【电赛参考资料】典型仪器类赛题分析(续)
2019电赛仪器仪表类题目
2019电赛仪器仪表类题目
2019年全国大学生电子设计竞赛的仪器仪表类题目共分为三道，题目内容与要求如下：
1. 题目一：超声波测距与避障系统
要求参赛者制作一个能够实时检测前方障碍物距离，并自动调整运动方向以实现避障的智能小车。
具体要求如下：
小车需能够自动检测前方1m范围内的障碍物，并发出声、光报警信号；小车在检测到障碍物后，应能够自动减速并调整运动方向，以实现避障；小车应能够通过无线模块将检测到的障碍物距离信息发送至手机APP。
2. 题目二：智能温湿度控制系统
要求参赛者制作一个能够实时监测并调节室内温湿度的智能控制系统。
具体要求如下：
系统应能够通过传感器实时监测室内温湿度，并将数据发送至手机APP；系统应能够根据用户设定的温湿度范围自动调节空调、加湿器等设备的运行状态，以保持室内环境舒适；
系统应具备语音提示功能，能够实时播报室内温湿度信息。
3. 题目三：智能音频分析仪
要求参赛者制作一个能够对音频信号进行实时采集、分析和处理的系统。
具体要求如下：
系统应能够通过音频接口实时采集音频信号；
系统应能够对采集到的音频信号进行频谱分析、噪声去除、语音识别等处理；
系统应具备可视化界面，能够实时显示音频信号的波形、频谱等信息；
系统应具备语音合成功能，能够将处理后的音频信息以语音形式输出。
以上为2019年全国大学生电子设计竞赛仪器仪表类题目的简要介绍，建议查看全国大学生电子设计竞赛官网获取更多信息。
电子设计竞赛及典型题目分析(专家论仪器仪表题)
仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题，并且其他类 赛题中也经常包含有电子测量的内容。
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。
x(t)= Vscos( 0t+θ)+ Vncos( nt+a) r(t)= Vrcos 0t up(t)=x(t)·r(t)
= 0.5VsVrcosθ + VsVrcos(2 0t +θ)+0.5Vncos[( n+ 0)t+a]+ 0.5Vncos[( n0)t+a] 共存在三组交流分量，其频率分别为： 2 0 的频率为 2×1000Hz=2000H n+ 0 的频率为（1050Hz～2100Hz）+1000Hz = 2050Hz～3100Hz n- 0 的频率为（1050Hz～2100Hz）-1000Hz = 50Hz～1100Hz
通过与学生交流得知，这些参赛队的设计水平一般较高。但由 于对锁定放大器的原理的理解存在问题，作品指标不好。
(2) 锁定放大器设计要点
低通滤波器的设计 ➢ 确定截止频率与阶数； ➢ 滤波器电路的设计（略）
up(t)
uo(t)
题目相关要求（简写）
（1）输入信号S(t)的频率为1000Hz，幅度10μV～1mV。 （2）另一信号源产生一个频率为1050～2100Hz的正弦信号作 为n(t)，然后通过加法器电路实现S(t)与n(t)的1：1或1：10 的叠加，并加在放大器的输入端。
历年电赛题分析
1多功嫩计数器
1温度自动控制系统
2009国赛
1光伏并网发电模拟装置
2电能搜集充电器
1宽带直流放大器
2无线环境检测模拟装置（偏高频）
1数字幅频均衡Байду номын сангаас率放大器
1声音导引系统
2010省赛
1宽带放大器
2信号波形合成实验电路
1点光源跟踪系统
2011国赛
1开关电源模块并联供电系统
1 LC谐振放大器（偏高频）
1简易数字信号分析仪
2005国赛
1数控恒流源
2三相正弦波变频电源
1正弦信号发生器（高频）
1单工无线通信系统(无线电)
1集成运放测试仪
2简易频谱分析仪
1悬挂运动控制系统
2007国赛
1开关稳压电源
