TI杯大学生电子设计竞赛题.docx
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TI杯大学生电子设计竞赛题
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题
A题：
四旋翼飞行器
1.任务
设计制作一架能够自主飞行的四旋翼飞行器。
2.要求
四旋翼飞行器能够完成以下飞行动作：
（1）飞行器能够根据起飞前预置的指令起飞，飞离地面高度应超过30cm，飞行距离（水平）应超过60cm，然后飞行器应能平稳降落。
（30分）
（2）飞行器能够根据指定（键盘设定）的飞行高度及降落地点（方向及距离）连续稳定地完成起飞、指定高度水平飞行、平稳降落等动作。
（20分）
（3）飞行器能够根据起飞前预置的指令垂直起飞，起飞后能够在50cm以上高度平稳悬停5s以上，然后再平稳缓慢降落到起飞地点；起飞与降落地点水平距离不超过30cm。
（30分）
（4）其他自主发挥设计的飞行动作。
（20分）
（5）设计报告（20分）
项目
主要内容
分数
系统方案
方案比较，方案描述
5
设计与论证
飞行器姿态测量方法
飞行控制器控制方法与参数计算
8
测试
测试方法与测试结果
5
设计报告结构及规范性
摘要，正文结构完整性、内容规范性
2
小计
20
3.说明
（1）飞行器的姿态检测及飞行控制必须使用TI公司的TIVAM4、C2000或MSP430等系列控制器。
（2）飞行器在完成每一项飞行动作期间不得以任何方式进行人为干预，如遥控等。
（3）飞行器的尺寸可自行选定。
（4）飞行方向以正北方向为0°、东北方向为45°、正东方向为90°等，以此类推；距离的单位为厘米（cm）。
（5）指定的降落地点是指降落地点距起飞地的水平距离及方向。
（6）平稳降落是指在降落过程中无明显的跌落、弹跳及着地后滑行等情况出现。
（7）能够完成要求
（2）时，要求
（1）可以免测。
（8）为确保安全，飞行器应在安全网中或在系留方式下工作（即以绳索将飞行器拴在地面固定物上）。
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题
B题：
金属物体探测定位器
4.任务
设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器（以下简称探测器），可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示。
该探测器需采用TI公司LDC1000电感/数字转换器评估板（AY-LDC1000）作为金属物体探头，探头上应有定位指针，以给出明显定位指示。
探头可在水平放置的玻璃板上移动。
用直径Φ2（mm）的铁丝围成约50cm×50cm的正方形闭合框作为探测区边界置于玻璃板下，示意图见图1。
5.要求
（6）在探测区域内某处（距探测边界≥5cm）玻璃下放置一枚直径约19mm的镀镍钢芯1角硬币（第五套人民币的1角硬币）。
探头能从“探头进入区”一侧任意指定位置和方向自行进入探测区（铁丝框包围区域）。
通过探测，定位指针应指在硬币边沿之内，探测定位速度越快越好，且探测定位总时间应不超过2分钟。
完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动。
（30分）
（7）将1角硬币更换成直径约25mm的镀镍钢芯1元硬币（第五套人民币1元硬币），重复要求
（1）的探测过程。
定位完成后，定位指针与硬币圆心之间的定位误差应控制在5mm以内；探测定位速度越快越好，探测定位总时间不应超过2分钟。
完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动。
（30分）
（8）将硬币改为自制圆铁环（用Φ2铁丝绕制），铁环外直径4cm。
重复要求
（1）的探测过程，应使定位指针尽可能指向铁环圆心，定位误差应控制在5mm以内；完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动，探测定位总时间应不超过3分钟。
（30分）
（9）其他自主发挥功能。
（10分）
（10）设计报告。
（20分）
项目
主要内容
分数
系统方案
系统结构、方案比较与选择
4
理论分析与计算
探测器组成方案与工作原理分析、检测与控制算法
6
电路与程序设计
电路设计，程序结构与设计
5
测试方案与测试结果
测试结果及分析
3
