直擊電賽｜反覆推倒重來！6天5夜究竟做些什麼？(完整攻略）

大家好！我們是來自上海交通大學的C題參賽隊伍（毛振潔 王文濤 陽浩寧）。今年我們參加了TI杯上海市大學生電子設計競賽，有幸獲得了一等獎的好成績。很高興受到德州儀器和達爾聞的邀請來分享我們的參賽經歷。

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疫情影響，訓練受限

受到上海疫情的影響，這次的上海市電賽延期到了十月份進行。即便如此，我們的賽前準備依然十分倉促。2022的春季學期，我們幾乎全程在線上上課，原本與電路設計製作相關的課程也未能正常開展，這讓我們失去了進入實驗室進行實際操作的機會。秋季學期開學後，校內疫情的再次出現讓我們的備賽過程又蒙上了一層陰影，國慶集訓也未能如期舉行。好在最後各方克服萬難，讓這次市賽得以成功舉辦。同時為了照顧其他仍有校內疫情在隔離期間的同學們，主辦方將賽程延長了一天半，給了我們更多的作品製作時間。就這樣，原本四天三夜的市賽變為了六天五夜，在我們的電賽生涯中增添了一段更加難忘的經歷。

我們的合影

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競賽伊始：糾結的方案設計

比賽第一天我們便早早地去到了實驗室等待賽題發放。將所有賽題瀏覽了一遍後，我們進行了激烈的選題討論，由於我們學習過《模擬電子技術》和《工程實踐與科技創新》課程，對於硬件電路設計、元器件電氣特性和單片機編程比較熟悉，最終一致決定選擇C題——有源濾波放大。

順利確定好選題後，接下來便是方案論證。方案的選擇過程並不如選題一般順利，一開始我們便陷入了糾結，如何實現預處理電路的核心——自動增益控制電路呢？

自動增益控制電路主要有兩種實現形式：使用可變增益放大器（VGA）或者可變電調衰減器（VVA）實現動態範圍。兩方案各有優劣，前者通常帶寬較小，頻率較低，後者可實現的應用範圍較廣，各個頻段的VVA和低噪放產品數量廣泛。但考慮到題目中輸入信號的特性，綜合已有的實驗器材和理論知識，我們最終沒有選擇封裝好的自動增益控制模塊，而選擇利用單片機處理數字信號來實現對增益的精準控制和實時調控。單片機我們選用的是TI公司的TM4C1294NCPDT，其便捷的操作方式和高效的性能使我們能夠更快地完成功能實現。經過挑選，我們在海量的數模轉換芯片中選擇了TI公司的DAC8043，因為它可編程！此外，由於輸入信號幅度較小，為了更精確的計算出放大倍數，同時對單片機進行過流保護，我們決定加入調理電路對輸入信號進行比例放大和直流偏置，再輸入至單片機的ADC接口。當天我們便購買了需要的芯片和模塊。

實驗室環境

後半部分的低通濾波和高通濾波電路的理論體系比較完善，早已有相當成熟的經驗可以借鑒。通過題目中的指標計算，我們發現使用四階濾波器能夠恰好完美滿足要求！但我們最終採用的並非四階，而改用了五階濾波器的設計。這是由於理論電路和實際電路之間不可避免的存在誤差，從元器件的標註值與實際值的差異，到電路導線和運算放大器並非理想元器件，種種影響因素讓我們實際電路的表現大概率達不到仿真效果，因此在設計電路時一定要留下充足的「餘量」，保證即使實際電路非理想也能達到指標要求。

電路整體設計框圖

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競賽前期：波折的電路焊接

設計好基本電路圖後，就是電路的具體實現了。我們先對焊好的信號調理電路中幾個測試點分別進行了檢測，結果卻並未達到預期，電路出現了故障！為了找出有問題的電路部分，我們三人兵分兩路，一人對各種可能導致該結果出現的故障類型進行仿真驗證，另兩人一起分析了電路可能出現的問題，並且使用萬用表逐個對焊點進行了虛焊漏焊檢測，最終發現是一根導線的虛焊導致。

經過了一天的焊接和單片機編程，我們的第一部分預處理電路功能基本實現。期間經過了多次調試，起初無論怎麼修改，單片機部分的輸出測試點始終出現了問題，我們曾一度懷疑是單片機芯片損壞。後來偶然間發現是由於貼片元件DAC過小導致有引腳出現了錯誤短接，耽誤了我們不少時間來排查錯誤。後續還發生各種千奇百怪的錯誤，例如輸出檢測點焊接錯誤，電源供電線焊接錯誤，元件取用錯誤等等。所以在焊接過程中千萬小心謹慎，寧願慢一些也不可毛毛躁躁，操之過急。

