2019年电子电路设计大赛总结 知识汇总

一．说明

通过准备大约3个月的电子电路大赛，最终我负责的是电路的设计部分，即通过选择元件，protues仿真，PCB画图板，热转印法制作PCB玻璃纤维铜板的一体化流程电路部分。

• 电路实现部分
  

1.研究已久的NE555多谐振荡电路

①个管脚说明

     该芯片为8个引脚：8脚为VCC：+5V供电引脚；7脚为DISC：即该芯片的放电引脚（重要）；6脚TH：阈值电压脚，内部电压比较器专用引脚；5脚为CV：控制电压引脚，在该应用电路中不做具体要求；4脚为IQR~：该脚为复位引脚，低电平有效，默认接高电平；3脚为out：波形输出引脚；2脚为TR~：电平触发引脚，高低电平反转用；1脚为GND：接地引脚。

②使用原理说明。

图1.1NE555占空比可调的多谐振荡电路仿真

该芯片广泛应用在大多数电压表测量较大电容电路，还有一些其它需要矩形脉冲的电路；该芯片简单实用只需要少许的电容、电阻即可起震荡，非常实用，但是缺点也显而易见的就是Cx被测电容约大精度越高，外部电阻所需阻值组合值也越小，否则列如这次测量值在30pf-2nf（1-100张纸）电路中误差很大，设计电路在1nf的cx电容值下，其要得到1khz方波，其R1和2R2的组合值为1400k，可谓阻值巨大，电阻需求较高；公式：T=t1+t2=(R1+2R2)Cxln2,可知即可测量频率，也可以测量电容的充放电时间，即周期的1/2，在t1=t2时。

其原理是TH和TR~直接相连，保证电路只有两个电路状态0和1，然后接Cx到地，取电压值从Cx为信号压值，Ucx的电压值=Uo=1/3VCC，上端接R2到DISC放电脚UR2=2/3VCC，R2上又连上R1分压电阻到VCC；CV端接0.01uf电容到地，起低通滤波作用，电路即可。

图1.2 占空比可调555多谐振荡电路效果图

图1.3 谐振频率图

在上面的基础上引入占空比可调的NE555多谐震荡电路：DISC端接到可调电阻上，可调电阻另外两端与R1和R2串连，放电回路R2上端正接稳流二极管到R1，起单向放电作用，DISC端接稳流二极管到TH端，起激励作用。具体实物看仿真。

③特别说明

基于以上原理属于个人想法，却也做有实际电路，但碍于程序部分并未得以实践，故在后续成功后在与说明，该设计方案并未放弃，仍在实践中。

• 实际比赛选用电路。
  

①说明

  非常遗憾在短短的四天三夜里，我们团队，杨、李、张三人实际并没有完成比赛题目，而采用了方老师的实际电路，开始我们二人即为排斥，应为在最后一天结束比赛最后几个小时里，方完全否了杨、李二人的所有努力，其中我们已四天三夜未曾好睡一觉，身心俱疲，思维混乱，其特是予也；显而易见，我团实力不足也，方的决定是对也；后更是得以验，可谓成也萧何，败也萧何，那关键性局面由我挽回，而最终的面试也在我败出，我未能说出原理，实则应更上一层楼，反落一节，后反思，未睡觉休息好，为一大魁首，未抽空研究电路为二，天时、地利、人和，其天时与人和尽不占，是三；终了总结为其自身水平不足也。但事后亦不愿做随波逐流之辈，还是把成功电路部分做研究说明，以防今后之需与学习之用。却也不是一无所获，收获了更加牢靠的友谊，学的AD画板与制板也算一大可喜之由，当然后将会学的更多更好，言尽于此，看原理。

②阻抗法测电容

图2.1阻抗法测电容原理图

说明：LM358N为一个双位运算比列放大器，其实际电路中用了三个，即总个六个运放。该电路主要由三大部分组成：1.产生交流信号频率电路：文氏桥震荡电路；2阻抗测电容核心部分，一个LM358N做反向比列放大器用；3.输出的反向低交流信号变为AD采集所需的0-5VDC直流整形，放大电路。

