1.双电源反相比例电路和加法电路

图1  反相比例运算电路

 图2 反相加法运算电路

实验步骤

1.按照图1和图2，在LTspice界面搭建电路。

2. 反向比例运算电路

首先搭建一个实验中需要的直流信号源，这是由电阻和电位器构成的直流电桥，分别调整电位器，可输出正负电压，既可以双出，又可以单出，如图3所示。

将电路接成反向比例运算电路（R_F=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。

表1直流信号源作用于反向比例运算电路

（在VIDC为正时VODC为负，同理）

如图，下方分别为VIDC为0.2、0.4、0.6、0.8时VODC的结果

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。

如图，下图为根据题目要求搭建的电路：

 表2交流（1kHz）电压作用于反向比例运算电路

如图，下方分别为VIrms为0.2、0.4、0.6、0.8时的波形

4. 反向加法运算电路

将电路接成反向加法运算电路（R_F=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。

V_I1＝0.2V，V_I2＝－1V，V_O＝__1.6__V

如图，下方为根据题意搭建的电路以及测量结果：

2.双电源积分电路和微分电路

　图1积分电路

图2微分电路

实验步骤

1. 积分运算电路

在LTspice界面上，按照图1，搭建积分运算电路（R= Rꞌ=10kΩ，R_F=1MΩ，C=0.01μF）。

按照表1中输入电压的要求，调整信号源，作用于电路输入端，用示波器测量并记录输出电压及其波形。

表1  方波作用于积分运算电路

如图，下图是输出波形及其电压：

2.微分运算电路

在LTspice界面上，按照图2，搭接成微分运算电路（R= Rꞌ =10kΩ，R₁=510Ω，C=0.033μF，其中R₁与C串联）。

按照表2中输入电压的要求，调整信号源，作用于电路输入端，用示波器测量并记录输出电压及其波形。

表2  方波作用于微分运算电路

如图，下图是输出波形及其电压：

3.键控增益放大器

图1

实验步骤

    1.按照图1，在LTspice界面上插接电路。

2.接通±5V电源。

3.根据供电电压和电路的放大倍数，输入合适的信号源电压，来观察电路输出波形。

如图，下图为供电电压100mV，“111”时的输出波形，可见最高达到了300mV，也就是三倍放大倍数

4.使开关从“000”~“111”，观察输出波形，记录输入电压和输出电压及其波形，求出对应的电压放大倍数，并与理论值比较。

如图，下图为“000”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为1V，放大倍数为10倍

如图，下图为“100”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为600mV，放大倍数为6倍

如图，下图为“010”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为800mV，放大倍数为8倍

如图，下图为“001”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为900mV，放大倍数为9倍

如图，下图为“110”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为400mV，放大倍数为4倍

如图，下图为“101”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为500mV，放大倍数为5倍

如图，下图为“011”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为700mV，放大倍数为7倍

如图，下图为“111”时的输出波形，输入电压为100mV，输出电压为300mV，放大倍数为3倍

5.仪表放大电路

图2

实验步骤

    1.按照图2，在LTspice界面上搭建电路（电桥上的四个电阻为等值电阻，其中一个电阻为可变电阻）。

2.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。

如图，下图为按照图2搭建电路后按照“附件-设计参考”填写元器件数值后测量的输出电压

3.调节可变电阻，使其值改变1%，测量输出电压并记录。

如图，下图为调节可变电阻，使其值改变1%后测量的输出电压

6.单电源集成运放交流耦合放大器

图2单电源供电的同相放大器

实验步骤

1.按照图2，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）。

2.测试电源电压分压值和输出直流电压，并记录测试数据。

如图，下图为电路图以及电源电压分压值和输出直流电压：

3. 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。

 如图，下图为在放大器的输入端加入频率为1kHz，有效值约为20mV的正弦电压信号后的输出波形：

4. 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v_i和输出电压v_o，求出A_v。1k i50 o540

