电赛综合测评题练习2-仿2015年电赛综合测评
2015年电赛综合测评（部分要求有区别）
文章目录
前言
系列文章用Mutisim软件仿真了近几年国赛综合测评常用的几个电路：
电路设计部分来自前辈们设计好的原型，每个电路我都进行了仿真并写明参数设置方法。在设计中出现一些问题，也一一指出来了，难免有错误，欢迎大家在评论区指出，大家共同进步。
闲言少叙，我以在校赛中做的三道模拟题为例：
T1：电赛综合测评题练习1-仿2013年电赛综合测评
仿真文件1
T2：电赛综合测评题练习2-仿2015年电赛综合测评
仿真文件2
T3：电赛综合测评题练习3-仿2017年国赛综合测评
仿真文件3
1. 多种波形发生电路（类似2015年国赛综合测评题）
1.1 题目说明
1.1.1 可用器件
1 个 555 定时器芯片（每个 555 定时器芯片包含 1 个 555 定时器电路）、1 个 74LS74 芯片（每个 74LS74 芯片包含 2 个上升沿 D 触发器）和 1 个通用四运放 LM324 芯片（每个 LM324 芯片包含 4 个通用运算放大器）设计中可使用电阻、电容和电位器。555 定时器芯片、74LS74 芯片和 LM324芯片的数量不能超出题目要求，不能使用上述芯片以外的其它任何器件或芯片。
1.1.2 设计要求
1.五种波形的设计要求
（1）使用 555 时基电路产生频率为 20kHz-50kHz 连续可调,输出电压幅度为1V 的方波 I；
（2）使用上升沿 D 触发器，产生频率为 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度为 1V 的方波 II；
（3）使用上升沿 D 触发器，产生频率为 5kHz-10kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的三角波；
（4）产生输出频率为 20kHz-30kHz 连续可调，输出电压幅度峰峰值为 3V 的正弦波 I；
（5）产生输出频率为 250kHz，输出电压幅度峰峰值为 8V 的正弦波 II。
方波、三角波和正弦波输出波形应无明显失真（使用仿真工具自带示波器测
量时）。频率误差不大于 5%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。
2．电源只能选用+10V 单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源。
3．要求预留方波 I、方波 II、三角波、正弦波 I、正弦波 II 和电源的测试端子。
4．每通道输出的负载电阻 600 欧姆应标示清楚、置于明显位置，便于检查。
1.1.3 设计方案论证
方波I由555时基电路产生；方波I经过74LS74的两个上升沿触发得到四分频后的方波II；方波II经过LM324构成的积分运算电路得到三角波；方波I通过LM324构成的低通滤波器滤出高次谐波得到正弦波I；50KHZ的方波I通过2个LM324构成的带通滤波器得到5次谐波-250KHZ的正弦波。
1.2 仿真电路设计
1.2.1 脉冲波发生器电路
1.2.1.1 方案介绍
本电路中的 脉冲波信号采用NE555定时器的定时器电路实现，可实现脉冲频率和占空比的调节。
NE555是常用的时基电路芯片，它结构简单，应用广泛，由分压器、比较器、R-S触发器、放电管和缓冲器组成。
图1.2.1.1 NE555内部电路
图1.2.1.2 NE555应用电路
接通电源后，电源通过R1和R2对电容C充电，当 Uc<1/3VCC时，振荡器输出OUTPUT=1，放电管截止。当UC充电到≥2/3VCC后，振荡器输出OUTPUT翻转成0，此时放电管导通，使放电端 (DIS) 接地，电容C通过 R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出OUTPUT又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端 (DIS)不接地，电源 VCC通过 R1和R2又对电容C充电，又使Uc 从1/3VCC上升到 2/3VCC, 触发器又发生翻转,如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。
脉冲宽度 TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定：TH=0.7(R1+R2)C,由电容C充电时间决定，脉冲周期 T≈TH+TL。根据题目要求，需要8KHZ-10KHZ的脉冲波，且脉冲的占空比可调整。
1.2.1.2 理论分析与计算
考虑频率指标：（为了避免占空比变化对频率的影响，选择R1<<R2,TL TH）
1.2.1.3 电路系统设计
根据电路频率需求，选择5K 的电位计作为调整频率的电阻，输出的电压经过电位计R5的分压，输出到下一级，经验证后电路图如下：
图1.2.1.3.1 555时基电路参数选择
1.2.1.4 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.1.4.1 通道1 方波I信号
