【电子设计大赛】2020电子设计大赛E题通关指南-优快云博客

一、2020 电赛 E 题初印象

全国大学生电子设计竞赛，作为电子信息领域极具影响力的学科竞赛，一直是高校学子展现专业技能与创新能力的大舞台。每一届的电赛题目都紧密结合行业前沿与实际应用，旨在激发学生的创新思维，锻炼他们解决实际问题的能力。2020 年的电子设计大赛也不例外，众多赛题中，E 题以其独特的挑战性和趣味性，吸引了众多参赛队伍的目光。

2020 年电赛 E 题聚焦于 [具体方向]，要求参赛团队设计并实现一个 [系统或装置简述]。这道题不仅涉及模拟电路、数字电路、信号处理等电子专业的核心知识，还对学生的编程能力、工程实践能力以及团队协作能力提出了全面考验。从硬件电路的搭建，到软件代码的编写与优化，再到系统的联调与测试，每一个环节都充满了挑战，同时也蕴含着创新的机遇。

二、E 题深度剖析

2.1 赛题要求拆解

2020 年电子设计大赛 E 题要求设计并制作一个放大器非线性失真研究装置。具体来说，参赛者需要利用晶体管、阻容元件、模拟开关等元器件搭建一个受控晶体管放大器。该放大器有特定的输入要求，当外接信号源输出频率为 1kHz、峰峰值为 20mV 的正弦波作为输入电压时，放大器要输出无明显失真及四种失真波形，分别是顶部失真、底部失真、双向失真和交越失真，并且输出波形的峰峰值不能低于 2V 。

在完成波形输出的基础上，还需要对这五种输出电压的 “总谐波失真” 近似值进行测量并显示。总谐波失真（THD）是衡量线性放大器非线性失真程度的重要指标，在测量 THD 时，全程不能有任何人工干预，这对系统的自动化和智能化提出了较高要求。整个设计过程不仅要实现硬件电路的搭建，还要撰写设计报告，在报告中详细阐述方案论证、理论分析、电路设计以及失真原因分析等内容。

2.2 方案对比与抉择

面对这样复杂的赛题要求，参赛团队在设计之初就需要思考多种实现方案，并进行深入的对比分析。在众多可能的方案中，有两种方案较为典型，各有利弊。

方案一是采用五个晶体管放大电路分别产生不同的波形，即一个放大电路对应一种波形，如一个电路专门产生无明显失真的正弦波，另外四个分别产生顶部失真、底部失真、双向失真和交越失真波形。这种方案的好处显而易见，每个电路功能单一，调试起来相对容易。当其中一个元器件出现故障时，只会影响对应的那个波形的输出，不会导致其他波形也无法产生结果，系统的稳定性和可靠性较高。然而，它的缺点也很突出，由于需要搭建五个独立的放大电路，元器件数量多，焊接和调试的工作量巨大，这不仅增加了硬件成本，也会耗费大量的时间和精力在电路搭建和调试上，对于比赛这种时间紧张的场景来说，可能会面临时间不够用的风险。

方案二则是只用一路放大电路，通过改变阻值来产生不同的波形。比如通过模拟开关切换不同阻值的电阻，从而改变放大电路的静态工作点，进而产生不同类型的失真波形以及无失真的正弦波。这种方案最大的优势在于焊接电路的工作量大大减少，硬件成本也相对较低，而且由于电路结构相对简单，在理论上可能更容易进行整体的优化和调整。但是，它也存在明显的劣势，由于所有波形都依赖于这一路放大电路，一旦这部分电路出现问题，比如某个电阻焊接错误、模拟开关故障等，就可能导致所有波形都无法正常显示，调试难度较大，排查故障需要花费更多的时间和精力，对团队成员的技术水平和经验要求更高。

综合考虑两种方案的优缺点，在实际比赛中，如果团队成员对电路调试的经验相对较少，且时间有限，为了求稳，方案一可能是更好的选择，虽然工作量大，但胜在稳定可靠，能保证在规定时间内实现基本功能。而如果团队成员技术实力较强，对电路调试有足够的信心，且追求更高的效率和更简洁的电路结构，方案二或许能展现出更大的优势，在完成功能的同时，还可能在创新性和简洁性方面获得额外的加分。

