盧振洲

（杭州電子科技大學(xué) 電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

即使到了按照電路模擬程序可以獲得數(shù)據(jù)的時(shí)代，模擬電子技術(shù)仍然是一門(mén)實(shí)用的學(xué)問(wèn)，對(duì)實(shí)物電路的分析和研究有助于學(xué)生們更加深刻理解理論知識(shí)。模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生提高解決復(fù)雜電路問(wèn)題和故障的能力和工程意識(shí)和創(chuàng)新思維[1]。

集成運(yùn)算（Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)OP）放大電路既是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)，又是其核心。OP 放大電路具有廣泛的應(yīng)用，例如基本運(yùn)算電路、濾波器、回轉(zhuǎn)器和信號(hào)發(fā)生器等，基于集成運(yùn)放電路，學(xué)生自主設(shè)計(jì)其它更加復(fù)雜的應(yīng)用電路，不僅可以強(qiáng)化理論知識(shí)的理解，而且可以用來(lái)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力及動(dòng)手能力[2]，提升學(xué)生競(jìng)賽技能水平[3]。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外高校關(guān)于集成運(yùn)放電路的教學(xué)大多采用給出電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，學(xué)生根據(jù)指標(biāo)完成電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性較差，不能培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。我校集成運(yùn)放電路的內(nèi)容僅涉及了其線性應(yīng)用，沒(méi)有考慮集成運(yùn)放的非理想特性，缺少比較理想OP 放大電路和實(shí)際放大電路的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差異，不利于學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

我校電工電子實(shí)驗(yàn)中心自2006 年被批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心來(lái)，面向全校電子信息工程、通信工程等多個(gè)專(zhuān)業(yè)承擔(dān)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程，共32 課時(shí)，其中4 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用、負(fù)反饋放大器、電平檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、波形產(chǎn)生及變換電路，占課程總課時(shí)1/3 以上，可以看出其重要性，同時(shí)這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均未涉及集成運(yùn)放內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、主要的直流指標(biāo)（輸入電阻、輸出電阻、輸入失調(diào)電壓、差模開(kāi)環(huán)直流電壓增益、共模抑制比等）和交流指標(biāo)（帶寬、壓擺率等），導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法系統(tǒng)理解集成運(yùn)放相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)。因此需要在需要調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行必要的教學(xué)改革[4～5]。

2 集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)箱研制

目前實(shí)驗(yàn)室選用的實(shí)驗(yàn)箱如圖1 所示，有多路直流電壓源輸出和交流電壓源輸出，學(xué)生通過(guò)導(dǎo)線將分立元件連接在一起，這種實(shí)驗(yàn)方式可以一定程度避免實(shí)驗(yàn)元件的浪費(fèi)，且有助于理解電路的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，但是也存在著一些問(wèn)題，導(dǎo)線容易出現(xiàn)損壞，排查故障難度大、目的不明確，往往連接線、檢查線會(huì)占掉較多的時(shí)間，無(wú)法開(kāi)展較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，因此可以適當(dāng)調(diào)減需要連接線的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，課題組據(jù)此研制了集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)箱。

圖1 模擬電路實(shí)驗(yàn)箱

2.1 技術(shù)路線

集成運(yùn)算電路試驗(yàn)箱按照電路的連接方式分為負(fù)反饋結(jié)構(gòu)、正反饋結(jié)構(gòu)和正負(fù)反饋結(jié)構(gòu)三個(gè)部分。

負(fù)反饋結(jié)構(gòu)可以選擇反相比例、同相比例、反相加法和減法電路的一種供學(xué)生掌握集成運(yùn)放的線性應(yīng)用，重點(diǎn)是實(shí)際積分電路和微分電路的設(shè)計(jì)，由于實(shí)際運(yùn)算放大器存在失調(diào)電壓等原因，需要額外增加附加電阻，學(xué)生可以通過(guò)改變電路參數(shù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方式，通過(guò)對(duì)比的方式靈活掌握相關(guān)知識(shí)，而不是死記硬背。

