2025年全國(guó)賽D題《簡(jiǎn)易以太網(wǎng)雙絞線測(cè)試儀》

原文鏈接：https://www.eeworld.com.cn/aDuvDCG

一、任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易以太網(wǎng)雙絞線測(cè)試儀（簡(jiǎn)稱測(cè)試儀），如圖所示。待測(cè)以太網(wǎng)雙絞線（簡(jiǎn)稱線纜）通過RJ45連接器與測(cè)試儀連接。線纜雙端接入測(cè)試儀，測(cè)量線纜的線對(duì)連接關(guān)系（直連、交叉）、類型(非屏蔽雙絞線UTP、雙屏蔽雙絞線SFTP)、直流電阻，以及交流衰減；線纜單端接入測(cè)試儀，測(cè)量線纜的長(zhǎng)度和短路位置。測(cè)試儀由不大于6V的單電源供電。

二、要求

1. 基本要求

（1）按鍵切換兩種工作模式和顯示界面：“雙端檢測(cè)”、“單端檢測(cè)”。

（2）“雙端檢測(cè)”模式。要求測(cè)量并顯示線纜的線對(duì)連接關(guān)系（直連、交叉）、類型(UTP、SFTP)、直流電阻值(長(zhǎng)度范圍1m~50m、相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于10%)，測(cè)量時(shí)間不超過5s。

（3）“單端檢測(cè)”模式。要求測(cè)量并顯示線纜長(zhǎng)度(長(zhǎng)度范圍10m~50m、相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于5%)，檢測(cè)線纜是否存在線對(duì)間短路，測(cè)量、檢測(cè)時(shí)間分別不超過5s。

2. 發(fā)揮部分

（1）“雙端檢測(cè)”模式。要求測(cè)量并顯示線纜對(duì)在30MHz頻率處的交流衰減dB值(長(zhǎng)度范圍10m~50m、相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于10%)，測(cè)量時(shí)間不超過5s。

（2）“單端檢測(cè)”模式。要求測(cè)量并顯示線纜長(zhǎng)度（長(zhǎng)度范圍1m~50m、相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于1%），測(cè)量時(shí)間不超過5s。

（3）“單端檢測(cè)”模式。要求測(cè)量并顯示線纜的短路位置（長(zhǎng)度范圍1m~50m、相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于1%），測(cè)量時(shí)間不超過5s。

（4）其他。

三、說明

（1）被測(cè)線纜由測(cè)評(píng)現(xiàn)場(chǎng)提供。測(cè)評(píng)現(xiàn)場(chǎng)還提供1m長(zhǎng)SFTP型和50m長(zhǎng)UTP型的線纜，供參賽隊(duì)在測(cè)試前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

（2）作品測(cè)評(píng)過程中，除了按“雙端檢測(cè)”、“單端檢測(cè)”一鍵啟動(dòng)相應(yīng)功能并開始計(jì)時(shí)外，不允許對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行其他任何調(diào)整和操作。

（3）基本要求（2）中的“線對(duì)連接關(guān)系”是指直連線纜或交叉線纜，如下圖所示。

（4）題目中的“線纜長(zhǎng)度”為線纜水晶頭邊緣的直線距離，如下圖所示。發(fā)揮部分（3）中的“短路位置”為水晶頭邊緣到短路中心點(diǎn)的直線距離。

（5）題目中檢測(cè)相對(duì)誤差的絕對(duì)值 。標(biāo)準(zhǔn)值是指由測(cè)量?jī)x器測(cè)量得到的線纜參數(shù)值。

（6）發(fā)揮部分（1）中的“交流衰減”是指線纜對(duì)的輸出電壓值UoPP與輸入電壓值UiPP之比，即交流衰減dB值為20lg(UoPP/UiPP)。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意阻抗匹配問題。

（7）對(duì)于SFTP型線纜，應(yīng)注意RJ45連接器有屏蔽外殼。

（8）作品不得包含任何專用測(cè)量?jī)x器的主板或模塊，不得使用稱重、超聲、激光和其他非電參數(shù)方法進(jìn)行線纜參數(shù)測(cè)量。

題目分析與方案設(shè)計(jì)

本題目的要求可以歸結(jié)為：一、雙端測(cè)量模式下檢測(cè)線對(duì)的連接關(guān)系、直流電阻、以及射頻（30MHz）下的衰減系數(shù)。二、單端模式下檢測(cè)電纜長(zhǎng)度、短路點(diǎn)的位置。

