简介这份2019年Ti杯电子设计竞赛D题资料包面向参赛学生、指导教师及准备嵌入式与电子设计实践的学习者用于快速了解赛题背景、技术规范与实现参考辅助完成方案设计、调试和赛后复盘。压缩包约54.39MB文件总数记录为0、主要文件类型明细暂无数据实际目录结构以下载后内容为准据赛题描述内容预计围绕题目说明、代码与设计文档等组织便于按任务模块检索。已有325人学习在电赛备赛群体中具备一定参考价值。读者可借助它梳理D题涉及的电子设计基础、嵌入式编程、模拟与数字电路、通信接口及数据分析等知识对照完成硬件搭建、程序编写和测试验证也可用于团队分工、版本管理与报告撰写等环节的查漏补缺。1. 一道“测”的题2019年Ti杯电赛D题到底在考什么2019年Ti杯电赛D题最反直觉的地方是它不考你会不会搭放大器考的是你会不会“测”放大器。被测电路题目直接给你你要做的是给它喂信号、把数据读回来、算出输入电阻、输出电阻、增益、幅频特性和上下限截止频率再判断这块电路有没有故障。会背分压公式的人一大把能把误差压进指标、答辩时说得清每个数字怎么来的不多。往下读考点分布、高频测法、真题答法、易错点全串在这条测量链上。2. 考点分布四个测量项与评分结构的真实落点这道题的题面看起来很“仪器”拆开其实是四件事测三个基本量、扫一条曲线、判一类故障、写一份能自证的报告。很多人一上来就冲发挥部分结果基本要求的项测不准现场测评按项打分做不出来的项直接是零前面的功夫全白费。先把得分结构看清楚再决定时间往哪投。2.1 一条测量链的四个环节缺一环就测不准整台仪器就是一条链激励源、被测网络、检测电路、处理与显示。激励源负责给一个幅度和频率都可控的正弦被测网络就是题目那块放大电路检测电路把交流量变成单片机读得懂的量处理与显示负责扫频流程、换算、画曲线。误差也从这四段来。源的内阻会和被测输入电阻分压源的高频幅度滚降会被误当成被测电路的带宽检测电路的输入阻抗会并在被测输出端上探头和线缆的几十皮法在高频段就是一条低阻通路接地方式不对地环流直接把小信号淹没。所以方案论证里必须写清楚每段的指标预算源输出阻抗多大、检测端输入阻抗多大、探头电容多大、ADC 多少位、每个频点驻留多久。评委问“你凭什么觉得这个数准”答的就是这几行。2.2 评分结构基本要求、发挥部分、设计报告各看什么现场测评是逐项过的基本要求和发挥部分大体对半报告单独计分。三块的关注点完全不同别用同一套话糊过去。模块评委看什么拿分要点基本要求三个基本量测得准不准、显示是否稳定数值稳定、单位正确、重复测量一致发挥部分幅频曲线是否完整、截止频率是否可信、故障能否自动判出曲线有坐标、有标注、判故障有依据设计报告方案怎么选、误差怎么算、数据怎么记有对比、有公式、有原始数据表血泪经验是基本量先做到“三次测量误差不超过 2%”再去碰扫频。曲线画得再漂亮输入电阻差了 30%评委第一句话就把你问住。2.3 故障判断题目给的“送分项”其实最容易丢分题目给的故障不是随机损坏是有限的几类电阻开路或变值、电容开路或短路、三极管引脚虚焊。判据也不是一种要三条线交叉看直流工作点、中频增益、频响形状。故障类型直流工作点特征交流特征基极偏置电阻开路集电极电压接近电源电压几乎无输出增益塌到底发射极旁路电容开路工作点基本正常增益明显下降带宽变宽耦合电容开路工作点正常某一端完全无信号三极管引脚虚焊各极电压异常或跳动输出时有时无轻碰有变化负载电阻开路输出端直流电位异常空载电压虚高接负载即塌答辩时最有说服力的一句是“先量三个直流电位两个不对就查偏置都对我再扫一遍频响。”这句话把判断顺序讲清楚了比报一堆数据管用。2.4 真题演练评委三个必问答法照着套第一个问题“你这个输入电阻是怎么测的误差多少”答题顺序固定——方法名、公式、取样电阻怎么选的、误差来源是哪两项、用什么办法验证过。不要只说“串联电阻法”那是知识点不是答案。第二个问题“你怎么确认测的是中频段”标准答法是先粗扫一遍找到平坦区取平坦区几何中心附近做单点测量并说明上下限截止频率相距足够远中频段内增益变化小于 0.5dB。