1程控滤波器
1音频信号分析仪
2数字示波器
3无线识别装置（高频类）
1电动车跷跷板
2008省赛
1高功率因素电源
1位移测量装置
1简易水下无线通信系统(无线通信和红外通信)
近几年电赛题目分析
电源类
信号类
通讯类
仪表类
数据采集
控制类
2001国赛
1波形发生器
2高功率音频放大器
1调频收音机（无线电）。
1简易数字存储示波器
1数据采集与传输系统
电赛仪器仪表题目分析和应对赵茂泰
基于电压测量旳仪器部分
武汉大学 赵茂泰
2023.4. 2
1．几点认识 2．电压测量类仪器旳构成 3．电压测量类仪器旳设计举例 4．几点体会
1．几点认识
⑴ 电子测量仪器设计涵盖旳知识范围
电子测量是建立在模拟电路、数字电路、信号与系统、计算机原 理及接口等专业基础课基础上，综合利用通信、自动 控制及电力电子 等学科旳专业知识而形成旳一种独具特色旳学科。与电赛内容一致。
目旳内容改②写调。试中旳有关技术。
题目主要要求：
① 量程：0.2V，2V，20V；最大显示数：1999； ② 输入阻抗≥5MΩ； ③ 直流电压测量误差：±0.2%读数± 2个字； ④ 具有自动量程转换功能；
（其他略)
① 精确了解仪器测量误差（误差分析，误差分配，关键器件旳选择）
直流数字电压表构成示意图
此次讲座侧重讨论电压测量类仪器旳赛题
２．电压测量类仪器旳构成
⑴ 数字直流电压测量仪器（基本模块）
被测电压
调理 电路
A/D 转换器
显示 电路
直流电压测量是最基本旳电压测量模块!
⑵ 有关电参数测量仪器旳构成（有关变换器+基本模块）
被测电参数 调理 电路
有关参数 直流电压 变换器
直流电压 测量模块
各类参数变换器均由基本电子电路构成 （含交流电压、电流、功率、电阻、电容、电感等参数旳测量）
交流电压旳测量模式：
③ 有效值电压表：采用有效值转换器或热偶作为AC/DC变换器
被测电压 阻抗 变换器
宽带量程 转换电路
有效值 转换器
直流电压 测量模块
定度以便：输出旳直流电压线性正比于多种波形旳有效值。
基于真有效值转换器旳有效值电压表有广泛旳应用前景，但受芯 片工艺限制，目前频率范围旳上限约为10MHZ。
仪器分析考试题
仪器分析考试题
仪器分析是化学学科中的一个重要分支，涉及到各种不同的仪器和技术。
在化学和生物等领域，仪器分析用于研究物质的成分和结构，以及了解其性质和特性。
以下是一些典型的仪器分析考试题，供同学们参考学习。
一、单选题
1.电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术用于哪种元素分析？
A. 碳
B. 铁
C. 铅
D. 硫
2.扫描电子显微镜（SEM）主要用于观察样品的什么性质？
A. 形貌
B. 结晶性
C. 化学成分
D. 导电性
3.核磁共振（NMR）技术主要用于分析样品的哪种性质？
A. 磁性
B. 光学活性
C. 热性质
D. 化学键
二、填空题
1. 红外光谱（IR）技术常用于识别有机分子中的__________。
2. 原子吸收光谱（AAS）常用于分析金属元素的__________。
3. 高效液相色谱（HPLC）的“HPLC”代表__________。
三、问答题
1. 请简要介绍质谱仪的工作原理以及在物质分析中的应用。
2. 举例说明分光光度计在生物领域的具体应用。
以上是一些典型的仪器分析考试题，希望能够帮助大家更好地理解仪器分析技术的应用和原理。
希朅考生认真复习，取得优异的成绩！。
电子设计竞赛仪器仪表类题目列表
2009年）全国大学生电子设计竞赛题目数字幅频均衡功率放大器（F题）【本科组】一、任务设计并制作一个数字幅频均衡功率放大器。
该放大器包括前置放大、带阻网络、数字幅频均衡和低频功率放大电路，其组成框图如图1所示。
