​电赛 | 19年全国一等奖,北航学子回忆录(上)

大鱼机器人 2021-05-16 12:05
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2021年电赛将在八月份举行!


备战电赛的同学们,有人成竹在胸,有人迷茫困顿……那么,如何汲取最快的备赛经验?


北航大四学长RadonyL,荣获2019年全国电赛一等奖,目前任北航科技竞赛组学生教练。


以下的内容分享是来自于Radonyl同学的博客,高手的电赛之路,拒绝采坑。


同学们都来看!!!(划重点)


*2019年8月11日,比赛结束后将作品送到北邮封存*


电赛考察的是什么?


我参加电赛纯属偶然,多亏了ghx同学赏识我在电子方面的兴趣,在18年10月的时候拉上我组队,去打电赛——目前国内电子类的最高竞赛。


经过了解,这个比赛就是让三人一队,在三天的时间内完成一个题目指定的电子作品,共有5-7个题目供选择,传统上来说分为高频题、电源题、仪表题、自控题和无人机题等,还有高职专用题,受众面非常广。


此外,这个比赛也是国内电子信息类的最高竞赛,每届比赛(两年一届),凡是校名里面带有“电子”“科技”“理工”的学校都积极参与,并取得不错名次。但清华、北大这些顶尖高校鲜有参与,即使参与其成绩也十分一般,甚至进不了国赛。


这是电赛给我的第一个冲突感:这也许是一个不考究创新和学术的比赛,因为那些专注于培养学生学术能力的学校往往不能在里面拿名次。


那我们不禁要问:电赛考察的是什么呢?


为了得到这个问题的答案,我找来了所有的往年题,与此同时学校也下发了选拔题目。通过对这些历届题目及其题解的整合和分析,我发现电赛不外乎考察了以下几种能力:(不包括自控和无人机方向)


1.  模拟信号链设计与调试


*典型的模拟信号链(图片来源:microchip)*


模拟信号链,其主要研究的问题就是将模拟信号进行变换、调理,方便对其进行数字化,并最终运用数字的方法对信息进行处理、存储和展示。在电赛中,往往给出了信息的来源,和最终的去向,中间的部分自由发挥。


如果执行器和传感器输入信号有反馈关系,就构成一个自动控制系统;如果执行器与输入为映射关系,就构成一个测量仪表。


这些题目包括05年的集成运放参数测试、07年的程控滤波器和多年都出现了的数字示波器等,模拟信号链的难点主要是:


1.对电压、电流、电阻、电容和电荷的精密测量

2.信号链噪声、动态范围和精度的定量计算

3.带宽与精度的权衡


2. 射频信号链设计调试


*主要考察可控增益与衰减(图片来源:ADI)


射频信号链,其处理的信号频率在300M以上,与常规的模拟信号链的根本不同在于:集总元件假设不再成立,必须考虑电路中的分布参数,而大部分的分布参数都是我们不希望的。电赛中一般出现的是可控增益与衰减(包括AGC)这部分的难点是:


1.必须具备完整的微波工程知识体系,掌握传输线理论

2.理解系统灵敏度(噪声)、动态范围和增益分配的概念

3.在实物制作中,掌握高频PCB的Layout准则(阻抗控制、信号完整性等)

4.用于调试射频电路的仪器极其昂贵(VNA,频谱仪,射频信号源)


3.  电源设计


*典型的仪器仪表电源(图源:ADI)


电源能够给各级电路提供合乎要求的Power rails,涉及到的技术包括DC-DC、LDO等,这些都有芯片级的解决方案,能用就行。主要关注的是电源的噪声,应该尽量减少电源的噪声,特别是带内噪声。但也有将电源作为题目主体的,考察逆变、整流、变频和调相等,这些题目中多涉及到功率电子,属于电力电子方向。


FPGA的使用

●  数字信号处理:自适应滤波器、数字收发机 (数字下变频、DPLL等)

●  高速数字电路:频率计


仪器仪表原理

●  时域测量

    示波器

    万用表

●  频域测量

    频谱仪

    失真仪

●  网络分析

    低频:LCR阻抗测量

    高频:标量/矢量网络分析仪


系统整合与控制

●  模块化设计

●  设计的可靠性

●  文档编写


硬件工程师的自我修养(经验积累)

●  原理图绘制与PCB Layout

●  常用仪器的操作

●  焊接技术

●  故障分析调试


做完一个整体的分析,这个“不外乎”也实在太难为人了:这里面的每一个考察的方向,都有深厚的行业和学科背景,都值得深入地研究。


面对涉及面如此广的比赛,我们不禁要问:
“如何对敌?”