这一问考的是你有没有“先看全局再取点”的意识。第三个问题最狠“如果被测电路输入电阻高到一兆欧你这套还成立吗”面试官想听的是你知不知道自己方法的边界串联电阻要跟被测电阻同量级检测端输入阻抗还要高一个量级不成立就换半电压法或加一级高阻缓冲再不行就用替代法比对。承认边界比硬撑“没问题”得分高。3. 高频考点输入电阻、输出电阻、增益的三个标准测法三个基本量是这道题的地基也是最容易被“想当然”糊过去的部分。它们的共同前提只有一个在中频段、小信号、正弦、不失真。四个条件缺一个测出来的数就只能自己看不能给评委看。3.1 输入电阻串联电阻法的公式、取值与三种变体最常用的是串联取样电阻法。信号源电动势为 Us串一个已知电阻 R测被测电路输入端电压 Ui则输入电阻按分压关系反解Ri R × Ui / (Us − Ui)取样电阻 R 怎么选直接决定精度。R 远大于 RiUi 很小小信号测量信噪比差R 远小于 RiUs − Ui 是两个大数相减误差被放大。R 取 Ri 的同一量级让分压比落在 0.3 到 0.7 之间灵敏度最好。这个取值理由必须写进报告评委很爱问。还有两个变体要会。半电压法用可调电阻调到 Ui Us/2此时阻值就等于 Ri好处是不用测电压坏处是要调、要读刻度。替代法用电阻箱替换被测电路输入端口调到分压情况相同此时电阻箱读数就是 Ri好处是不依赖电压表的绝对精度。方法适用场景主要误差来源串联取样电阻法通用最常写进报告源内阻、电压表输入阻抗半电压法快速验证现场比对可调电阻刻度精度、调节手感替代法高阻或低阻极端情况电阻箱步进、分布参数提示输入电阻是随频率变的。有耦合电容和输入电容低频和高频都会偏。题目说的是“中频段输入电阻”报告里就要明确写出测量频率点。下面这段代码是把串联电阻法算清楚的最小实现顺便把分压比打出来自检# 串联取样电阻法由源电动势与输入端电压反解输入电阻 def ri_series(r_series, u_source, u_in): r_series: 取样电阻(Ω) u_source: 信号源开路电动势(V, 有效值) u_in: 被测电路输入端电压(V, 有效值) 返回: (输入电阻Ω, 分压比) ratio u_in / u_source # 分压比越接近0.5灵敏度越高 if ratio 1.0: # 分压比等于1说明取样电阻没接进去 return float(inf), ratio ri r_series * ratio / (1 - ratio) return ri, ratio # 中频1kHz、输入幅度约20mV下的一组实测 ri, k ri_series(10_000, 0.100, 0.048) print(f分压比{k:.3f}, Ri≈{ri:.0f}Ω)参数说明r_series与被测电阻同量级u_source必须是开路电动势不是接上电路后的电压否则分压关系不成立。返回值里的分压比是关键自检量——落在 0.30.7 才可信小于 0.1 基本可以断定取样电阻取太大或者电路根本没工作。3.2 输出电阻空载/负载两次测量的正确姿势输出电阻用两次测量先测空载输出 Uo1再并上已知负载 RL 测 Uo2按输出端分压反解Ro (Uo1 / Uo2 − 1) × RL坑在负载取值。RL 太小输出电流大波形削顶Uo2 已经不是线性区的值算出来的 Ro 偏大且没意义RL 太大Uo1 与 Uo2 差得太小两次读数的分辨率不够。让 Uo2 落在 Uo1 的一半附近灵敏度最高也就是 RL 取 Ro 附近。但你事先不知道 Ro所以流程是先用大电阻粗测一次估个量级再换到接近 Ro 的阻值精测。第二个坑是耦合电容。低频段容抗不能忽略串在输出回路里会让 Uo2 额外下降算出来的 Ro 偏大。所以输出电阻也必须在中频段测。第三个坑最隐蔽如果被测电路是深度负反馈结构输出电阻可能只有几欧甚至更低用并负载的方法根本分不出来。这时候要换交流恒流源注入法往里灌一个已知交流电流测端电压变化。报告里能写出这个边界说明你不是只会套公式。