基于运算放大器的强度检测系统设计

实验题目：基于运算放大器的强度检测电路设计

课程简要信息

课程名称：电工电子工程基础

课程学时：6学时

适用专业：电子信息类

学生年级：大一第一学期

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。

本案例是电工电子工程基础课程中关于运算放大器认识与使用的实训内容。电工电子工程基础课程开设在大一上学期，是我校电子专业类学生由高中生身份转换到大学生身份过程中接触到的前几门课程之一，要求实验内容难度不能太高，但仍需具有基本的概念培养和设计训练内容。所以，该实验案例以生活中常用的物理量传感器为背景，引出运算放大器的基本概念和工作特性，让大一学生初步接触到电子信息类专业的特点，培养学生对电路课程的兴趣，并为后续的理论和实验课程教学打下“认知”基础。

该“基于运算放大器的强度检测系统设计”的实验内容与任务包括：

1. 基本要求：

• 使用LM324运算放大器构建一个传感器变量运算放大电路；

  生活中很多物理量传感器，例如温度、湿度、压力、光等传感器都是电阻或电压量传感器，即传感器的电阻或输出电压值随着物理量的变化而变化。案例要求学生使用运算放大器提取传感器输出的物理量变化并放大到合适的区间内。

• 使用多个运算放大器构成7级强度检测电路；

  让多个LM324放大器工作在开环放大模式组成多级电压比较器，使用不同电压比较阈值对放大后的传感器变量进行比较。这里不同的电压比较阈值代表不同的物理量强度。

• 使用多个放光二极管构成强度指示器；

  多个发光二极管连接在不同的比较器输出上，通过发光二极管发光直观指示当前物理量的输出强度。

2. 提高要求：

• 对于有一定基础或者有意参加竞赛的学生，引导他们使用优先编码器、七段码编码器等数字芯片驱动数码管，将强度检测结果使用数码管进行输出。

• 重新计算参数，调节物理量放大电路的工作范围，兼容不同的物理量传感器。特别的，建议有能力的学生在课程案例基础上制作一个脉搏检测器。

  

图1 课程作品示例

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. 课前预习运算放大器的基本原理和使用方法。

2. 根据提供的学习资料，预习实验项目内容，在multisim平台上进行电路仿真，熟悉实验电路，记录遇到的问题。

3. 课上要求学生使用LM324运算放大器在指定的范围内提取传感器输出的电压变化量，并设置合适的放大倍数。案例实施过程中，掌握放大器放大信号的基本原理，基本了解放大器共模和差模输入信号概念。

4. 了解放大器开环工作的特性，建立比较器的概念，熟知比较器比较阈值的作用和改变比较阈值大小对输出结果的影响。

5. 熟练掌握发光二极管的使用方法，并从二极管的发光数量指示物理量强度这一简单结果抽象理解“数模转换”的复杂概念。

6. 实验验收及实验总结：要求独立完成以温度传感器为基础的强度检测系统，检测温度范围为20℃~30℃，并提交实验报告阐明参数计算结果。

7. 课后可完成扩展内容，包括但不限于湿度检测器，照度检测器、压力（脉搏）检测器等，但不做强制验收要求。

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。

本案例脱胎于生活中常见的带强度检测的传感器系统，比如家用的温湿度计，光照度计以及体重秤等。他们中大多数使用的核心传感器件均为物理量敏感电阻，即电阻阻值大小随着相应物理量改变而改变。配合运算放大电路和数模转换电路对所监控的物理量进行测量并进行数值输出。

图2 带传感器的强度检测系统

本案例为满足大一新生的教学要求，将上述传感器系统进一步简化，使用多路开环放大器构成的比较器代替近似于“黑盒”的数模转换系统。即加强了学生对运算放大器和比较器的认识，同时又将数模转换器的核心工作原理剖析给学生，一举两得。

