电赛综合测评题练习1-仿2013年电赛综合测评
2013年电赛综合测评（部分要求有区别）
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. 波形发生器（类似2013年国赛综合测评题）
1.1 题目说明
设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波 I、正弦波 II 的波形产生电路。给出设计报告（包括方案设计、详细电路图和自测仿真数据波形），与完整的仿真文件一同上交。
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）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
设计制作要求如下：
(1)同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波 I、正弦波 II 中的一种波形，每通道输出的负载电阻均为 600 欧姆。
(2)四种波形的频率关系为 1:1:1:3（3 次谐波）；脉冲波、锯齿波、正弦波I 输出频率范围为 8kHz–10kHz，输出电压幅度峰峰值为 1V；正弦波 II 输出频率范围为 24kHz–30kHz，输出电压幅度峰峰值为 9V。脉冲波、锯齿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 10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。脉冲波占空比可调整。
(3)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。
(4)要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波 I、正弦波 II 和电源的的测试端子。
(5)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
脉冲波由555时基电路产生，通过电位计粗调占空比及波形的频率；锯齿波由脉冲波经LM324构成的积分运算电路积分得到；脉冲波通过LM324构成的有源低通滤波器滤除高次谐波得到基波正弦波I；脉冲波通过2个LM324构成的带通滤波器滤出3次谐波得到正弦波II。
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Vpp=1V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。
1.2.1.2 理论分析与计算
根据题目要求，需要8KHZ-10KHZ的脉冲波，且脉冲的占空比可调整。
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）
10KHZ：选择电容C=10nF，TL TH=0.7R2C,
1.2.1.3 电路系统设计
在仿真调试电路中，根据仿真结果做了微调，R2选择用一个固定的6.4K 电阻和一个1.6K 的电位计代替，如图1.2.1.3所示。
考虑占空比指标：（为保证在8KHZ-10KHZ进行占空比的调节，由于不能使用二极管，只能进行粗调）
选择1.6K 的电位计作为调占空比电路的可变电阻，保证整体电路的阻值不变，在一定程度上可认为粗略满足要求。调频调占空比可通过按“A”键转换。
图1.2.1.3 555时基电路参数选择
1.2.1.4 仿真方案与仿真测试结果
输出的方波信号为0-10V的脉冲波信号，输出电路经过1K 的电位计分压，得到VPP=1V的脉冲波，以中间频率9KHZ为例，输出电压波形图1.2.1.4所示。
图1.2.1.4 通道1 VPP=1V的脉冲波信号
调节电位计R3可以改变脉冲波的频率，调节电位计R4可以改变脉冲波的占空比，如下图所示，由于无法使用二极管，为保证频率在8KHZ-10KHZ，可调节脉冲波占空比仅可为45%-55%。
图1.2.1.5 电位计R4 0%与100%时脉冲波的占空比
1.2.2 锯齿波电路
1.2.2.1 理论分析与计算
锯齿波电路由一个LM324单电源供电的积分电路构成。电路的输入为VPP=1V的脉冲波信号，电路的输出为VPP=1V的锯齿波，调节电容C5，和电位计R12的参数可以调节锯齿波的幅值， ，这里选择C5=50nF，调节R12使得输出锯齿波VPP=1V，R2是平衡电阻,一般选择10K 。R13是为了防止积分饱和和截止现象，一般取R13>10R12。
1.2.2.2 电路系统设计
本电路取R13=30K 电路图如下：
图1.2.2.1 积分电路
1.2.2.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.2.2 通道2输出锯齿波
1.2.3 正弦波I电路
1.2.3.1 理论分析与计算
根据脉冲波的傅里叶分解我们可以知道，以9KHZ，VPP=1V的脉冲波为例，其是由9KHZ-VPP=1000mV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8KHZ-10KHZ，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，详细设计过程如下图所示：
图1.2.3.1 设置低通滤波器参数
图1.2.3.2 设置滤波器类型
图1.2.3.3 设置Q值（选择Q值较高现象较好）
图1.2.3.4 FiterPro上得到的R、C参数
1.2.3.2 电路系统设计
图1.2.3.5 调试后电路
1.2.3.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.3.6 通道3输出正弦波I
1.2.4 正弦波II电路
1.2.4.1 理论分析与计算
正弦波II是经过带通滤波的脉冲波的三次谐波信号，以9KHZ占空比为50%的脉冲波为例，输出的波形应为27KHZ（三次谐波）正弦波。
图1.2.4.1 输入Vpp=10V，f=9KHZ脉冲波频谱
为此需要设置带通滤波器的指标，我采用FiterPro设置详细步骤同上，这里不在详细介绍，首先增益应为6倍左右，但考虑到压摆率等因素先设置为1，后期在做调整，中心频率取27KHZ，通带带宽6KHZ（24KHZ-30KHZ），采用巴斯特有源二阶带通滤波器，Q=8.2得到电路参数如下图：
图1.2.4.2 FiterPro参数设置，其他设置同上
图1.2.4.3 FiterPro得到的电路参数
1.2.4.2 电路系统设计
图1.2.4.4 Mutisim中带通滤波电路图
1.2.4.3 仿真方案与仿真测试结果
图1.2.4.5 通道4带通滤波得到正弦波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。