2019年电子设计国赛综合测评回顾

之前看到群里有很多同学感叹说&＃xff0c;一个人在大学期间只有一次参加电子设计国赛的机会&＃xff0c;要么就是美好回忆&＃xff0c;要么就是四年遗憾。话虽如此&＃xff0c;但字里行间多多少少有些郁郁不平之气。
不知为何&＃xff0c;突然就有点心血来潮想写点什么。很久没写东西了&＃xff0c;大概我已经过了那个借酒浇胸中块垒的年纪了吧。参加完全过程长达十个小时的综合测评&＃xff0c;我的大学电赛之旅也就接近画上了最后的句号。综合测评之前我们组是程控模拟电磁曲射炮那题的省里第三&＃xff0c;可能我们综合测评做得还算不错&＃xff0c;加上综合测评的分数之后居然还反超了原来第一名的那组。

进入正题&＃xff0c;综合测评就是把第一轮已经获得省一等奖的队伍关进小黑屋&＃xff0c;只让带纸和笔&＃xff0c;在七个小时内设计电路并焊接&＃xff0c;考察数模电基本功&＃xff0c;根据测出的波形评分&＃xff0c;如果分数低会取消获奖资格。因为如果数模电基本功这么差的话&＃xff0c;那第一轮做出的那么好的作品很大可能就不是自己做的了&＃xff08;滑稽.jpg&＃xff09;。

综合测评比赛结束之后&＃xff0c;我把发的数据手册带回来留作纪念&＃xff0c;焊完的板子在全部测试完成征得评委老师同意后也拍照留念了。
今年综合测评的板子很漂亮&＃xff0c;包装很好&＃xff0c;数据手册印刷质量也很好。


但是一翻开数据手册&＃xff0c;发现德州仪器提供的运放芯片是真的差&＃xff0c;LM324AD&＃xff0c;压摆率才0.5V/us&＃xff0c;而且自身还有比较明显的交越失真&＃xff08;关于LM324系列运放交越失真的解决办法&＃xff0c;请看另一篇博文https://blog.csdn.net/qq_30205523/article/details/100539035&＃xff09;。后来在淘宝上一查4毛钱一片&＃xff0c;平均一个运放一毛钱&＃xff0c;这种运放芯片估计连非洲兄弟现在都不用了吧……

不过&＃xff0c;今年综合测评的题目风格和往年有些不太一样……


简单来说就是使用74LS00四与非门和LM324四运放&＃xff0c;不允许使用二极管三极管和mos管&＃xff0c;在&＃43;5V单电源供电下产生四种波形&＃xff1a;
1、频率为19kHz-21kHz连续可调的方波&＃xff0c;幅值不小于3.2V。
2、与方波同频率的正弦波&＃xff0c;无明显失真&＃xff0c;峰峰值不小于1V。
3、与方波同频率占空比5%-15%可调的窄脉冲&＃xff0c;幅值不小于3.2V。
4、与正弦波正交的余弦波&＃xff0c;相位误差不大于5°&＃xff0c;峰峰值不小于1V。

第一问用运放产生频率可调的方波很简单&＃xff0c;属于签到题&＃xff0c;但是幅值不小于3.2V这个要求会卡住一部分人。因为只能使用&＃43;5V单电源&＃xff0c;所以只能从中间分压等效成±2.5V的电源。而根据提供的芯片手册&＃xff0c;运放的输出电压会从电源电压中吞掉1.5V左右的电压。这个很正常&＃xff0c;普通的运放都是这样&＃xff0c;除非是rail-to-rail型的运放。那么如果正负电源电压都被吞掉1.5V左右的话&＃xff0c;那么产生的方波幅值也就2V多一点&＃xff0c;达不到要求的3.2V。

但是在这题里有一个小技巧是&＃xff0c;把与非门全部接成非门当电平转换器和隔离缓冲器用。2V多的电压足以让74LS00认为是高电平了&＃xff0c;那么2V多的方波经过两级非门反相器&＃xff0c;得到的方波就是幅值大于3.2V的方波了。