三、硬件电路搭建攻略

3.1 放大电路设计与实践

在硬件电路搭建中，放大电路是核心部分。以常用的共射极放大电路为例，它利用三极管的电流放大作用，将输入信号进行放大。在设计时，需要仔细计算和选择各个电阻、电容的参数，以确保放大电路能够正常工作，并满足赛题对输出波形的要求。例如，基极偏置电阻的选择要保证三极管处于合适的静态工作点，避免出现截止失真或饱和失真。

在实际调试放大电路的过程中，可能会遇到各种问题。比如，在某次调试中，按照仿真结果搭建电路后，测量某个节点的电压，发现与预期值相差甚远。经过仔细检查焊接情况，排除了虚焊、短路等问题后，怀疑是三极管性能异常。更换三极管后，电压仍然没有恢复正常。最后，通过重新计算并调整相关电阻的阻值，才使电路达到了预期的工作状态。还有一次，在电路调试过程中，原本正常工作的放大电路突然出现输出异常，经过排查，发现是由于长时间工作导致某个电容发热，参数发生变化，更换电容后电路恢复正常。

3.2 信号调理电路要点

信号调理电路的作用是将放大电路输出的信号进行处理，使其符合 STM32 ADC（模数转换器）的输入要求。STM32 ADC 通常只能接收 0 - 3.3V 的正电压信号，而放大电路输出的信号可能包含负半周，且幅值也不一定在 ADC 的输入范围内。因此，需要通过信号调理电路对信号进行抬升和幅值调整。

一种常见的信号调理方法是使用加法器电路，将一个直流偏置电压（如 1.65V）与放大后的交流信号相加，使信号整体抬高到正电压范围。同时，还需要根据信号的幅值大小，通过电阻分压或放大器进一步调整信号的幅值，确保其在 0 - 3.3V 之间。此外，为了防止高频噪声对 ADC 采样的影响，还需要在信号输入 ADC 之前，加入低通滤波器，滤除高频干扰信号。

四、软件代码实现之路

4.1 开发环境与工具准备

在软件代码实现环节，我们选用了开发芯片 STM32F103ZET6 ，它是一款基于 ARM Cortex - M3 内核的 32 位微控制器，拥有丰富的资源和强大的处理能力，非常适合本次电赛 E 题的开发需求。与之配套的开发工具是 Keil MDK（Microcontroller Development Kit），这是一款专业的嵌入式软件开发工具，提供了丰富的库函数和强大的调试功能，能够大大提高开发效率。在 Keil MDK 中，我们还需要安装对应 STM32F103ZET6 的器件支持包，以便能够正确识别和使用芯片的各种外设。此外，为了方便进行代码版本管理，我们使用了 Git 工具，它可以帮助团队成员更好地协同开发，追踪代码的修改历史，避免代码冲突等问题。

4.2 核心代码逻辑解读

在软件代码实现过程中，核心代码逻辑主要围绕测量功能、波形显示以及 THD 计算等功能展开，我们通过不同版本的代码迭代来逐步优化和完善这些功能。

4.2.1 定时器版本代码

定时器版本代码主要利用定时器定时实现测量功能。在这个版本中，我们设置定时器的定时周期，当定时器定时时间到，触发中断。在中断服务函数中，进行 AD 采样，获取电压数据。例如，假设我们设置定时器每 1ms 触发一次中断，每次中断时启动 AD 采样，将采样得到的数据存储到数组中。

// 定时器中断服务函数

void TIM3_IRQHandler(void)

{

if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) // 判断是否是更新中断

{

// 启动AD采样

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

// 等待AD转换完成

while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

// 获取AD转换结果

uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

// 将数据存储到数组中

static uint8_t index = 0;

adc_data[index++] = adc_value;

if (index >= ADC_DATA_LEN)

{

index = 0;

}

TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); // 清除中断标志位

}

}

在显示波形方面，我们根据采集到的电压数据，通过液晶屏驱动函数将波形绘制在液晶屏上。对于 THD 的计算，我们采用快速傅里叶变换（FFT）算法。先对采集到的电压数据进行 FFT 变换，将时域信号转换为频域信号，然后根据频域信号计算出各次谐波的幅值，进而计算出 THD 。

// 计算THD

float calculateTHD(uint16_t *data, uint16_t len)

{

// 进行FFT变换

fft(data, len);

// 计算基波幅值

float fundamental_amplitude = calculateFundamentalAmplitude(data, len);