這些要求涉及兩種測(cè)量方式：檢測(cè)連接關(guān)系、直流電阻以及線間是否短路，用直流信號(hào)完成，相當(dāng)于設(shè)計(jì)一個(gè)直流電阻計(jì)。檢測(cè)射頻衰減以及單端模式下檢測(cè)電纜長(zhǎng)度與短路位置，需要應(yīng)用射頻電路中的傳輸線理論。下面分別討論之。

一、直流電阻計(jì)。

雙端測(cè)量時(shí)用于測(cè)量網(wǎng)線的直流電阻以及線對(duì)的連接關(guān)系，單端測(cè)量時(shí)可檢查有否線間短路以及根據(jù)直流電阻計(jì)算短路點(diǎn)位置。

下面是一個(gè)直流電阻測(cè)量電路結(jié)構(gòu)圖。測(cè)試電壓通過限流電阻后加到待測(cè)電纜兩端（單端測(cè)量時(shí)加到同一端的兩根芯線上），然后通過儀表放大器獲得待測(cè)電纜兩端的電壓，通過檢測(cè)采樣電阻上的壓降獲得流過電纜的電流，就得到了待測(cè)電阻。模擬開關(guān)用于切換待測(cè)電纜芯線（更換線對(duì)、更換單端與雙端等）。

常見的網(wǎng)線，其銅線芯直徑有0.51mm （24AWG）、0.57mm（23AWG）、0.64mm（22AWG）數(shù)種，直流電阻為89.4Ω/km、66.8Ω/km、54.3Ω/km。題目要求被測(cè)網(wǎng)線的長(zhǎng)度為1m~50m，但沒有指定線徑，所以其直流電阻的可能范圍約為50mΩ~4.5Ω，電路中的測(cè)試電流值應(yīng)該根據(jù)這些電纜電阻值的可能范圍進(jìn)行設(shè)定。

由于本題中電纜電阻值的變化范圍可能較大，為了提高測(cè)量精度，還可以通過改變限流電阻，分成幾個(gè)不同量程測(cè)量。測(cè)量電流大一些有利于測(cè)量，但是要兼顧電源的輸出能力與導(dǎo)線發(fā)熱的影響。

需要指出的是，對(duì)于微小電阻值的測(cè)量，最好是采用四端測(cè)量法。此法消除了電流回路中接觸電阻的影響，可以得到比較準(zhǔn)確的測(cè)量值。按照?qǐng)D中的接法可以避免模擬開關(guān)內(nèi)阻的影響。

但是本題目要求網(wǎng)線直接安裝在水晶頭上，除非自己加工一個(gè)特殊的水晶頭插座，否則無法進(jìn)行四端測(cè)量。因此按照上述電路雖然避免了模擬開關(guān)內(nèi)阻的影響，但是無法避免水晶頭接觸電阻的影響，得到的結(jié)果很可能受到水晶頭與插座之間的接觸電阻的影響而導(dǎo)致誤差增大。

上述方案中的儀表放大器對(duì)頻響沒有要求，但是對(duì)噪聲、測(cè)量精度等參數(shù)有較高的要求?？梢圆捎镁苓\(yùn)放構(gòu)成三運(yùn)放儀表放大器，但是更方便的是直接采用集成儀表放大器，例如INA188，其最大輸入偏移為55μV，輸入噪聲為0.25μVpp。可通過外部的RG設(shè)定增益。

二、射頻檢測(cè)。

雙端測(cè)量時(shí)測(cè)量網(wǎng)線的射頻衰減，單端測(cè)量時(shí)測(cè)量網(wǎng)線的長(zhǎng)度。

測(cè)量射頻衰減比較直接，只要在網(wǎng)線一端加以激勵(lì)，在另一端接上負(fù)載，然后測(cè)試兩端的差分電壓值即可。由于是射頻測(cè)量，所以要注意信號(hào)源、電纜、負(fù)載三者之間都應(yīng)該阻抗匹配。網(wǎng)線的差分阻抗是100Ω，所以信號(hào)源端可以用兩個(gè)輸出阻抗都是50Ω的射頻放大器（一同相放大器、一反相放大器）構(gòu)成差分信號(hào)輸出，負(fù)載端直接用一個(gè)100Ω的電阻即可。

單端測(cè)量需要掌握傳輸線理論：當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度等于信號(hào)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，傳輸線信號(hào)輸入端的阻抗為

其中z0是傳輸線特征阻抗，zL是傳輸線終端負(fù)載阻抗。當(dāng)終端開路時(shí)，zL為無窮大，所以此時(shí)從傳輸線輸入端看進(jìn)去的理論阻抗為0。

