2014年大学生电子设计竞赛心得与啸叫抑制

2014年大学生电子设计竞赛心得与啸叫抑

制（D题）方案解析

前言

Hi，大家好，我是师头，电子信息工程专业，目前从事机器人硬件研发工作。我以前作为参赛选手参加过几次电赛，工作中也算积累了一些经验，这次作为外援参赛，能够在十多个小时里就搞定这道题，也是比我预期的要快不少，在这里就跟大家分享一下这次比赛的一些心得，工科男的思维比较发散，不要太在意某些细节问题。

首先来探讨一下这次的几道题目吧，其他省份的题目我不太清楚，浙江省这边分别是：四旋翼飞行器（A题）、金属物体探测定位器（B题）、锁定放大器（C题）、音频功率放大器及啸叫抑制设计（D题）、电能无线传输装置（E题）。

A题

一道道来看吧，先说说A题，平时有玩过四旋翼的，估计很多会选这题，TI比去年瑞萨好一些，至少不指定主控型号了，大家用arduino、STM32、430的应该都有，自稳定一般都可以实现，用加速度计+陀螺仪测量姿态，用PID进行调节。难点在于定高和定点，定高一般有两种思路，用超声波和气压计，这两种其实都可以实现，但是气压计精度比较差，一般10-5cm，还会受旋翼气流干扰，但是好处是能稳定的读取到距离数据（有误差），用超声波就比较蛋疼了，虽然这货精度很高到1mm，但是有时候会收不到回波，导致没数据输出，尤其是距离稍微远点的时候。

定点就比较复杂了，同样是两种方案，一种是用加速度计，加速度计进行积分，可以获得速度，再对速度进行积分，就可以获得运动距离，原理上是这样没错啦，但是大家飞机上用的MEMS传感器精度实在是太差了，一个0.1m/s的加速度测量误差，结果就导致飞机一秒偏5cm，二秒就会偏20cm，五秒会跑偏125cm；第二种方案是用光流传感器，这个方案我实践过，效果还是不错的，结合超声波测距，基本上1.5m定高定点是完全ok的，传感器是网上买的ADNS3080，实际上就是个光学鼠标引擎+镜头。

上面说的这么多，估计大家实际也就是做到定高，定点大多还是靠微调机身的倾角，让

飞机不至于大幅度的跑偏，坚持5秒也就够了。毕竟比赛的时间有限，四旋翼的题目明年估计还会有，瑞萨承包了国赛到2019年，大家现在就可以开始准备用瑞萨的芯片搞飞机了。

B题

B题是金属探测，要求是探测器自动进入，然后搜索，定位到硬币，这题其实就是TI 在推广自己电感传感器吧。。。

首先是在进入区任意方向任意位置进入，这就够蛋疼了，本来还想用惯导（AHRS）+里程计做航位推算来实现，结果后面来了句不能用其他传感器，我就蛋疼了，也不知道你们最后是怎么做的，反正我是看到这里就直接PASS了。

跳过自动进入这个要求，搜索定位其实是比较简单的，假设从左上角直着进去，在区域里面搜索电感值突变的区域，然后进行精确定位。搜索定位的逻辑有好几种，这里就说一下最简单有效的平行搜索+扇形搜索（马航也是这么找的），首先在没有目标的时候，先在区域内做平行搜索，前进50cm、右转90度、前进5cm、右转90度、前进50cm、左转90度。。。这样可以找到一个大致的硬币位置，然后用扇形搜索，确定一个大致方向，然后前进1cm、原地转±30度，查找这个过程中数据的最大值存在数组中的位置相对中位差多少，就是偏哪个方向，然后就往这个方向转这么多角度，然后再前进1cm，再搜索±30度，直到这次的最大值比前一次的要小，就向后退5mm，再慢慢搜索，找到大于、等于、前上一次最大值的位置并停下。

