基于集成运放线性及非线性应用的呼吸灯实验

课程名称：模拟电子技术实验

实验题目：基于集成运放线性及非线性应用的呼吸灯实验

课程简要信息

《模拟电子技术实验》（课程编号：XX160710），16学时，适用于西南科技大学电子信息工程、电气工程及自动化、光电信息、自动化、通信工程、物联网、生物医学工程、信息对抗等专业，必修课，大学二年级秋季学期。

《电子技术课程设计》（课程编号：XX160400），32学时，适用于电子信息工程、电气工程及自动化、光电信息、自动化、通信工程、物联网、生物医学工程等专业，必修课（电子、自动化、生医专业学位课），大学二年级春季学期。

实验内容与任务（限500字）

熟悉集成运放的典型线性、非线性应用电路；掌握有源积分、滞回比较、电压跟随电路的基本结构及工作原理；了解3296电位器、LED、扬声器等元器件的选型与性能测试；了解创新方案的提出及凝练方法；熟悉模拟电路系统仿真、设计、实验、测试的完整流程，构建从理论设计→电路仿真→实验测试的“三位一体、相互佐证”全新电子技术实验模式。

以LED为控制对象，设计一个能够展示LED渐亮→渐灭→渐亮……的呼吸灯实验电路，涉及以下单元的电路拓扑、参数设计、虚拟仿真、实验调试、波形测试、数据记录：

1. 集成运放的比例运算

2. 集成运放的求和运算

3. 集成运放的有源积分电路

4. 集成运放的滞回电压比较电路

实验过程中需重点测试输出波形的峰-峰值VP-P、直流分量VDC、周期T、占空比q等基础参数，观察施密特触发器上限阈值电平VTH+、下限阈值电平V~TH-~与系统有效输出波形间的关系。完成实验报告时，需进行理论计算、电路仿真、实验测试的三大类数据对比及误差分析。

扩展要求：

1. 如何将实验电路的供电方式从双电源调整为单电源？

2. 能否将呼吸灯的输出波形延伸拓展为扬声器的驱动？

3. 将集成运放更换为电压比较器，如何修改电路结构或参数、使之构成具有相同功能的滞回电压比较电路？

实验过程及要求（限300字）

1. 了解LED的呼吸方式闪烁与单纯的“亮-灭”闪烁之间对应的波形差异，

2. 参考模电教材中由运放构成有源积分、比例运算、求和运算、电压跟随、滞回比较、三角波发生等电路单元的工作原理及参数计算过程，结合呼吸灯实验项目的具体指标，设计实验电路参数；

3. 完成实验电路在multisim软件下的设计与仿真；

4. 根据输出波形的频率值，选择合适的集成运放型号；了解不同参数运放对输出波形的影响；

5. 针对实验电路选择分单元调试的步骤；

6. 在完善、规范的实验装置上通过分单元、单步调试、系统联调，获得实验所需波形；

7. 完成理论计算、仿真、实验测试三组数据之间的对比及分析；

8. 撰写实验报告，参加实验课后的分组讨论环节，分享交流实验心得。

相关知识及背景（限150字）

这是一个运用模拟电子技术实现面向有趣应用的典型实验案例，展示程度很高；实验内容囊括了集成运放的线性及非线性应用，知识点全面；实验电路内部各单元之间的层次结构分明，相对独立性较好，调试流程清晰且易于上手；实验操作涉及数字万用表、示波器等基本测量仪器的深入使用，并有助于掌握多圈精密电位器的调整技巧。

教学目标与目的（限100字）

在实验项目中实现完整的“理论计算→电路仿真→实验操作→系统联调→参数对比”流程，引导学生掌握比例运算、求和运算、有源积分、滞回比较等电路单元的调试与测试，熟悉单步调试、系统联调及故障排查技巧。

教学设计与引导

“基于集成运放线性及非线性应用的呼吸灯”实验过程全面涵盖了《模拟电子技术》课程中有关集成运放章节的关键知识点，是一个体系相对较为完整的工程实践项目，参加实验的学生需要经历实验前（理论知识复习、相关电路参数计算、实验电路的虚拟仿真），实验中（实验电路的单步调试、系统联调、故障分析及排查、参数测试与记录）、实验后（撰写实验报告、实验数据对比及分析、实验总结、实验课后分组讨论）的全新实验模式及过程。

