内容介绍

2024 LTspice电路仿真竞赛挑战题汇总

说明

欢迎！
本汇总涵盖了大多数挑战题，不含39、43、48、50题，其他题汇总的跳转链接为：[基础题]()、[中等题]()、[进阶题]()。
挑战题与此前三组题均有很大差异，主要表现为几乎没有任何参考电路，需要自行查阅资料，并根据设计要求结合相应的计算完成设计，故这部分的报告通常会比此前的要详细得多，若对相应题目的具体实现感兴趣，则我个人非常建议去查看。
而本汇总部分则重点描述电路的设计思路，对于一些重要参数的确定过程就略过了，因为这部分在报告中大多都已经进行了相对详细的描述。
在下面的设计过程中，我个人偏好于尽己所能复用前面三组实验所搭建的电路，所以本汇总会出现多处对前面实验的引用，如对前面不熟悉的可前去查看。
- 此外，电路中也多处出现非标称值的电阻，实际可根据精度需要采用相近阻值或电位器进行替代，这里为了电路图的整洁和结果的相对准确就直接指定阻值了。

35 温度测量与控制电路

实验简介

本实验要求设计一个温度测量与控制电路，其能够将温度控制在85～100摄氏度。
其中所用的温度传感器已指定为铂电阻，其阻值与温度 $t (^{\circ} C)$ 的关系为 $R_{t} = (100 + 0.39 t) Ω$ 。

电路分析

首先我们应设计温度测量电路。
- 一种通常的思路应该是采用直流电桥，接入实验5仪表放大电路，从而相对精确地读出铂电阻的阻值。
- 不过考虑到直接通过分压会在分母引入变量，如 $V_{x} = V_{dd} \cdot R / (R + R_{t})$ ，是类似反比例的关系，而我们通常喜欢的是简单的线性关系，所以考虑用能线性读取阻值的方案。
- 回想到实验23电阻-电压变换器便可实现线性的转换，故复用该电路，并在分析该电路各量的关系后，重新选取其中电阻值，使其能够满足本实验的要求，电路如下
  
  （仿真时用1ms模拟1度的温升，故 $R_{t}$ 是含参数time的表达式）
其次我们可设计温度运算电路。
- 这是因在读出 $R_{t}$ 后，我们注意到这还不能直观地读出其温度值，故还可通过一些简单的运算对结果进行优化。
- 这里采用了最直接的加减法与比例运算实现，电路如下
- 至此，我们便可将电压表与该部分的输出相连，从而读出测得的温度了。
最后完成温度控制电路的设计。
- 注意到实验的设计要求是将温度控制在一个区间内，故考虑采用类似“保温——加热“的控制方式，即采用滞回比较器电路完成，这一电路也在此前多次出现，如弛张振荡器相关的实验11、12、13等。
- 而滞回比较器中提供阈值电压的参考源则由 $V_{dd}$ 经电阻分压后接跟随器充当，电路如下
最后将控制电路的输出接入到加热设备的使能端即可。
本实验完整的电路如下

仿真结果

升温控制过程的仿真结果如下（绿色是温度测量输出波形，蓝色是温度控制输出波形）

可见温度测量的精度还是比较高的，仿真结果中的误差约为万分之一（实际温度约100.357摄氏度，测得约100.342摄氏度）。而停止加热的温度阈值约为100.36摄氏度，稍超出要求，实际再结合应用场景（比如加热水的应用需看当地大气压、水的其他组分等条件）调整即可。
降温控制过程的仿真结果如下

其中0时刻对应实际120摄氏度，而后每1ms降1摄氏度。
可见结果的精度也类似升温过程，而再次启动加热的温度阈值约为84.75摄氏度，比较接近设计要求，同样根据需要再微调滞回比较器的电位器即可。

36 差分放大电路

实验简介

本实验要求使用BJT（双极性结型晶体管）搭建一个差分放大电路，使得CMRR（共模抑制比）能大于95。

电路分析

由于本实验并未要求输入输出方式，而在理想情况下（主要是忽略器件参数的分散性），最简单的双端输入、双端输出电路即可满足对CMRR的要求，而比较复杂的改进方式如采用有源负载、镜像电流源等更多是针对单端输出的。为简单起见，下面直接用长尾式差分放大电路。
由模电知识知道，长尾式双端输出的差模放大倍数的绝对值大于零（比如85），而共模增益为严格的0（理想情况下），故长尾电路CMRR为无穷大，满足大于95的要求。
至于器件的具体参数，由于没有其他要求的限制，随便取可正常工作在放大状态的一组参数即可，我个人通过参考孔庆生老师编写的《模拟与数字电路基础实验》进行参数选取，电路如下

