干貨｜電賽復(fù)測即將開始，歷屆復(fù)測題目思路分析

電子工程世界EEWorld

2021年11月29日 13:18

今年的全國大學(xué)生電子競賽已經(jīng)結(jié)束，優(yōu)勝隊?wèi)?yīng)該經(jīng)過了賽后復(fù)測。筆者在網(wǎng)上只找到了2015年與2019年的兩屆復(fù)測題。看了這兩屆的復(fù)測題感到有點意思，本文對此進(jìn)行分析與比較。

2015年全國賽復(fù)測題《多種波形產(chǎn)生電路》的任務(wù)與要求概述

題目指定的綜合測試板上有555芯片、74LS74芯片和一片通用四運(yùn)放 324 芯片，設(shè)計制作一個頻率可變的同時輸出方波Ⅰ、方波Ⅱ、三角波、正弦波 Ⅰ、正弦波Ⅱ的多種波形產(chǎn)生電路。不能使用除綜合測試板上的芯片以外的其它任何器件或芯片（筆者注：器件兩字應(yīng)該刪除）。

要求使用 555 時基電路產(chǎn)生的信號作為信號源；利用此方波Ⅰ，在四個通道輸出4種波形：方波Ⅱ、三角波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ，每通道輸出的負(fù)載電阻均為 600 歐姆。

1、使用 555 時基電路產(chǎn)生頻率 20kHz-50kHz 連續(xù)可調(diào)的方波I，輸出電壓幅度為 1V。

2、使用數(shù)字電路 74LS74產(chǎn)生頻率 5kHz-10kHz 連續(xù)可調(diào)的方波Ⅱ，輸出電壓幅度為 1V。

3、使用數(shù)字電路 74LS74產(chǎn)生頻率 5kHz-10kHz 連續(xù)可調(diào)的三角波，輸出電壓幅度峰峰值為 3V。

4、輸出頻率為 20kHz-30kHz 連續(xù)可調(diào)的正弦波Ⅰ，輸出電壓幅度峰峰值為 3V。

5、輸出頻率為 250kHz的正弦波Ⅱ，輸出電壓幅度峰峰值為 8V。

方波、三角波和正弦波的波形應(yīng)無明顯失真（使用示波器測量時）。頻率誤差不大于 5%；通帶內(nèi)輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于 5%。

電源只能選用+10V單電源，由穩(wěn)壓電源供給，不得使用額外電源。

2015年全國賽復(fù)測題《多種波形產(chǎn)生電路》題目分析

題目要求產(chǎn)生5種波形，考察的是4個不同的知識點：

1、用NE555產(chǎn)生方波I。

若參賽者用過NE555這個芯片，完成這個應(yīng)該很容易。若沒有用過，只要熟悉RC張弛振蕩器的原理，讀了NE555說明書后按照NE555的常規(guī)接法就可以，用電位器改變其中的定時電阻就能改變頻率。

2、用74LS74產(chǎn)生方波II。

方波II是方波I的4分頻，74LS74是一片雙D觸發(fā)器，構(gòu)成一個4分頻器應(yīng)該是學(xué)過數(shù)字電路后的一個基本常識，所以在原理上沒有任何問題。

但是此項看似簡單的要求卻存在很大的“陷阱”。

首先是電源電壓。74LS系列TTL數(shù)字電路的正常工作電壓為5V±0.25V，允許最高電源電壓大約是7V，超過此值可能擊穿損壞。但是題目給定的電源是10V，直接加電很可能燒毀芯片（原題中有燒毀要“酌情扣分”），因此必須采取措施將74LS74供電電壓降到7V以下。題目不提供其他芯片包括穩(wěn)壓塊，所以一個通融的方法是用若干個硅二極管串聯(lián)在74LS74的電源里，每個硅二極管的壓降大約0.7V，6~7個二極管就可以將電壓降到安全范圍內(nèi)。但由于電源內(nèi)阻增大，必須在74LS74芯片電源腳與接地腳之間安裝容量足夠大的電源退耦電容。

其次是電平匹配問題。TTL的輸入最高電壓不能超過7V，實際工作時要控制在5V以下。但這個分頻器的源信號來自NE555，而NE555的輸出高電平在10V供電時可能達(dá)到8V以上，所以需要用合適的電阻分壓到5V以下。