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。

1. 实验工具：电烙铁、焊锡丝、剥线钳、镊子、松香等；

2. 实验仪器：信号源、示波器、稳压源、电脑、万用表；

3. 设计软件工具：multisim电路仿真软件；

4. 使用元器件模块：

表1 主要元器件清单

图3 系统器件包

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。

1. 认识运算放大器的工作原理以及闭环放大、开环放大的作用。

2. 认识运算放大器的共模输入和差模信号特性；

3. 学会运算放大器放大参数的计算方法；

4. 了解比较器输入信号、比较阈值以及输出信号的相互作用关系；

5. 观察并感受数模转换的基本原理；

6. 初步接触并掌握一定的电子传感器的传递设计方法,培养系统意识；

7. 培养良好的实验规范，提高报告文档撰写能力，扩展专业认知，提升专业学习兴趣，养成思考和探索的专业学习习惯。

图4 教学目标

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。

1. 课前预习和准备：

图5 案例电路原理图

• 根据教师提供的资料预习放大器的基本原理和LM324的引脚图；

• 使用multisim仿真本案例电路，在运算放大器U1正向输入端输入峰峰值为2V，频率为10Hz的正弦波，并改变Vref的电压值，观察运算放大器U1的波形输出和LED亮暗的变化；

  

  图6 仿真电路图

• 预习热敏电阻NTC的基本原理；

• 为检验学生是否课前预习和仿真，同时检验预习效果，在微助教平台上发布相关习题任务，要求学生完成；

2. 课堂教学

• 通过目前常用的温湿度计、照度计、体重秤引出基于运算放大器的强度检测系统设计的教学内容；

• 课上讲述运算放大器的基本原理，介绍共模信号和差模信号的概念以及输入信号放大倍数的计算方法；

• 在面包板上使用LM324制作运算放大器电路，输入频率为10Hz，峰峰值为1V的正弦波，观察电压Vref对输出信号的影响；

  

  图7 运算放大器电路

• 讲述NTC的基本原理，引导学生思考如同通过NTC将温度变化量转换为可测的电路参数（电压、电流）；

• 给定固定的温度范围（20℃~40℃），引导学生思考什么范围内的电压是需要抑制的共模信号，什么范围内电压是需要放大的差模信号。即确定Vref的电压值；

• 引导学生思考如何将放大器输出的模拟信号转换为人能够观察的直观强度信号，引入模数转换的基本原理以及作用。

• 讲述比较器的基本原理，明确比较阈值的概念和对输出信号的影响。要求学生根据比较器比较阈值范围的设置计算运算放大器的电路参数。

• 在面包板上使用使用LM324搭建多级比较器电路和分压电路，将发光二极管连接到比较器输出端，输入端输入频率为10Hz，峰峰值为1V的正弦波，观察发光二极管现象。

• 分发PCB板，课上使用元器件包中的元件焊接PCB板，并验证功能。

• 课堂小结与提出问题。对学生遇到的共性问题进行再次讲解，若课堂时间允许的话，邀请作品完成质量较高的同学分享个人经验。

3. 课后思考和总结：

• 没能完成发挥任务要求的同学利用课后的时间完成。

• 提出问题：想要发光二极管发光状态反转（高温不亮，低温亮），电路应该如何更改？

• 提出问题：如果更换传感器种类，改变测量范围，运算放大器电路参数应该如何修改？

• 学生根据实验报告要求撰写实验报告。

• 思考和探索，可以利用实验室开放时间开展相关实验，利用现有的PCB板和实验室器件制作不同的物理量强度检测系统。

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。

1. 系统结构：

本案例系统电路图如图3所示，主要由1个运算放大器、7个比较器组成、放光二极管和若干电阻电容组成。芯片方面，共使用8个运算放大器，即两个LM324芯片。其中运算放大器用于提取放大传感器产生的电压变换量，7个比较器构成7级强度采样电路，LED用于显示强度等级。

2. 实现方案：

对于NTC温度信号运算放大器来说：

假设在给定的温度探测范围内，温度传感器NTC的最大电阻为Rmax，最小电阻为Rmin，$V_{cc}$为电源电压。那么运算放大器U1的正向输入端电压*Vp*变化范围为

$$V_{p} = \frac{V_{cc}R_{\min}}{R_{\min} + R_{1}}\sim\frac{V_{cc}R_{\max}}{R_{\max} + R_{1}}$$