仿真结果

输入2mV幅值、1kHz频率的正弦波差模信号，可以得到如下结果

取输出幅值约为170mV，则差模信号的放大倍数约为-85。
输入1V幅值、1kHz的正弦波共模信号，可以得到如下结果

即为零（LTspice似乎不会考虑器件参数的分散性），则共模信号的放大倍数为0，共模抑制比的值为无穷大，满足设计要求。

37 数控滤波器

实验简介

本实验要求设计一个可数控的状态变量型有源滤波器，当控制端输入从000变化至111时，滤波器的特征频率也要从f/8逐步变化至f/1。

电路分析

滤波器主体直接复用此前实验8状态变量型有源滤波器中已经搭建的电路即可。
经过查阅资料，知其特征频率可由R6、R7、C1、C2决定。考虑到电阻值更多样，故考虑采用类似此前实验3键控增益放大器以及实验14数控稳压电源数控部分的实现方式，即通过压控开关短路1R、2R、4R阻值的电阻实现1至8的数控功能。
至于压控开关的输入，这里不同以往的PWM模拟二进制计数器，而是尝试了新的方式，即三个独立的任意行为电压源，以表达式将代表控制信号的参数ctr由0至7转为000至111的控制信号，最后通过参数扫描对不同控制信号进行仿真，电路如下

仿真结果

下面进行参数扫描与交流扫描分析，并将结果的对数坐标换成线性坐标以便观察，如下图

上图的波形含义与实验8的是相同的，其中对于本实验输出4，即带阻滤波器的结果最直观，从中看出在各控制量下，对应的滤波器特征频率，结果大致是符合设计要求的。

38 简易电子琴

实验简介

本实验要求采用RC桥式正弦波振荡器，设计一个电子琴的核心电路，要求能够产生1、2、3、4、5五个音，并能够驱动 $8Ω, 5 W$ 的扬声器。

电路分析

首先考虑复用实验9RC桥式正弦波振荡器，不过为了好玩，这里将原来的二极管与反馈电阻的并联接法换成了串联接法，电路如下
其次考虑所要振荡的频率，这里取应该是大家最熟悉的小字一组的C，即中央C作为do，按自然大调的音程关系选取后续的re、mi、fa、so，由此便可以得到所需发生的频率，再考虑电阻值较电容值更多样，故不妨先确定电容为 $0.47 μ F$ ，则可得到 R 的值如下表：

音高	C4	D4	E4	F4	G4
频率 ( $Hz$ )	261.6	293.7	329.6	349.2	392.0
$R (Ω)$	1294.3	1153.1	1027.3	969.6	863.8

（至于为什么要并联R3，以及为什么两个阻值与容值要选取一致的说明可参见报告）

随后是不同音高的切换电路。一种最简单的方法应该是直接由五个开关独立控制五个阻值的接入，这样确实可行，但容易注意到一个问题，即同一时刻只能存在一种音高，也就导致了无法演奏和弦，电子琴的表现力将受到极大限制（虽然五个音也没什么表现力可言）。所以为了提升电子琴的效果，还是采用多个振荡器的方案了。
既然采用多个振荡器，那随后一种很直接的方案应该就是采用加法电路对各个音高进行有选择的叠加，以此构成和弦，所以这一部分只需实现一个加法器，并以开关形式代表的琴键控制其音高对应的振荡器是否接入加法器即可，这部分的电路如下（包括下面的功放部分）
最后是能够驱动 $8Ω, 5 W$ 扬声器的功放，这部分复用实验24OCL功率放大器并稍微调整下参数即可。
完整的电路图如下
![[屏幕截图 2025-01-15 191430.png]]

仿真结果

单音C4的仿真结果如下

测得频率约为259.8Hz，与261.6Hz的理论值相近，符合设计要求。（绿色波形为振荡器输出，蓝色波形为功放输出）
单音G4的仿真结果如下

测得频率约为388.0Hz，与392.0Hz的理论值相近，符合设计要求。（实在介意这略微的走音则微调音高对应的振荡器的R值即可调音）
大三和弦，即C4、E4、G4同时发声，仿真结果如下

上面的波形为各音高振荡器的输出，说明不同音高幅值相近，并未出现响度不一致的情形。
下面的波形为功放输出（蓝色）与理论叠加值（紫色），二者几乎完全重合，说明叠加功能正常；且其中也未出现截顶失真，说明为音高叠加所留的裕量也足够。