图1 数字幅频均衡功率放大器组成框图二、要求1．基本要求（1）前置放大电路要求：a. 小信号电压放大倍数不小于400倍（输入正弦信号电压有效值小于10mV）。
b. -1dB通频带为20Hz～20kHz。
c. 输出电阻为600Ω。
（2）制作带阻网络对前置放大电路输出信号v1进行滤波，以10kHz时输出信号v2电压幅度为基准，要求最大衰减≥10dB。
带阻网络具体电路见题目说明1。
（3）应用数字信号处理技术，制作数字幅频均衡电路，对带阻网络输出的20Hz～20kHz信号进行幅频均衡。
要求：a. 输入电阻为600Ω。
b. 经过数字幅频均衡处理后，以10kHz时输出信号v3电压幅度为基准，通频带20Hz～20kHz内的电压幅度波动在±1.5dB以内。
2. 发挥部分制作功率放大电路，对数字均衡后的输出信号v3进行功率放大，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。
（1）当输入正弦信号v i电压有效值为5mV、功率放大器接8Ω电阻负载（一端接地）时，要求输出功率≥10W，输出电压波形无明显失真。
（2）功率放大电路的-3dB通频带为20Hz～20kHz。
（3）功率放大电路的效率≥60％。
（4）其他。
三、说明1．题目基本要求中的带阻网络如图2所示。
图中元件值是标称值，不是实际值，对精度不作要求，电容必须采用铝电解电容。
图2 带阻网络2．本题中前置放大电路电压放大倍数是在输入信号v i电压有效值为5mV的条件下测试。
3．题目发挥部分中的功率放大电路不得使用MOS集成功率模块。
4．本题中功率放大电路的效率定义为：功率放大电路输出功率与其直流电源供给功率之比，电路中应预留测试端子，以便测试直流电源供给功率。
全国大学生电子设计竞赛测控类赛题分析
实现“点亮、划亮、反显、整屏擦除、笔画擦除、连写多字、对象拖移”
等书写显示功能；
当环境光强改变时，能自动连续调节屏上显示亮度；超时不操作时进入休
眠状态。
2009-LED点阵书写显示屏
题目的理解 光电传感器的灵敏度及响应速度 扫描点的定位 动作指令的识别
测控类赛题设计概要
准备
5cm B
0.4m
引导线
2.3m
1.2m
2019-简易智能电动车
循迹： 光电传感器 铁片检测：涡流传感器、霍尔传感器 避障： 超声波传感器 定点停车：红外传感器 主要难点：
光相关自适应调整 速度与偏差
误区：开环控制
2019-悬挂运动控制系统
15cm
15cm
80cm
图2 平衡状态示意图
2019-电动车跷跷板
水平度检测：用电位器自制传感器、 水银开关、倾角传感器、加速度传 感器
小车保持直线运行、行程记录 车速控制：步进式控制；车速与水
平度相关 小车响应速度与行进距离矛盾的协
调
2009-声音导引系统
接收器 C
1m 中点 O’
接收器 A
一、任务
x
减少瞄向靶心的时间。
电线
硬币
20cm
电机
150cm
10cm 6cm
平板
电机转轴
2019-基于自由摆的平板控制系统
开始摆动的检测 起始位置角度的检测（与平板角度相关） 平板的预调整 电机转动的响应速度 根据起始角、周期、摆长、靶距计算摆
动过程中激光笔的位置，进而算出激光 笔的角度原点源自15cm100cm
15cm
一、任务 通过两只电机控制物体
电子大赛试题分类分析【仪器仪表类】
很久之前承诺过要给大家做电子大赛试题的分类分析的，现在终于要兑现了。
此次分析主要针对没有什么基础的同学们，目的是给大家提供一个思路，故只做入门级的分析，其中的具体资料都是可以在论坛里找到的。
安装我上次对试题总体的分类，仪器仪表类又可以分为以下几类：1、有效值测量；2、频率测量；3、频谱分析；4、示波器类。
这样的分类是按试题的形式分的，今天做分析，我们从另一个角度分析，即从信号采集的角度分析。
