图1.3.46所示。单片机是整个系统的核心控制元件，光电传感器完成对跑道标志线的检测和左右挡板防撞检测，为此设置多个光电传感器，通过多个红外光电传感器对汽车运动位置和姿态进行检测。霍尔速度传感器完成对运行距离的测量；单片机通过PW,调节后轮电动机运动速度，实现对汽车运行速度的调节，通过控制前轮转向电机调节汽车运动方向。
单片机通过检测4个左右防撞光电传感器的输出信号，确定汽车是否过于接近跑道左右挡板，从而发出前轮电机驱动信号，对汽车运动方向实现纠偏。
单片机通过霍尔元件检测后轮的转动圈数，经计算，在显示器上显示并记录汽车的运动距离。
（3）自动往返电动小汽车（方案3）
自动往返电动小汽车（方案3）方框图如图1.3.47所示。体统采用单片机作为核心器件实现对电动小汽车行驶的自动控制。控制过程是利用反射式光电检测器采集的数据，通过软件完成对电动小汽车在不同路段的行驶速度实时控制，用数码管实现对指定行程和所
用时间显示，同时利用红外数据传输方式将在限速区、终点区和返回到起点区后的时间和距离数据向手持显示装置单向传送。键盘设置在小汽车中，对速度的控制调整更加方便、精确。
图1.3.46 自动往返电动小汽车（方案2）方框图
(a)车载系统
(b)手持接收系统