实验题目：基于波形发生的户外运动头灯设计实验

1. 课程简要信息

课程名称：电子线路实验课程学时：32项目学时： $2 { + } 4$ （课内、课外）适用专业：电子信息工程学生年级：大二，第四学期

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

本案例为电子线路实验中系列开放型综合设计实验之一，要求设计一个户外运动头灯电路。电路组成主要包含多波形发生部分和恒流驱动部分两个模块：其中多波形发生部分要求能够产生满足指标要求的波形输出，并能完成多个模式切换；恒流驱动部分要求能够驱动 3W 的 LED 灯进行照明。实验任务按照基础部分、发挥部分、创新部分三个层次确定指标要求，难度层层递进，以满足不同能力的学生的需求。基本部分要求全部同学都要完成，发挥部分和创新部分要求学有余力的同学选做完成。具体指标要求如下：

1）基本部分

$\textcircled{1}$ 设计户外运动头灯电路，电路具有常亮 $\cdot ^ { + }$ 闪烁两种显示模式；
$\textcircled{2}$ 电路的闪烁频率为：（ $2 +$ 学号末 2 位数/10）Hz；
$\textcircled{3}$ 电路能够驱动 3W LED；
$\textcircled{4}$ 电路采用 $+ 5 V$ 单电源（USB）供电。

2）发挥部分

$\textcircled{1}$ 电路具有三种显示模式：强光 $\dagger$ 中光 $^ +$ 闪烁；
$\textcircled{2}$ 模式切换采用单按键实现；
$\textcircled{3}$ 电路采用 ARM 或单片机实现；

3）创新部分

$\textcircled{1}$ 电路具有更多模式：SOS求救信号、彩灯爆闪等；
$\textcircled{2}$ 灯光亮度：16 级可调；
$\textcircled{3}$ 成本尽可能低；
$\textcircled{4}$ 功耗尽可能低。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）学习了解波形发生原理，掌握波形发生电路和恒流驱动电路的设计方法；2） 查阅时基芯片 NE555 和运放 LMV358 数据手册，了解时基电路 555 的常用电路形式及参数计算方法，理解运放的工作条件及其非理想参数；3） 开展方案论证，设计多波形发生电路，合理选择器件与元件（运放、单片机等），计算各单元电路的参数，并利用 Multisim、Protus 等软件仿真验证；

4）在万用板上搭建实际电路，逐个模块焊接调试，并记录调试中遇到的问题，如果电路设计用到单片机，在单片机开发板上编程实验，并记录编程中遇到的问题；
5） 系统设计完成后，通过示波器进行测试各项指标是否达到实验要求，分析电路误差产生的原因，以及如何提高精度；
6） 撰写设计总结报告；
7） 分组实物验收，记录完成情况，并计入成绩。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用波形发生、恒流驱动等相关知识与技术方法，并涉及精度等工程概念与方法。本实验配合电路分析、模拟电子线路和数字电子技术等工科类专业课程，并辅以单片机，有一定趣味性，为学生课内实验以及课外科技工程创新活动提供了一种良好的解决方案。

5. 实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

项目实施需要的环境条件如下：

1） 实验仪器：示波器、信号源或 NI 的 myDAQ（集成口袋式仪器）等。
2） 实验器材：万用板一块、NE555 芯片、集成运放 LMV358、TL431、IRF540 管子等，电阻、电
容开架。
3） 设计软件工具：Multisim 仿真软件、proteus 仿真软件等。
4）参考资料：NE555、 LMV358、TL431、IRF540 等器件说明书。

6. 教学目标与目的（限 150 字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

本案例是一个完整的模拟-数字混合设计工程实验案例。教学目标与目的如下：

1） 引导学生熟悉波形发生电路的原理，掌握波形发生电路、恒流驱动电路的设计方法；
2） 培养学生数字系统设计、模拟电路、元器件选择、虚拟仿真、实物电路电装与调试等电子技术综合设计及知识的运用能力；
3） 培养与提高学生工程设计能力及团队协作能力。

7. 教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、虚拟仿真、实物电装与调试、设计总结等过程。实验教学的具体实施过程安排包括：预习自学、现场教学、虚拟仿真、实物电装与调试、实物验收、实验总结等过程。教师现场教学讲解 2 课时，安排实验任务，并引导学生进行系统设计与仿真。在虚拟仿真环节完成后，时间开放空间开放方案开放，学生两人一组组队，在一周的时间内完成实物制作与调试测试，教师不定期指导。最后统一进行实物验收并提交实验报告。