在实验教学过程中，教师可以通过以下几个方面强化对学生的操作引导：

1. 引导学生学习并熟练掌握模拟电路的仿真方法及其处置技巧。

2. 制定灵活、规范的电子技术实验评分细则及结构评分标准，向学生宣讲实验课程的考核重点、指标分级特征，逐项明确并量化各项得分指标，让学生可以有的放矢地安排实验的侧重点（即使因为实验时间限制，导致极个别实验环节未能完成时，也能够保证基本的实验得分）。

3. 培养学生在实验电路原理图与真实的硬件实验电路板之间形成快速映射的能力，特别注意引导学生观察实验电路板内部所包含不同功能单元之间电气联系及其相互影响的能力。

4. 引导学生熟悉实验操作的基本流程及实验测试仪器的操作规范、测试及读数方法，以及某些特殊的使用技巧。

5. 将实验板制作成为便于携带、外型小巧的口袋板样式，开创“自助实验”机制，让学生在寝室即可基本实现初步的LED呼吸灯功能，到实验室后的主要工作放在实验仪器与仪表的使用上，降低了实验室的承载负荷，强化了以学生为主体、教师做主导的新型实验教学内涵，解决高等教育大众化形势下严重的“师生比不均衡”、“学习效率低”等教学问题。

6. 不同参数的集成运放对输出波形存在一定的影响，特别是本实验内容可以让学生观察到低频三角波电路如果只是简单更换外围阻容元器件、而不更换集成运放，是无法得到优质高频三角波这一现象，让学生获得书本外的知识内容。考虑到学生通过现有模拟电子技术教材所接触到的集成运放型号及种类并不多，可以为学生推荐一些主要的集成运放生产厂家信息：http://www.ti.com.cn/、http://www.microchip.com/、http://www.analog.com，让学生了解更多的有关集成运放的参数信息；此外，让学生通过网络下载实验室能够为“基于集成运放线性及非线性应用的呼吸灯”实验项目中提供的少数几种集成运放的pdf文档，推荐学生自行到www.21icsearch.com、www.alldatasheet.com、http://www.ic-on-line.com/、http://www.icpdf.com/等网站学习常用电子资料的查阅与检索。

7. 在进行实验总结与组内讨论时，实验指导教师应注意在讨论组之间进行适当穿插，准确把握学生对实验的理解并活跃讨论现场的气氛；重视学生实验过程中的共性问题发掘，及时发现并纠正学生设计思路中的偏差，同时发散学生先入为主的思维定势。注重引导学生针对现有实验平台的创新思路，鼓励采用诸如差动减法运算电路代替反向加法运算电路、电压比较器实现三角波电路等合理化做法，针对实验指标实现广义的一题多解，有效减少实验方案之间的雷同，鼓励创新实验方案及思路从内容到形式上的百家争鸣、百花齐放，以利于创新型实验方案在学生所提交的实验报告中的体现。

8. 指导教师在检查学生的实验报告时，需要重点关注学生实测的数据及波形有明显的错误；在理论计算、虚拟仿真、实验测试三套数据的对比上，有无出现较大的偏差；实验过程中的故障现象描述、分析、处置是否准确到位，能否真正排除故障。

实验原理及方案

《基于集成运放线性及非线性应用的呼吸灯实验》能够让白光LED以渐亮、渐灭的方式进行闪烁，对应的LED驱动波形是包含一定直流分量的三角波，为了便于人眼准确识别，结合LED的正常工作电压范围，相应的LED驱动波形参数如下：

（1）波形频率调节范围：0.1Hz~10Hz；

（2）三角波的电压峰峰值Vp-p为2.8V；

（3）三角波的直流电压分量VDC为1.6V。

该实验项目涵盖了《模拟电子技术》课程中集成运放章节的绝大多数知识点，易于针对已知实验方案进行功能扩展与思路创新，同时实验结果通过肉眼即可进行识别，目的性非常明确、展示度极佳。

1. 实验系统结构

实验电路的核心部分为三角波波形发生电路，正负峰值对称的三角波通过波形的线性叠加方式，可使最终输出的三角波波形满足LED点亮的条件。需要设计的硬件电路结构及界限比较清晰，可以准确地划分为图1所示的系统结构。

图1 呼吸灯实验电路基本结构组成

2. 完成实验任务的思路方法

整个《基于集成运放线性及非线性应用的呼吸灯实验》电路涉及的元器件数量比较多，可以通过化整为零、各个击破的思路进行单元电路模块的划分、降低实验难度，提高实验的可操作性。