如图为在调节输入信号幅度后的结果，其中Vi=50mV，Vo=540mV，放大倍数Av约为11倍

5. 改变输入信号频率f，测量不同f情况下的电压放大倍数。100k i50 o300 50k i50 o440

如图为改变输入信号频率f，不同f情况下的电压放大倍数：

当频率为50kHZ时，Vi=50mV，Vo=440mV，放大倍数Av约为9倍

当频率为100kHZ时，Vi=50mV，Vo=300mV，放大倍数Av为6倍

6.观察电路的幅频特性曲线，确定电路的上限频率和下限频率。

如图，这是电路的幅频特性曲线以及上限频率（-39.1745dB）和下限频率（-92.6738dB）：

7.全波精密整流电路

图2 全波精密整流电路

实验步骤

1. 按照图2，在LTspice界面上插接电路（RP1=1kΩ，R=2kΩ，RP1=680Ω，二极管为1N4148，运放）。

2.接通电源电压。

如图，下方为根据图二搭建的电路：

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。

如图，下方为在电路输入端接入峰值500mV，频率1kHz的正弦信号后的输出波形：

4.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。

 如图，下图为在电路输入端接入峰值100mV，频率1kHz的正弦信号后的输出波形：

5.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。

如图，下图为在电路输入端接入峰值更小，频率1kHz的正弦信号后的输出波形：

6.找出电路输入电压的最小值。

如图，当输入端峰值为1mV时，输出波形严重变形，故电路输入电压最小值为1mV

8.状态变量型有源滤波器

 图3  UAF42的一种典型应用电路

实验步骤

1.按照图3，在LTspice界面上搭建电路（R₁=R₂=R₃=51kΩ，R₄~R₁₀=10kΩ，C₁=C₂=1000pF）。

2.接通电源电压。

3.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。

下图为按照图3搭建的电路：

下图为四种滤波器的特性曲线及相关频率：

9.RC桥式正弦波振荡器

图1桥式RC正弦波振荡器电原理图

实验步骤

1.按照图1，在LTspice界面上插接电路（R=R₂=10kΩ，R₁=6.8kΩ，R_W=20 kΩ，C=0.01μF，D₁，D₂为1N4148，运放）。

2.接通±5V电源。

3.用示波器观察振荡波形。

将示波器接在振荡器的输出端，调节电位器R_w，以改变负反馈的大小，观察振荡输出波形的变化。当R_w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R_w，输出波形将产生非线性失真。

如图，下图为输出波形：

当Rw调节到28%时波形出现非线性失真：

4.改变元件参数，然后用示波器测量输出波形

（1）保持R＝10kΩ，C＝0.01μF，用示波器观察并测量正弦波输出电压幅度和振荡频率。

如图，在调整Rw为1%后，当R＝10kΩ，C＝0.01μF时，输出电压幅度为4V，振荡频率约为1534HZ

（2）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。

如图，在调整Rw为1%后，当R＝10kΩ，C＝1000pF时，输出电压幅度为4V，振荡频率约为10776HZ

（3）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。

如图，在调整Rw为1%后，当R＝1kΩ，C＝0.01μF时，输出电压幅度为4V，振荡频率约为4800HZ

5.记录以上测试结果，由此你能得出什么结论？

<1>无论调整电容还是电阻，输出电压幅度都不变

<2>振荡频率随着电阻以及电容的减小而增大，且电阻减小的增大量小于电容减小的增大量

10.正弦波-余弦波发生器

图1

实验步骤

1.按照图1，在LTspice界面上插接电路。

2.接通±5V电源。

3.用示波器观察振荡波形。

将示波器接在RC桥式振荡器的输出端，调节电位器R_w，以改变负反馈的大小，观察振荡输出波形的变化。当R_w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R_w，输出波形将产生非线性失真。

    4.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。

如图，在仿真时长为1s，Rw=16.4kΩ时，振荡产生，并输出较好的正弦波，其中V（vout1）为正弦波，V（vout2）为余弦波，正弦波频率约为1048.218Hz，余弦波频率约为1047.120Hz，相位差约为86.04°

5.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。

如图，下图为将原题的一阶滞后全通滤波器改为一阶超前全通滤波器后的电路图

 如图，下图为将原题的一阶滞后全通滤波器改为一阶超前全通滤波器后的输出波形，其中V（vout1）为正弦波，V（vout2）为余弦波，正弦波频率约为1055.966Hz，余弦波频率约为1052.631Hz，相位差约为89.81°

11.方波-三角波发生器

（a）

（b）

图1方波-三角波发生器及其工作波形图

实验步骤

1.按照图1（a），在LTspice界面上搭建电路。

2.接通±5V电源。

3.主要参数测试

   （1）方波参数的测量

C＝0.047μF，R＝100kW，调整电位器R_w中心抽头位于上端，用示波器观测方波、三角波的参数。

如图，当Rw中心抽头位于上端时Rw=0Ω，下图为A1和A2的输出波形：

①方波的最大峰－峰值V_p-p＝_____0.685______ (V)

    ②方波的脉冲宽度    T₁＝_____7.89______ (ms)

③方波的周期        T_Z＝______18.55_____ (ms)

（2）三角波参数的测量

    ①三角波的最大峰－峰值V_p-p＝_____0.642______ (V)