// 计算各次谐波幅值平方和

float harmonic_power_sum = 0;

for (uint16_t i = 2; i < len / 2; i++)

{

float harmonic_amplitude = calculateHarmonicAmplitude(data, i);

harmonic_power_sum += harmonic_amplitude * harmonic_amplitude;

}

// 计算THD

float thd = sqrt(harmonic_power_sum) / fundamental_amplitude;

return thd;

}

4.2.2 DMA 版本代码

DMA 版本代码相较于定时器版本，在数据传输和处理方式上有了较大改进。在这个版本中，采用 DMA 传输数据，实现了数据的快速传输，减少了 CPU 的干预，提高了系统的效率。同时，利用定时器产生 PWM 模拟输出采样时钟，保证了采样的准确性和稳定性。

在配置 DMA 时，我们需要设置 DMA 的源地址（即 ADC 数据寄存器的地址）、目的地址（存储数据的数组地址）、传输数据量等参数。例如：

// 配置DMA

void DMA_Config(void)

{

DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); // 使能DMA1时钟

DMA_DeInit(DMA1_Channel1);

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&(ADC1->DR); // 源地址：ADC1数据寄存器

DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)adc_data; // 目的地址：存储数据的数组

DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; // 数据传输方向：外设到内存

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = ADC_DATA_LEN; // 传输数据量

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址不自增

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; // 内存地址自增

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 外设数据宽度：半字（16位）

DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; // 内存数据宽度：半字（16位）

DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // 循环模式

DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; // 优先级：高

DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; // 禁止内存到内存传输

DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);

DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); // 使能DMA通道1

}

定时器产生 PWM 模拟输出采样时钟的配置如下，通过设置定时器的预分频系数和自动重载值，来控制 PWM 的频率和占空比：

// 配置定时器产生PWM

void TIM_PWM_Config(void)

{

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // 使能TIM3时钟

// 定时器基本配置

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // 自动重载值，决定PWM周期

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 预分频系数，72MHz时钟分频后为1MHz

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

// PWM模式配置

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 499; // 占空比50%

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); // 使能TIM3

}

这样，通过 DMA 快速传输数据和定时器精准控制采样时钟，系统在性能上得到了显著提升，为后续的数据处理和分析提供了更可靠的基础。

4.2.3 最终版本代码亮点

最终版本代码在前面版本的基础上，进一步优化了精度和数据处理能力。在精度方面，通过多次测量取平均值的方式，减少了测量误差。例如，在测量 THD 时，进行 5 次测量，然后计算平均值作为最终结果：

// 多次测量求平均THD

float averageTHD(void)

{

float thd_sum = 0;

for (int i = 0; i < 5; i++)

{

// 进行一次测量并计算THD

float thd = calculateTHD(adc_data, ADC_DATA_LEN);

thd_sum += thd;

}

return thd_sum / 5;

}

在数据拟合方面，针对硬件板子可能存在的问题，对采集到的电压数据进行了拟合处理。通过拟合算法，使测量结果更加准确和稳定。同时，在代码结构上，对各个功能模块进行了更合理的封装和优化，提高了代码的可读性和可维护性。例如，将波形显示、THD 计算等功能封装成独立的函数，每个函数只负责单一的功能，这样在后续的调试和升级过程中，能够更方便地进行修改和扩展。

最终版本代码实现了系统的高效、稳定运行，满足了赛题对放大器非线性失真研究装置的各项要求，为整个项目的成功完成奠定了坚实的基础。

五、常见问题与解决锦囊

在 E 题的实现过程中，无论是硬件还是软件，都可能遇到各种各样的问题。下面我们来总结一些常见问题，并给出相应的解决方法。

在硬件方面，焊接问题是最容易出现的。虚焊、短路等问题会导致电路无法正常工作。比如，某个焊点虚焊，可能会造成信号传输不稳定，时而正常，时而异常。对于这类问题，我们可以使用万用表进行测量，检查焊点的电阻值是否正常。如果电阻值过大，可能是虚焊；如果电阻值为零，可能是短路。一旦发现问题，重新焊接即可解决。

元器件故障也是常见问题之一。例如，三极管性能不良，可能导致放大电路无法正常放大信号。在遇到这种情况时，可以使用替换法，将可疑的元器件替换掉，看电路是否恢复正常。如果替换后电路正常工作，说明原来的元器件确实有问题。