啟動(dòng)單端測(cè)量后，控制高頻信號(hào)源從低頻開始逐步提高測(cè)試頻率（掃頻），同步讀取電纜始端的電壓，記下出現(xiàn)第一個(gè)極小值時(shí)的測(cè)試頻率ftest（由于電纜以及測(cè)試裝置的非理想特性，電纜輸入端的阻抗不可能達(dá)到0，只要觀察到一個(gè)極小值即可），此時(shí)電纜的長(zhǎng)度就是該頻率的四分之一波長(zhǎng)，可根據(jù)下列公式計(jì)算電纜長(zhǎng)度：

其中vp是網(wǎng)線內(nèi)信號(hào)的相速度。通常它是一個(gè)低于光速的值（大致為光速的二分之一到三分之二），可事先對(duì)使用的電纜進(jìn)行實(shí)際測(cè)試以獲得其準(zhǔn)確值。

下圖是射頻檢測(cè)部分的電路結(jié)構(gòu)。

其中掃頻信號(hào)源的頻率范圍應(yīng)該滿足長(zhǎng)度檢測(cè)與衰減檢測(cè)的要求，按照vp=0.66C計(jì)算，1m~50m長(zhǎng)度的網(wǎng)線，其1/4波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試頻率大約在1MHz~50MHz，所以掃頻范圍至少要滿足1MHz~50MHz，實(shí)際采用DDS信號(hào)源比較合適。信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)器可以采用高頻運(yùn)放。兩個(gè)放大與檢波電路中的放大器可以選用具有足夠頻響、輸入電阻高、輸入電容小的集成放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，并盡可能靠近電纜的接插件。檢波電路可以采用高頻乘法器（例如AD835）或集成檢波芯片（例如AD8361）。不能采用二極管檢波電路。因?yàn)闄z測(cè)電纜長(zhǎng)度時(shí)要找到極小值，而二極管檢波電路對(duì)于小信號(hào)不敏感。

2025年全國(guó)賽G題《電路模型探究裝置》

原文鏈接：https://www.eeworld.com.cn/aHWnDSK

一、任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作RC 有源濾波電路（簡(jiǎn)稱已知模型電路）和電路模型探究裝置（簡(jiǎn)稱探究裝置）?；疽笾校骄垦b置可自動(dòng)調(diào)節(jié)本身的輸出信號(hào)并加給“已知模型電路”，使該電路按要求輸出信號(hào)；發(fā)揮部分中，探究裝置可對(duì)測(cè)評(píng)現(xiàn)場(chǎng)提供的“未知模型電路”進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、建模，并根據(jù)該電路輸入端的信號(hào)推理生成與該電路相同的輸出信號(hào)。

二、要求

1．基本要求

（1）在單獨(dú)的電路板上搭建電壓傳遞函數(shù)為

的“已知模型電路”。由信號(hào)發(fā)生器輸入頻率100Hz~3kHz、峰峰值1V 的正弦信號(hào)，使用示波器測(cè)量該電路輸出電壓幅度，如圖所示。要求該電路輸出電壓幅度與傳遞函數(shù)H(s)表征的輸出電壓幅度的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于10%。

（2）探究裝置能產(chǎn)生正弦信號(hào)，要求頻率可設(shè)置（步長(zhǎng)100Hz），最高頻率不小于1MHz，頻率相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%；各頻點(diǎn)輸出電壓峰峰值的最大值不小于3V。

（3）將探究裝置的輸出端連接“已知模型電路”的輸入端，如下圖所示。設(shè)置探究裝置輸出1kHz 的正弦信號(hào)，并依據(jù)基本要求（1）中的H(s)確定輸出信號(hào)幅度，使得“已知模型電路”輸出電壓峰峰值為2V。要求該電路輸出電壓與設(shè)定值（2V）的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%。

（4）基本要求（3）中，探究裝置可設(shè)置并輸出100Hz~3kHz 頻率范圍內(nèi)的正弦信號(hào)，依據(jù)基本要求（1）中的H(s)確定輸出信號(hào)幅度，使得“已知模型電路”輸出電壓峰峰值為設(shè)定值（范圍1~2V、步長(zhǎng)0.1V）。要求該電路輸出電壓與設(shè)定值的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%。

