2024 LTspice电路仿真竞赛基础题
基础题1 双电源反相比例电路和加法电路
实验介绍
搭建双电源集成运放反相比例电路和加法电路，验证反相比例电路和加法电路的功能。
实验结果
将电路接成反向比例运算电路（RF=20kΩ，R1=10kΩ，Rꞌ=6.8kΩ），按照表1中输入电压的要求，调整简易直流信号源，分别作用于电路输入端，用电压表测量并记录输出电压。结果如下：
将输入电压改为1kHz正弦交流信号，按照表2中输入电压的要求，调整交流信号源，分别作用于电路输入端，用示波器测量并记录输出电压，结果如下表
输入有效值为0.2V时，输出有效值为0.399499V。
输入有效值为0.4V时，输出有效值为0.79892V。
输入有效值为0.6V时，输出有效值为1.19869V。
输入有效值为0.8V时，输出有效值为1.5987V。
将电路接成反向加法运算电路（RF=20kΩ，R1=10kΩ，R2=10kΩ，Rꞌ=3.9kΩ），按照输入电压的要求，调整简易直流信号源，分别作用于电路输入端，用电压表测量并记录输出电压。
VI1＝0.2V，VI2＝－1V，VO＝ 1.6001053 V
基础题3 键控增益放大器
实验介绍
键控增益放大器电原理图如下图所示。其中，集成运放A1构成电压跟随器，保证电路具有固定的高输入电阻，集成运放A2构成键控增益反相放大器，其键控由三个开关A、B和C实现，比如，开关闭合为“0”，开关断开为“1”，这样，就有“000”~“111”8个状态，若设R1=R，R2=3R，R3=4R，R4=2R，R5=R，即可实现3~10倍，步进为1的8个放大倍数。设置参数对该电路仿真。
实验结果
供电为±5V，采用运放，信号源峰值100mV，频率1kHz的正弦波，利用瞬态分析，分析100ms。
运算放大器采用ADTL082、±15 V电源、低噪声：16 nV/√Hz、宽带宽：5 MHz、压摆率：20 V/μs、单位增益稳定。
输出波形如下：
- “000”状态：
- “001”状态：
- “010”状态：
- “011”状态：
- “100”状态：
- “101”状态：
- “110”状态：
- “111”状态：
基础题5 仪表放大电路
实验介绍
由三运放组成的仪表放大电路如下图所示。
根据仪表放大器电路设计一个传感器放大电路，如图2所示，其中R代表传感器，当R相对于R的偏差为±1％时，放大器产生±5V的输出电压。仿真该电路。
实验结果
在LTspice界面上搭建电路，用电压表测量电路的输出电压，调节可变电阻，使输出电压接近零，如下图。
节可变电阻，使其值改变1%，测量输出电压并记录。将R电阻值调节为100+val，其中val=1，即R和R’存在1%的偏差，测量输出电压约为4.998V。符合要求。
- +1%偏差：
- -1%偏差：
基础题6 单电源集成运放交流耦合放大器
实验介绍
单电源反相交流放大电路如下图所示．电路的电压增益为：
单电源同相交流放大电路如下图所示．电路的电压增益为：
搭建电路并仿真电路功能。
实验结果
在LTspice界面上搭接电路（R=Rꞌ=100kΩ，R1=1kΩ，R2=10kΩ，C1=C3=100μF，C4=0.1μF，C2=1μF，RL=10kΩ）。
测试电源电压分压值和输出直流电压，并记录测试数据。供电电压采用12V，将Vi接GND，测试正输入端的电源电压分压值，即下图中绿色线，为6V。测试输出直流电压，为下图中红色线，为6.0000019V。
在放大器的输入端加入频率为1kHz，有效值约为20mV的正弦电压信号，用示波器观察输出波形。
输出波形为下图中红色波形。
调节输入信号幅度，在放大器的输出波形基本不失真情况下(用示波器观察)，用示波器分别测量放大器的输入电压vi和输出电压vo，求出Av。
输入信号rms值为20mV，输出和输入信号最大最小幅度如下，输出信号的峰峰值为，输入信号的峰峰值为，所以测得。所以增益=11.00043。
改变输入信号频率f，测量不同f情况下的电压放大倍数。
设置100Hz，1kHz，10kHz，100kHz四个频率的输入信号，峰值为20mV。使用.meas命令测量输入和输出信号的峰峰值并计算增益。得到五个不同频率输入信号的增益如下所示。
- 100Hz时，增益为10.7378：
- 1kHz时增益为10.9756：
- 10kHz时增益为10.8894:
- 100kHz时增益为6.4621:
观察电流幅频特性曲线，输入信号为20mV时，输出信号的最高电压为-13.15dBV。所以-3dB带宽的上限频率和下限频率处的增益为-16.15dB。得到上限频率和下限频率分别为24.837847Hz和83.208179KHz。
基础题7 全波精密整流电路
实验介绍
全波精密整流电路，利用一个二输入反相加法器，使交流信号的正半周和负半周在负载上均有相同的输出电压，从而降低了输出波形的脉动成分，设置参数对该电路仿真。
实验结果