39 AGC话筒扩音电路

40 功率放大器

实验简介

本实验要求围绕TDA2030实现一个音频功放，要求在电压一定下，尽可能大的输出功率，并辅以前级功放使得100mV幅值，1kHz频率的正弦波输入能达到最大的输出功率。

电路分析

本电路其实需要设计的内容不多，主要是需明确输出功率最大时应采用桥式接法并根据最大输出功率推算指定输入所需搭配的前级功放放大倍数。
关于用两个TDA2030实现的桥式电路在官方手册就有，照着搭建即可，不过其中会用到包括TDA2030在内的三种LTspice不自带的元器件，需要从各处搜寻或自行实现，下面所用到的元件来源和其他一些细节在报告中已经给出，下面是依据官网手册搭建的电路
根据手册取最大功率为32W，再稍微进行计算后，可得到所需的前级功放如下图
完整的电路图如下

仿真结果

输入100mV幅值、1kHz频率的正弦波，结果如下

此时的输出功率约为32.4W，符合设计要求。

41 数控跟踪直流稳压电源

实验简介

本实验要求使用LM117或其替代设计一个数控跟踪直流电压源，要求数控信号由0000变化至1111时，输出电压为3V至18V。

电路分析

本电路其实与实验14数控稳压电源是很类似的了，只是在那个实验中，所采用的LM117替代型号LT1117无法满足3～18V的输出要求，故改为采用LT3012进行替代，电路如下

此处的数控部分改用电阻表示压控开关，将其阻值改为关于数控信号input的函数，原因无他，尝试新方式，好玩而已。

仿真结果

取10～100ms的瞬态分析同时进行参数扫描，结果如下

符合设计要求。

42 触摸调光台灯电路

实验简介

本电路要求实现一个拥有12个LED的触摸调光台灯电路，且能满足以下要求
- 使流经LED的电流由0mA无极变化至20mA。
- 能够控制LED由一个发光至全部发光，电流均为20mA。
- 环境光过亮时，台灯自动关闭。
- 台灯的静态电流越小越好。

电路分析

本电路其实可通过组合复用本次竞赛不同的电路来实现。
首先是核心的触摸功能，这里采用的是电容触控的方案，故需要一个能够测量电容的电路，所以复用后面的实验45电容测试仪（我个人是先完成后面的实验再做本实验的），取其最小的量程，并在输出端接入一个滞回比较器，这样便可实现将每一次触摸变成一次脉冲，以作后续调光电路的触发信号，电路如下
而后是DC调光部分，这部分复用实验16负载不接地式稳流源，并根据本台灯的供电与LED数量的要求改为四路三个LED的形式，再在反馈电阻处串联一个电位器，用以实现无级的调光，电路如下

此处的调光电流的变化并非直线，这是基于对一般LED的相对光强与正向电流也并非线性的考量，如果确实需要实现电流线性变化，可考虑将电阻电压变换电路的输出作参考源。
最后是控制LED逐个发光的电路（包括环境光），这部分主要是对实验46数控衰减器数控部分的复用，再配合模拟开关实现对各LED的短路控制，模拟开关的部分如下

此处因为搜寻遍LTspice提供的开关器件库都没有找到合适电平的开关，故用了两组开关来实现符合DC调光部分供电电压的控制，实在臃肿，实际中可选择更合适的元件来简化电路。
而逻辑部分的电路如下

环境光部分用一个电阻代表光敏电阻，配合一些简单的逻辑门实现控制。
至于要求的较小静态电流，本电路已尽量选用CMOS器件，应该可将静态电流控制在较小值。

仿真结果

本实验所涉及元件较多，以进行将各部分联合仿真的速度几乎不可能完成仿真，故只好对其中一些关键部分进行单独仿真了，距离实际电路还需再统一下电平标准，且需调整其中一些交互层面的业务逻辑，并根据实际所采用的LED调整其他一些电路参数以优化用户体验才可算比较完整的电路，这里仅能作原理体现之用了。
触控开关部分的仿真结果如下

图中每当手指进行触摸时，人手与极板间构成电容，与原极板对地的分布电容相并联，则待测电容处的容值上升，电容测试仪的输出下降，到一定阈值后输出高电平。松手之后，容值下降，而后输出低电平，完成输出一次脉冲，即一次触摸信号。
DC调光部分的仿真结果如下