C题

C题是锁定放大器，典型的模电题，看了半天我也看不到到底要求有哪些。。。一步步按要求来作，感觉不难，运放、移相器、带通滤波、相敏检波还有blablabla。。。

我模电学的一般，也没啥经验，就不在这里误人子弟了。

D题

D题也就是大家拿到资料里面的题目，也是本文的重点。

首先看题目首先分为三部分：功率放大、啸叫检测、啸叫抑制。

功率放大指定了功放新型号为TPA3112，这个功放确实是挺好的，你们可以看看淘宝上卖的25W功放，排开那些装盒子里看不到电路板的不说，那些裸板大部分都会带一个很大的散热片对吧。这是因为这些功放的关键器件是大功率三极管，大家知道，三极管放大的时候，输出的信号幅度肯定是小于供电电压的，那这些小于电源的这部分电压哪里去了？都是被三极管作为热量发散掉了，所以就需要这么大的一块散热片来进行散热！再看看TPA3112上，只有一个SOP的芯片，根本看不到散热片，使用的时候也基本不会发热，这是因为功放芯片采用了CMOS工艺，工作的时候是通过PWM控制输出电压大小，也就是说，如果

输出6V电压，芯片就会使用50%的PWM波进行调试，开的时候是完全打开，MOS阻抗极小，关的时候完全关闭，基本没有电流。这样芯片就不会发热，电流相比三极管也减小了一半，效率提高了1倍。通过英文PDF的Figure 14，可以算出功放板在5W时候的效率大约是87%，这完全满足题目>80%的要求。关于效率还是要多说几句，虽然功放板的效率是87%，整个系统还要算上运放、处理器的功耗，这部分的供电是通过12V转换的，这里的电源效率其实也很重要，如果你用LM7805这样的线性稳压，那么就像前面说的三极管一样，多出来的7V电压都用来发热了，效率可想而知，要想达到80%的效率几乎不可能，这里推荐大家使用LM2596这样的开关稳压芯片，通过PWM控制输出电压，效率几乎可以>90%,这样一来才能实现整个系统效率的最大化。

功率放大光有功放还不够，还要前级的拾音器电路，方案里面已经给了个很详细的原理图了，典型的反向放大电路，驻极体通过一个上拉电阻充电，有声音就会对输出电压产生微弱的变化，通过C1隔直电容，去掉上拉电阻的直流偏置，然后输入到功放，通过R5/R2确定放大倍数，这里设置了500倍。R3、R4可以调节运放的输出基准电平，一般是分压到电源电压的一半，但是实际情况往往是运放有一定的限幅失真，所以最大的幅度未必是3V，可能只有2.5V，所以这里建议在R3、R4（换成1K）中间也加一个500K电位器，不去掉两端电阻是防止转电位器的时候转到两边极限，使运放引脚直接接电源或者直接接地（这样应该会坏掉吧，我也没试过，一般都会在可变电阻上串一个1K，防止短路）。这样可以调节运放输出的基准电平电压，通过示波器可以把基准电平调节到输出信号上下限的中间，实现运放放大倍数的最佳利用。

说完了基本电路就是核心的啸叫检测和啸叫抑制了，首先是啸叫检测，啸叫检测我看大家用的方法各种各样，有人用输入捕获什么的，进行频率测量，虽然这不失为一个办法，但是难度和效果是不成正比的。最好的方法是用傅里叶变换，学过数字信号处理的同学应该会很清楚原理，没学过的我简单解释一下，傅里叶变换是将时域信号转换成频域信号的一个过程，通俗的说就是信号按照一定时间间隔采样进来，通过傅里叶变换，能得到这段信号里面各个频率的分量。

通过下面两张GIF来形象解释一下这个问题吧，第一张图中每个圆都以各自的幅度和频率进行运动，右边就是各种信号叠加后的波形，单频是正弦波，但是多种频率合成后，就变成了像方一样的信号（这里几个信号的频率是成整数倍，如果各种频率混杂就会变成混乱的波形）。