课程名称：电路分析与模拟电子线路

实验题目：多波形发生虚拟仿真与设计实验

课程简要信息

课程名称：电路分析与模拟电子线路，课程学时：56，适用专业：电子信息工程，学生年级：大二

实验内容与任务（限500字）

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。

波形发生器是电子系统的重要组成部分之一，本案例基于指定的一片四运放芯片LM324和一片时基芯片NE555，利用实验室常用阻容，设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的波形产生电路。按指定要求完成任务与指标，分为基本部分和发挥部分。基本部分要求全部同学都要完成，发挥部分为学有余力同学选做完成。具体要求如下：

1）基本部分

（a） 同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波A、正弦波B中 的一种波形，每通道输出的负载电阻均为600 欧姆。

（b）四种波形的频率关系为 1：1：1：3（3 次谐波）：脉冲波、锯齿波、正弦波A输出频率范围为 N kHz，输出电压幅度峰峰值为 1V；正弦波B输出频率范围为 3N kHz，输出电压幅度峰峰值为8V；脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真（使用示波器测量时）。其中N为学生学号后两位数/10（如某同学学号90，则N为9）。

（c）各种频率误差不大于 10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5%。

（d）电源只能选用+12V 单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源。

（e） 要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波A、正弦波B和电源的测试端子。

2）发挥部分，进步提高指标，并引入单片机系统，对多波形进行测量显示。

（a）每种频率误差不超过5%，通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 2%，脉冲波占空比可调，且范围为：10%-90%。

（b）各种频率误差不超过5%，通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 2%，脉冲波占空比可调，且范围为：10%-90%。

（c）利用单片机，对上述多波形进行测量，测量脉冲波信号的频率，测量误差不大于 2%，显示精度不低于 1Hz。

（d） 测量电路可以测量和显示脉冲波信号的平均值、高电平值、低电平值， 量程±10V，分辨率 0.1V、测量误差不大于 5%。

（e） 对脉冲波的占空比进行测量并显示，精度不低于 2%。

（f）对3 次谐波正弦波的峰峰值进行测量，测量误差不大于 5%。

（g） 其他。

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. 自学脉冲波、锯齿波、方波、正弦波等波形发生原理，熟悉波形产生器、低通滤波器和放大器等基本知识，掌握波形发生与测量的常用方法。

2. 查阅时基芯片NE555和运放LM324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、QuartusII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。

5. 在单片机开发板上编程实验，并记录编程中遇到的问题。

6. 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。

7. 撰写设计总结报告。

8. 分组验收，记录完成情况，并计入期末考试成绩。

9. 通过分组演讲，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点，观察同学们基本和发挥部分指标频率和精度，提高同学们设计抗干扰及提升性价比等能力。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

波形发生电路广泛应用在测量、通信到等许多领域中。本案例是一个运用模拟与数字电子技术解决工程实际问题的典型案例，需要运用波形发生技术、数模转换、滤波等相关知识与技术方法。并涉及精度及抗干扰等工程概念与方法。本实验配合电路分析与模拟电子线路和单片机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。

教学目标与目的（限100字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

（1）引导学生了解现代波形产生方法；掌握多波形实现方法；熟练掌握运算放大器线性与非线性应用电路的设计及解决实际工程问题的方法；

（2）培养学生编程能力、数字系统设计、模拟电路、元器件选择、虚拟仿真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。。

教学设计与引导

如预习要求及检查；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。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

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、实现调试、测试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

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，掌握参数计算以及如何提高频率精度与幅度精度的放放。

单片机编程实现波形的采集测量，按键控制占空比变化，并进行虚拟仿真。

了解滤波器设计方法，掌握滤波器参数计算以及虚拟仿真。

了解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。

在实验完成后，进行实物验收，组织学生以项目演讲、答辩的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要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；在调试中，要注意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。

实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

该案例可以由多种方案产生需要的波形，并采用单片机进行采集处理显示。

这里给出多波形发生部分电路两种参考实现方案，不限于此两种实现方式。

1. 系统结构

图1 可选方案一

2. 实现方案

这里给出多波形发生部分电路两种参考实现方案，不限于此两种实现方式。

图2 可选方案一

可选方案1采用NE555产生方波，然后由衰减产生所需的脉冲波（方波），经低通滤波产生正弦波A，经带通滤波产生3次谐波正弦波B，经过积分器产生所需三角波。

图3 可选方案二

可选方案二由NE555直接产生方波和三角波（从充电电容引出，波形略有变形），然后缓冲积分生成三角波，由一阶无源滤波和二阶有源滤波产生正弦波A，由二阶带通滤波产生正弦波B。其中注意第二种方案实现的三角波波形不是标准的三角波，有些畸变。

单片机测量部分如图4所示，完整波形的频率测量占空比测量以及电压测量，测量完成后显示于液晶或数码管上。

图4 单片机波形测量部分

单片机可选择MSP430G2253Lauchpad板，也可采用51单片机开发板或STM32开发板，要求具有10bit以上的AD以及较为丰富的IO，可扩展连接键盘液晶等。

本实验中的运放要求使用一片LM324四运放和一片NE555，即最多使用4个运放和一个555完成全部电路设计。为了适应便携式单电源的需求，本设计要求采用单电源供电。