2．發(fā)揮部分

（1）測(cè)評(píng)現(xiàn)場(chǎng)提供由RLC 元件（各1 個(gè)）組成的“未知模型電路”。按照下圖所示，探究裝置連接該電路的輸入和輸出端口，對(duì)該電路進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、建模（不可借助外部測(cè)試設(shè)備），2 分鐘內(nèi)完成學(xué)習(xí)建模，顯示“未知模型電路”的濾波類型。

（2）學(xué)習(xí)建模完成后，斷開探究裝置和“未知模型電路”的端口連接，將信號(hào)發(fā)生器接入探究裝置和“未知模型電路”的輸入端口（探究裝置輸入電阻不小于100kΩ），如下圖所示。探究裝置能根據(jù)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)推理生成與“未知模型電路”相同的輸出信號(hào)。要求探究裝置和“未知模型電路”的輸出信號(hào)相比波形無失真、在示波器上能連續(xù)同頻穩(wěn)定顯示（相位無要求），兩者峰峰值相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于10%。

信號(hào)發(fā)生器的輸出為頻率1kHz~50kHz（步長(zhǎng)200Hz）、峰峰值2V 的周期信號(hào)，類型分別為：正弦波、矩形波（占空比10%~50%、步長(zhǎng)5%）和其他周期信號(hào)。

（3）其他。

三、說明

（1）預(yù)留各輸入、輸出端信號(hào)測(cè)試端口。

（2）基本要求（3）（4）和發(fā)揮部分（2）中，“已知模型電路”和“未知模型電路”的輸入、輸出端均只有1 根信號(hào)線和地線，探究裝置與“已知模型電路”和“未知模型電路”輸出端無任何反饋連接；探究裝置需在啟動(dòng)后5s 內(nèi)生成信號(hào)輸出。

（3）基本要求（3）（4）中，探究裝置具有通過按鍵等設(shè)置所產(chǎn)生信號(hào)的頻率、所控制的“已知模型電路”輸出電壓值功能。設(shè)置完成后，一鍵啟動(dòng)信號(hào)輸出，后續(xù)不可人工干預(yù)。

（4）發(fā)揮部分（1）中，“未知模型電路”中元件值范圍：R（1kΩ~10kΩ），L（1mH~10mH），C（10nF~100nF）；電路連接完成后，使用唯一“學(xué)習(xí)鍵”啟動(dòng)探究裝置學(xué)習(xí)建模，后續(xù)不可人工干預(yù)；“未知模型電路”的濾波類型指低通、高通、帶通或帶阻。

（5）發(fā)揮部分（2）中，信號(hào)發(fā)生器設(shè)置完成后，一鍵啟動(dòng)探究裝置，后續(xù)不可人工干預(yù)。示波器以“未知模型電路”輸出為觸發(fā)通道，要求雙蹤顯示的探究裝置與“未知模型電路”輸出波形相同、無漂移。

題目分析與方案設(shè)計(jì)

題目要求設(shè)計(jì)兩個(gè)模塊：一個(gè)是給定傳遞函數(shù)的“已知模型電路”，另一個(gè)是“探究裝置”。

“已知模型電路”的電壓傳遞函數(shù)為 ，這是一個(gè)2階低通濾波器。2階低通濾波器傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式為，所以就有截止角頻率 ，品質(zhì)因數(shù)Q=1/3，直流增益A0=5可以有多種電路實(shí)現(xiàn)2階低通濾波器。一個(gè)最常見的電路如下圖

此電路的截止角頻率與品質(zhì)因數(shù)為：

通常取C1=C2，然后根據(jù)要求計(jì)算電阻值。例如在本題中，可以取C1=C2=33nF、R1=7.93kΩ、R2=1.16kΩ?？紤]到濾波器的直流增益為1而題目要求直流增益為5，所以在它的前面增加了一個(gè)增益等于5的放大器。采用電容耦合可以使它與輸入信號(hào)之間不會(huì)產(chǎn)生直流電平不匹配問題。

另外一個(gè)電路更為簡(jiǎn)單，就是直接用兩級(jí)相同的RC濾波器串聯(lián)，如下圖所示。

這個(gè)電路在兩個(gè)電阻相等、兩個(gè)電容相等的時(shí)候，正好滿足題目要求。其中前后兩級(jí)放大器僅僅起到隔離與改變直流增益的作用。但是這個(gè)電路僅僅滿足本題的要求，若傳遞函數(shù)中的Q值不等于1/3，則無法使用這個(gè)電路。