• 三角波发生电路

三角波发生电路是非正弦波发生电路的重要内容，基本功能电路及其参数计算可参见模拟电子技术教材。三角波发生电路通常由反向积分电路与施密特滞回比较器两个单元交叉串联而成，如图2所示。

图2 三角波发生电路的初步设计思路

实验要求中对输出三角波的电压峰峰值、直流分量均提出了具体的指标要求，因此图2在传统的三角波电路中添加了R4与稳压二极管D1、D2，以构成正/负双向稳压电路，从而可以将V2固定为$V_{Z}$与${- V}_{Z}$两种具有较高精度的电压值，不受系统供电电源的电压波动影响，稳定实验结果。

运放单元U1A构成迟滞电压比较器，能够将输入的三角波V1变换为幅值为$\pm V_{Z}$的方波输出；运放单元U1B构成反相积分电路，对U1A输出的方波V2进行积分，得到线性度很好的三角波。这两个单元的电路存在交叉影响，必须同时正常工作才能在U1B得到所需的三角波波形。

实验电路中可以在D1、D2上提供开放性的参数计算与设计，不同型号的稳压管对应的稳压值可能存在不同，那么实验过程中得到的其他元器件的参数结果就有可能不相同。R4作为稳压二极管的限流电阻，其取值可以事先给定，也可以让学生在预习时结合运放的供电电压与稳压管的稳压值、工作电流范围，进行电阻值的计算及确定。

根据三角波的频率计算公式

$f_{0} = \ \frac{R_{2}}{4R_{1}R_{3}C_{3}}\ \ $ （1）

可知，两只运放单元U1A、U1B的外围反馈元件（电阻、电容）均会影响三角波的振荡频率。根据实验指导教材中所讲述的可变电容、电位器的性能特点可知：可变电容的容量调节范围很窄，加之可变电容的容量分辨率很低，要实现0.1Hz-10Hz范围的频率调整可能会比较困难。因此，设计方案中选择分辨率更高、易于操作、使用寿命较长的3296这类多圈玻璃釉电位器对三角波频率参数进行调节。

如果R1、R2、R3的阻值均需要调节，那么实验过程中的参数调节可能会变得异常复杂，2-3个有效学时内，能够顺利完成实验的学生数量非常低。因此，实验板中固定R1的电阻值，留出R2、R3的电阻参数值可调。

如果将这些决定输出频率的电阻、电容参数适当调整，则输出的三角波频率可以变得很高，即使用LED无法观察到，但是通过示波器却可以准确地进行识别。当输出的三角波频率较高时，原有的低频运放可能无法正常工作，需要对集成运放进行更换，此处又称为了一个较新的实验观察点。

如果将小电流的白光LED更换成大功率的型号，或者更换为直流电机、扬声器，则实验电路又需要进行有针对性的调整，这部分内容同样可以称为另外一个较新的实验观察点。

• 输出三角波的直流偏置电路

得到了合适的三角波之后，实验板的第二部分需要为刚才得到的三角波通过加法电路添加直流分量，配合直流偏置电路，使输出波形满足最终的实验要求。

由集成运放构成的反相加法电路结构可以参见模拟电子技术的理论课程教材。根据实验要求可知，电路最终输出的三角波VO包含一定的正向直流成分，使之能够点亮一只白光LED而又不会使LED因为过电压、反向电压而损坏。此时，可将三角波Va、直流偏置Vb两路信号分别作为求和运算电路的两路输入。

根据反向加法电路的输出电压计算公式

$V_{O} = - R_{8} \bullet (\frac{V_{a}}{R_{6}} + \frac{V_{b}}{R_{7}})$ (2)

可知，对于在实际电路系统中最为常用的反相求和电路而言，如果输出电压VO包含一定的正向直流成分，而Va为纯交流分量，则反相放大电路的直流偏置Vb需设置为负电压，最简单的负电压获取方式是通过电位器针对负电源-Vcc进行分压。完成的系统设计总图如图3所示。

图3 添加直流偏置与反相加法电路

调节三角波幅度电位器P1、直流偏置电位器P2，可以使输出三角波的波形幅值达到或接近实验要求，参考仿真波形及数据如图4所示。

图4 仿真数据及波形

在实验过程中，学生可以用数字万用表对直流偏置电位器P2的中间抽头进行监测，同时用双踪数字示波器观察三角波发生电路与LED驱动端之间的电压波形，三者共同作用，以得到正确的实验结果。