在教学过程的实施中注意应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 预习自学：在课前提前让学生查阅资料，学习波形发生和恒流驱动的方法。

教师注意引导学生学习多种波形产生的基本方法，并了解不同波形产生技术之间的差异，掌握参数计算的方法；熟悉运放构成的放大器设计方法，掌握放大器参数计算及虚拟仿真方法。

2）现场教学：教师介绍包括实验背景需求、任务安排、实验原理与参考方案、实验要求、课后思考等部分教学内容。

$\textcircled{1}$ 任务安排：介绍实验背景需求，激发学生兴趣；引导学生理解系统的各项指标要求，熟悉实验任务；
$\textcircled{2}$ 教学中通过实验原理与参考方案的介绍，引导学生熟悉解决实际工程问题整体思路与步骤，包括：性能指标分析、方案论证、电路设计、参数计算与器件选择、虚拟仿真、实物电装、调试测试等。
$\textcircled{3}$ 与理论课教学不同，实验教学中重点引导学生学习实际电路设计中元器件选择与计算方法，以及如何提高频率精度与幅度精度的方法，引导学生独立完成自己的电路方案设计。
$\textcircled{4}$ 教学中引导学生熟悉采用软件对电路进行虚拟仿真验证的方法、实物电装的流程与方法、电路调试与测试的方法。

3）虚拟仿真：由学生按照自己设计的电路方案进行软件虚拟仿真验证，单人单组完成。

虚拟仿真环节完成后，学生提交虚拟仿真文件与仿真结果，教师进行虚拟仿真验收并打分。

4）实物电装与调试：在虚拟仿真完成后，学生两人一组组队，选择设计好的方案，完成实物电路的制作与调试。

此环节时间开放、地点开放，学生自行完成实物电装与调试，教师不定期指导。教师应引导学生注意调试过程中工作电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

5） 实物验收：在实物制作完成后，进行实物验收并打分。

实物验收中，注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成、模块间的接口方式与参数要求、功能与性能指标的完成程度、焊接质量、组装工艺、功能构思与电路设计的创新性、实验成本等方面。

6） 实验总结：学生撰写并提交实验设计报告，教师打分。

教师应引导学生注意实验报告撰写的规范性与完整性，并注意实验数据的测试与误差分析。

8. 实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

本案例可以由多种方案来实现，这里给出部分电路的参考实现方案，不限于如下参考方案。

1） 系统总体结构

系统总体结构由模式切换、波形发生、恒流驱动、LED 显示四个模块组成。其中，模式切换模块用于切换头灯常亮或闪烁等显示模式，波形发生模块用于产生头灯闪烁所需的波形信号，恒流驱动模块用于驱动 3WLED，最后的LED用于头灯照明。四个模块中，波形发生模块和恒流驱动模块是系统的核心模块，均可采用多种方案实现，学生需要独立进行方案论证与选择。

图 1 系统总体结构图及参考方案

2） 波形发生模块设计原理

如图 1 所示，波形发生模块可以采用多种方案来实现，比如弛张振荡器电路、用时基芯片555构成多谐振荡器电路，或者用单片机、FPGA等作为主芯片采用DDS方法合成所需波形等。学生设计的部分参考电路如下：

图 2 学生设计的 555 多谢振荡器电路及其波形

在图 2 所示电路中，产生的波形频率为：

$$ T = 0 . 7 ^ { * } { \left( R _ { 1 } + 2 R _ { 2 } \right) } C $$

学生学号末位为60，按照实验任务指标要求，需要产生的波形频率为 $8 ~ \mathrm { H z }$ 。根据电路及其计算公式，最终选择电容 $\mathrm { C 5 { = } 1 0 n F }$ ， $\mathrm { C } { = } 1 \mathrm { u } \mathrm { F }$ ；电阻 $\mathrm { R 1 { = } 6 0 0 }$ $\Omega$ ， $R 2 { = } 8 9 ~ \mathrm { ~ k ~ } \Omega$ 。在实际电路中，R2 采用 100$\mathrm { ~ k ~ } \Omega$ 的可调电阻，便于调试，使得产生波形的频率更加精确。

