高职高专仪器仪表类赛题分析

全国大学生电子设计竞赛高职院校学生参赛技能培养一、全国大学生电子设计竞赛高职高专参赛简介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四大学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技活动，目的在于推动全国普通高等学校促进信息与电子类学科面向二十一世纪课程体系和课程内容的改革，促进教育也要实现两个转变重要思想的落实，有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的创新能力、协作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。竞赛内容既有理论设计，又有实际制作，可以全面检验和促进参赛学生的理论素养和工作能力。

3．参赛队和参赛学生

每队由三名学生组成，除研究生以外所有具有正式学籍的在校本科生、专科生都有资格参加。

4．竞赛时间和竞赛周期

从1997年开始，每二年举办一届全国大学生电子设计竞赛，即今后凡逢单数年号时举办全国竞赛。赛期四天5．方式竞赛

竞赛采用全国统一命题、分赛区组织的方式，竞赛采用“半封闭、相对集中”的组织方式进行。

从2007年开始大学生电子设计竞赛分为本科组和高职高专组。2011年，大学生电子设计竞赛增加了复测，以复测分加上省赛一等奖的得分作为评定全国奖项的依据。

2015年起，全国大学生电子设计竞赛，将以复测得分作为评定全国奖项的门槛条件，对于高职高专的学生电子电路知识的广度和深度有了更高的要求。二、全国大学生电子设计竞赛命题原则及要求1.命题范围

以电子技术(包括模拟低频、高频和数字电路应用设计为主要内容。可以涉及单片机、可编程逻辑器件、EDA软件工具和PC（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，并考虑到目前教学基本内容和新技术应用趋势。2.题目要求

竞赛题目应能测试学生运用基础知识的能力、实际能力和独立工作能力。题目包括基本要求部分和发挥部分，从而使绝大多数参赛学生能在规定时间内完成基本要求部分的设计工作，又能使一部分优秀学生有发挥与创新的余地。3.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，在难易程度上有差别。三、2007年-2017年全国大学生电子设计竞赛高职高专题目简介一.电源类1.直流稳压电源及漏电保护装置（L题）(2013年)2.LED闪光灯电源（H题）(2015年)二.信号源类信号发生器（H题）(2007年)

总结历届电子竞赛高职高专赛题，根据其侧重点的不同进行了分类，包括电源类、信号源类、放大器类、仪器仪表类、数据采集与处理类、控制类六个大类。三.放大器类1.可控放大器（I题）(2007年)低频功率放大器（G题）(2009年)四.仪器仪表类积分式直流数字电压表（G题）(2007年)LED点阵书写显示屏（H题）(2009年)简易自动电阻测试仪（G题）(2011年)简易照明线路探测仪（K题）（2013年）直流电动机测速装置（O题）(2017年)简易水情检测系统（P题）(2017年)五.数据采集与处理类波形采集、存储与回放系统(H题)(2011年)管道内钢珠运动测量装置（M题）(2017年)六、控制类电动车跷跷板（J题）(2007)模拟路灯控制系统(I题)(2009年)帆板控制系统（F题）(2011年)电磁控制运动装置（J题）(2013年)风板控制装置（I题）(2015年)小球滚动控制系统（J题）(2015年)自动泊车系统（L题）(2017年)

涉及到的电子信息类专业的课程：模拟电路、数字电路、高频电路、电子测量、单片机、传感器技术、EDA技术等；涉及到的实践性教学环节：电子线路实验课、单片机实验课、课程设计、生产实习等；竞赛中可选用的器件：晶体管、集成电路、单片机、可编程逻辑器件等。电子设计竞赛的试题试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。既反映了电子技术的先进水平，又引导高职院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。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、制作完成一个有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这个课程群的教学水平和教学改革的成败。电动车跷跷板（J题）(2007)模拟路灯控制系统(I题)(2009年)帆板控制系统（F题）(2011年)电磁控制运动装置（J题）(2013年)风板控制装置（I题）(2015年)小球滚动控制系统（J题）(2015年)自动泊车系统（L题）(2017年)高职高专控制类赛题分析

