2019年电赛综合测评分析及仿真练习

前言：本次为准备2022年综合测评所做，对网上的综合测评教程进行一个锻炼和计算。

注：其主要参考学习博文出处：大家可以参考学习2019年电子设计竞赛综合测评解析及仿真（原创）_w14327885的博客-CSDN博客_2019电子设计大赛g题答案

 一、题目

其综合测评主要考察其基础部分，对于运放的使用和基础电路的搭建基础需要扎实，本次综合测评为制作多信号发生器，其中主要难点为运放的性能较差，需要使用逻辑门等改善其输出波形。

二、分析过程及计算

由于题目并没有要求独立的生产四种波形，并且由题目可以发现其四种波形频率是一致的，所以可以利用生产一种波形后通过波形变换的效果达到我们所需的波形，其中要注意的是其单电源5V供电，对于运放来说一定要注意抬压操作。

本次使用的方案为：由方波振荡器产生方波，通过对方波进行一系列操作进行波形的变化得到其他三种波形，其实还有其他方案，大家都可以尝试尝试。

2.1 方波振荡器产生方波

 利用最经典的多谐振振荡器电路 ，其在迟滞比较器的基础上搭建的电路

 对于图中的四个点要特别关注，是整个电路的核心点，分析该电路最主要的方法是：虚短，虚断 

KCL,KVL方程，RC充放电公式......

 其元器件选择：抬压电路主要为引入 VCC/2，是很常规的，其R3和R1是决定充放电的窗口大小，一般选择k欧级以上，其C2和R2决定频率的大小，C2一般选择1-10nF，然后R2根据C2选择即可。

 首先我们设定好变量便于计算：

其2点的电压由于虚短和3点的电压变化是一致的，这就决定了电容充放电的效果。其最左边构成了抬压电路，R1和R3构成了反馈滞回电阻会影响输出频率，其与非门为了整形，构成了非门 ，其电容C2和R2决定输出方波的频率。U5决定了U3的电压。

计算部分1：运放及抬压处电压大小

比较器输出端只会输出VCC或者0，这就决定了其,,,。其=VCC，=0。当输出为高电平=VCC时，利用KCL，其电流的流向为红色箭头所示,可以列出     

根据KVL方程，分压电路可以列出方程：

 当输出低电平的时候，其=0，电流的流向为橙色箭头所示，利用KCL方程可以得到方程：

根据KVL方程，电阻分压可以列出方程：

 

根据上列方程可以代入我们设计的电路参数进行计算，可以得到其我们需要的参数。

=2.54V，=3.36V，=2.46V，=1.64V.

利用虚短可以得到其2脚的电压和3脚的电压大小是一致的，电压变化导致了电容充放电的过程，当运放输出高电平代表其U3大于U2，电容进行充电，当电容的电压充的超过 ，电容开始放电，当放电电容俩端电压低于电容再次充电，如此往复。得到我们所需要的周期信号。

计算部分2：充放电时间计算

当输出高电平时，则输出方波为高电平设为T1，此过程电容由=1.64V充电到=3.36V

由于RC充放电公式为：

U0为电容上的初始电压为或者，为电容的t时刻电压为 或者 。

为电容俩端电压为VCC=5V或者0V，时间常数

可以得到其：                     

电容充电：1.64V充到3.36V，=VCC，U0=，=有     

只要你设定好C2和R1的值代入进行即可算出，这里代入C=2.2nF，R=10K得出T1=15.8us。

电容放电时：3.36V放到1.64V， =0，U0=，=有

代入计算可得T2=15.8us.可以知道T1=T2。输出方波， 。

可以通过调节R2来调节输出频率的大小。  

2.2  产生脉冲波电路

  对于已经产生了方波，其他波形可以通过转换得到其他波形，其脉冲波也可以称为PWM波（可调脉冲宽度调制），通过一个可调电压与输入波形进行比较从而输出高低电平。

 其R20和C12是构成了积分电路，将方波转换成三角波，从而和设置的阈值电压进行比较。

（其输入其实也可以为正弦波，就无需积分了，但是正弦波得到完美波形较难）

R19是迟滞比较器电路，减小三角波上毛刺的干扰。其俩个与非门是为了整形。

 在实际电路板中发现整形的波形并没有软件仿真的清晰，那么对于整体的分布的元器件要进行一个微调。

2.3 正弦波产生电路

正弦波产生电路可以利用滤波器来产生，因为方波是由多个正弦波叠加合成的，分为基波和多次谐波，那么我们可以通过低通滤波器来滤除掉谐波只得到基本即可。

其中主要的难点为设计滤波器的截止频率，为了使得波形更加的流畅，使用二阶低通滤波器，为了简便计算使得R11=R12,C6=C7，由于是单电源供电，所以一定要记得抬压和隔直通交加入电容。

 截止频率计算为：  ，在该电路中计算可以得到f=15.6khz ，虽然方波的频率为20khz左右，但是实际和理论存在一定偏差，需要灵活应变。

 2.4 余弦波产生电路：

可知在上述中已经产生了正弦波，于是我们只需要利用积分电路来进行一个移相即可（正交为相差90°），有人疑惑那么微分电路可以么，答案是可以的，只是微分电路比积分电路需要考虑的因素更多并且容易不稳定，于是采用积分电路来进行一个移相的操作。

其中辨别积分电路和微分电路主要看离1是电阻还是电容，是电阻便构成了RC积分电路，若是电容那便构成了CR微分电路，其中C10是隔直通交，R10是当电容C8饱和时提供放电回路

实物制作：在测试过程比较匆忙，对整体布局还是不太美观。

 3.总结

 提供理解上述博主的内容，学习到了很多的知识，对计算和仿真过程也了解到了很多，在实际电路的测试中发生和仿真的不太一样，由于综合测评的时候是用洞洞板来进行焊接的，对整体的布局和调试都有些困难，所以在调试中还得有耐心，不断的尝试新的参数。