从信号采集的角度看，电信号可分为电压信号和电流信号，而从信号相对地的电位来说又分为单极性和双极性信号，而从需求类型来说，又可以分为幅值信号和相位信号。
但是，所有的信号处理都有通过AD转换后变成数字信息交给处理器（单片机、DSP、ARM等）处理的，因此，我们从AD为突破口，开始进行具体分析。
一、信号的采集几乎所有的AD转换器的输入都是对电压信号进行转换的，因此对于电流信号也需要先转换成电压信号了。
那么怎么转换呢，方法当然很简单了，串电阻。
但这个电阻怎么串，却有点学问。
由于电流测量的理想状态是内阻为0，因此串进电路中的电阻应该很小，即不能对原电路产生影响。
大家也许看到过开关电源中用于检测电流的采样电阻，一般为毫欧级的，如果电流较大，为了保证电阻不被烧毁，一般采用锰铜丝或者康铜丝作为采样电阻。
上面说的只是采集电流的一种情况，采集电流信号可以用另一种形式，就是使用互感器，采用互感器时一是做到了输入输出的隔离，提高安全性，同时由于互感器的内阻很小，可以减小对原电路的影响。
对于直流电流，采用的是霍尔电流传感器，一般直接输出是的电压信号，可以直接输入AD芯片。
对于交流电流，一般采用的是变压器式的互感器，这样的互感器输出仍为电流信号，只是在幅值上有些变化。
这时候仍需在互感器输入串联电阻，但这种互感器的输出电压会受到限制，输出电压过高时互感器磁芯将会饱和，严重影响测量精度，因此可采用运放对电流进行变化，详见下图对于这几种情况，一般小电流情况下均使用串接电阻方式，如果由于串接的电阻太小而导致电压幅值过小时，可对后一级的电压进行放大。
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⑷ 具有待机模式的低功耗性能（略）
（12分）
2．数字多用表赛题分析
⑴ 直流电压测量 最基础的测量模块
量程：0.2V、2V；
最大显示数19999；
精度：0.05%读数2个字； 测量速度≥2次/s；
较高精度（ 0.05% ，四位半）； A/D转换器有效分辨率的概念
① 系统组成示意图
被测电压 量程 转换电路
A/D
转换器
单片机
键盘与 显示
✓ 假定A/D转换器输入电压的范围为0~2V，则量程转换电路的任务就是把 各量程输出的电压范围归一化为0~2V。
✓ 数字电压表量程间一般为10倍乘。因而要求, 2V量程：当输入在0.2V~2V时，仪器都能达到0.05%2个字的精度； 0.2V量程：当输入电压在0.02V~0.2V区间时，仪器均能达到预设精度。
1．仪器类赛题培训建议 2. 数字多用表赛题分析 3. 数字式工频有效值测量仪赛题分析 4. 几点意见
1．仪器类赛题培训建议
① 电子仪器种类繁多，不可能一一研究。但从学习的角度， 只要掌握以下４类仪器，各类仪器的设计便不会存在大的障碍。
电压测量类仪器（电压；各类电参量；各类物理量） 时间频率测量仪器（频率、周期、相位差、上升时间等） 数字示波器（时域波形显示、频域谱线显示） 信号发生器
✓ A/D转换器：当输入在0.2V~2V时， 仪器均能达到0.05%2个字的精度
2．数字多用表赛题分析
⑴ 直流电压测量
量程：0.2V、2V；
最大显示数19999；
精度：0.05%读数2个字； 测量速度≥2次/s；
① 系统组成示意图
与误差基本无关
被测电压 量程 转换电路
A/D
转换112C04 基本可用，但若考虑其他因素，略欠不足。
➢ 除优化PCB设计：采用数字平均来缓解对A/D分辨率的严要求；
➢ 另一个可考虑的措施：适当降低仪器量程间的倍率。 例如，数字示波器是以 1－2－5 步进序列调整垂直档位， 即以 2mV/div、5mV/div、10mV/div、 20mV/div……10V/div 方式步进
（23分）
① 量程：0.2V、2V；
② 最大显示数19999；精度：0.05%读数2个字；
③ 测量速度≥2次/s；输入阻抗≥10MΩ。
⑵ 交流真有效值电压测量（略）