分析历届高职高专题目的命题内容发现，控制类题目的命题具有较强的综合性。要对参赛学生控制系统设计综合能力进行的培养，主要涉及传感器应用、模拟电路制作、功率电路制作、数字电路制作、控制算法编写、机械制作等多方面的知识。高职高专控制类赛题分析从历届本科“控制类”赛题可以看到，在“控制类”赛题中，控制对象从一个的发展到多个（例如，2011年C题，智能小车就要求控制2台电动小车），从地上发展到天上（例如，2013年B题，四旋翼自主飞行器），从单方向、单轴运动发展到多方向、多轴向运动（例如，2013年C题，简易旋转倒立摆及控制装置）。本科控制类赛题的要求越来越高。高职高专赛题也有次趋势。检测电路主要涉及传感器及其相应调理电路的设计；

电动车跷跷板（2007年J题高职高专组）等：

光电检测器（黑线检测），反射式红外传感器（黑线检测），霍尔传感器（转速测量），光电码盘（转速测量，路径检测），

超声波传感器（障碍物检测，距离检测），

光敏电阻（光源检测），倾角传感器（倾斜角度检测）

模拟路灯控制系统（2009年I题，高职高专组）：红外光电传感器（移动物体检测），光敏电阻（环境光检测），霍尔传感器（移动物体检测）。帆板控制系统（2011年F题，高职高专组）：倾角传感器（帆板角度测量）电磁控制运动装置（2013年J题，高职高专组）：光电编码器（摆杆角度测量），

角速度传感器（摆杆角度测量）。以上传感器有些提前做训练。掌握其特性与使用方法。控制电路涉及单片机、FPGA、ARM等控制器的应用；

如：AT89C52、AT89S51、AT89S52、MSP430F、Atmega128、PIC16F628A、等等。Altera公司及STM32等

驱动电路主要包括电机驱动和其他功率电路的设计制作；

机械系统主要包括电机的应用、机械结构的制作等；

另外根据具体要求，还可能需要通信电路和其他的扩展电路。针对控制系统设计所需的知识结构，完成层次化的训练内容，合理分配基本性训练、设计性训练、综合性训练比例，按阶段实施培训计划，逐步培养学生从基础模块训练到驱动程序的编写能力，再到控制算法的编写与调试能力，最终使学生达到一般控制系统的综合设计能力。

相关的培训可以涵盖如下5个方面：①控制系统常用传感器训练，包括温度传感器、光电传感器、超声波传感器、倾角传感器、角度位移传感器、音频信号检测器等；②控制系统常用微控制器训练，包括单片机、FPGA、ARM；③控制系统常用外围模块训练，包括键盘和LED控制、液晶显示器、触摸屏、ADC和DAC、无线收发模块、语音模块等；④控制系统常用电机控制训练，包括舵机、直流电机、步进电机的控制等；⑤控制系统PID控制算法训练，包括增量式PID算法设计、位置式PID算法设计等。技能训练内容整体包含以下层次的训练：①训练学生掌握电工电子工程实践的基础知识和基本技能；②训练学生掌握仪器仪表的使用方法及与单片机有关的基础知识；③训练学生掌握与控制系统设计有关的各个功能模块的设计与调试方法；④对学生知识面进行拓展，训练学生学习与高级控制系统设计有关的知识。高职高专仪器仪表类赛题分析

在6届高职高专电子设计竞赛赛题中，“仪器仪表类”赛题是电子设计竞赛中出现的最多类型的赛题之一，每届都有仪器仪表类赛题，2017届有2题。

积分式直流数字电压表（G题）(2007年)LED点阵书写显示屏（H题）(2009年)简易自动电阻测试仪（G题）(2011年)简易照明线路探测仪（K题）（2013年）直流电动机测速装置（O题）(2017年)简易水情检测系统（P题）(2017年)

