电子设计竞赛综合测评解析及仿真（原创）

时间：2024-03-26 16:02:53

2019年电子设计竞赛综合测评解析及仿真（原创）
本人自己根据电赛题做的仿真，完全原创，转载请注明出处。

  1. 设计要求
    使用题目指定综合测评板上的一片LM324AD（四运放）和一片SN74LS00D（四与非门）芯片设计制作一个多路信号发生器，如下图所示。
    设计报告应给出方案设计、详细电路图、参数计算和现场自测数据波形（一律手写），综合测评板编号及3个参赛同学签字须在密封线内，限2页，与综合测评板一同上交。

2019年电子设计竞赛综合测评解析及仿真（原创）

约束条件：

  1. 一片SN74LS00D四与非门芯片（综合测评板上自带）；

  2. 一片LM324AD四运算放大器芯片（综合测评板上自带）；

  3. 赛区提供固定电阻、固定电容、可变电阻元件（数量不限、参数不限）；

  4. 赛区提供直流电源。
    设计任务及指标要求：
    利用综合测评板和若干电阻、电容元件，设计制作电路产生下列四路信号：

  5. 频率为19kHz ~ 21kHz连续可调的方波脉冲信号，幅度不小于3.2V；

  6. 与方波同频率的正弦波信号，输出电压失真度不大于5%，峰峰值（VPP）不小于1V；

  7. 与方波同频率占空比5% ~ 15%连续可调的窄脉冲信号，幅度不小于3.2V；

  8. 与正弦波相交的余弦波信号，相位误差不大于5°，输出电压峰峰值（VPP）不小于1V。
    各路信号输出必须引至测评板的标注位置并均需接1kΩ负载电阻（RL）,要求在引线贴上所属输出信号的标签，便于测试。
    说明：

  9. 综合测评应在模电或数电实验室进行，实验室提供常规仪器仪表和工具；

  10. SN74LS00D和LM324AD芯片使用说明书随综合测评板一并提供；

  11. 参赛队应在理论设计基础上进行实验调试，理论设计占一定分值，各部分分数（包括理论设计）分配为：方波占10分、正弦波占8分、窄脉冲占6分、正交的余弦波占6分；

  12. 不允许在测评板上增加使用IC芯片，如果增加芯片则按0分记；

  13. 原则上不允许在测评板上增加使用BJT、FET和二极管，如果增加则按3分/只扣分；

  14. 原则上不允许参赛队更换测评板，如果损坏测评板只可更换一次并扣10分；

  15. 各路信号测试应在电路互联且加负载情况下进行，单独模块测试相应得分减半；

  16. 本科组只允许使用单一+5V电源，增加使用直流电源的扣除10分。

  17. 整体实现框图
    2019年电子设计竞赛综合测评解析及仿真（原创）

图3.1 2019年综合测评整体实现框图

  1. 实现方案
    3.1 第一级：产生方波Uo1
    要求：产生频率为19kHz ~ 21kHz连续可调的方波脉冲信号，幅度不小于3.2V。
    在第一级电路中使用了运放搭建的正反馈震荡电路和与非门波形整形电路。
    具体的电路仿真如下图3.2所示。

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图3.2 运放构成的正反馈震荡电路仿真原理图

图3.2电路中，通过可调电位器R2来调节输出波形的频率，R4、R5、C3组成了偏置电路提供“虚地”，R1和R3两个电阻为正反馈震荡网络。其次题目要求输出端需要连接1kΩ的负载电阻，同时输出的电压幅度不小于3.2V。
但是LM324因为压摆率不足的原因输出的方波波形上升和下降沿过于缓慢，基本不接近为方波；且LM324不能达到轨到轨输出，无法满足题目3.2V幅度的要求。所以在震荡电路后级需要连接一个非门（与非门两个输入端连接在一起即可构成非门，后文亦是如此，不再赘述）对波形进行整形，最终输出的方波就可以满足题目的要求。
下图3.3所示为系统第一级的输出波形。

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图3.3 运放构成的正反馈震荡电路仿真波形图

如图3.3仿真结果可知，通过光标读数，当前输出方波频率约为20kHz，幅度约为5V，满足题目的设计要求。
仿真结果可能有些许误差，可以通过调节电路中电位器微调，这里仅是为了说明原理未进行精确调节。后文亦是如此，相同情况不再赘述。