设计报告结构及规范性
摘要，设计报告正文的结构，公式、图表的规范性
2
总分
20
6.说明
（1）金属物体探测定位装置探头采用AY-LDC1000板（由TI公司提供），可直接用AY-LDC1000板上的覆铜线圈，也可自制线圈；不得安装其他传感与摄像装置。
探测开始后，不得手动或遥控探测器。
（2）玻璃板可采用普通无色玻璃（玻璃边沿需贴上胶带以防划伤），也可用无色透明有机玻璃板；玻璃板长宽尺寸应大于50cm、厚度约3mm。
（3）探头从“探头进入区”一侧进入时探头的起始位置和摆放方向，以及探测区域内的被测金属物体摆放位置均由测试专家在现场指定。
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题
C题：
锁定放大器的设计
1．任务
设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。
锁定放大器基本组成框图见图1。
2．要求
（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R（t）端。
R（t）通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S（t）端，S（t）端幅度有效值为10μV~1mV。
（5分）
（2）参考通道的输出r（t）为方波信号，r（t）的相位相对参考信号R（t）可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。
（20分）
（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。
误差小于20%。
（10分）
（4）在锁定放大器输出端，设计一个能测量并显示被测信号S（t）幅度有效值的电路。
所测量的显示值与S（t）有效值的误差小于10%。
（15分）
（5）在锁定放大器信号S（t）输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S（t）与干扰信号n（t）的1:
1叠加，如图2所示。
（5分）
（6）用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号作为n（t），将其叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S（t）。
n（t）亦可由与获得S（t）同样结构的电阻分压网络得到。
锁定放大器应尽量降低n（t）对S（t）信号有效值测量的影响，测量误差小于10%。
（20分）
（7）增加n（t）幅度，使之等于10S（t），锁定放大器对S（t）信号有效值的测量误差小于10%。
（20分）
（8）其他自主发挥。
（5分）
（9）设计报告。
（20分）
项目
主要内容
满分
系统方案
总体方案设计
4
理论分析与计算
锁定放大器各部分指标分析与计算
6
电路与程序设计
总体电路图,程序设计
4
测试方案与测试结果
测试数据完整性,测试结果分析
4
设计报告结构及规范性
摘要,设计报告正文的结构、图表的规范性
2
总分
20
3．说明
（1）各信号输入、输出端子必须预留测量端子，以便于测量。
（2）要求
（1）和（6）中的电阻分压网络的分压比例自行定义。
由于μV级信号常规仪器难以测量，可通过适合加大输入信号幅度的方法，测量并标定其分压比。
（3）关于锁定放大器的原理可参考《微弱信号检测》。
高晋占编著，清华大学出版社2004年。
2014年TI杯大学生电子设计竞赛
D题：
带啸叫检测与抑制的音频功率放大器
1．任务
基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，设计并制作一个带啸叫检测与抑制功能的音频放大器，完成对台式麦克风音频信号的放大，通过功率放大电路送喇叭输出。
电路示意图如图1所示。
图1电路示意图
2．要求
（1）设计并制作图1中所示的“拾音电路”和“功率放大电路”，构成一个基本的音频功率放大器。
要求：
（25分）
a）在输入音频信号有效值为20mV时，功率放大器的最大不失真功率（仅考虑限幅失真）为5W，误差小于10％；
b）在输入音频信号有效值为20mV时，程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为50mW～5W；
c）功率放大器的频率响应范围为200Hz~10kHz。