3、產(chǎn)生一個頻率與方波II相同的三角波。

這個問題是考察方波到三角波的轉(zhuǎn)換。題目中的“使用數(shù)字電路 74LS74產(chǎn)生…”有語病（因為用數(shù)字無法產(chǎn)生三角波），應(yīng)該是“使用數(shù)字電路 74LS74產(chǎn)生頻率 5kHz-10kHz 連續(xù)可調(diào)的方波Ⅱ為信號源，產(chǎn)生…”。

容易想到的方法是將方波經(jīng)過一個積分器轉(zhuǎn)換為三角波。但是采用LM324構(gòu)成積分器有如下幾個必須注意的問題：

第一、正確使用積分器的一個關(guān)鍵是輸入波形（無論哪種波形）的平均電平應(yīng)該與積分器的參考電平絕對相同！只要有一點點不同（例如由于運(yùn)放的輸入失調(diào)），這個不等的電壓將在積分電容上慢慢積累，最后的結(jié)果一定是運(yùn)放在某個方向到達(dá)飽和。但是實際電路中上述要求幾乎是不可能做到的，所以實際的積分器往往需要在積分電容上并聯(lián)一個大阻值電阻。由于這個電阻會影響積分器的輸出波形（積分線性被破壞），所以其阻值不能太小，在保證不平衡輸入部分引起的積分電荷能夠釋放的前提下盡可能大一些。

第二、為了使LM324的輸出動態(tài)范圍能夠滿足題目的輸出幅度（峰峰值3V）要求，它的參考電平Vr至少應(yīng)該是1.5V（輸出峰峰值的一半）。74LS74的輸出高低電平大致是3.5V和0.2V，平均電平大約為1.65V（實際電路可能因生產(chǎn)廠商的不同而略有差異）。根據(jù)前面第一條的說明，應(yīng)將LM324的參考電平設(shè)計到與74LS74的平均輸出電平相等。

第三、題目要求信號頻率 5kHz-10kHz 連續(xù)可調(diào)且輸出電壓幅度峰峰值為 3V，但是若積分電路的RC時間常數(shù)不變的話，用積分的方法產(chǎn)生三角波不可能做到在頻率變化時輸出電壓幅度不變。解決的方法是采用雙聯(lián)電位器，讓積分電路的RC時間常數(shù)隨輸入信號的改變同步改變。

4、產(chǎn)生正弦波I與正弦波II。

由于題目規(guī)定必須使用 555 時基電路產(chǎn)生的信號（方波I）作為信號源，方波中包含基頻和奇次諧波，所以這兩個信號都可用濾波器解決。

正弦波I頻率為20kHz-30kHz 連續(xù)可調(diào)，輸出電壓峰峰值3V。方波I通過一個截止頻率高于30kHz的低通濾波器就可以得到正弦波I.設(shè)計中需要關(guān)注的是該濾波器在60kHz(20kHz的三次諧波）必須有足夠的衰減。

正弦波II頻率要求250kHz，輸出電壓峰峰值8V。這個頻率是方波I的最高頻率的5倍，讓方波I通過一個中心頻率等于250kHz的帶通濾波器，可以得到其5次諧波正弦波II。設(shè)計中需要關(guān)注的是濾波器的Q值。

另外要注意的是在單電源10V供電下，LM324的輸出動態(tài)范圍下限大約是幾十毫伏，上限大約是8.5V，需要將運(yùn)放的參考電平設(shè)置到這個輸出動態(tài)范圍的中點附近。尤其是正弦波II的輸出幅度接近LM324的極限輸出動態(tài)范圍，更應(yīng)注意這一點。

2019年全國賽復(fù)測題《多信號發(fā)生器》的任務(wù)與要求概述

題目指定綜合測評板上有一片LM324AD（四運(yùn)放）和一片SN74LS00D（四與非門）。利用綜合測評板和若干電阻、電容元件，設(shè)計制作多信號發(fā)生器產(chǎn)生下列四路信號：

1、頻率為19kHz~21kHz連續(xù)可調(diào)的方波脈沖信號，幅度不小于3.2V；

2、與方波同頻率的正弦波信號，輸出電壓失真度不大于5%，峰-峰值（Vpp）不小于1V；

3、與方波同頻率占空比5%~15%連續(xù)可調(diào)的窄脈沖信號，幅度不小于3.2V；

4、與正弦波正交的余弦波信號，相位誤差不大于5?，輸出電壓峰-峰值（Vpp）不小于1V。

各路信號負(fù)載電阻均為1kΩ。

只允許使用單一+5V電源。

2019年全國賽復(fù)測題《多信號發(fā)生器》題目分析

題目要求用上述兩個芯片產(chǎn)生4路不同的信號，下面逐一分析之。

一、方波

大致有下面幾種方案用運(yùn)放或數(shù)字電路產(chǎn)生方波：

1、由若干個非門與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成多諧振蕩器。這個結(jié)構(gòu)有多個不同的具體電路可以實現(xiàn)，只要改變RC延時網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)就可以改變振蕩頻率，是最簡單的矩形波發(fā)生器電路。但是該電路有一個小問題：由于數(shù)字電路的輸入電流影響等原因，它不能夠保證對定時電容C的充放電電流完全相同，因此其輸出的矩形波的占空比不能保證精確地等于0.5。