此时电压$\frac{5R_{\min}}{R_{\min} + R_{1}}$即为需要消除的共模信号。运算放大器的输出电压*Vout*为：

$$V_{out} = V_{p}\left( 1 + \frac{R_{12}}{R_{11}} \right) - V_{ref}\frac{R_{12}}{R_{11}}$$

$$V_{ref} = \frac{V_{cc}R_{13}}{R_{13} + R_{14}}$$

又因为运算放大器的输出电压范围需要和强度鉴别电路的鉴别范围相匹配，所以理想运算放大器输出的电压上限应该等于电源电压$V_{cc}$。消除共模信号后，电压下限为电源地，这里取0V，所以有：

$$V_{cc} = \frac{V_{cc}R_{\max}}{R_{\max} + R_{1}} \times \left( 1 + \frac{R_{12}}{R_{11}} \right) - \frac{V_{cc}R_{13}}{R_{13} + R_{14}} \times \frac{R_{12}}{R_{11}}$$

$$0 = \frac{V_{cc}R_{\min}}{R_{\min} + R_{1}} \times \left( 1 + \frac{R_{12}}{R_{11}} \right) - \frac{V_{cc}R_{13}}{R_{13} + R_{14}} \times \frac{R_{12}}{R_{11}}$$

其中，VCC、Rmin、Rmax、R1、R14都是已知参数，联立上述公式可求得R12与R11的比值和滑动变阻器R13的取值，合理修改相关电路参数即可兼容不同的测量范围。

考虑到LM324输出电压并非轨到轨，实际的VCC会小于电源电压(LM324的最大输出电压为VCC-1.5V)，公式变为：

$$V_{cc} - 1.5V = \frac{V_{cc}R_{\max}}{R_{\max} + R_{1}} \times \left( 1 + \frac{R_{12}}{R_{11}} \right) - \frac{V_{cc}R_{13}}{R_{13} + R_{14}} \times \frac{R_{12}}{R_{11}}$$

$$0 = \frac{V_{cc}R_{\min}}{R_{\min} + R_{1}} \times \left( 1 + \frac{R_{12}}{R_{11}} \right) - \frac{V_{cc}R_{13}}{R_{13} + R_{14}} \times \frac{R_{12}}{R_{11}}$$

对于强度检测电路来说，主要由分压电路和七级比较电路组成。

• 分压电路：

  

  分压电路由11个相同阻值R的电阻串联组成，将电源电压分成包含11个数的等差数列电压。假设电源电压为5V：

  $$\frac{5}{11}V，\frac{10}{11}V，...,\frac{55}{11}V$$

  由于LM324并非轨至轨放大器，其输出的最大电压为电源电压减去1.5V，所以这里取等差数列中数值较小的7个电压作为强度采样电压。

将分压电路中7个不同的电压输入到不同的比较器中构成不同的比较阈值。

• 七级比较电路：

  

  分压电路中每个电压值对应一个温度强度，输入到比较器的负向输出端作为比较阈值。当传感器检测到温度变化，运算放大器U1输出的电压超过某个比较阈值时，比较器电平由低反转到高，LED被点亮，代表此时温度强度达到该等级。通过逐级比较，实现7级温度强度采样。

3. PCB焊接

考虑到大一新生水平有限，元器件包中所有电阻均为插件式电阻，PCB板上用丝印标注了对应位置的电阻阻值，指引清晰；另外，PCB板上元器件正负极丝印清晰，指示明确；最后，除电阻R12与R11需要学生自行计算选择外，所有电阻电容值均为固定值。焊接工作也为重复性工作，实操难度很低。

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) 记录实验过程中使用的元器件参数、工具、仪器仪表。

(2) 总结描述强度检测系统的电路参数设计和计算过程。

(3) 记录实验过程中的中间测试过程（拍照记录）。

(4) 记录系统功能演示结果（拍照或GIF）。

(5) 记录在完成实验基本任务和发挥任务过程中，遇到的问题，以及如何解决。

(6) 总结通过本次实验项目获得的电子制作方法、电路测试方法、理论分析等方面的学习成果和心得体会。

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

表1 考核细则与评分标准

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

1. 本实验项目利用直观、有趣的温度检测器，把握住新生大一这个学习阶段，抓住他们的学习积极性，提高他们的专业学习兴趣。

2. 初步接触一些常用电子元器件的工作特性、使用方法以及相关概念，为后续的理论学习进行铺垫。

3）实验内容围绕器件识别、焊接制作、电子测量和电路仿真开展，对于大一新生来说，这可以说是一次内容适量、难度适中的思政教育之挫折教育，让大一新生能够通过自身的努力，储备基础专业知识、训练工程实践技能和获得成就感。

4）本实验项目基于面包板搭建和焊接制作，同时注重理论与实践结合，注重引导学生进行思考和探索。

5）实验项目中用到的强度检测器电路不仅仅适用于温度监控，更换传感器和电路参数还能应用于温湿度报警、脉搏探测器等多种场景，学生能够学以致用。