“探究裝置”是本題的主要模塊。它要完成的功能有：

一、信號(hào)發(fā)生器

A、根據(jù)基本要求（2），產(chǎn)生頻率可設(shè)置的正弦信號(hào)（步長(zhǎng)100Hz），最高頻率不小于1MHz，頻率相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%。輸出電壓可以控制，最大峰峰值不小于3V。

B、根據(jù)基本要求（3）、（4），綜合后的要求是：可設(shè)置并輸出100Hz~3kHz 頻率范圍內(nèi)的正弦信號(hào)，輸出電壓可控制。

C、根據(jù)發(fā)揮要求（1），探究裝置可以輸出正弦信號(hào)至“未知模型電路”，并采集“未知模型電路”的輸出信號(hào)以確定電路模型。

題目規(guī)定“未知模型電路”由RLC三個(gè)元件組成，所以它可以是低通、高通、帶通、帶阻4種濾波器中的一種，且是一個(gè)二階濾波器。此二階濾波器的截止頻率或中心頻率為品質(zhì)因數(shù)為根據(jù)題目給定的元件值范圍（R=1kΩ~10kΩ，L=1mH~10mH，C=10nF~100nF），可以計(jì)算此“未知模型電路”的截止頻率（或中心頻率）的可能范圍為5kHz~50kHz、Q值的可能范圍為1~100（要注意的一點(diǎn)是：由于實(shí)際的LC元件尤其是電感的Q值有限，所以實(shí)際“未知模型電路”的Q值大概率不會(huì)高達(dá)100）。

由上述分析，要求探究裝置的輸出正弦波的頻率范圍應(yīng)大于5kHz~50kHz，最好幅度可控（可以配合“未知模型電路”Q值的變化引起的輸出幅度變化以提高測(cè)量精度）。

D、根據(jù)發(fā)揮要求（2），當(dāng)信號(hào)源的波形是正弦波、矩形波和其他周期波形時(shí)，探究裝置能夠復(fù)現(xiàn)信號(hào)經(jīng)過“未知模型電路”后的輸出波形。由于正弦波、矩形波和其他周期波形經(jīng)過一個(gè)2階未知函數(shù)網(wǎng)絡(luò)后的輸出波形可能由各種形狀，所以探究裝置應(yīng)該能產(chǎn)生周期性的任意波形，頻率范圍為1kHz~50kHz（步長(zhǎng)200Hz）。

顯然，上述A、B、C三條均要求輸出正弦波，也均要求輸出幅度可調(diào)，只是其頻率范圍不同。所以可以合并為一個(gè)要求：產(chǎn)生一個(gè)頻率、幅度均可調(diào)的正弦波，最高頻率為1MHz。這一條可以用頻率合成器實(shí)現(xiàn)，也可以用DDS實(shí)現(xiàn)，但顯然用DDS更合適。

上述D條要求產(chǎn)生任意周期波形，頻率為1kHz~50kHz。如果這一條也用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的話，需要在DDS內(nèi)部的波形存儲(chǔ)器中寫入任意波形的數(shù)據(jù)。但是常見的DDS芯片都僅支持正弦波及其調(diào)制波形，筆者不知道是否有可以寫入波形數(shù)據(jù)的DDS芯片。所以一個(gè)可能的選擇就是選用一個(gè)時(shí)鐘頻率足夠高的MCU，直接通過MCU的DAC輸出任意波形（或者用IO口輸出數(shù)據(jù)，外部DAC產(chǎn)生任意波形）。這樣構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器包含兩套電路，最后通過模擬開關(guān)選擇輸出。

上述DDS部件（或MCU產(chǎn)生波形的DAC）之后還應(yīng)該有幅度控制電路，可以用壓控放大器（例如VGA810、AD603等）、乘法器（例如AD835）、或者數(shù)控衰減器（例如HMC307）等實(shí)現(xiàn)。其中壓控放大器的輸出與控制電壓的關(guān)系通常是增益按dB變化，而乘法器的輸出與控制電壓成線性關(guān)系。數(shù)控衰減器也是按dB變化，但是由于它的增益為負(fù)dB，所以還需要另外一個(gè)放大器與之匹配。

二、數(shù)據(jù)采集與分析

根據(jù)發(fā)揮要求（1），探究裝置的數(shù)據(jù)采集部分應(yīng)該與信號(hào)發(fā)生器部分配合，探測(cè)“未知模型電路”的傳遞函數(shù)。在此要求中，輸入波形為正弦波，頻率范圍為1kHz~50kHz，只要測(cè)量“未知模型電路”輸出信號(hào)的幅度隨頻率變化就可以得到“未知模型電路”的幅頻特性，也就可以得到其傳遞函數(shù)。