第二问要求得到与方波同频率的正弦波&＃xff0c;用一个运放搭成二阶有源低通滤波器&＃xff0c;截止频率选在21kHz就可以了&＃xff0c;只留下基波&＃xff0c;三次以上的谐波通通滤掉。但是因为运放的压摆率不太好&＃xff0c;运放本身还有交越失真&＃xff0c;所以得到的正弦波有一点点难看。有个需要注意的地方是&＃xff0c;为了不影响第一问的方波的波形&＃xff0c;最好另外用一个非门搭在第一级非门反相器上&＃xff0c;这样就能起到后级负载对前级隔离的效果。这一问不太推荐使用无源RC滤波器&＃xff0c;虽然经过四级无源RC滤波器之后正弦波的波形很好看&＃xff0c;但是一旦接上题中要求的1kΩ的负载&＃xff0c;幅值会变得很小&＃xff0c;峰峰值应该是没有1V的。

第三问要求得到与方波同频率占空比5%-15%可调的窄脉冲。可是不让用二极管就有点麻烦了&＃xff0c;因为如果让运放直接产生占空比可调的方波&＃xff0c;必须要用到二极管&＃xff0c;这条路直接被堵死了。那么另外的办法是用运放搭一个积分器&＃xff0c;对第一问中的方波进行积分&＃xff0c;将得到的三角波用电容耦合后经过直流电压偏置&＃xff0c;再送入非门反相器就可以得到占空比比较小的方波了。通过调整直流偏置电路的电位器&＃xff0c;即可调整窄脉冲的占空比。但是会出现一个难以避免的问题就是&＃xff0c;由于上升沿和下降沿是需要一定时间的&＃xff0c;所以在20kHz的频率下&＃xff0c;当占空比调到10%以下时&＃xff0c;方波就没那么方了&＃xff0c;会有很明显的上升下降的过程&＃xff0c;可能运放的压摆率太差才是原罪吧……

第四问要求得到与正弦波同频正交的余弦波&＃xff0c;相位误差不大于5°&＃xff0c;这个看起来是挺简单的&＃xff0c;但是相位误差控制在5°以内要求还是有点严。用运放搭一个积分器或者微分器&＃xff0c;仔细地调整R和C的参数&＃xff0c;使得相频特性在20kHz的时候刚好是90°左右的样子。

综合测评七个小时其实挺紧张的&＃xff0c;主要是第三问的思路上和第四问的参数上有难度&＃xff0c;前两问电路很快就出来了&＃xff0c;第三问窄脉冲卡了一个小时&＃xff0c;第四问三个人大脑集体短路差点以为正交是相位差180°&＃xff0c;也不知道是因为太紧张了还是什么原因……
组委会发的是黑金双面板&＃xff0c;看起来好看&＃xff0c;焊起来难焊。队友从11:00开始焊电路的&＃xff0c;焊到14:40才差不多焊完&＃xff0c;调了一会儿波形都正常了。15:00上交设计报告和板子&＃xff0c;一个一个地测试&＃xff0c;等得都快睡着了……谁都不知道测试居然要等两个半小时的时间。
等到17:30轮到我们组测试&＃xff0c;接上评委的数字示波器&＃xff0c;按了一下Autoset&＃xff0c;什么波形都没有&＃xff0c;我瞬间被吓醒……于是一边和评委们谈笑风生&＃xff0c;一边手动调示波器&＃xff0c;表面上说说笑笑&＃xff0c;内心实则慌得一批。还好调了半分钟发现评委的示波器Trigger选得不对&＃xff0c;按Autoset根本出不来波形&＃xff0c;频率显示都干到几十MHz去了……手动调很快就出波形了&＃xff0c;队友一边拧电位器&＃xff0c;我一边调Trigger Level&＃xff0c;波形比我们自己测的时候还稳定2333。
18:00全部测试结束回到学校&＃xff0c;一天没吃东西的我和队友吃了顿好的&＃xff0c;回到宿舍没多久就睡着了……可能看起来轰轰烈烈的一天&＃xff0c;其实也不过只是生命里一个极其普通的日子吧。