2017年、2019年全國大學生電子設計競賽綜合測評——常用電路Multisim仿真——方波、三角波振盪電路

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2017年綜合測評仿真電路講解:

題目和結果鏈接:

常用電路Multisim仿真——方波、三角波振盪電路:

常用電路Multisim仿真——有源低通濾波器設計:

常用電路Multisim仿真——數字芯片74LS74構建分頻器設計:

常用電路Multisim仿真——儀器儀表使用:

一、說明
在綜合測評中,基本都是考覈波形的產生和變換,涉及到正弦波、方波、三角波和上述信號的合成信號,涉及到的電路有:
(1)方波、三角波振盪電路:使用一個運算放大器產生特定頻率和幅度的方波或者三角波(注意是隻用一個運放);
(2)555定時器電路:產生特定頻率方波信號,部分電路可以調節方波的佔空比,輸出高電平爲供電電壓,可以用電阻分壓得到要求的幅值;
(3)同相加法器:進行波形合成,一般後面對合成波形進行濾波分離,這裏的難點在於單電源供電情況下,需要加入偏置擡升信號,且需要加入合適的偏置;
(4)有源低通濾波器:有SF結構和MFB結構,一般是用方波、三角波或者合成信號得到正弦波,此處一般除了濾波外,還需要有一定的放大能力,將信號放大到指定的幅度,難點之一在於單電源供電,有時候需要擡升信號,難點之二在於很多賽區不允許帶電腦,沒辦法使用濾波器設計軟件,基本靠積累和現場計算(允許帶紙質資料,可以把常用的參數記下來帶入,現場做調整);
(5)積分器:從方波得到同頻的三角波,可調幅;
(6)分頻器:數字芯片74LS7,固定接法,基本是送分,實現方波二分頻或者四分頻;

二、方波、三角波振盪電路
(1)搭建振盪電路如圖所示,先採用雙電源供電講解,需要兩個滑動變阻器RP1和RP2,一個固定電阻R1和一個電容C1,運放反向輸入端 Vo三角波 輸出振盪的三角波,運放輸出端 Vo方波 輸出振盪的方波,電路實際相當於 RP2和C1組成RC振盪電路,RP1和R1配合運放搭建滯回比較器。
振盪電路+滯回比較器
(2)輸出結果
方波和三角波同頻,起振時頻率較高,逐漸恢復穩定,可以看到,這裏的方波佔空比並不是50%,三角波輸出向下偏置,且三角波的波形不是一條直線,而是帶有弧度(具體原因下面解釋)。
在這裏插入圖片描述
(3)參數設計與計算
RP1和R1可以設置滯回比較器的門限值(限定三角波的幅值,與方波幅值無關,與方波的佔空比有關):
±UT = Uo[ R1 / ( R1 + RP1 ) ]

RP2和C1振盪,時間常數爲 RP1C1,利用一階RC電路的三要素法得到振盪週期
T = 2RP2
C1ln(1+2R1/RP1)*

頻率
f = 1/T

這裏可以看出調整RP1既會改變頻率,又會改變三角波的幅值(改變方波佔空比),而調整RP2只改變頻率,所以在調節時可以先調節RP1到要求的幅值,在調節RP2改變頻率。

(4)示例
減小RP2,T減小,頻率 f 對應增大,波形更密集;三角波的幅值U不受RP2影響。
在這裏插入圖片描述
當振盪頻率較高時(超過10KHz),三角波一般會變爲正弦波,且方波的上升沿不再陡峭,這裏受限於LM324的芯片性能,使用2017年瑞薩提供的運放能夠很好的振盪出20K的方波。
在這裏插入圖片描述
在這裏插入圖片描述
三、單電源供電
直接將負電源VEE的-5v改成GND,只使用+5V供電,波形如下,三角波受到很大影響,下降時間明顯變長,且無法通過改變阻值和容值調節,此時需要給滯回比較器一個擡升電壓。
在這裏插入圖片描述
將R1右端的接地改爲接到一個直流偏置上,偏置電壓由+5V電源分壓得到,波形恢復正常。
在這裏插入圖片描述
調節偏置,可以改變滯回比較器的門限,改變方波的佔空比。
在這裏插入圖片描述

四、說明
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