学生对应的仿真电路图如下：

图3 波形发生模块仿真电路

仿真波形如下：

图4 波形发生模块仿真波形

3）恒流驱动模块设计原理

如图 1所示，恒流驱动模块也可以由多种方案实现。学生设计的部分参考电路如下：

图5 学生设计的恒流驱动电路

在图 5所示电路中，由于需要驱动3WLED灯珠，且LED 工作电流350 mA，压降 3.6 V，系统由5V 单电源供电，所以经计算可选 $\mathrm { R } { = } 2$ Ω。

学生对应仿真电路图如下：

图6 恒流驱动模块的仿真电路图

在仿真过程中，为了消除干扰，增加了电压基准TL431，并通过可调电阻R4 来调节输入电压Ui。

4）系统总体参考方案与学生作品

综合 2）和 3），可得到系统总体参考方案如下：

图 7 系统总体参考方案图

部分学生作品照片如下：

图8 学生实物作品正面

图 9 学生实物作品背面

图 10 学生调试电路

图 11 实物验收

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5）电路虚拟仿真与验证
6）电路装配过程
7） 电路测试方法
8） 实验数据记录
9） 数据处理分析
10）实验总结与心得体会

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）仿真验收：电路元件参数选择与指标完成程度，单人单组进行。（20分）

2） 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如产生波形频率），完成时间。（30 分）

3） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。（10 分）

4）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。（10分）

5）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。（10分）

6） 实验数据：测试数据和测量误差。（10 分）

7） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。（10 分）

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色与创新在于：

1）模式创新：将传统实验箱或完整开发板模块实验转变为用万用板搭建电子系统实验的模式，并且项目背景与现代电子技术紧密结合，易于激发学生的兴趣；

2）方法创新：项目综合了所学的电路基础、模拟电子电路、数字电路等多学科的知识，采用先虚拟仿真后搭建实物的“虚实结合”实验模式，引导学生掌握现代电子系统设计实验新方法，提高学生理论结合实际以及解决问题的能力。

3）形式创新：项目为开放性实验，学生可以自主安排时间，在规定时间周期内完成实验验收。题目要求采用学生学号作为参数之一进行设计，有一定趣味性，并防止抄袭，并且项目中设有发挥部分和创新部分，为学有余力的学生提供锻炼机会，充分发挥学生自主创新潜能。

4）趣味性强：项目选题贴近学生生活，容易激发学生兴趣。将模拟电子技术与数字电子技术结合起来，综合考察学生能力，并按照难度设计分层次任务要求，满足不同层次学生需求。

5）项目普及性：项目所需条件一般实验室均可满足，便于推广。

《电子线路实验（模拟电路实验)》

教学大纲

代码：I81008

实验十基于多波形发生的户外运动头灯设计实验

释名称：电子路实验英文名称：Analog circuit.

Experinent.

<模拟电路实验）
学分/学时：1学分/32学时
适用专业：电子工学院各专业
先课：电路器础、模拟电子技术基

课程性质：必修课，专业基础建议开设学期：第4学期开课单位：电子工程学晓实验中心一、误程的数学目标与任务本课程是电子工程学限各专业共同坐修的专业基社，

本课程的任务是：使学生学会并熟练拳播正确使用常用电子测重伙器：能极损所始模拟电路实验竣路在通用实验箱上注接和测试其性能指标和参数；使学生车需和拓宽有关模拟集成电路工程应用方菌的知识；培养学生具有初步安施小型模拟系统的能力：培养学生能正确分析实验中所发生的现象及排除故障的能力，

二、课程具体内容及基本要求

（一）基本实验，在以下实验中任选6个

实验一、常用电子仪粪的使用（2学时）

1.教学内容

（1）讲解万用表、三路稳压电源、函数信号发生数、双逐示波数、交沉毫伏表的工作原

理、主赛技术性能及面板上各旋钮的功能：

（2）通过让学生动于操作，初步学会正确使用垃伙。

2.本求

（1）了解双源示波器、医数发生桑、交流毫伏表、三路稳压电源的工作原理框图、主赛技术性能及面板上各旋卷的功能：

（2）初步会正确使用垃些仪器，

3.盒点、难点：

点：仪的讲解：

难点：学生对仪的考。

4.作业及退外学习赛求：

图11 课程大纲封面与本项目教案首页
图12 学生实验报告