3.3 增益为什么不能用万用表交流档该用什么电压增益就是中频段输出与输入的比值。听上去最简单翻车最多。万用表交流档的频响通常只到几百赫兹到一千赫兹被测信号一到几十千赫就开始掉而且它是按正弦平均值乘系数校准的波形一失真读数就没意义。用它测增益等于给自己埋一颗雷。靠谱的三条路一是示波器读峰峰值。够直观但要注意探头 1X/10X 挡位、探头带宽、以及两个通道共地带来的地环流。测小信号时噪声会吃掉有效位数。二是真有效值检测芯片。输出直流电压正比于有效值单片机直接采流程简单、扫频快适合做曲线。三是 ADC 采样加频域分析。采一段波形做 FFT取基波幅值抗干扰最好还能顺手算出失真度。这条路在答辩时最加分因为你可以顺带回答“你怎么知道信号没失真”。import numpy as np # 用一段采样数据算基波幅值转成相对中频增益(dB) def fundamental_db(wave, fs, f0, ref_amp): wave: 采样序列已去直流 fs: 采样率(Hz)至少为 f0 的 10 倍 f0: 激励频率(Hz) ref_amp: 中频段基准基波幅值 w wave - np.mean(wave) # 去直流避免0Hz泄漏 spec np.abs(np.fft.rfft(w)) / len(w) * 2 idx int(round(f0 * len(w) / fs)) # 基波谱线位置 amp spec[idx] return 20 * np.log10(amp / ref_amp)参数说明fs要满足采样定理并留足余量一般取激励频率的 10 倍以上ref_amp必须用同一套链路在中频段测得的基波幅值否则不同频点的增益没有可比性。谱线位置取整会带来频率误差扫频步进越密这个误差越小。3.4 真题演练一段测错的数据错在哪一步给一组数Us 1.00V取样电阻 10kΩ测得 Ui 0.08V。代进公式Ri ≈ 870Ω。如果被测电路实际上是几千欧到十几千欧的共射放大电路这个结果明显不对。答辩时怎么答正确顺序是先怀疑链路再怀疑电路分压比只有 0.08说明输入端几乎被短路先查是不是把测量点接在了耦合电容前面、是不是探头地夹错了位置、是不是电路没供电、是不是取样电阻实际焊成了 1kΩ。排除这些之后再怀疑被测电路本身输入回路有短路。再看一组输出电阻数据空载 2.00V接 1kΩ 负载后 1.90V算得 Ro ≈ 53Ω合理。若接上后只有 0.90V算得 1.22kΩ这时候不要急着报数先看波形有没有削顶——大概率是负载太重、输出进了非线性区。这道题问的从来不是算术是你会不会怀疑自己的数据。4. 高频考点扫频、检波与截止频率判定幅频特性是这道题最能拉开差距的地方。它考的不是“会不会画图”而是你能不能保证每一个频点的幅度值都可信。一条歪掉的曲线比没有曲线更糟——评委会顺着它一路问下去。4.1 扫频源DDS 的选型与步进怎么定扫频源基本都用直接数字频率合成常见的几款覆盖面不同低频到十几兆的型号够用且便宜SPI 控制单片机好驱动更高频的型号对这道题是浪费。真正决定成败的不是芯片型号是外围输出必须过低通滤波把阶梯杂散和镜像压掉否则高频段的读数是假的。扫频范围和步进这样定下限从 10Hz 起覆盖下限截止频率上限到 1MHz覆盖上限截止频率并留出观察余量采用对数扫频每个十倍频程 40 到 60 点在预估截止频率附近再加密一倍。每个频点的驻留时间常被忽略。DDS 切频之后被测电路的耦合电容要重新建立检测电路的有效值芯片也有建立时间。驻留时间不够读数永远滞后于真实值曲线会整体往低频“拖”。稳妥做法是从 20ms 起步低频段加到 100ms。注意扫频源自己的幅频平坦度必须先自校。把源直接接到检测端扫一遍存表正式测量时逐点扣掉这叫归一化。这一步做了高频段的曲线才站得住。4.2 检波真有效值芯片和二极管峰值检波的取舍二极管峰值检波便宜、简单但有两个硬伤小信号时被二极管压降吃掉几十毫伏以下基本没线性峰值不等于有效值波形一失真读数就偏。要用就得加运放补偿或者在软件里做查表校正工作量并不小。