夺冠模拟邀请赛

8月16日下午3点，当宋玉成、张博宇、罗钧升这三位东南大学信息工程专业19级的同班同学拖着塞满备赛物料的大包小包、顶着39度高温从杭州东站出来时，心情糟透了。当时他们还不知道这些东西最终一样也没用上，迎接他们的将是一场怎样跌宕起伏的竞赛旅程，当然更想不到自己会拿到TI杯全国大学生电子设计竞赛模拟电子系统设计专题邀请赛（以下简称“模拟邀请赛”）的最高奖。

血压上来了～～

当他们到达竞赛报到处时，其实由于突发疫情，参赛学生已确定无法进入原定的杭州电子科技大学参赛，此时距离原定的开赛时间仅十几个小时。而线下全封闭的竞赛模式，正是模拟邀请赛的一大特点。几位同学对此并没有太在意，因为他们觉得组委会肯定能处理好这一切。但他们不知道的是，接下来的时间里，“严禁聚集”和“实验仪器及电烙铁等设备有火灾隐患”这两条一次次将组委会逼到取消比赛的绝境，到了晚上10:30，终于绝处逢生，但是比赛将延期一天进行，时间从原来的2天1夜调整为1天1夜。

8月17日下午2点，新的竞赛规则如约而至，最大的改变是用功能全但性能相对受限的便携口袋仪器替代原来的示波器、信号发生器、稳压电源，同时禁止使用电烙铁、热风枪等。看到规则后，一向淡定的宋玉成“血压上来了”。很多前期的准备都变成了无用功，那些从南京一路辛苦扛过来的一整套做感光PCB的物料、打印机、热风枪、电烙铁等等都不能用了。而且由于无法焊接，别说堆叠模块了，连功能更为丰富、引脚较多的芯片都无法使用。

和宋玉成一样心态有些崩的是罗钧升，他原本承担的是竞赛中PCB焊接和调试的任务，现在等于负责的部分一下子没了。好在他很快找到了新定位：辅助宋玉成设计电路、调试电路和整合报告。张博宇则比较淡定，“既然是模拟邀请赛，我们有宋玉成模拟方面这么强的同志，即使规则改了也没关系。”

从左至右分别为：罗钧升、宋玉成、张博宇

我有大神我怕谁

作为每两年一次大学生模拟电子领域的“华山论剑”，模拟邀请赛汇聚了全国高校中一等一的高手，参赛队在规定地点、规定时间内使用指定竞赛平台，以及竞赛现场统一提供的相关模块及器件完成参赛作品，竞赛时学生不得与外界联系，完全依赖于自身的能力、应变和现场提供的条件实现作品，所以对参赛团队的模电数电技术、协作、调试、应变等全方位的能力都提出了很高的要求。正因为如此，早在组队之初，宋玉成他们三人就已经根据自身特点有了明确的分工。

宋玉成负责硬件电路的设计与调试，在同学眼里，他是名副其实的“大神”。小时候经常跟着做电工的爷爷去工厂里看焊板子，上废品站淘点儿废电路板什么的，初一就接触到了单片机技术，只不过到了大学令他痴迷的却是模拟。模电课上他总是能回答出各种各样高难度的问题，QQ空间里分享的也是自己做的模拟电路和分析，“整个班的同学都能感受到他从骨子里透出的那种模拟方面的强悍”，张博宇说。他最喜欢说的就是“我觉得我做得很对，它（电路）凭什么不行”，通过一次次的较劲儿，他的电路设计经验积累越来越多，而且每次被虐得越惨、通过自己的能力解决问题后，收获和成就感也就越大。当初，东南大学张圣清老师之所以推荐宋玉成参加模拟邀请赛，就是因为看到他后眼前一亮，好多年没遇到过这样的学生了，那种对模拟的热爱是发自内心，又具备很强的模拟电路基础和调试能力。近年来校园的风气在变，越来越多的学生倾向于直接、快速出结果的数字电路和软件，而对搭建调试比较繁琐、学起来费时费力的模拟电路缺乏兴趣。

张博宇和罗钧升虽说是大学才开始对电子信息行业有所认识，但当意识到学校教学偏理论而实践不够时，萌生了强烈的意愿希望能把平时课堂所学转化成一个工业上能真正使用的产品，他们会因为作品完成而很开心。更喜欢编程的张博宇补齐了团队里数字控制方面的能力，所以在团队中主要负责编程和调试。罗钧升平时特别乐于与老师、同学交流设计相关知识，主要负责硬件电路的焊接、调试和报告。看上去这个因对电子设计兴趣而组合的团队，在能力上几乎没有短板。

硬核创新

18日早8点，竞赛开始。题目要求根据条件设计李萨如图形演示装置，通过李萨如图形测量出两个信号的频率比与相位差。

刚拿到题目时宋玉成松了一口气，觉得自己可以用锁相环电路来实现题目的要求。

赛后，大连理工大学李胜铭老师对题目的分析是：首先体现了对基础知识的考察：锁相环电路是通信电子电路中的基本知识点。基于专用芯片进行搭建也考察了学生硬件电路设计、理论参数计算能力。此外，题目明确要求使用硬件电路滤波，而不是使用数字滤波，以及对数字电路进行波形整形，这些都考查了学生硬件设计和基于硬件进行程序设计的能力。