（2）系统采用12V直流单电源供电，所需其他电源应自行制作。
（10分）
（3）在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率≥80%。
（10分）
（4）将台式麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置，见图2（a），使用电脑播放音乐作为音频信号源。
音频功率放大器能通过麦克风采集信号，经功率放大电路送喇叭输出，输出的音频信号清晰。
（5分）
（5）设计并制作图1所示的啸叫检测电路和啸叫抑制电路，完善音频功率放大器。
要求：
（15分）
a）在不进行啸叫抑制时（图1的选择开关K1连接A端，K2连接C端），将麦克风与喇叭相隔1m面对面放置，见图2（b），从小到大调整功率放大器的输出功率，直到产生啸叫时停止；
b）啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的频率。
实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率；
c）启动啸叫抑制电路（图1的选择开关K1连接B端，K2连接D端），音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号。
（6）进一步改进啸叫抑制电路。
在保障无啸叫的前提下，尽量提高音频功率放大器的输出功率；如果输出功率达到5W功率，啸叫抑制电路仍能正常工作，进一步缩短面对面放置的麦克风与喇叭之间的距离。
（30分）
（7）其他。
（5分）
（8）设计报告（20分）
项目
主要内容
满分
方案论证
比较与选择,方案描述
3
理论分析与计算
系统相关参数设计
5
电路与程序设计
系统组成，原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图
5
测试方案与测试结果
测试结果完整性，测试结果分析
5
设计报告结构及规范性
摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性
2
总分
20
3．说明
（1）作品使用的麦克风应为台式全向麦克风，其灵敏度要大于-45dBV/P，插头直径为3.5mm，输出阻抗为1k~2.2k。
关于麦克风灵敏度的定义是馈给1Pa（94dB）的声压时，麦克风输出端的电压（dBV）。
有些麦克风给出的灵敏度单位为dB/Bar，注意之间的转换。
（2）作品使用的喇叭应为组合纸盆方式的电动式喇叭，额定功率为5W，额定阻抗为8。
（3）麦克风和喇叭可以直接购买，在设计报告中必须附有所购买的麦克风和喇叭的产品说明书或性能参数。
（4）作品要求拾音电路的输入接口，以及功率放大电路连接到喇叭的接口必须外露，可方便进行连接，以便测试时使用。
（5）作品评测由赛区统一准备测试平台，并统一使用由测试专家准备的台式麦克风和喇叭进行测试。
（6）作品要求
（1）、
（2）和（3）的指标测试，使用音频信号源外加正弦信号和外加8纯电阻负载的方式进行测试。
要求TPA3112D1的功率放大电路带有LC滤波，输出的正弦信号无明显失真。
（7）作品要求（4）、（5）和（6）的指标测试，使用电脑USB喇叭（功率不超过1W）播放音乐作为信号源，放置在距麦克风20cm的位置。
具体测试的框图如图2所示。
（a）作品基本部分（4）的测试
（b）作品发挥部分的测试
图2：
啸叫抑制性能测试框图
2014年TI杯大学生电子设计竞赛
E题：
∑-Δ型A/D转换电路
1．任务
设计并制作1阶∑-Δ调制器，并在此基础上设计并制作∑-Δ型A/D转换电路，电路结构如图1所示。
图1∑-Δ型A/D转换电路框图
2．要求
（1）设计并制作1阶∑-Δ调制器，具体电路框图如图2所示。
图中
为2V。
要求∑-Δ调制器输出的1位数据流为TTL电平，时钟频率
自定。
（12分）
（2）利用
（1）中制作的1阶∑-Δ调制器，设计并制作∑-Δ型A/D转换电路。
要求A/D转换电路可设置工作于下列两种模式：
（32分）
●模式1，采样频率为100Hz，采样位数为12位；
●模式2，采样频率为1600Hz，采样位数为8位。
（3）设计并制作∑-Δ型A/D转换电路的采样数据显示装置。
要求可以显示A/D转换电路连续采样数据波形，显示的波形数据点数不少于200点。
同时，在波形上显示一个光标，移动光标时能显示相应波形点的采样数据。
（6分）
（4）改进∑-Δ型A/D转换电路的显示装置，要求能计算A/D转换电路输出的采样数据的方差
