2019年電子設計競賽綜合測評解析及仿真（原創）
本人自己根據電賽題做的仿真，完全原創，轉載請註明出處。
（已上傳multisim仿真源文件）
- 設計要求
使用題目指定綜合測評板上的一片LM324AD（四運放）和一片SN74LS00D（四與非門）芯片設計製作一個多路信號發生器，如下圖所示。
設計報告應給出方案設計、詳細電路圖、參數計算和現場自測數據波形（一律手寫），綜合測評板編號及3個參賽同學簽字須在密封線內，限2頁，與綜合測評板一同上交。
約束條件：
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一片SN74LS00D四與非門芯片（綜合測評板上自帶）；
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一片LM324AD四運算放大器芯片（綜合測評板上自帶）；
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賽區提供固定電阻、固定電容、可變電阻元件（數量不限、參數不限）；
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賽區提供直流電源。
設計任務及指標要求：
利用綜合測評板和若干電阻、電容元件，設計製作電路產生下列四路信號： -
頻率爲19kHz ~ 21kHz連續可調的方波脈衝信號，幅度不小於3.2V；
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與方波同頻率的正弦波信號，輸出電壓失真度不大於5%，峯峯值（VPP）不小於1V；
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與方波同頻率佔空比5% ~ 15%連續可調的窄脈衝信號，幅度不小於3.2V；
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與正弦波相交的餘弦波信號，相位誤差不大於5°，輸出電壓峯峯值（VPP）不小於1V。
各路信號輸出必須引至測評板的標註位置並均需接1kΩ負載電阻（RL）,要求在引線貼上所屬輸出信號的標籤，便於測試。
說明： -
綜合測評應在模電或數電實驗室進行，實驗室提供常規儀器儀表和工具；
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SN74LS00D和LM324AD芯片使用說明書隨綜合測評板一併提供；
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參賽隊應在理論設計基礎上進行實驗調試，理論設計佔一定分值，各部分分數（包括理論設計）分配爲：方波佔10分、正弦波佔8分、窄脈衝佔6分、正交的餘弦波佔6分；
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不允許在測評板上增加使用IC芯片，如果增加芯片則按0分記；
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原則上不允許在測評板上增加使用BJT、FET和二極管，如果增加則按3分/只扣分；
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原則上不允許參賽隊更換測評板，如果損壞測評板只可更換一次並扣10分；
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各路信號測試應在電路互聯且加負載情況下進行，單獨模塊測試相應得分減半；
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本科組只允許使用單一+5V電源，增加使用直流電源的扣除10分。
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整體實現框圖
![在這裏插入圖片描述]()
圖3.1 2019年綜合測評整體實現框圖
- 實現方案
3.1 第一級：產生方波Uo1
要求：產生頻率爲19kHz ~ 21kHz連續可調的方波脈衝信號，幅度不小於3.2V。
在第一級電路中使用了運放搭建的正反饋震盪電路和與非門波形整形電路。
具體的電路仿真如下圖3.2所示。
圖3.2 運放構成的正反饋震盪電路仿真原理圖
圖3.2電路中，通過可調電位器R2來調節輸出波形的頻率，R4、R5、C3組成了偏置電路提供“虛地”，R1和R3兩個電阻爲正反饋震盪網絡。其次題目要求輸出端需要連接1kΩ的負載電阻，同時輸出的電壓幅度不小於3.2V。