3.2 第二级：产生正弦波Uo3
要求：产生与方波同频率的正弦波信号，输出电压失真度不大于5%，峰峰值（VPP）不小于1V。
根据题目中给出的整体原理框图，本级需要将第一级产生的方波中的高频谐波进行滤波以得到复合波形及基波，即20kHz的正弦波。
在本级中使用了一个运算放大器搭建了一个二阶有源低通滤波器，最终可以输出方波的20kHz基波正弦波。
具体的电路仿真如下图3.4所示。

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图3.4 运放构成的二阶有源低通滤波器仿真原理图

图3.4电路中，使用到了一个运算放大器，因为题目中只提供了单电源+5V，且要处理的信号为高频信号，无需考虑直流分量，所以这里将输出信号进行了隔直和偏置处理以使得运放正常工作。
电路中，使用了二阶低通滤波器的基本拓扑形式，设定该低通滤波器的截止频率为22kHz左右，经计算后选择C6和C7的电容值为6.8nF，R11和R12的电阻值为1.5k，此时，计算得到的截止频率为15.6kHz（实际调节电阻值发现此时滤波效果较好），此滤波器可以滤除掉方波的高次谐波，最终将得到20kHz左右的正弦波。
此时将该有源滤波器的增益设置为1即可得到题目要求的正弦波幅度。
下图3.5所示为系统第二级的输出波形。

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图3.5 运放构成的二阶有源低通滤波器仿真波形图

如图3.5仿真结果可知，通过光标读数，当前输出正弦波频率为20kHz左右峰峰值超过了1V，满足题目的设计要求。

3.3 第三级：产生占空比可调窄脉冲Uo2
要求：产生与方波同频率占空比5% ~ 15%连续可调的窄脉冲信号，幅度不小于3.2V。
根据题目中给出的整体原理框图，本级需要产生一个与Uo1同频的窄脉冲信号，即要求可以调整方波的占空比至非常小。而题目中未给出二极管非线性器件，此时可以由方波Uo1积分产生一个三角波，然后使用模拟比较器将该三角波与一个直流电平进行比较输出，则可以生成一个占空比可调的窄脉冲信号。
具体的电路仿真如下图3.6所示。

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图3.6 无源积分电路和比较器电路仿真原理图

图3.6电路中，使用到了一个运算放大器作为模拟比较器使用。因为运放的数目有限，使用了R20和C12搭建了无源积分电路生成与Uo1同频的三角波。使用R16和R17分压产生一个直流电平，通过改变该直流电平的电压可以改变输出的窄脉冲占空比。
电阻R19为一个正反馈电阻，该电阻可以提供一定的迟滞作用，仿真产生杂乱脉冲。
比较器输出端的U1B和U1C为两个级联的与门，相当于一个缓冲器。该缓冲器的作用是使输出的窄脉冲信号的上升沿和下降沿更陡峭，为整形作用。
下图3.7所示为系统第二级的输出波形。

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图3.7 无源积分电路和比较器电路仿真波形图

如图3.7仿真结果可知，通过光标读数，当前输出窄脉冲波形频率为20kHz左右峰峰值超过了3.2V，且占空比可以进行连续调节，满足题目的设计要求。

3.4 第四级：产生与正弦正交的余弦波Uo4
要求：产生与正弦波相交的余弦波信号，相位误差不大于5°，输出电压峰峰值（VPP）不小于1V。
根据题目中给出的整体原理框图，本级需要产生一个相对Uo3正弦信号有90°相移的余弦信号。
而有源积分和微分电路均可以完成90°的相移，根据题意，本级使用LM324运放搭建了有源积分电路将Uo3正弦波信号转换为余弦信号。
具体的电路仿真如下图3.8所示。

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图3.8 有源积分电路移相仿真原理图

图3.8电路中，C10为隔直电容，仅容许交流信号（正弦信号）传入积分器的输入端。R9、C8为积分器的主要元件，R14、R15、C9为电路提供一个直流偏置时运放在单电源供电的条件下正常工作。
下图3.9所示为系统第三级的输出波形。

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图3.9 有源积分电路移相仿真波形图

如图3.9仿真结果可知，通过光标读数，当前输出的余弦波频率为20kHz左右，峰峰值超过了1V。且通过光标读数，与Uo3正弦信号有着12.374us的延时，而余弦波周期为50us左右，此时的相位差为89.1°，满足题目的设计要求。

至此，所有电路的仿真已经完成，整体的仿真电路图如下图3.10所示。

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图3.10 2019年综合测评赛题完整系统仿真图

最后附上整体的仿真源文件供大家参考测试。

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