“仪器仪表类”赛题特点：

“仪器仪表类”赛题涉及面广，需要掌握的测量（测试）理论和方法也很多，训练要求教高。电子仪器主要用于测试其它电子系统的性能指标，因此，电子仪器对技术指标的要求相对更加严格。基本电路的设计是仪器设计的基础。仪器类赛题的设计最终往往会化解成为一些基本电子电路的组合，因此电子仪器类赛题的训练一定要建立在基本电路设计训练的基础上。

仪器仪表类赛题的主要知识点工频交流电电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数的测量方法和电路

幅频特性的测试电路和方法相频特性的测试电路和方法方波、正弦波信号的频率、周期测量方法和电路脉冲宽度的测量方法和电路电阻的自动化测量方法和电路

电阻、电容和电感参数测试电路和方法,扫频信号源的实现方法和电路正交扫频信号源的实现方法和电路数字信号的信号眼图与眼幅度测试方法和电路信号各频率分量功率的测量方法和电路

正弦信号失真度的测量方法和电路

实时采样方式的实现方法和电路“仪器仪表类”赛题培训建议1.从仪器仪表的产品说明书和使用手册中获得赛题的基本工原理与测量和测试方法。2.注意同一类型的仪器仪表，其工作原理与测量和测试方法可能不同。3.选择已经出现过的一些赛题做一些训练。4.考虑一下：已经出现过的一些赛题，下哪些可能在制作要求方面会有哪些变化？积分式直流数字电压表(2007年G题)

一.题目要求二.题目分析及系统框图三.方案论证及设计一.题目要求1．任务在不采用专用A/D转换器芯片的前提下，设计并制作积分型直流数字电压表。2．要求

(1)．基本要求①测量范围：10mV～2V；②量程：200mV，2V；

③显示范围：十进制数0～1999；

④测量分辨率：1mV（2V档）；

⑤测量误差：≤±0.5％±5个字；⑥采样速率：≥2次/秒；

⑦输入电阻：≥1M

；

⑧具有抑制工频干扰功能。

(2)．发挥部分①测量范围：1mV～2V；②量程：20mV，2V；

③显示范围：十进制数0～19999；

④测量分辨率：0.1mV（2V档）；⑤测量误差：≤±0.05％±5个字；⑥具有自动校零功能；

⑦具有自动量程转换功能；

⑧其他。

二.题目分析1．A/D转换电路分析

¤数字电压表的核心部分是A/D转换电路。

¤目前A/D转换电路形式有：逐次逼近型、并行比较型、双积分等。¤各种转换形式各有优缺点。其中双积分的A/D具有精度高，抗干扰强等优点，但速度慢，适合测量静态或准静态信号。

¤各类均有专用A/D转换器芯片。

题目明确的指出采用双积分A/D，且不能用专用A/D芯片。2．系统组成

¤程控放大电路：完成输入信号的调理和量程（200mV，2V或更多）的转换。

¤自动校零电路：完成自动校零功能。

¤积分器电路：由运放组成，完成电压－时间的转换。

¤控制部分：控制量程转换、自动校零和积分器的正常工作，并完成人机对话功能。

¤键盘、显示电路：完成人机对话。

¤电源电路：为各电路提供电源。三.方案论证及设计1．程控放大器

根据题目要求我们将量程分成三档：20mV、200mV、2V,其中200mV、2V为题目的要求，20mV为扩展量程。当输入信号小于20mv时放大100倍，当输入信号大于20mV但小于200mv时放大10倍，输入信号为200mv～2v时输入信号不放大，这样处理后使各输入电压统一调理为0～2V。为防止自动量程转换时的抖动，相邻挡应有一定的重叠区。要求控制芯片根据采集值能对量程自动化切换，同时输入级要求输入电阻≥1M

。三.方案论证及设计1．程控放大器方案一:采用同相放大器,如下图：

S1、S2、S3三个开关由单片机控制，分别完成放大1、10、100的功能，S1、S2、S3的闭合情况由单片机根据Vo的值自动完成，能实现自动量程转换功能；同时采用了同相放大器，输入阻抗Rif＝Ri×（1＋AF）,满足输入电阻≥1M

