国一大神——北航大四学长的2019电赛回忆录（上篇）

原创电子森林 2021-05-14 18:21

2021年电赛正进行的如火如荼，5月31日报名入口即将关闭。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？

北航大四学长李熠东，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李同学的博客，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）

● 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

● 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）

● 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，而今年的题目更加突出了这个模型的重要性。