• 1KHZ  500mv文氏桥震荡电路：由选频网络和放大电路组成，简单的RC串并联组成震荡电路；集成运放电压电压串联负反馈放大电路，有输入电阻高 ，输出电阻低的特点；为得到1KHZ的正旋波，R应该精确等于3.3 k，C精确等于47nf，当然也可以是其他一些RC组合值，视你选择的电阻、电容决定，其计算公式为：F0=1/2RC；为了使输入的电压幅值可以控制，我们需要加入非线性环节，即在其负反馈回路中加入对向的整流二极管，使增益A大于1（或者效于1）达到预定幅值后，A=1的稳定效果，是电路的幅值可控并达到预期的效果；
  

图2.2 文氏桥振荡电路仿真图

根据电路的起振条件：|AU|>3,正反馈支路占优势电路起振，开始时振荡不稳定，但是随着振荡的不断增大，运放会处于饱和状态，输出波形出现顶部失真；因此只有放大倍数刚好为3时，正负反馈处于平衡状态，电路才能连续起振；下面具体计算一下AU，AU主要由负反馈回路的电阻决定：|AU|=1+（R5+RV2*X%）/R2，其中可调电阻是电路起振与否的决定条件之一，通过它我们可以精确的把放大倍数调节到3左右，做修正用，该电路修正值大约为0.7，其电路电压实际放大倍数Uo多于3V，在Ui为1v左右时。

•   阻抗法测量电容电路
  

图2.3电压跟随器做隔离，减小输入电容

a.  LM358为电压跟随器做前级输入输出缓冲器：应为电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几时千欧，如果后级的输入阻抗比较少，那么信号将会有相当部分损耗在前级的电阻中，这个时候就要用到电压跟随器进行缓冲，还可以提高输入阻抗，可以大幅减小输入电容的的大小，可以为高品质漏电小的电容提供保障，还有隔离级、提高带负载能力的作用。在该实际电路中应是做隔离和减小输入电容Cx即被测电容容量，满足纸张测量仪要求。算出后级输入阻抗Xc=1/2fCx=1/6.28*1000*10^-12=0.159*10^9，可见阻抗值较大，其前级波形失真较小，在使用电压跟随器前后幅值由于前级上输出电阻损耗两倍，所以影响不明显，但具有隔级作用，划分运放的两级，互相不影响，输入阻抗高对于前级相当于开路，输出阻抗低对于后级相当于一个恒压源，即输出电压不受后级影响，起到隔离作用，由下图可以看到使用电压跟随器前后波形无明显变化，示波器捕捉信号均为0.2mV，当然波形的修补作用还是有的。

图2.4使用电压跟随器前后级波形对比图

• 阻抗法测电容核心部分
  

①测量电路基于一个反向比列放大电路，公式如下：

调整输入电压Vi使被测电容在0-1000pF（0-100pf）时输出电压为0-500.0mV（0-50mv），输出电压送AC/DC转换电路变为直流电，通过A/D转换电路送单片机后即可进行各种测量。

根据公式，在0-1000pf，输入Ui=500mV，频率为1KHZ时的反馈电阻Rf为159k（组合值为68K+91K）；0-100pf时组合值为1590k，其后级C1为1Uf电容高通滤波用，配合51k的R14组成一个电容的充放电回路，使有效电压在可控范围内，过滤掉信号较低的直流干扰信号，为后级电路提供更为纯净平滑的交流信号。

图2.5 阻抗法测电容核心部分

②一阶高通滤波频率响应特性研究

图2.6一阶高通滤波电路

  由高通滤波电路截至频率公式：FL=1\2ΠRC，算的该电路截至频率为3.1HZ,即凡是低于等于3.1的低频信号都无法通过，反之的高频信号均可以通过。

③测量电容Cx与LM358N产生的自激振荡

图2.7电容Cx放电回路产生自激振荡

自激振荡的引起,主要是因为集成运算放大器内部是由多级直流放大器所组成,由于每级放大器的输出及后一级放大器的输入都存在输出阻抗和输入阻抗及分布电容,这样在级间都存在R-C相移网络,当信号每通过一级R-C网络后,就要产生一个附加相移.此外,在运放的外部偏置电阻和运放输入电容,运放输出电阻和容性负载反馈电容,以及多级运放通过电源的公共内阻,甚至电源线上的分布电感,接地不良等耦合,都可形成附加相移.结果,运放输出的信号,通过负反馈回路再叠加增到180度的附加相移,且若反馈量足够大,终将使负反馈转变成正反馈,从而引起振荡。电容Cx经过电阻RF1159k的电阻后会形成一个放电回路引发一个不可忽的自激振荡，对后级电路造成影响，应该采用适当的方法对其进行消除。