在软件方面，代码逻辑错误是比较常见的。比如，在计算 THD 时，如果公式写错，或者数据处理逻辑有误，就会导致计算结果错误。为了避免这类问题，在编写代码时，要仔细检查逻辑，多进行注释，提高代码的可读性。同时，可以使用调试工具，逐步跟踪代码的执行过程，查看变量的值是否正确，从而找出错误所在。

此外，还可能会遇到硬件与软件不兼容的问题。例如，硬件的采样频率与软件设置的采样频率不一致，导致数据采集错误。在这种情况下，需要仔细检查硬件和软件的配置，确保两者的参数一致。

六、经验与技巧大放送

回顾整个参与 2020 电赛 E 题的过程，从最初对题目的迷茫，到逐步理清思路，再到克服重重困难实现最终的系统，每一步都充满了挑战与收获，也积累了不少宝贵的经验和实用技巧。

从团队协作的角度来看，明确分工至关重要。在团队中，每个成员都有自己的优势和特长，比如有的成员擅长硬件电路设计，有的对软件编程更在行，还有的在理论分析和报告撰写方面表现出色。根据成员的特长进行合理分工，能够充分发挥每个人的优势，提高工作效率。比如，在硬件电路搭建阶段，让硬件能力强的成员负责电路设计和焊接，软件成员可以同步进行前期的代码框架搭建和功能规划，这样可以并行推进项目，避免因为某个环节的拖延而影响整个进度。同时，团队成员之间要保持密切的沟通，每天定时进行进度汇报和问题讨论，及时解决遇到的问题，确保项目方向的一致性。

在硬件设计和制作过程中，前期的准备工作不容忽视。在拿到题目后，不要急于动手焊接，而是要先进行充分的方案论证和电路设计。可以多参考一些相关的资料和以往的比赛经验，拓宽思路。在选择元器件时，要综合考虑性能、价格和易购性等因素。比如，在本次 E 题中，对于三极管的选择，要根据放大倍数、频率特性等参数进行筛选，同时要确保能够在当地的电子市场或者网上商城容易买到。在焊接电路时，要注意焊接质量，使用合适的焊接工具和焊接材料，避免出现虚焊、短路等问题。焊接完成后，要进行全面的检查，使用万用表等工具对电路的各个节点进行测试，确保电路连接正确。

软件编程方面，良好的代码规范和模块化设计是关键。从一开始就要制定统一的代码风格和注释规范，这样可以提高代码的可读性和可维护性。将不同的功能模块封装成独立的函数或类，比如将 AD 采样、波形显示、THD 计算等功能分别封装，每个模块只负责单一的功能，这样在后续的调试和升级过程中，能够更方便地进行修改和扩展。同时，要注重代码的优化，合理使用定时器、中断、DMA 等资源，提高系统的运行效率。例如，在进行大量数据传输时，使用 DMA 可以大大减轻 CPU 的负担，提高数据传输的速度。

在比赛过程中，时间管理也非常重要。要制定详细的时间计划，将整个比赛过程划分为不同的阶段，每个阶段设定明确的目标和时间节点。比如，在第一天要完成方案设计和硬件电路的初步搭建，第二天进行软件编程和硬件调试的初步结合，第三天进行系统的优化和完善，最后一天进行测试和报告撰写。按照时间计划严格执行，避免出现前松后紧的情况。同时，要预留一定的时间来应对突发情况，比如硬件故障、软件调试困难等。

对于后续参赛或学习的同学来说，平时的知识积累和实践经验也很重要。电子设计竞赛考察的是多方面的知识和技能，要注重平时对模拟电路、数字电路、信号处理、编程等基础知识的学习和掌握。多参加一些实践项目，提高自己的动手能力和解决实际问题的能力。可以利用学校的实验室资源，自己动手搭建一些电路，编写一些程序，积累实践经验。此外，还可以参加一些电子设计相关的社团或竞赛培训，与其他同学交流学习，拓宽视野。

参与 2020 电赛 E 题的经历不仅让我们在专业知识和技能上得到了提升，也在团队协作、问题解决和时间管理等方面积累了宝贵的经验。希望这些经验和技巧能够对后续参赛或学习的同学有所帮助，在电子设计的道路上取得更好的成绩。