注意事项

（1）注意所有的芯片电源端对地应加上0.1uF退耦电容，电源入口处应加至少10uF退耦电容。

（2）注意元件误差、运放失调、基准源偏差等都会带来误差，电路设计中要适当留有电位器以便调整零点偏移。

参考资料

（1）NE555：时基芯片

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。。

（a）外形和引脚 （b）典型应用电路

图5 NE555时基芯片

（2）LM324：通用型四运放

LM324是一款通用型四运放，内部集成了4枚运算放大器。典型指标为：

失调电压：典型2mV，最大7mV 开环增益：100dB

偏置电流：典型20nA，最大200nA 失调电流：典型2nA

单位增益带宽：1MHz 压摆率：1V/us

电源电压（Vcc-Vee）：3~32V 静态工作电流：0.7mA

（a）外形和引脚（顶视） （b）内部电路

图6 LM324 通用型四运放

附录：该案例已经在西安电子科技大学卓越工程师班级电赛培训中应用多届，每年的频率设置不一样，基波从1K-10KHz不等。这里给出其中一位同学完成的设计（要求8-10KHz设计）。

附录：

系统方案

1. 脉冲波和锯齿波发生器方案比较与选择

方案一：用LM324搭建双运放弛张振荡器，同时产生脉冲波和锯齿波，该电路的优点是电路简单、原理清晰，但由于芯片数量限制，使该方案无法实现；

方案二：用NE555搭建多谐振荡器，同时输出脉冲波和近似锯齿波，且通过滑动变阻器可改变输出波形频率和占空比。

综上所诉，选择方案二。

2. 系统整体框图

用NE555产生脉冲波和锯齿波，对脉冲波进行滤波产生基波和三次谐波，对各波形幅度调整后再接三极管搭建的射级跟随器，以提高带负载能力。电路完成后，编程序用单片机对脉冲波频率和占空比进行测量，对锯齿波和三次谐波峰峰值进行测量。系统整体框图如图A1所示。

图A1 系统整体框图

理论分析与计算

1. 多谐振荡器振荡频率分析

用NE555构成的多谐振荡器如图A2所示

图A2 多谐振荡器

电容C的充电时间T1 = 0.7*R1*C ，放电时间T2 = 0.7*R2*C

震荡周期为 T = T1+T2 = 0.7（R1+R2）C ，占空比为D = R1/（R1+R2）

2、10KHZ滤波器电路分析

为了尽可能减小三次谐波分量对基波的影响，在有源滤波器前加了一级无源低通滤波器。

10KHZ滤波器电路如图A3所示

图A3 10KHZ滤波器

系统电路设计

1. NE555多谐振荡器电路如图A4所示

图A4 NE555多谐振荡器

2、10KHZ滤波器电路如图A5所示

图A5 10KHZ滤波器电路

3、30KHZ滤波器电路如图A6所示

图A6 30KHZ滤波器电路

4. 系统软件设计

1. 脉冲波频率测量流程图如图7所示

图A7 脉冲波频率测量流程图

2. 脉冲波占空比测量流程图如图A8所示

图A8 脉冲波占空比测量流程图

3. 锯齿波峰峰值测量流程图如图A9所示

图A9 锯齿波峰峰值测量流程图

5. 测试方案与测试结果

1. 测试仪器

2. 测试方案及结果

测试方案：将输出信号分为两路，一路用单片机测量显示，另一路用示波器测量显示，比较单片机测量结果与示波器测量结果。

测试结果：

脉冲波频率测量：

脉冲波占空比测量：

锯齿波峰峰值测量：

V_max = 1.47V

V_min = 0.45V

Vpp = 1.02V

3. 误差分析

脉冲波发生器产生的脉冲波毛刺较大。

设计三次谐波滤波器时，为了避免自激，将带通滤波器的带宽设计得比较大，导致滤波不彻底，基波和五次谐波成分还比较大，使波形很不理想。

部分同学焊接实现的电路板如图所示：

图A10 同学设计实现的电路及焊接展示

图A11 制作的单片机测量系统

教学实施进程

简要介绍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。

(1)任务安排，通过学校选课系统提前将课程设置时间，分组情况等通过网络选好。

(2)预习自学，将涉及的主要技术提前给学生布置，学生进行仔细。

(3)教师在开课时讲解两课时，后面不定期指导。

(4)布置后，时间开放空间开放方案开放，学生可自行组队不超过三人。

(5)结果验收，由教师主导进行，学生带实际制作的实物验收，并进行总结演讲，教师批改报告。

教学设计的思路和目的是：为便于提高学生综合设计以及面向应用的实验水平，开发多波形产生虚拟仿真与硬件实验，包含虚拟仿真设计与实际硬件电路设计两部分，波形发生电路、放大电路、滤波电路设计等部分。本实验“先虚拟，后实验”，既可以作为模拟电子线路基础实用型实验，也可以作为微机原理与模拟电子线路基础相结合的综合性实验，该实验有益于学生课内实验以及课外科技工程创新活动。

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）

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

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

任务安排后两周内完成，考核成绩计100分。其考核方法如下：

1. 完成时间为两周，其中第一周单人设计方案，理论推导计算并选择参数，完成虚拟仿真验证；第二周，以两人为小组组队，在万用板上实物焊接、调试并测试。

2. 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）

3. 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如控制精度），完成时间。（30分）

4. 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。（10分）

5. 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）

6. 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）

7. 实验数据：测试数据和测量误差。（10分）

8. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。（10分）

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、微处理器等多学科的知识，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，要求用两周时间完成，学生可以自主安排时间。题目要求创新性采用学生学号作为参数之一进行设计，有一定趣味性，并且项目中设有发挥部分，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。

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参赛选手信息表