待呼吸灯实验电路的输出三角波电压基本达到实验要求时，即可向实验电路的输出端接入一只小功率的白光LED，观察LED的呼吸灯闪烁效果。

如果改变振荡频率电位器P3的阻值，还可以观察到LED呼吸灯的亮灭频率出现明显的变化，学生可以用手机的秒表功能进行频率的计数，激发学生的实验参与热情。

教学实施进程

在全新的模拟电子技术实验实施流程中，涉及实验前、实验中、实验后三个同等重要管控阶段：

1. 在本实验方案正式应用到模拟电子技术实验项目之前，课程组教师首先需要对实验题目进行试做（理论计算、电路仿真、硬件测试与调试），然后对实验方案中需要进行调节的电路结构及元器件参数进行规划与布置，然后制作出标准的硬件实验板。

2. 编写与实验内容相对应的实验指导书，对基本实验内容、扩展（选作）实验内容、实验内容的创新思路进行科学、规范的分级。

3. 实验课前，向所有参加实验的学生布置针对实验任务的教材复习、资料查阅及整理，同时将实验电路板的照片、实验要求、实验电路原理图（不涉及详细的元器件参数）发给学生。

4. 学生进行初步方案的功能单元划分及单元电路仿真验证、测试，学生需要对实验电路进行功能模块单元的框图划分，具体电路单元的参数计算及仿真，并在实验报告中保留详细的参数设计过程、仿真波形及数据。

5. 学生列出实验所需的元器件BOM清单，每次实验前，从助管学生那里领取所需的集成运放、电位器、LED等元器件。

6. 学生进入实验室后，对实验板中除了LED之外的所有未知元器件进行插装或者焊接，使之构成完整的实验电路。

7. 学生通过对实验电路板连接双电源、示波器、万用表，开展具体的实验操作；此时需要引导学生采用分块调试的办法，逐单元进行参数调整、故障排查，以得到相应的正确结果。待实验板中的每个单元电路的功能全部满足要求后，再对整机进行统一的综合联调。

8. 测试实验装置的功能是否达到实验指导书的要求，利用实验仪器或接口装置观察、测试相应的数据并记录在实验报告册中，尝试在现有实验方案的基础上进行功能的扩展。（实验板中留出1~2组带有外围元器件接插或者焊接位的集成运放单元）

9. 实验课课内的内容完成之后，教师需要对学生的实验结果进行初查；如果学时数允许，还可以组织、安排实验课的课后讨论环节。

10. 学生在课后完成本轮实验的实验报告，除了详细阐述完整的参数计算、电路仿真、电路调试、故障分析及排除、参数测试、数据记录全过程，同时还需要对得到的实验结果、实验数据进行科学、合理的处理与分析，进行实验总结，提出针对现有实验方案的创新内容及思路。

实验报告要求

实验报告需要体现以下工作内容：

1. 实验需求分析

2. 实验任务书、实验报告摘要、关键词

3. 实验任务分析，实验方案对比、论证及最终选型依据

4. 完整实验方案（理论、仿真、实践的结合情况，实验方案的合理性）

5. 单元电路的理论分析及相关参数的公式推导、计算

6. 单元电路仿真及分析

7. 单步调试、系统联调、参数测试过程

8. 实验故障的分析、检查及排除

9. 实验电路功能、电压波形及相关参数的记录，数据处理及其理论分析

10. 实验过程中发现问题、解决问题的具体分析、思考、实践及验证过程

11. 实验总结及体会，创新实验方案的设想及说明

12. 附件清单（单元电路的关键点仿真波形，实物照片等）

考核要求与方法（限300字）

1. 实验质量：操作规范、熟练，独立完成实验。

2. 实验数据：实验测试数据及波形的误差范围符合要求。

3. 过程记录：调试过程，故障原因分析、检查及排除，功能验证（理论计算⬄实测数据⬄仿真波形），误差分析，实验总结与收获。

4. 自主创新：实验电路结构的创新性，独立思考及操作的能力能否较好地体现。

5. 实验成本：实验元器件、耗材有无损坏及浪费。

6. 报告质量：文本格式规范，框架系统完整，波形捕获准确且全面，仿真与实测波形均清晰、完整。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

呼吸灯运行时的展示度极高，并在手机来电未接、笔记本待机、摩天大楼的航空障碍指示等领域应用广泛；实验电路囊括了集成运放线性、非线性的典型应用，知识点全面，综合性较强；实验过程中，理论设计、虚拟仿真、实物测试三者相辅相成，实验操作与测试工作量饱满，实现相同结果的电路及方法多样，殊途同归。

参赛选手信息表