图中也反映了DC调光的一个小问题，就是亮度难以到达0mA，这应该也能反映了市面上DC调光的显示器对比度不如PWM调光的原因。不过若尝试用电阻-电压变换器作参考源实现对电流的线性控制兴许能改善这一现象。
LED接入数量逻辑控制部分的结果如下

这里主要实现了0～12的循环计数，而后的4-16译码交由模拟开关实现，不过此处由于无法进行联合仿真，这部分就先省略了。

43 晶体管电流放大系数测试仪

44 温度测量仪

实验简介

本实验要求以电流型温度传感器和运放为核心，实现一个温度测量仪。
其中测量范围是0～100摄氏度，并以数字电压表显示温度。

电路分析

本电路的电流型温度传感器选用了经典的AD590，使用时，只需保持其上的分压大于4V，即可将其看成恒流源。
将AD590与一个采样电阻串联，而后通过电压跟随器和一些简单的运算电路使结果更易读取即可，整体在挑战题里还是比较简单的，所搭建的电路如下

仿真结果

进行瞬态分析与温度扫描，结果如下

非常精确，几乎无法直接看出误差。

45 电容测试仪

实验简介

本实验要求以运放为核心，实现一个电容测试仪。
其测量范围是 1pF~2uF ，并以数字电压表显示容值。

电路分析

本电路采用了一种很基础的方案，即将待测电容构成此前的实验12单电源矩形波发生器，电容值越大，其振荡的频率越小，再将输出的方波作单稳态多谐振荡器的触发信号，此部分是完成F-V的初步转换，最后再通过低通滤波取出其平均值作为测量结果。
矩形波发生器的电路如下

R的值根据所选择的量程而定，不过这里由于这个方案很基础，而我个人目前也未掌握更高级的知识，故对于小量程不可避免地采用了大阻值的电阻。
单稳态多谐振荡器部分主要由NE555构成，电路如下

其中确定器件参数的说明在报告中
最后是普通的RC低通滤波，完整的电路如下

仿真结果

上面低通的C3容值取值较小，这是为了快速进行仿真而做的取舍，实际中可取更大的容值，这样可以得到更加平缓的输出，缺点是测量时间延长，关于这点可参看报告。
该测量电路共有六个量程，下面测试其中三个量程
3uF量程测2uF，结果如下

输出约为172mV，其对应的容值为2.07uF（对应关系见报告），相对误差约为3.5%。
30nF量程测10nF，结果如下

输出约为340mV，其对应的容值为10.6nF，相对误差约为6%。
30pF量程测2pF，结果如下

输出约为1.5V，其对应的容值为2.4pF，相对误差约为20%。

46 数控衰减器

实验简介

本实验要求以运放为核心，设计一个输入电阻为 $100 k Ω$ 的数控衰减器，其由电子衰减器和数控电路两部分构成。
电子衰减器应能实现1dB、2dB、4dB、8dB四级衰减量。
数控部分应能根据衰减选择的0000至1111，分别控制0dB至-15dB的增益，并且能由两个按键“+”与“-”独立控制衰减选择的增减。

电路分析

对于电子衰减器，这部分比较直接的应该是采用反相比例电路，或者电阻分压加跟随器的方案，考虑到反相比例电路还需考虑正负号的问题，故下面采用后一个方案（该方案的细节可参考劳五一老师的b站讲解视频）。其中共有五个运放，第一个运放提供题目要求的输入电阻，其余的运放为各级电阻分压提供足够大的输入电阻与足够小的输出电阻，以使衰减更精确。电路如下
对于数控电路，这里采用了经典的同步二进制加减计数器芯片74HC191，电路如下
- 其时钟信号由加减按键的或非提供，这里假设了按键按下时为高电平，松开时为低电平，191的时钟为上升沿触发，则经或非后松开按键时触发一次时钟，计数值对应加一或减一
- 而加减模式是由加减按键接入一个SR锁存器实现的，具体为按键按下后，SR锁存器收到S或R的上升沿，随后输出对应切换到高或低电平，并以这一输出接入到191的加减计数的模式选择端，从而实现对加减的选择
- 另外还有处时序的细节，即加减模式的选择是在按键信号的上升沿完成的，而计数是在下降沿完成的，这就确定了在191进行一次计数前就已经完成了对应加减模式的设置
最后将数控电路的输出接入到压控开关即可完成对衰减量的控制。
完整的电路图如下