1.2.2 四分频电路
1.2.2.1 电路系统设计
四分频电路采用的是两个74LS74N上升沿触发器，可实现4分频的效果，输出四分频后的信号在经过电位计R26分压输出，仿真电路图如下：
图1.2.2.1.1四分频电路
1.2.2.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.2.3.1 通道2四分频后的方波
1.2.3 三角波电路
1.2.3.1 方案介绍
由方波转为三角波需要积分电路来实现，本设计中采用LM324构成的积分运算电路来实现，可达到5KHZ-10KHZ，Vpp=5V方波输入，Vpp=3V三角波输出的结果。
下图为以集成运算放大器为核心元件的基本反相积分运算电路，输入电压uI经电阻R加至运算放大器的反相输入端，C为反馈电容，引入电压并联负反馈，R’为平衡电阻，uO为输出电压。
1.2.3.2 理论分析与计算
调节电容C，和电阻R的参数可以调节三角波的幅值，
这里选择C=50nF，可通过调节R使得输出三角波Vpp=3V，R’是平衡电阻,一般选择R’=R。RF是为了防止积分饱和和截止现象，一般取RF>10R。
1.2.3.3 电路系统设计
图1.2.3.3.1 积分电路
1.2.3.4 仿真方案与仿真测试结果
题目要求在5KHZ-10KHZ通频带内输出电压峰峰值变化小于5%，电路设计考虑这一限制，故选择时间常数使得积分电容在7.5KHZ左右饱和这一工作点进行，其中7.5KHZ输入、5KHZ输入、10KHZ输入分别如下，基本满足5%增益误差的要求。
图1.2.3.4.1 通道4 7.5KHZ输出三角波
图1.2.3.4.2 通道4 10KHZ输出三角波
图1.2.3.4.3 通道4 5KHZ输出三角波出现小部分饱和削顶
1.2.4 正弦波I电路
1.2.4.1 理论分析与计算
根据方波的傅里叶分解我们可以知道，以25KHZ，Vpp=5V的脉冲波为例，其是由27KHZ-Vpp=5V的基波，27KHZ、45KHZ、63KHZ…….等多次奇谐波组成的，为了得到Vpp=1V的基波，需要LM324构成的低通滤波器，实现20KHZ-30KHZ，AM=1的增益。
低通滤波器参数我采用的是TI公司的滤波器EDA软件FiterPro设计，滤波器参数设计如下图所示
图1.2.4.1.1 FilterPro 设置低通滤波器参数
1.2.4.2 电路系统设计
根据FiterPro给出的参数连接电路，经过调试后的电路如下：
图1.2.4.2.1 30KHZ低通滤波器Mutisim电路图
1.2.4.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.4.3 通道3 25KHZ正弦波I
1.2.5 正弦波II电路
1.2.5.1 理论分析与计算
输入的信号为Vpp=5V的50KHZ方波信号，250KHZ为5次谐波，峰峰值为1.2V，为了达到Vpp=9V，需要250KHZ增益约为8。
图1.2.5.1.1 输入50KHZ方波频谱分析
带宽可为100KHZ从而设置带通滤波器参数如下：
图2.2.5.1.2 FiterPro带通滤波器参数设置
图2.2.5.1.3 FiterPro提供的2阶带通滤波器电路参数
1.2.5.2 电路系统设计
带通滤波器输入信号为Vpp=5V频率为250KHZ的0-1方波信号，输出为250KHZ的正弦波信号。
图1.2.5.1 250KHZ带通滤波器电路
1.2.4.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.5.3.1 通道1 250KHZ正弦波II
2 参考文献
[1] https://blog.csdn.net/qq_38113006/article/details/100127126方波产生，运放LM324产生方波
[2] https://blog.csdn.net/jiangchao3392/article/details/84642510 积分运算电路的设计
[3] https://blog.csdn.net/DengFengLai123/article/details/99290583 2017年电子设计大赛综合测评-复合信号发生器
[4] https://mp.weixin.qq.com/s/m3op5jacIr8gpSQ47PW15g 2019年电赛综合测评怎么搞？国一师兄带你终极大测评！
[5] 《数字逻辑与数字系统》电子工业出版社 李景宏著
[6] 《电路与电子学》电子工业出版社 李晶皎著
3 设计心得
通过本次电赛校赛的选拔赛，我得以有这次机会把近几年典型的电赛国赛综合测评题目做一遍，做的过程也参考了不少前辈们之前完成的设计，总体完成了主要功能，整个选拔赛都是在疫情期间的暑假进行，没有到实验室给做实物带来了一些影响，因而本次设计只做了Mutisim仿真，没有进行实物验证。 即便如此部分指标的改善和常用电路的不寻常的使用也耽误了不少时间，究其原因还是平时对常用电路的原理和用法的一知半解，在今后的学习中要注重学习与实践的结合。