真有效值芯片省心输出直流直接进 ADC扫频速度快。代价是要看带宽和精度指标以及供电是否麻烦。选型时优先看两件事带宽是否覆盖你的上限频率小信号下的线性度如何。第三条路是分段混合低频段用 ADC 直接采样加频域分析精度最高高频段切换成真有效值检测。切换点选在两套方案都准的中间频段用重叠区做交叉验证。这个设计写进方案论证是明显的加分项。4.3 截止频率0.707 落到代码里怎么找先在中频平坦区取基准增益 A0转成 dB 记为 mid_db。上限截止频率就是增益下降到 mid_db − 3.01dB 对应的频点下限同理。注意下限是往低频方向下降方向别搞反。工程上不要用“扫描到第一个小于阈值的点就返回”那样精度受步进限制。正确做法是先用粗扫找到跨越区间再在区间内做插值或二分细化。/* 扫频结果按频率递增存放gain_db[] 为相对中频增益(dB) * 返回 -3dB 截止频率频率轴按对数插值低频段更准 */ float find_cutoff(const float *freq, const float *gain_db, int n, float mid_db) { const float target mid_db - 3.0103f; /* 20*log10(0.7071) */ for (int i 1; i n; i) { if (gain_db[i] target gain_db[i-1] target) { /* 跨越点落在 [i-1, i]按 dB 线性求插值系数 */ float t (gain_db[i-1] - target) / (gain_db[i-1] - gain_db[i]); /* 在 log10(f) 上插值避免高频段插值偏差过大 */ float lf log10f(freq[i-1]) t * (log10f(freq[i]) - log10f(freq[i-1])); return powf(10.0f, lf); } } return -1.0f; /* 未找到扫频范围不够或中频基准取错 */ }参数说明freq必须严格递增gain_db必须在跨越区间附近单调。曲线有起伏时先做三点滑动平均再找否则会误判在纹波上。返回 −1 不是异常是提示你两件事之一扫频范围没覆盖到或者中频基准 A0 取在了不平坦的地方。下限截止频率用同一函数把数组反向传入或改成找上升沿即可。两侧都找到后通频带就是两者之差这个数报告里要单独列一行。4.4 真题演练幅频曲线画歪的四个原因第一个原因源没做归一化。DDS 输出高频段本身有滚降曲线看起来“提前下降”你把它当成被测电路的带宽上限截止频率就报低了。第二个原因探头和线缆电容。几十皮法的探头并在输出端高频段就是一条额外的低阻通路曲线尾部掉得特别快。验证方法很直接换短地线、换 10X 探头再扫一遍曲线抬起来了说明是测量链的问题。第三个原因扫频幅度太大。大信号下输出削顶幅度被钳住曲线在高频段反而“变平”你会误判上限很高。验证方法把源幅度降一半重扫曲线形状变了就说明之前进了非线性区。第四个原因驻留时间不够。读数滞后曲线整体向低频偏移两个截止频率都偏小。验证方法把驻留时间加倍读数明显变化就是它。答辩被问到“你怎么保证曲线是真的”就按这四条逐条说验证方法比说“我测了很多次”有说服力得多。5. 易错点五类现场最常翻车的地方5.1 错在哪拿万用表交流档直接扫频错在把万用表当成了测量仪器。它的交流档带宽通常只到千赫兹量级高频段读数一路下滑而且它是按正弦平均值乘系数校准的波形一失真就没有意义。为什么错很多人只看“能不能读出数”不看“这个数在什么条件下有效”。带宽和检波方式是仪器的固有属性不是使用技巧能绕过去的。怎么答对方案里明确写检测方案——真有效值芯片、ADC 采样加频域分析或者示波器读峰峰值并说明探头配置。被问到为什么不用万用表就答带宽和波形因数两点一句话说清。5.2 错在哪取样电阻取了一个“顺手”的阻值错在取样电阻与被测输入电阻不在同一量级。