仿真结果

先对数控部分进行仿真，这里的测试逻辑是先模拟按下15次“加衰减”，再按下15次“减衰减”，结果如下

结果符合预期。
而后将四个通道的输出分别接入到电子衰减器的压控开关，结果如下

其中纵轴单位为dB，则结果符合设计要求。

47 降噪耳机电路

实验简介

本实验要求实现一个双声道的降噪耳机电路。

电路分析

本电路的主动降噪将采用比较简单的前馈式方案，框图如下
不过由于我个人知识有限，无法想到如何模拟前馈方案中，麦克风位置对所采集到噪声的影响，故下面直接用白噪声源代替麦克风的输出，并忽略耳朵所感受到的噪声与该白噪声的差异，于是本电路就剩下简单的反相加法器了，单声道电路如下
完整的电路如下

仿真结果

由于两个声道的电路是相同的，所以仅对单侧进行仿真，结果如下

耳朵收到的噪声分量由原噪声的均方根24.1mV降至了119.6uV，可见噪声的绝大多数都被去除了。

48 D类放大器

49 宽带放大器

实验简介

本实验要求采用三极管实现一个宽带放大器，其供电电压为5V，上限频率为1GHz。

电路分析

由于我个人还没学习高频的知识，下面只能定性的确认出大致的方案，再通过调整参数想办法凑出1GHz的上限频率了。
首先由模电知识，三极管之所以在高频段增益会下降，主要是由其结电容导致的，所以我们应选择结电容较小的，适用于高频电路的三极管。回顾此前的实验，高频表现最好的应该是在实验28CA3040宽带放大器内部电路中的BC549BP三级管，故尝试选择该型号。
其次同由模电知识，可知对三极管采用渥尔曼接法可有效减小密勒电容，故采用这一拓扑。
最后还由模电知识，可知负反馈具有展宽频带的作用，故也将在输出处引入反馈电阻，并调整射极处的反馈电阻大小，试图达到实验要求的上限频率。
值得一提，题目似乎并未指定增益大小，故这里就假定电路的中频增益大于0dB即可。
完整的电路如下

仿真结果

进行交流扫描分析，结果如下

可见中频增益为2.9dB，1GHz处的增益为-0.1dB，满足上限频率为1GHz的设计要求。

50 高增益放大器

诶嘿，终于全部（少了四题）完成了，最后就是写点心得了。

心得体会

本活动推出时，我正随学校的安排开始学习模电基础，看到活动通知，自然毫不犹豫地报名了，虽然学校也有EDA的实验课程，但是围绕PSpice的，想着它们都是基于SPICE的软件，同时学习二者，应该能够很好的相互促进，事实也确如此。
在接触LTspice后，发觉其有别致的风味，虽然其缺省的宋体与Tahoma字体的搭配实属有些吊诡，但除开中文字体，从UI到操作，都很符合我个人对极简的追求，尤其Mac版本的LTspice，极简到让人无从下手，就是快捷键不如Windows的24版友好，故本活动的电路还是选择在Windows下完成了。
LTspice的使用障碍主要集中在元器件模型过少上，不过也正因这点，为了尽量完成本活动指定各软件不自带器件的要求，还是进行了大量检索，而这一检索过程提升了检索能力，也大大加深了对SPICE原理的理解，尤其练就了能直接阅读部分SPICE源码，以及手搓简单SPICE模型相关文件的能力，这自然是本次活动除模电知识外的一大收获。
当然，本次活动最大的收获还是在以大二刚学的、浅薄的模电基础知识，去通过查阅厂家手册、浏览国内外论坛，以试图弄清楚几乎每一个实验的原理的过程中取得的，这不仅是课本上知识的强化，更是对模电应用部分的整体认知，这应是花时间刷传统习题难以得到的。
本次活动我个人共完成了45+1道题，多的一道是第四题，为了完整的“12345”，单独写了汇总和做了视频。不过由于活动时间正值学校期末与科研项目的DDL，无法完成全部的题目，还是略有遗憾。但忙里偷闲粗制滥造的、有头无尾（指视频缺少对实验原理的足够分析）的视频合集目前也有了近一万的播放，属实受宠若惊，不过这也导致了不敢应付了事，每一分钟视频平均要花一小时以上制作，如此一来包括汇总，不少实验相当于做了三遍，时间跨度之长，精力投入之多，也使印象可谓无比深刻了。
最后，十分感谢电子森林与ADI提供的活动机会，还有劳五一老师提供的优质题目和日常的答疑，以及硬禾科技的朋友们的帮助！