但是LM324因爲壓擺率不足的原因輸出的方波波形上升和下降沿過於緩慢，基本不接近爲方波；且LM324不能達到軌到軌輸出，無法滿足題目3.2V幅度的要求。所以在震盪電路後級需要連接一個非門（與非門兩個輸入端連接在一起即可構成非門，後文亦是如此，不再贅述）對波形進行整形，最終輸出的方波就可以滿足題目的要求。
下圖3.3所示爲系統第一級的輸出波形。
圖3.3 運放構成的正反饋震盪電路仿真波形圖
如圖3.3仿真結果可知，通過光標讀數，當前輸出方波頻率約爲20kHz，幅度約爲5V，滿足題目的設計要求。
仿真結果可能有些許誤差，可以通過調節電路中電位器微調，這裏僅是爲了說明原理未進行精確調節。後文亦是如此，相同情況不再贅述。
3.2 第二級：產生正弦波Uo3
要求：產生與方波同頻率的正弦波信號，輸出電壓失真度不大於5%，峯峯值（VPP）不小於1V。
根據題目中給出的整體原理框圖，本級需要將第一級產生的方波中的高頻諧波進行濾波以得到複合波形及基波，即20kHz的正弦波。
在本級中使用了一個運算放大器搭建了一個二階有源低通濾波器，最終可以輸出方波的20kHz基波正弦波。
具體的電路仿真如下圖3.4所示。
圖3.4 運放構成的二階有源低通濾波器仿真原理圖
圖3.4電路中，使用到了一個運算放大器，因爲題目中只提供了單電源+5V，且要處理的信號爲高頻信號，無需考慮直流分量，所以這裏將輸出信號進行了隔直和偏置處理以使得運放正常工作。
電路中，使用了二階低通濾波器的基本拓撲形式，設定該低通濾波器的截止頻率爲22kHz左右，經計算後選擇C6和C7的電容值爲6.8nF，R11和R12的電阻值爲1.5k，此時，計算得到的截止頻率爲15.6kHz（實際調節電阻值發現此時濾波效果較好），此濾波器可以濾除掉方波的高次諧波，最終將得到20kHz左右的正弦波。
此時將該有源濾波器的增益設置爲1即可得到題目要求的正弦波幅度。
下圖3.5所示爲系統第二級的輸出波形。
圖3.5 運放構成的二階有源低通濾波器仿真波形圖
如圖3.5仿真結果可知，通過光標讀數，當前輸出正弦波頻率爲20kHz左右峯峯值超過了1V，滿足題目的設計要求。
3.3 第三級：產生佔空比可調窄脈衝Uo2
要求：產生與方波同頻率佔空比5% ~ 15%連續可調的窄脈衝信號，幅度不小於3.2V。
根據題目中給出的整體原理框圖，本級需要產生一個與Uo1同頻的窄脈衝信號，即要求可以調整方波的佔空比至非常小。而題目中未給出二極管非線性器件，此時可以由方波Uo1積分產生一個三角波，然後使用模擬比較器將該三角波與一個直流電平進行比較輸出，則可以生成一個佔空比可調的窄脈衝信號。
具體的電路仿真如下圖3.6所示。
圖3.6 無源積分電路和比較器電路仿真原理圖
圖3.6電路中，使用到了一個運算放大器作爲模擬比較器使用。因爲運放的數目有限，使用了R20和C12搭建了無源積分電路生成與Uo1同頻的三角波。使用R16和R17分壓產生一個直流電平，通過改變該直流電平的電壓可以改變輸出的窄脈衝佔空比。
電阻R19爲一個正反饋電阻，該電阻可以提供一定的遲滯作用，仿真產生雜亂脈衝。
比較器輸出端的U1B和U1C爲兩個級聯的與門，相當於一個緩衝器。該緩衝器的作用是使輸出的窄脈衝信號的上升沿和下降沿更陡峭，爲整形作用。
下圖3.7所示爲系統第二級的輸出波形。
圖3.7 無源積分電路和比較器電路仿真波形圖
如圖3.7仿真結果可知，通過光標讀數，當前輸出窄脈衝波形頻率爲20kHz左右峯峯值超過了3.2V，且佔空比可以進行連續調節，滿足題目的設計要求。
3.4 第四級：產生與正弦正交的餘弦波Uo4
要求：產生與正弦波相交的餘弦波信號，相位誤差不大於5°，輸出電壓峯峯值（VPP）不小於1V。
根據題目中給出的整體原理框圖，本級需要產生一個相對Uo3正弦信號有90°相移的餘弦信號。
而有源積分和微分電路均可以完成90°的相移，根據題意，本級使用LM324運放搭建了有源積分電路將Uo3正弦波信號轉換爲餘弦信號。
具體的電路仿真如下圖3.8所示。
圖3.8 有源積分電路移相仿真原理圖
圖3.8電路中，C10爲隔直電容，僅容許交流信號（正弦信號）傳入積分器的輸入端。R9、C8爲積分器的主要元件，R14、R15、C9爲電路提供一個直流偏置時運放在單電源供電的條件下正常工作。
下圖3.9所示爲系統第三級的輸出波形。
圖3.9 有源積分電路移相仿真波形圖
如圖3.9仿真結果可知，通過光標讀數，當前輸出的餘弦波頻率爲20kHz左右，峯峯值超過了1V。且通過光標讀數，與Uo3正弦信號有着12.374us的延時，而餘弦波週期爲50us左右，此時的相位差爲89.1°，滿足題目的設計要求。
至此，所有電路的仿真已經完成，整體的仿真電路圖如下圖3.10所示。
圖3.10 2019年綜合測評賽題完整系統仿真圖
最後附上整體的仿真源文件供大家參考測試。