②三角波的周期T_Z＝_____18.56______ (ms)

（3）保持R_w位置不变，用示波器同时观察并记录对称的方波和三角波，并注意它们之间的时间相位关系

如图，下图为保持Rw位置不变时的输出波形：

E_q＝____0.685_______ (V) E_d＝_____-0.685______   (V)

       E_ms＝___0.630______(V)     E_mx＝____-0.651_______  (V)

       T₁＝____17.06______ (ms)   T₂＝____38.04______ (ms)

测量结果与⑴、⑵两步骤的数据相比较。

相比（1），（2）两步骤的数据，Eq，Ems减小，T1，T2增大

(4) 改变R_W，注意记录波形频率的变化范围f_H 和f_L。

如实验图（1），当Rw=0Ω时，频率取最大值fH=53.908Hz

如下图，当Rw=15.5kΩ时，输出有且只有一个完整的波形，此时频率取最小值fL=1.162Hz

12.单电源矩形波发生器

图1 单电源矩形波发生器

 实验步骤

1.按照图1，在LTspice界面上搭好单电源矩形波发生器电路。

2.接入+5V电压

3.用示波器观测输出波形，测量矩形波周期，并与理论值比较。

理论值为2*2*10**（-7）*51000*ln（1+20000/56000）=6.23ms

如图为输出波形，测量出周期约为8.23ms

13.V-F变换器

图1

实验步骤

1.按照图1，在LTspice界面上插接电路（R₁=R₆=100kΩ，R₂= R₃= R₄= R₅=51kΩ，R₇=10 kΩ，C=1nF，双极型晶体管，运放）。

2.接通±5V电源。

3.用示波器观察振荡波形。

将电源E设置为三角波或锯齿波，这样，随着E的线性增长，输出电压的频率也将随之线性增大，这就实现了扫频。

将控制电压源设置为三角波，频率为100Hz，幅值2V，偏置2V，这样即为电压在0～4V之间变化的扫描电压，可以清楚地看到输出电压的频率随着控制电压的增大而增大的全过程，记录输出电压（扫频波形）波形。

如图，下图为输出波形

14.数控稳压电源

图2

实验步骤

1.按照图2，在LTspice界面上搭好电路。

2.接入输入电压12V，并用电压表测量输出电压。

3. 当A＝B＝C＝“1”时，调节R₂，使输出电压V_O＝2V，当A＝“0”，B＝C＝“1”时，调节R₃，使输出电压V_O＝6V，当B＝“0”，A＝C＝“1”时，调节R₄，使输出电压V_O＝4V，；当C＝“0”，A＝B＝“1”时，调节R₅，使输出电压V_O＝3V。

如图，当A＝B＝C＝“1”时，将R2从133.7Ω调至139.5Ω时，Vo=2V

如图，当A＝“0”，B＝C＝“1”时，将R3从727.7Ω调至760.3Ω时，Vo=6V

如图，当B＝“0”，A＝C＝“1”时，将R4从371.3Ω调至383.1Ω时，Vo=4V

如图，当C＝“0”，A＝B＝“1”时，将R5从183.2Ω调至194.4Ω时，Vo=3V

4.记录8个状态时的输出电压。

如图，当数据不变且A＝B＝C＝“1”时，Vo=1.969V

如图，当数据不变且A＝“0”，B＝C＝“1”时，Vo=5.828V

如图，当数据不变且B＝“0”，A＝C＝“1”时，Vo=3.9838V

如图，当数据不变且C＝“0”，A＝B＝“1”时，Vo=2.9411V

如图，当数据不变且C＝“1”，A＝B＝“0”时，Vo=7.7947V

如图，当数据不变且B＝“1”，A＝C＝“0”时，Vo=6.7982V

如图，当数据不变且A＝“1”，B＝C＝“0”时，V=4.9096V

如图，当数据不变且A＝B＝C＝“0”时，Vo=8.7650V

15DC-DC变换器

图2

实验步骤

1.按照图2，在LTspice界面上搭好电路。

2.接入+5V电源电压。

3.测试输出电压，并记录。

4.测量运放输出端波形、电路输出端波形及纹波。

下图为按照图二搭入的电路，以及测试输出电压的结果：

下图为测量出的运放输出端波形、电路输出波形及纹波（上为运放下为输出端）：

心得体会：

在本次比赛中我接触并学习到了全新的电路仿真软件LTspice的使用方法，同时在这些基础题的做题过程中也让我见到了许多不同用处的电路模型，并且在LTspice的操作熟练度上也有所长进。