取大了分压比太小几十毫伏的信号里噪声占一半取小了 Us − Ui 变成两个大数相减相对误差被放大好几倍。为什么错只记住了公式没建立“分压比决定灵敏度”的直觉。公式对数据照样不能用。怎么答对先粗测估量级再按同量级重选取样电阻把分压比控制在 0.3 到 0.7。报告里写出这个取值依据并附上两组不同取样电阻的对比数据说明为什么最终选这一个。5.3 错在哪扫频幅度开太大把失真当带宽错在只追求“读数好看”把输入幅度开到输出接近满幅。这时输出已经削顶增益被压缩曲线形状完全变了截止频率自然错。为什么错小信号线性是整套测量的前提这个前提一破后面所有换算都失去意义。怎么答对先做一次幅度扫描找出输出开始失真的临界点正式扫频取临界值的三分之一以下。答辩时主动说“我做过线性度检查工作点在这个幅度以下”这句话评委很吃。5.4 错在哪输出电阻用空载电压直接算错在只测了空载电压就套公式或者随便并了一个负载电阻。空载电压本身没问题问题是负载取值和它带来的非线性。为什么错输出电阻的公式本质是两次测量的比值任何一次不在线性区比值就没有意义。怎么答对先大电阻粗测估量级再用接近 Ro 的负载精测测完必看波形有没有削顶。若被测电路输出电阻很低深度负反馈结构直接说明本方法分辨率不足改用交流恒流注入法并给出两法的交叉验证结果。5.5 错在哪故障判断只量通断不量工作点错在拿万用表蜂鸣档挨个测元件通断测完说“都通没故障”。虚焊、电容失效、电阻变值这几种用通断根本测不出来。为什么错把“电路连上了”当成“电路工作正常”两件事不是一回事。怎么答对按三条线交叉判断——先量三个直流电位判断偏置再看中频增益是否落在正常范围最后看频响形状有没有异常拐点。三条都对上才敢报“无故障”。5.6 一道“找茬题”的完整答法题目给的现象是直流工作点正常中频增益只有正常值的一半低频段曲线明显提前下降高频段基本正常。怎么答先定方向直流正常说明偏置没问题问题在交流通路。再看频段低频掉、高频正常指向耦合电容或旁路电容不指向结电容。然后落到具体元件发射极旁路电容开路会让增益下降但工作点不变耦合电容容量衰减会让低频段提前衰减。两个都查用替代法换一个同规格电容复测增益回来了就是它。这个答法的价值不在结论在顺序先分直流交流再分低频高频最后落到元件。评委听的是这个推理链。6. 答题与备赛把测量链讲成一个闭环测量类题目的答辩其实只有一个评分逻辑你说的每个数字都能追到一次测量每次测量都能追到一个方案选择每个方案选择都能说清边界在哪。这三层打通了仪器做得糙一点也能拿分打不通数据再漂亮也像抄的。押题方向就三条年年如此。第一条必然问基本量的测法和误差答题模板固定成“方法、公式、取值理由、误差来源、验证方式”五句话练到能脱口而出。第二条必然问曲线的可信度答案就是归一化、线性度检查、驻留时间、探头影响这四点每点配一个验证动作。第三条必然问边界也就是“如果条件变了你还行不行”提前给每个方法准备一句边界声明比临场硬撑强。备赛阶段按这张表走一遍把每项落到具体动作上而不是停留在“我知道”环节具体动作自检标准源自校源直连检测端扫全频段存表平坦度误差小于 0.5dB基本量三个量各测三次换两组取样电阻三次离散度小于 2%线性度幅度扫描找失真临界点工作幅度低于临界值三分之一扫频对数步进截止区加密驻留加倍复测两次曲线重合故障人为制造两类故障并复现判据能判出类型不误判正常电路报告原始数据表、波形图、误差分析齐全每个数值可追溯到一次测量还有一件事容易被忽略报告里要留一页“失败记录”。哪次测出来不对、怎么发现的、最后怎么改的。这一页在评委眼里比十页漂亮曲线都值钱因为它证明你真的动手了。从那以后我每次碰测量类题目都强制走一遍“源自校、量程与分压比、驻留时间、两点交叉验证”这四步一步都不敢跳——跳哪步后面就在哪步翻车。这套D题的题面、方案、程序和测试记录表都在资料包里拿到后别急着看代码先照着第 5 章的易错清单把自己的方案对一遍对完再动手能省掉大半夜的返工。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取