在LTspice界面上插接电路（RP1=1kΩ，R=2kΩ，RP1=680Ω，二极管为1N4148，运放）。3. 在电路输入端接入峰值500mV，频率1kHz的正弦信号，观测输出波形，并记录。
在电路输入端接入峰值100mV，频率1kHz的正弦信号，观测输出波形，并记录。
在电路输入端接入峰值更小，频率1kHz的正弦信号，观测输出波形，并记录。
更改输出幅度为10mV时：
找出电路输入电压的最小值。
当输入电压幅度为0.4mV时出现明显失真，所以输入电压最小为0.4mV，如下所示。
基础题8 状态变量型有源滤波器
实验介绍
利用比例、积分、求和等模拟运算来构成滤波器的传递函数，可以同时实现高通、低通、带通和带阻滤波功能，这种电路称为状态变量型有源滤波器，又称为多功能有源滤波器。
UAF42集成电路就是利用这个原理实现的一种集成状态变量型有源滤波器，它可以接成同相或反相输入型．其内部框图如图所示。
下图是UAF42的一种典型的应用电路，四个集成运放的输出Vo1、Vo2、Vo3、Vo4 分别实现高通、带通、低通和带阻滤波功能。设置参数对该电路仿真。
实验结果
在LTspice界面上搭建电路（R1=R2=R3=51kΩ，R4~R10=10kΩ，C1=C2=1000pF）。测试四种滤波器的波特图，并记录频率特性曲线以及相关频率。
- Vo3的波特图如下所示，其呈现低通特性，截止频率为18.190272KHz：
- Vo2的波特图如下所示，其呈现带通特性，中心频率为15.986492kHz，下限截止频率为9.204268KHz，上限截止频率为27.740561KHzkHz。系统带宽为18.536293KHz。下图为三个频率的测量结果：
- Vo4 呈现带阻滤波器的特性，阻带上限截止频率9.1423864KHz，阻带下限截止频率27.399595KHz，阻带带宽18.257208KHz。高频段的衰减是由于运算放大器增益带宽积小导致的，不考虑。下三图为测试图：
- Vo1呈现高通特型，截至频率为14.185853KHz：
基础题9 RC桥式正弦波振荡器
实验介绍
桥式RC正弦波振荡器电原理图如图所示，设置参数对该电路仿真。
实验结果
在LTspice界面上插接电路（R=R2=10kΩ，R1=6.8kΩ，RW=20 kΩ，C=0.01μF，D1，D2为1N4148，运放）。调节电位器Rw，以改变负反馈的大小，观察振荡输出波形的变化。当Rw调到某一位置时，振荡产生，并输出较好的正弦波。运算放大器供电为12V，仿真时间设置为100ms， Rw百分比为69%时，在100ms以内可以出现震荡时。同时，在71%时出现稳定且不失真的正弦波。当在93%时，出现明显失真。
改变元件参数，保持R＝10kΩ，C＝0.01μF，Rw设置为81%。此时信号频率测得为1.5861263KHz。峰峰值为8.4472732V。幅度为4.223636V。
保持R＝10kΩ，改变C＝1000pF，用示波器观察并测量正弦波输出电压幅度和振荡频率。
Rw设置为81%。此时信号频率测得为15.897833KHz。峰峰值为8.1182901V。幅度为4.059145V。
保持C＝0.01μF，改变R＝1kΩ，用示波器观察并测量正弦波输出电压幅度和振荡频率。
Rw设置为81%。此时信号频率测得为15.993427KHz。峰峰值为8.4097188V。幅度为4.2048594V。
结论：R和C的大小和输出信号频率成反比。且Rw百分比越大，在电路中有效电阻越大，则输出信号的幅度也就越大。
基础题10 正弦波-余弦波发生器
实验介绍
设计一个输出正弦余弦信号的电路，要求 f = 1000Hz，二者的幅度相等。
设计方案：RC桥式正弦波振荡器 + 有源全通滤波器，如图1所示。
实验结果
将示波器接在RC桥式振荡器的输出端，调节电位器Rw，以改变负反馈的大小，观察振荡输出波形的变化。当Rw调到某一位置时，振荡产生，并输出较好的正弦波。若继续调节Rw，输出波形将产生非线性失真。
当Rw在81.3%是输出较好正弦波且不发生非线性失真。
用示波器同时观察电路的两个输出端波形，测试正弦余弦波形的频率和相位差，并记录。
红色波形为LC振荡器输出，绿色波形为全通滤波器输出。俩信号频率都为1.0480095KHz，周期为954.18981µs。俩信号的时间差为233.12883µs。所以俩信号的相位差为2\pi\ast233.12883/954.18981\approx0.49\pi。俩信号相位大概相差90°且全通滤波器输出滞后90°
选择另一种全通滤波器，测量输出波形，分析其频率和相位差。
红色波形为LC振荡器输出，绿色波形为全通滤波器输出。俩信号频率都为1.048238KHz，周期为953.98181µs。俩信号的时间差为243.08392µs。所以俩信号的相位差为2\pi\ast243.08392/953.98181\approx0.51\pi。俩信号相位大概相差90°且全通滤波器输出超前90°