除硬件外，题目要求显示李萨如图形，并进行相位测量，也是对学生软件能力的考察。同时，题目要求在短时间内，使用TI处理器显示图形、对整个系统的综合控制，包括人机接口的实现等，更深化了软硬件综合考量，因此三位学生必须分工明确且形成合力。

果然，三位同学做着做着就发现题目根本不像他们预料得那样简单，方波、正弦波和三角波之间的转换是个问题，锁相环中的压控振荡器（VCO）较难做出题目要求的结果，需要自制VCO，非常有挑战。

他们首先想到的是直接做正弦波VCO，整形为方波，再由积分器变换成三角波，但这样有一个严重的问题，振荡频率变化时三角波幅度不恒定。前前后后尝试了好几种方案，最后宋玉成想到自己曾经在《振荡电路的设计与应用》上看到过一个函数发生器电路，于是在此基础上设计了一个三角波-方波VCO，首先制作直接输出三角波的VCO，这个振荡器同时生成三角波和方波，方波供给鉴相器，三角波幅度与频率几乎无关可直接输出。再合理偏置BJT差分对，使用单输入单输出连接，利用其双曲正切的传输特性将三角波转换为近似正弦波的波形。他们并没有局限在原有的思路，而是创新性地尝试了先生成三角波再生成正弦波的放大，最后也被证实可行。

思路有了，为了更好地实现设计目标，他们在电路结构上也融入了自己的设计思想，做了创新设计。比如VCO第一级要生成与控制电压幅度相同的负电压，由过零比较器控制选择电压极性。简单的方法是用一个差分放大器，由比较器控制增益是+1还是-1。但现场提供的运放型号有限，压摆率都很低，切换极性时有不小的延迟，表现为三角波形状严重恶化，尖端明显变圆。充分考虑现场元件限制后，他们决定将一正一负两个信号接入SPDT模拟开关，过零比较器直接控制SPDT。使用这种方法后切换极性的延迟大大减小，三角波波形明显改善。另外，初相检测电路的设计简单且巧妙，由与非门RS触发器、RC微分电路和RC低通滤波电路组成，检测两个方波输入下降沿的间隔，输出与这个时间间隔成正比的直流电压，通过单片机ADC采集后，即可计算出初相差。

最终他们的设计基本完成了题目指标，并在输出幅度和倍频范围上有所提高，正是基于这样系统性的考虑，最终实现1~4Vpp步进1Vpp可调，超过题目1~3Vpp的要求；也实现了1~8倍频步进1倍可调，超过题目1~5倍频的要求。但宋玉成也表示，这次设计在输入波形整形电路应该有更好的方法但没有时间尝试，导致输出波形不能很好地跟踪输入正弦波的相位，另外初相差在0°左右和倍频比较高时初相检测电路不太稳定，还有提升的空间。

宋玉成团队参赛作品

功夫在诗外

专家组对这支团队的评价是：对于赛题的深刻理解与创新的系统设计给专家评委组留下了深刻印象。他们在题目所考查点具有出色表现，实际上宋玉成在拿到题时就有返璞归真之感，注重基础知识和能力，这与团队的备赛理念不谋而合。备赛中除了必须使用很多模块的通信题目外，他们在实现设计时都尽量不使用模块，自己设计自己焊，更多地通过分立器件搭建电路。这样在搭建、调试的过程中，就可以厘清每一步电路原理，有足够的信心面对各种变化。

明确的分工则从团队成立的第一天起一直延续到比赛中，宋玉成搭建电路时遇到问题处理迅速果断，为团队后续争取了更多时间，张博宇熟练的单片机操作使得结果得以更好呈现，模拟、数字均衡的罗钧升在辅助两位同伴的同时，还做足了竞赛的其他支持工作。也恰恰是因为明确的分工，每个人在没有相关工作时，都可以适当休息，从而达到1+1+1>3的效果，而非硬熬24小时。

宋玉成还提到一点，“光运用校内专业课上学到的东西远远不够，具体怎么做还是得靠自己摸索。”课本上的知识都是理论，落实到具体电路上会出现各种实际情况。这次参赛的电路就像一个大型模拟电路和数字电路的综合实验，一旦出现问题，就需要顺藤摸瓜去找问题。首先要摸清电路的整体状态，仿真时先看没有信号输入时后面每个点分别应该是什么状态，再看有信号输入时又是怎样的。比如发现增益不对时，需要看是不是电阻拿错了，或者是不是因为前一级放大有输出阻抗后一级又接了负载。出现这种情况，一个一个模块单独仿真时能正常工作，但拼在一起就有可能出问题。像这些实际操作的内容，只有东西做多了才知道。

也许宋玉成是历来冠军获得者中最平静的，“我参赛只是想来体验电子设计的乐趣，并没有什么功利心，从未以获奖为目标”这样的话外人会觉得凡尔赛，但对于宋玉成却是真实的。相对于很多学生拿到好成绩就可以保研，他在参赛之前就知道自己即使站在全国模拟高手的最顶端也不可能保研，因为他的平时综合成绩达不到学校的保研标准，“专精模拟、对其他科目重视不够，擅实操、卷不了考试。”但我们相信，有了这份热爱与坚持，宋玉成总会有办法在模拟电路的道路上越走越远。