因此數(shù)據(jù)采集部分既可以用ADC直接采集波形數(shù)據(jù)然后用軟件得到其幅頻特性，也可以先將“未知模型電路”的輸出信號(hào)用檢波電路轉(zhuǎn)換為直流再通過ADC檢測(cè)其幅度。前者對(duì)于ADC采集速度的要求略高于后者，但最高信號(hào)頻率只有50kHz，還不算很高。且直接ADC還可以滿足發(fā)揮要求（2）的測(cè)量需求，所以應(yīng)該采用這個(gè)采集方式。

發(fā)揮要求（2）需要探究裝置采集外部信號(hào)源激勵(lì)“未知模型電路”的信號(hào)，信號(hào)類型包括正弦波、矩形波、以及“其他周期波形”。探究裝置根據(jù)ADC獲得激勵(lì)信號(hào)的波形、頻率與幅度，并據(jù)此判斷信號(hào)類型，寫出激勵(lì)函數(shù)，再根據(jù)發(fā)揮要求（1）得到的“未知模型電路”的傳遞函數(shù)，推算出“未知模型電路”的響應(yīng)函數(shù)。將此響應(yīng)函數(shù)從復(fù)頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，再將此時(shí)域響應(yīng)的波形經(jīng)DAC輸出。

此發(fā)揮要求（2）需要學(xué)生掌握常見傳遞函數(shù)表達(dá)式以及拉普拉斯變換等數(shù)學(xué)知識(shí)，可能是此題中最難的部分。正弦波與矩形波都可以查到對(duì)應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式，還算是比較容易的內(nèi)容，而那個(gè)“其他周期波形”需要直接從波形數(shù)據(jù)推斷激勵(lì)函數(shù)，如果是一個(gè)真正的“任意波形”，筆者也覺得無從下手。

根據(jù)上述分析，整個(gè)探究裝置的結(jié)構(gòu)框圖如下圖。其中的量化噪聲濾波器用以濾除DAC的量化噪聲，ADC前面的緩沖放大器用以滿足題目對(duì)于波形采集電路的輸入電阻不小于100kΩ的要求。

2025年綜測(cè)題分析《鍵控調(diào)頻連續(xù)脈沖發(fā)生器》

原文鏈接：https://www.eeworld.com.cn/aiPe1uD

設(shè)計(jì)制作一個(gè)由鍵控（4檔）調(diào)節(jié)頻率的連續(xù)脈沖發(fā)生器，如圖所示。

一、約束條件

1、一片LM324ADR四運(yùn)算放大器芯片（綜合測(cè)評(píng)板上自帶）；

2、一片SN74LS00DR四與非門芯片（綜合測(cè)評(píng)板上自帶）；

3、賽區(qū)提供：電阻（含可調(diào)）、電容、普通二極管等（數(shù)量不限、參數(shù)不限）；

4、賽區(qū)提供±5V直流電源。

二、設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo)要求

利用綜合測(cè)評(píng)板和若干電阻（含可調(diào)）、電容元件、普通二極管等元件，設(shè)計(jì)制作電路：當(dāng)按鍵分別接A、B、C、D時(shí)，將鍵控轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的控制電壓（要求控制電壓絕對(duì)值分別為0.8、1.6、2.4、3.2V），控制產(chǎn)生不同頻率的連續(xù)脈沖信號(hào)輸出，輸出脈沖為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，最低頻率≥1kHz，頻率調(diào)節(jié)間隔≥500Hz，輸出脈沖的占空比在20%至80%之間連續(xù)可調(diào)。

三、說明

1、綜合測(cè)評(píng)應(yīng)在模電或數(shù)電實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室提供常規(guī)儀器儀表和工具。

2、LM324ADR和SN74LS00DR芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)隨綜合測(cè)評(píng)板一并提供。

3、參賽隊(duì)?wèi)?yīng)在理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行作品制作與實(shí)驗(yàn)調(diào)試，理論設(shè)計(jì)（報(bào)告）占3分，作品實(shí)現(xiàn)占27分，其中各部分（見參考電路）分值分配如下表。為便于測(cè)試，各單元電路均應(yīng)設(shè)置并標(biāo)記相應(yīng)的測(cè)試端子。