经过仔细研究后发现，问题就出在电容Cx与反馈电阻RF1，在RF1两端并上一个1nf（=1000pf但不能直接用）的滞后补偿电容后自激振荡得以缓解，但是电压幅值得到大幅限制，需要改变原有效电压值，列入Cx=100pf时，输出大约50mV，但消除自激振荡后输出已经 达不到50mV，只有35.3mV，经过放大10倍后应为500mV左右，实际却不到400mV。

图2.8加入补偿电容C2后效果图

图2.9插入C2前后输出电压幅值比较

    说明：若后端要得到50mV电压，则需要调节最前级输入电压大于500mV。

• AC转DC部分
  

特别说明:1khz的正旋波在Cx前端消失，因为该被测电容相当于断路，波形无法传递。

其实说实话，该级电路是这个电路中最难分析理解的，因为它涉及到三个运放，并且运放间还具有多反馈，交互式影响，下面原理分析可能不是那么的客观精准，具有一定的争议性，需要用批判性思维去看待！

图3.1未接入C2时自激振荡对后级电路影响

图3.2 接入C2后效果图

图3.3 未接入C2时半波整流

图3.4 接入C2后半波整流效果

图3.5 未接入C7时失败的整流效果图

图3.6 接入C7后最终得到直流效果图

AC/DC变换要求输入的是正玄波，输出的直流电压值为输入有效电压值的10倍，其实际经过半波整流后，输出的电压值仅有原输入值的大约1/2*10=5倍，经过计算后输出直流大约有25mV，实际有接近40mV，说明该电路交直流转换效率较高。该级第一个运放U3：C，是使原来输入的交流信号变为输出交流信号的10倍，根据电路，放大倍数Au=R15/R11=10.2，有0.2倍值用于修正用；第二级运放U3：A才是正真的半波反馈整流桥，通过该运放的反向输入端做电压跟随，再利用二极管的单向导电性，对与输入信号相反的交流信号进行半波整流成单向脉冲，最后通过第二次反向放大再次做半波整流，得到具有一定平滑性的直流电源，但是电压还不是很稳定，在通过R10对两级运放做深度电压串联负反馈，限制直流电压的幅值，在可控范围内；U3：B为二次反向放大器，将原来剩余的单波脉冲放大系数为原来二分之一，切掉多余尖波，使其变成矩形脉冲波，在反馈电阻R9两端并联上0.22uf补偿电容C7，使脉冲波形变为较为平滑直流电，到此AC/DC转换完成，最后便可送入目标单片机进行ADC转换得到相对值了。

在比赛当天，我对运放的双电源供电陷入了混乱，现在特此在这儿说明，如果电路需要加入正负12V电源时，我们可以串联16节1.5V的直流电池，其终点电位VCC\2处为GND，其正向为+12V，负向为-12V，如果需要给单片机进行供电选用7805稳压芯片即可。

• 总结（程序分析部分放其他）
  

通过这次比赛，严重的意识到几点问题：

•    团队协调很重要，要想赢得一个向TI杯这样一个全国性的具有难度和挑战性的比赛，一个好的团队必不可少，一个团队的协调配合更是不可或缺。
•    电子电路的复杂多样性和不可控因素，是制约走向成功的关键因素。一个好的电路，应当是几乎所有的不可预见的微观因素都制约在合理的范围内，其可控性较为舒适。
•    必须具备一丝不苟的科学的专业素养与专业水平，对实际电路产生的实际问题进行论证解决，不得抱有侥幸心理，因为电子电路是程序开发的基础建筑，电子电路的稳定与精确与否直接决定最终工程样品的成败与可用性，必须严肃对待，不得懈怠分毫。
•    学习的专业知识的综合与掌握成度与产品的开发进度时间直接挂钩，所以基础一定要牢靠，实践经验也当充足才行。
  

最后，感谢那些陪我通宵熬夜的伙伴们，给予我实战经验指导与纠错的伙伴和老师们，感谢不远数百里前来参加比赛支持的队员，谢谢你们的支持与参与，感谢你们陪伴我度过快乐的比赛时光，见证我的成长，最后我将会改正一直以来的以个人直观判断为核心的错误做法，一切因与科学依据为基础，以上个人见解若有错误不足地方，欢迎积极指正说明，最后无论比赛结果如何，希望不负我心即可。

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