，并实时显示。
方差的计算使用连续1秒的采样数据直接计算。
（10分）
（5）改进∑-Δ型A/D转换电路的设计，尽量减小A/D转换电路的本底噪声和量化噪声，提高∑-Δ型A/D转换电路的采样精度。
实现∑-Δ型A/D转换电路能工作于下列模式：
（20分）
●模式3，采样频率为100Hz，采样位数为16位，有效位数不少于13位。
图21阶∑-Δ调制器的结构框图
（6）进一步提高∑-Δ型A/D转换电路的采样速度。
实现∑-Δ型A/D转换电路能工作于下列模式：
（15分）
●模式4，采样频率为1600Hz，采样位数为16位，有效位数不少于13位。
（7）其他自主发挥。
（5分）
（8）设计报告（20分）
项目
主要内容
满分
方案论证
比较与选择，方案描述
3
理论分析与计算
系统相关参数设计
5
电路与程序设计
系统组成，原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图
5
测试方案与测试结果
测试结果完整性，测试结果分析
5
设计报告结构及规范性
摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性
2
总分
20
3．说明
（1）要求
（1）中，要求减法器、积分电路、比较器和1位DAC分别用独立电路实现，并在A、B、C、D信号处应留有测试口，以便对信号波形进行观察。
图3给出了各点的信号参考波形示意。
图31阶∑-Δ调制器中各点信号的波形示意
（2）要求（3）设计并制作采样数据显示装置，可以使用自制的液晶显示；也可以借助外部显示设备，如示波器。
但必须能显示∑-Δ型A/D转换电路输出的连续采样数据，并能显示采样信号的波形。
（3）采样数据的方差
计算：
将∑-Δ型A/D转换电路输出的一组采样数据，记为
，计算其均值
，则方差
为：
。
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题
F题：
无线电能传输装置
1、任务
设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。
图1电能无线传输装置结构框图
2、要求
（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。
（45分）
（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。
在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。
（45分）
（3）其他自主发挥（10分）
（4）设计报告（20分）
项目
主要内容
分数
系统方案
系统结构、方案比较与选择
4
理论分析与计算
无线传输系统工作原理分析及计算
6
电路设计
相关电路设计
5
测试
测试结果及分析
3
设计报告结构及规范性
摘要，正文结构，公式与图表的规范性
2
总分
20
3、说明
（1）发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm；发射与接收线圈间介质为空气。
（2）I2应为连续电流。
（3）测试时，除15V直流电源外，不得使用其他电源。
（4）在要求
（1）效率测试时，负载采用可变电阻器；效率
。
（5）制作时须考虑测试需要，合理设置测试点，以方便测量相关电压、电流。
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题
G题：
简易风洞及控制系统（高职）
7.任务
设计制作一简易风洞及其控制系统。
风洞由圆管、连接部与直流风机构成，如右所示。
圆管竖直放置，长度约40cm，内径大于4cm且内壁平滑，小球（直径4cm黄色乒乓球）可在其中上下运动；管体外壁应有A、B、C、D等长标志线，BC段有1cm间隔的短标志线；可从圆管外部观察管内小球的位置；连接部实现风机与圆管的气密性连接，圆管底部应有防止小球落入连接部的格栅。
控制系统通过调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。
8.要求
（11）小球置于圆管底部，启动后5秒内控制小球向上到达BC段，并维持5秒以上。
（20分）
（12）当小球维持在BC段时，用长形纸板（宽度为风机直径的三分之一）遮挡风机的进风口，小球继续维持在BC段。
（10分）