4、不允許在測(cè)評(píng)板上增加使用IC芯片，如果增加芯片則按0分記。

5、不允許在測(cè)評(píng)板上增加使用BJT、FET管，如果增加則按3分/只扣分。

6、原則上不允許參賽隊(duì)更換測(cè)評(píng)板，如果損壞測(cè)評(píng)板只可更換一次并扣10分；如果損壞板上芯片不更換測(cè)評(píng)板，則每更換一塊芯片扣5分。

四、參考電路

題目分析與方案設(shè)計(jì)

題目已經(jīng)給出了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖，下面對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)分析。

一、4-2編碼器。

這個(gè)部件考察數(shù)字電路。設(shè)其輸出為B1B0，且鍵控輸入A對(duì)應(yīng)輸出00，B對(duì)應(yīng)01，C對(duì)應(yīng)10，D對(duì)應(yīng)11，則真值表與卡諾圖如下，卡諾圖中未標(biāo)輸出的是不會(huì)出現(xiàn)的項(xiàng)，可以隨意圈。

通常在卡諾圖中圈1（紅色圈），但是考慮到74LS00是個(gè)與非門，圈0比較合適，改用綠色圈。那樣就有編碼器電路如下。其中利用了TTL電路輸入懸空就是1的特點(diǎn)，如果用的是CMOS電路（例如用74HC00），就需要在輸入端接入上拉電阻。

二、簡(jiǎn)易DAC。

通常的DAC電路采用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。那個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是只要兩種阻值的電阻就可以構(gòu)成任意位數(shù)的DAC。但是對(duì)于這個(gè)題目，DAC的輸入只有2位，所以完全不需要那么復(fù)雜，只要簡(jiǎn)單地用兩個(gè)電阻構(gòu)成加法器的權(quán)電阻即可。

但是這里有另一個(gè)問題需要考慮，就是DAC的輸入是74LS00的輸出，是一個(gè)TTL電平，其低電平大約是0.1~0.3V，高電平大約是3~3.5V，均與器件本身以及外界負(fù)載有關(guān)。而題目要求DAC有一個(gè)線性輸出，其線性關(guān)系表現(xiàn)為當(dāng)輸入為00~11時(shí)輸出為0V~2.4V，每個(gè)STEP為0.8V，所以要在加法器中設(shè)置偏置電路抵消TTL低電平的影響。一個(gè)可行的DAC電路如下：

此電路中，運(yùn)放、R1、R0與R2構(gòu)成反相加法器，運(yùn)放同相端通過R3接地，在其上疊加了一個(gè)參考偏置電壓Vr。

可以寫出上述電路的輸出電壓表達(dá)式如下VB1、VB0是2-4編碼器的輸出電壓，可以寫為其中Dn是數(shù)字量輸出，1或者0。VOH、VOL分別是TTL電路的輸出高電平與輸出低電平。

將此電壓表達(dá)式代入前述加法器的輸出電壓表達(dá)式，有

調(diào)整Vr，使得上式中后面的項(xiàng)為0，則

令R0=2R1，則兩個(gè)數(shù)字量的權(quán)重比為2:1。根據(jù)題目要求的|VO|值，再通過數(shù)據(jù)手冊(cè)或?qū)崪y(cè)得到74LS00的輸出高電平VOH與低電平VOL，可以計(jì)算上述電路中的各電阻值。

實(shí)際調(diào)試中通過調(diào)整R5與R2，可以滿足題目對(duì)于整個(gè)DAC的要求。

三、壓控振蕩器。

這個(gè)壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在題目中給出。若要求其輸出頻率與控制電壓完全線性，通常要用控制電壓產(chǎn)生兩個(gè)正負(fù)電流源，然后用施密特觸發(fā)器的輸出控制其中哪個(gè)對(duì)積分器積分，那樣積分器的輸出將是一個(gè)三角波，其頻率與控制電壓成正比，通常稱為VFC（電壓-頻率轉(zhuǎn)換器）。

但在這個(gè)題目中，約束條件是只能使用一片4運(yùn)放，且不能使用晶體管，所以沒辦法實(shí)現(xiàn)線性控制。實(shí)際上題目也沒有要求線性控制，只是要求最低頻率不小于1kHz，每個(gè)步進(jìn)間隔不小于500Hz即可。這時(shí)的解決方案如下圖：

其中第一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成反相積分器，第二個(gè)運(yùn)放構(gòu)成同相滯回比較器（注意其輸入端的極性是正反饋），二極管與R10構(gòu)成積分電路的電容放電回路，R11構(gòu)成起始頻率偏置電路。