。此电路的缺点为：不能实现差分输入，且抗共模干扰能力还需加强。方案二:采用三运放构成的仪表放大器，如下图：

S1、S2开关由单片机控制，分别完成放大1、10、100的功能，能实现自动量程转换，计算如下：当S1闭合、S2断开时：

放大倍数A1=1+2R1/RG1≈100(选择合适的RG1)当S2闭合、S1断开时：放大倍数A2=1+2R1/RG2≈10(选择合适的RG2)当S1断开、S2断开时，放大倍数A3=1此电路的输入电阻高、能实现差分输入，且抗共模干扰能力强等优点。

方案三:采用专用仪表放大器芯片（如INA128等）。此方案除具有方案二的优点外，还具有外围接线简单的优点，但成本较高。

上述三种方案均能实现自动量程转换和满足输入电阻≥1M

的要求。

2．自动校零电路

输入电压信号经过信号调理电路（程控放大等）、双积分电路等处理，由于外界因素（如温度等）的影响，即使输入的电压信号等于0，输出的数值也不等于0，且数值随外界因素（如温度）的变化而变化，即零点漂移。实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入。

方案一：手动零点调节：每次适应时，先将输入手动短路，调节相应的电位器，使输出等于0。此方案实时性差，当环境（温度等）发生变化时，需要重新校零，且需要手动调节电位器，不满足题目的“自动校零”的要求。

方案二：设置一个单刀双掷开关（CMOS开关或继电器），由单片机控制自动完成零值（开关处于位置3）和实际输入（开关处于位置1）的测量。不需要手动调节定位器，能满足“自动校零”的要求。

方案二的零点采集时间可采用以下方式：方式一：设置一个按键，在需要校零时按下按键,单片机检测到按键时即进行校零,此方案不足之处在于校零时,需要人工按键,实时性差。

方式二：每次测量均采集一次零值，然后将每次实际测量值减去每次测量零值，达到自动校零的效果，此方案最具有实时性。

方案二的方式一、方式二完成题目的要求。比较而言，方式二最优，但测量速度变慢。3．抗工频干扰电路

由于是直流电压检测，可用RC低通滤波器进行低通滤波，为加强效果，可采用2～3级RC串联；另一方面双积分的积分时间设置成工频周期20ms的整数倍，在1个积分周期内，可使周期性的50Hz干扰正负相互抵消，对积分的贡献为0，有效防止了工频干扰。4．小信号检测

题目要求能对1mV的信号进行检测，由于运放存在输入失调电压和失调电流，可能造成输入1mV的信号电压通过调理电路后形成负的电压送到双积分电路，这样双积分被测信号输入有正有负，可采用以下方案处理：

方案:将输入电压进行电平移动，叠加1个直流电平，使得1mV～2V的输入电压偏离零点较远，例如叠加1V直流电平后，输入变成1mV+1V～2V+1V在全量程范围形成正电压，这样只需要负电压进行反向积分。5．双积分电路

双积分电路是本系统的核心电路，由模拟开关、基准电压源、积分器和比较器构成。其电路原理框图如下图所示。到MCU有关积分器几个个问题：

¤分辨率：题目要求显示范围为0～19999，测量分辨率：0.1mV（2V档）。要求单片机选择合理的定时分频系数，使得输入2V时，对应的T2的量化值≧20000，才能满足分辩率的要求。¤S2的作用：每次积分前，S2闭合使积分电容放电，一段时间后断开，使每次测量Vo均从0开始。

¤积分运放的选择：选择高精度、失调电压和电流小的运放，例如OP27等。

¤积分电容的选择：积分电容应选择介质损耗小的，例如聚丙烯电容，聚苯乙烯电容。6．软件设计软件流程图如下图所示，主要完成各部分的控制和数字处理等。四、全国大学生电子设计竞赛参赛培训四天三夜半封闭国赛阶段

竞赛的环节——三阶段省赛专家组测评方案设计实物作品论文撰写八小时全封闭全新题目信息封闭现场打分国家集中复测作品再测学生答辩完成评定综合测试

30分省赛阶段120分国赛专家组测评01重视校内竞赛-初选队员电气学院“创