（13）以C点的坐标为0cm、B点的坐标为10cm；用键盘设定小球的高度位置（单位：
cm），启动后使小球稳定地处于指定的高度3秒以上，上下波动不超过±1cm。
（10分）
（14）以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时。
（10分）
（15）小球置于圆管底部，启动后5秒内控制小球向上到达圆管顶部处A端，且不跳离，维持5秒以上。
（10分）
（16）小球置于圆管底部，启动后30秒内控制小球完成如下运动：
向上到达AB段并维持3~5秒，再向下到达CD段并维持3~5；再向上到达AB段并维持3~5，再向下到达CD段并维持3~5；再向上冲出圆管（可以落到管外）。
（20分）
（17）风机停止时用手将小球从A端放入风洞，小球进入风洞后系统自动启动，控制小球的下落不超过D点，然后维持在BC段5秒以上。
（10分）
（18）其他自主发挥设计。
（10分）
（19）设计报告。
（20分）
项目
主要内容
分数
系统方案
方案比较，方案描述
5
设计与论证
风洞控制实现方法
电路设计及参数计算
8
测试
测试方法与测试结果
5
设计报告结构及规范性
摘要，正文结构完整性、内容规范性
2
小计
20
9.说明
（1）题中“到达XX段”是指，小球的整体全部进入该段内；
（2）题中“维持”是指，在维持过程中小球整体全部不越过该段的端线；
（3）小球的位置以其中心点为准（即小球的上沿切线向下移2cm，或下沿切线向上移2cm）；
（4）直流风机的供电电压不得超过24V，注意防止风机叶片旋转可能造成的伤害；可在圆管及其周围设置传感器检测管内小球的位置；可将圆管、连接部与直流风机安装在硬质板或支架上，以便于使圆管保持竖直状态，并保持风洞气流通畅。
（5）每一个项目最多进行三次测试；对于任何测试项目，测试专家可要求进行重复测试。
（6）风洞制作方法参考：
圆管长度约40cm，可以选用透明的有机玻璃（或亚克力材料）圆管，也可以选用不透明的PVC圆管。
圆管的内直径必须大于40mm，保证小球（直径为40mm的乒乓球）在管内能够自由运动。
如果选用不透明的PVC圆管，为了能够方便直观地观察管内小球的位置，可以在管臂上沿轴线方向开凿宽度约5mm的长条形槽孔，再用宽的透明胶带贴在槽孔上，保证圆管的气密性。
开凿长条形槽孔后，应清除管壁内的残屑，以免影响小球的运动。
为了防止小球落入连接部，可将一根细铁丝或导线，用AB胶或透明胶带粘在圆管下端口处。
连接部的材料可以采用冰箱保鲜袋。
剪去袋底封口部分，得到一个两端开口的塑料薄膜“软管”。
将“软管”的一端包住圆管的下端口，并用透明胶带将重叠部分缠紧；将软管的另一端包住直流风机出风口的外沿，并用透明胶带将重叠部分缠紧。
注意直流风机的风向，应向连接部方向吹风。
可将风洞的圆管、直流风机部分固定在一块硬质板上，再固定硬质板，使圆管保持竖直状态；也可做一个三脚支架，将风洞的圆管部分固定在支架上并保持竖直状态，直流风机垂挂在圆管下方。
直流风机的进风口处应留有足够的空间，保证气流通畅。
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题
H题：
自动增益控制放大器（高职）
10.任务
设计一个根据输入信号及环境噪声幅度自动调节音量的自动增益控制音响放大器。
11.要求
（20）放大器输入端从mp3或信号源输入音频（100Hz~10kHz）信号，输出端带600Ω负载或驱动8Ω喇叭（2~5W）。
（20分）
（21）当输入信号幅度在10mV~5V间变化时，放大器输出默认值保持在2V±0.2V内，波动越小越好。
（30分）
（22）能够显示输入信号幅度大小及频率高低。
（10分）
（23）能够在1V~3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距0.2V。
（15分）
（24）能够根据环境噪声调整自动调节放大器输出幅度。
（15分）
（25）其他自主发挥设计。
（10分）
（26）设计报告。
（20分）
项目
主要内容
分数
系统方案
方案比较，方案描述
5
设计与论证
自动增益控制实现方法
电路设计及参数计算
8
测试
测试方法与测试结果
5
设计报告结构及规范性
摘要，正文结构完整性、内容规范性
2
小计
20
12.说明
音响放大器的输出可以在600Ω电阻及喇叭间切换。
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