2、由積分器加滯回比較器構(gòu)成振蕩電路，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，工作原理是滯回比較器輸出的高電平或低電平經(jīng)過積分器積分后變換為一個下降或上升的斜坡電壓，此電壓到達(dá)滯回比較器的輸入閾值后比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)就構(gòu)成了方波輸出，同時在積分器的輸出端得到三角波。

設(shè)比較器的輸出高低電平分別為VOH與VOL，積分器的參考電平為VR，則積分器對電容的充放電電流分別為(VOH-VR)/R和(VR-VOL)/R，只要調(diào)節(jié)VR使得這兩個電流相等，則在一個周期內(nèi)的充放電時間必然相同，輸出方波的占空比就是0.5。

二、占空比可調(diào)的窄脈沖。

適合本題的大約有兩種方案：

1、將方波通過RC網(wǎng)絡(luò)延時后與原來的方波進(jìn)行邏輯“與”。

2、將三角波通過比較器整形。

三、正弦波。

通常有下列兩種產(chǎn)生正弦波的方法：1、直接由運(yùn)放構(gòu)成正弦振蕩電路，例如文氏振蕩器；2、將方波或三角波通過合適的濾波網(wǎng)絡(luò)得到正弦波。

但是在本題目中不允許使用BJT、FET或二極管，且無源器件只有電阻與電容，在這種情況下若直接用運(yùn)放構(gòu)成振蕩器的話，由于沒有合適的限幅器件，最后的結(jié)果或者是難以起振，或者是起振后的波形出現(xiàn)嚴(yán)重的削頂失真，所以唯一可行的方案只有通過濾波獲得正弦波這一個方法。

由于三角波包含的高次諧波幅度比方波包含的的高次諧波幅度小得多，所以將三角波通過濾波法得到正弦波更容易些。

四、正交的余弦波。

正弦信號積分就可以得到余弦信號，所以這部分電路就是用一個運(yùn)放構(gòu)成的積分器。

2019年與2015年全國賽復(fù)測題的比較

由于競賽復(fù)測必須在幾個小時內(nèi)完成，所以復(fù)測題不能太復(fù)雜，但又要能夠考察參賽者的知識儲備、分析能力與動手能力。2019年的復(fù)測題與2015年的復(fù)測題都是信號發(fā)生器，其設(shè)計要求、設(shè)計的約束條件等方面都有很多類似的地方，題目本身并不復(fù)雜，但考察的內(nèi)容包含了數(shù)字電路與模擬電路的多方面基本應(yīng)用知識，應(yīng)該說是一個很好的測試切入點。

但是兩屆的題目在嚴(yán)謹(jǐn)性、靈活性方面有很大的不同。

2015年的題目對于具體哪個信號由哪個器件發(fā)生方面由許多限制（主要集中在數(shù)字信號方面），這些限制可以為參賽者提供方便，但也在一定程度上限制了參賽者的自主發(fā)揮能力。另外，在電源與電平匹配等方面又有許多“不嚴(yán)謹(jǐn)”或“陷阱”。那些“不嚴(yán)謹(jǐn)”或“陷阱”也許是命題者的疏忽，也可能是命題者故意為之。但對于參賽的大學(xué)生來說，如果不是在平時遇到過這些問題，或者指導(dǎo)教師在這方面有過專門的指導(dǎo)，恐怕有一大半會在這里翻船。

相對于2015年的題目，2019年題目在嚴(yán)謹(jǐn)性、靈活性方面有極大的改進(jìn)。題目只給出兩個芯片，并未規(guī)定用哪個芯片產(chǎn)生哪個信號，這就使得參賽者有了更多的方案選擇余地。同時，其考核的內(nèi)容并未減少，包含了振蕩器、比較器、積分器、濾波器以及邏輯門等各方面，要求參加競賽者除了有比較扎實的基本知識外還能隨機(jī)應(yīng)變。

登錄后免費(fèi)查看全文

立即登錄