我认为最关键的,就是培养一种“工程直觉”,即能够看到一个需求迅速形成解决方案的系统框图,其实就是看到各种需求背后那些本质的东西,这样就可以在熟悉的领域内解决问题。


比如今年(2019年)的纸张计数显示装置,本质上就是对电容的测量,电容的测量可以用什么办法呢?


比如LCR、振荡电路等,考虑到是pF级别电容的测量,需要考虑对电容进行等效放大以减小测量误差,这时选取振荡电路法就比较合理。


还有今年的线路负载及故障检测装置,本质上就是测量电路的阻抗谱,等效于一台LCR。LCR是典型的模拟信号链,有自平衡半桥法、数字锁相法等,方案的选择是需要按照实现难度和精度要求去取舍的。


电赛重在动手。按照学长的话来说:“所谓电赛,就是把以往的题目都做了,就会了”。要想把电赛做好,往年题就是重要的参考。可我发现拿着往届的优秀论文往往只能提供一些方向性的指导(原因的论文基本就是套用写好的模板,比赛的时候没有时间写得详尽),难以真正落到实处。


若尝试自主设计,却总难免落入眼高手低的困境。动手能力本质上是工程经验的积累,是工程直觉落到实处的关键。工程经验的积累除了不断实践,有人提携才是最关键的,这个在后面会说到。


总的来说,电赛考察的应该是综合创新能力和动手能力,它不需要你用高超的技术探求测量的极限、追求面面俱到的不妥协,也不需要以产品的标准来考虑它的成本、可制造性;它需要的是综合已有方案解决新问题,并且整合的速度要快,质量要高。



一种优雅的方案——XSTK


前面已经说到,电赛就是要快速综合已有的方案来解决新的问题,一种比较普遍的做法就是准备很多小的模块,比如放大器、比较器、电源、单片机等,这些模块均使用统一的电源和信号接口,比较常见的是使用SMA作为信号接口,电源则采取插座版的形式。


*一种典型的电赛作品(图片来源:知乎)


这种作品实在太不优雅,让人一眼看上去就觉得十分不靠谱。我们提出了一种通用电路模块系列,规范了尺寸和固定孔位,定义了统一的供电、通信总线。这些模块形成一个堆叠结构,由一块电源板集中供电、一块控制板集中控制,模块之间使用排线连接供电和通信总线。


这种结构我们取名为“XSTK”,是取stack的缩写,意为堆叠式的。


XSTK模块:UFGL31603 控制器


PCB的尺寸选择了8.9*10,在特价样板的尺寸限制内。宽度之所以是8.9是为了LEGO适配,可以使用LEGO零件来做外壳。在PCB右侧的10P的DC3插座(J_PWR)为电源总线插座,14P的DC3插座为通信插座(J_DAT),提供I2C和SPI。在射频连接器上选用无需拧螺母也不会松动的MCX连接器,提高安装的效率。


这里额外补充一下,RF相关的连接线、连接器、衰减器等,其加工公差分为校准级、实验级和产品级。在选购RF相关的器材时,最好选择专营店购买实验级产品(价格为产品级的5-10倍),并且严格按照规范拆装,保证连接的可重复性,并且杜绝与他人借用、混用(这样你的公差就把他/被他的同化了)


*使用LEGO科技零件搭成的XSTK外壳


*XSTK堆叠结构样例


在确定的模块基本属性之后,我们需要确定需要制作哪一些模块。我们研究了工业界的 PXI 模块化仪器系统,结合电赛的实际情况,确定了XSTK模块的分工和规划。


控制器:MCU模块

激励源:DDS模块

高速DSP:FPGA配高速AD/DA

信号调理:固定/可变增益放大器、有源/无源滤波器、比较器、检波器、LNA、  程控衰减器、乘法器、继电器



可以看到在信号调理这个部分的模块特别多,而且每个模块做的事情都特别简单,这是XSTK模块设计过程的一个妥协。


在原本的计划中,XSTK应该将每一个模块设计为一个独立的仪器,比如将乘法器、滤波器、检波器组成下变频模块,但是考虑到时间、精力有限,我们还是把信号调理打得很散。


但总的来说,XSTK的模块的目标是构成典型的仪器仪表类的通用模型。在以往的电赛中,总会出现一个可以运用这个模型的题目,而今年(2019年)的题目更加突出了这个模型的重要性。

-END-


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