（32分）
⑶ 电阻测量 ① 电阻量程：2Ω、200kΩ； ② 测量速度≥2次/s； ③ 最大读数1999；精度：0.5%读数2个字。
（23分）
（拟要求A/D转换器电路的测量误差不大于0.03%） ̶ ̶ ̶ ̶ ̶ A/D转换器位数（分辨率）的选择：
A/D转换器分辨率不等于精度，工程设计时，可认为精度比分辨率低1~2位， 即A/D转换器分辨率应高于精度2-4倍以上。（例如，AD574精度，0.05%）
本题要求必须使用16位的ADS112C04A/D芯片，其输入电压范围为0V～2.0V， 则本例要求：A/D转换器输入电压在0.2V～2.0V范围内，分辨率均能达到 0.015% ～0.007%以上。
题目不同，设计步骤会略有差异，但差别不会太大。
2．数字多用表赛题分析
̶ ̶ ̶ ̶ ̶ 2018年全国竞赛模拟技术专题邀请赛（TI杯）
1．任务
设计制作一台具有直流电压、交流电压和电阻测量功能的数字多用表。其
中，A/D转换器要求使用ADS112C04芯片（16位，∑-Δ型A/D转换器）。
2．要求
⑴ 直流电压测量（只要求测量正极性电压）
② 把总误差（0.05 %）分配给各部分电路：
拟要求A/D转换器电路的测量误差不大于于 0.03%。 拟要求量程转换电路的测量误差不大于 0.02%；
③ 核心器件的选择及硬件电路的设计：
A/D转换器的选择及电路设计 量程转换电路设计及关键器件选择
③ 核心器件的选择及硬件电路的设计：
A/D转换器的选择及电路设计 （拟要求A/D转换器电路的测量误差不大于0.03%）
建议：赛前训练时，选做涵盖这4方面内容的3-5个以上的题目。
其中，电压测量类仪器的赛题最为重要，半数以上仪 器类赛题都涵盖该方面的内容，应重点关注。
② 仪器类赛题是典型的指标题，做好仪器类赛题的关键是 准确理解各项指标（尤其是测量误差）的涵义。
例：数字电压表测量误差的表达式 表达式 1： △ ＝±（a％Vx＋b％Vm ） 表达式 2： △ = ±（a%VX ＋ n个字）
全国电赛赛题中使用最多的A/D转换器是8位、12位SAR型。目前， SAR型A/D转换器在工艺上有18位的限制。
当进行较精密测量时，经常会采用 ∑-Δ型A/D转换器。目前，这种新 型A/D转换器可达到24位及以上。
当采用的A/D转换器的分辨率达到16位以上时，需要考虑有效分辨率 的存在。有效分辨率即实际分辨率，其值≤理想分辨率。
影响有效分辨率主要因素是噪声。 假定A/D转换器满程输入为2V，则 对于12位A/D转换器，它对应的最小分辨力为2V/4098≈0.5mV；
对于16位A/D转换器，它对应的最小分辨力则为2V/65536≈0.03mV。
对A/D转换器输出的数据进行数字平均，有利于有效分辨率的提高。
A/D转换器的选择及电路设计
Vx为被测电压的指示值(读数)；Vm为测量电压的满度值。 “a”项误差也称读数误差，其大小与读数Vx成正比。主要由衰减器、放 大器和A/D转换器等转换系数的不准及非线性等因素引起。 “b”项误差也称固定误差，其大小不随读数变化。主要由量化、偏移 等因素（例±1字误差，运放失调电压等因素）而引起。
A/D转换器的选择及电路设计 ̶ ̶ ̶ ̶ ̶ A/D转换器位数（分辨率）的选择： ̶ ̶ ̶ ̶ ̶ A/D转换器采样率（SPS）的选择（支持数字平均）
表达式１和表达式２是完全等价的
例，某3位半数字电压表的测量误差为 △ ＝±（0.1％Vx＋0.1％Vm） 由于 0.1％×（1999＋1）＝2，也可表示为△ ＝±（0.1％Vx＋2个字）
1．仪器类赛题培训建议
③ 坚持在训练中按步骤设计，有利于设计能力的提高。
例如：数字电压表设计的一般步骤：
方案论证并确定系统的组成 测量误差指标的分析及其分配 核心器件的选择及硬件电路的设计 软件系统设计 整机电路调试