這個(gè)電路的工作過程是：前級(jí)（2-4編碼器）輸出一個(gè)負(fù)電壓，通過R7對(duì)C1反向充電，積分器的輸出為一個(gè)正向的斜坡電壓（鋸齒波的上升段）。當(dāng)積分輸出達(dá)到比較器的正閾值后，比較器翻轉(zhuǎn)后輸出高電平，二極管導(dǎo)通，比較器輸出對(duì)電容正向充電，使積分器的輸出迅速下降（鋸齒波的下降段）。到達(dá)比較器的負(fù)閾值后，比較器再次翻轉(zhuǎn)，二極管截止，開始下一次積分。

只要R10足夠小，則通過二極管向電容充電的時(shí)間就足夠短，振蕩器的頻率大致上就由鋸齒波的上升時(shí)間確定。

這里有一點(diǎn)要注意的是：理論上R10的值越小越接近理想狀態(tài)，但是實(shí)際取值是要考慮運(yùn)放的輸出能力。LM324的最大向外輸出電流（Source）大概只有30mA，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意這個(gè)限制。

從比較器開始計(jì)算這個(gè)電路。比較器中的放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸入端是R8左側(cè)，輸出是運(yùn)放的輸出端。設(shè)運(yùn)放的開環(huán)輸出上限為VO+，下限為VO-，則比較器輸入端的兩個(gè)反轉(zhuǎn)閾值分別為

由于此比較器的輸入就是前面積分器的運(yùn)放輸出，考慮到運(yùn)放正負(fù)輸出的不對(duì)稱等因素，為了避免由于前級(jí)輸出受限而達(dá)不到后級(jí)的翻轉(zhuǎn)閾值導(dǎo)致振蕩器停振，此比較器的輸入翻轉(zhuǎn)閾值應(yīng)該比運(yùn)放的輸出極限值小一些，可以令R8/R9=1/2~2/3。確定了這個(gè)比例就可以確定比較器輸入端的兩個(gè)翻轉(zhuǎn)閾值VTH+和VTH-。

控制電壓就是前面的DAC的輸出VO，是一個(gè)負(fù)電壓。這個(gè)負(fù)電壓輸入時(shí)，積分輸出是鋸齒波的上升斜坡，其上升時(shí)間為題目要求每個(gè)step頻率變化大于500Hz，即其周期小于2ms，而VO的step為0.8V，所以就有考慮到實(shí)際輸出中還有鋸齒波下降沿，上述公式中右側(cè)的上升時(shí)間還可以取得更小一些，例如取1.5ms。這樣在確定了比較器的兩個(gè)輸入翻轉(zhuǎn)閾值以后，就可以確定R7與C1的值。

由于題目要求在第一個(gè)step時(shí)的輸出頻率大于1kHz，所以設(shè)置R11提供偏置電流，使得在輸入控制電壓為0時(shí)的輸出頻率大于500Hz。據(jù)此可以確定R11的值。

四、占空比調(diào)節(jié)與輸出電平匹配。

題目要求最后的輸出為矩形波，輸出電平符合TTL電平要求，占空比20%~80%連續(xù)可調(diào)。下圖是符合這些要求的電路：

其中運(yùn)放工作在比較器狀態(tài)。R13>>R12，形成一個(gè)輕度的滯回，用于避免噪聲的影響。R14~R16形成比較電壓，改變此電壓可以改變輸出占空比。由于運(yùn)放的輸出不符合TTL電平，所以最后用兩個(gè)門電路作為輸出電路。R17與二極管是鉗位電路，當(dāng)運(yùn)放輸出負(fù)電壓時(shí)將門電路的輸入鉗位在-0.7V左右。

將上述所有電路連接就得到了本題的解，正好將4個(gè)運(yùn)放、4個(gè)與非門全部用完。

這個(gè)電路在制作的時(shí)候要注意的是：運(yùn)放的電源位正負(fù)5V，與非門的電源是+5V，一定不能搞錯(cuò)。另外，這些器件隨封裝的不同其引腳也有不同，接線時(shí)一定要仔細(xì)核對(duì)。

EEWorld | 社區(qū)出品

歡迎將我們?cè)O(shè)為“星標(biāo)”，這樣才能第一時(shí)間收到推送消息。

關(guān)注EEWorld旗下訂閱號(hào)：“機(jī)器人開發(fā)圈”

回復(fù)“DS”領(lǐng)取《DeepSeek:從入門到精通》完整版

掃碼添加小助手回復(fù)“機(jī)器人”

進(jìn)群和電子工程師們面對(duì)面交流經(jīng)驗(yàn)