沒焊好被替換的板子

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接着是對濾波電路的測試，我們依然沒那麼幸運，兩個電路模塊的輸出都有問題。於是又是熟悉的查錯環節。為了準確地找出問題，我們在仿真軟件中將濾波電路復刻了出來，觀察電路理論上應該達到怎樣的效果，再分別加上短路、斷路、元件值取值錯誤等等問題，來分析我們製作的電路到底哪裡不對。

低通（上）和高通（下）濾波電路仿真電路圖

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競賽中期：不穩的自動增益

在完成硬件焊接後便是接上單片機進行聯調，以實現自動增益功能。在這個過程中之前一直表現良好的預處理電路卻在過了一晚後輸出變得十分不穩定，我們頓時都緊張了起來。先是對硬件電路又進行了一波排查，幾次嘗試後猜測是單片機編程上有些bug，畢竟昨天還好好的硬件電路總不至於放一晚就壞了叭！

經過負責軟件的同學一晚上的修改與反覆試驗，最終發現是輸入信號超出了程序中能夠處理的信號範圍，導致程序的輸出結果出現了一些錯誤。在修復了一些邏輯漏洞後，自動增益電路成功實現了穩定的輸出。

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競賽後期：反覆的取值調試

又過了一天，我們還是沒能發現高通濾波電路的問題。這時我們做出了一個決定：重新焊接！時間不等人，在這次焊接過程中我們吸取了之前的經驗，穩紮穩打，也不再顧及電路的「顏值」，在經過了一個半小時的焦急等待後，新的焊板橫空出世，我們這一次成功實現了高通！但由於截止頻率的要求，我們又開始對電容的取整進行調整。先在電腦上進行仿真驗證，確定好修改方案後，通過並聯一個小電容將截止頻率拉到範圍內，最後接上功率放大模塊。

濾波和功放電路的成品

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競賽尾聲：輪流撰寫的報告

最後一個上午的幾小時內，我們主要的工作就是對電路進行最後檢查，一些檢測點的焊接和電路板固定，以及完善實驗報告編寫。我們先由一人主筆完成大致內容，隨後對各輸出點進行測量和記錄，分析撰寫出初版實驗報告。隨後我們另外兩個逐個對報告進行了閱讀和修改。經過兩次校驗後，最終的實驗報告基本成型。隨後將報告打印，和最終作品一起封箱後就大功告成啦。

封箱前的作品

至此，我們的上海市電賽過程完美收官，接下來就是等待最後的測評了，在把作品封箱的那一刻，我們有一種如釋重負的感覺。

經歷了校測和市測後，我們最終獲得了一等獎的好成績。得知這個消息之後，我們都很驚訝，但也非常開心，畢竟我們這幾天的努力獲得了豐厚的回報。雖然我們是在臨時組隊培訓之後倉促上陣的，但我們依然憑藉不懈努力和團結合作成功地完成了作品。通過這次比賽，我們的電路設計和製作能力得到了提升，團隊的配合也更加默契。在完成作品的過程中，我們充分運用所學的知識，還拓展了新的知識面。總的來說，這是一次讓我們受益匪淺的經歷。

最後的最後，我們還可以給各位準備參加電賽的新人選手一些自己的心得和建議：

在準備比賽的時候，注意熟練掌握一些比較基礎的電路，如這次的基本放大電路、濾波電路等。一些較為複雜的電路可能平常難以遇到，但遇到了也不必慌張，一般來說通過查閱各種資料也可以找到解決方法。平常如果遇到了也可以記下來，作為一種知識的積累，就比如這次的自動增益控制電路。

時間安排上，拿到題目之後，還是要留出充足的時間，對於整個電路以及每個模塊要實現的功能有一個較為清晰且深入的認知，再儘可能多地尋找方案，充分考慮優劣後做出最佳的選擇。

電路設計方面，要充分考慮工程實際，為實際電路留下充足的容錯空間。電路焊接方面，對於較複雜的大型電路可以分出多個檢測點逐段排查，在焊接過程中學會善用萬用表進行虛焊檢測，必要時可以直接重新焊接。希望各位後面參加電賽的同學也能取得好成績！

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轉載自：達爾聞說，作者上海交大C題隊伍

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