對(duì)于正反饋結(jié)構(gòu)，集成運(yùn)算工作在非線性區(qū)域，可以通過(guò)反相滯回電路和同相滯回電路的設(shè)計(jì)，充分理解集成運(yùn)放的開(kāi)關(guān)特性知識(shí)點(diǎn)，掌握根據(jù)電路性能指標(biāo)要求選擇合適的集成運(yùn)算放大器。

選擇了典型正負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)拓?fù)湮氖想姌蛘也óa(chǎn)生電路、張弛振蕩電路和等效負(fù)阻等，通過(guò)正弦波、方波等波形的產(chǎn)生使學(xué)生充分掌握集成運(yùn)放在波形產(chǎn)生及變換等電路中的應(yīng)用，通過(guò)等效負(fù)阻的應(yīng)用，學(xué)生鞏固二端口網(wǎng)絡(luò)和戴維南定理等知識(shí)點(diǎn)，并可以將等效負(fù)阻應(yīng)用至蔡氏電路中，觀測(cè)更加復(fù)雜的混沌振蕩電路結(jié)構(gòu)中。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

課題組設(shè)計(jì)的集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)箱電路板如圖2 所示，共使用了3 片四通道集成運(yùn)放TL084，供電采用DC 12V 的電源適配器通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換為±15V 的供電，搭建了比例運(yùn)算/積分微分電路、指數(shù)對(duì)數(shù)函數(shù)、有源濾波器、混沌電路、遲滯比較器、方波發(fā)生器、等效負(fù)阻、文氏電橋、RMS 計(jì)算電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路固定電路模塊。

圖2 集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)箱主板

集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)箱固定電路模塊已完成運(yùn)放供電和基本電路元件的連接，涉及電路設(shè)計(jì)和參數(shù)選取通過(guò)排針引出，學(xué)生可以使用跳線帽、杜邦線等完成電路的連接和參數(shù)的選取，避免了學(xué)生因?yàn)殡娫吹恼`接導(dǎo)致的芯片損壞，也減少了接線的工作量，保證在有限的課堂教學(xué)中可以完成更加豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)考慮了課外教學(xué)，實(shí)驗(yàn)箱具有很好的攜帶性，可與口袋儀器等搭配使用。

3 集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)案例開(kāi)發(fā)

3.1 基于集成運(yùn)放的積分電路設(shè)計(jì)

集成運(yùn)算放大器的負(fù)反饋結(jié)果中的反相比例、同相比例、加減法等結(jié)構(gòu)實(shí)際電路與理想電路相同，可以幫助學(xué)生理解集成運(yùn)放在模擬電路基本運(yùn)算方面的應(yīng)用。而積分和微分電路實(shí)際電路和理想電路有所不同。本節(jié)就基于集成運(yùn)放的積分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)際積分電路運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 實(shí)際積分運(yùn)算電路

積分電阻和電容的選擇，也就是時(shí)間常數(shù)的選擇可以依據(jù)輸入信號(hào)的頻率來(lái)選取，電容一般選取nF 級(jí)別無(wú)極性電容，電阻選擇kΩ 級(jí)別，學(xué)生可以借助理論推導(dǎo)計(jì)算和仿真軟件輔助分析的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，理想積分電路對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行積分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可以看出，方波信號(hào)經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換成三角波信號(hào)，但是由于電路直流通路處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，將會(huì)放大實(shí)際運(yùn)放存在微小失調(diào)電壓在輸出端，產(chǎn)生直流偏置，為了消除直流偏置，可在積分電容C 兩端并聯(lián)附加電阻Rf用來(lái)消直流偏移。附加電阻的選擇是本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)選擇不同附加電阻觀測(cè)輸入輸出電壓波形的關(guān)系加深理解實(shí)際積分電路如何設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該如何權(quán)衡電路直流性能和信號(hào)性能的關(guān)系。圖5 為增加了附加電阻的實(shí)驗(yàn)波形。

圖4 理想積分電路的輸入輸出波形

圖5 不同附加電阻值的輸入輸出波形

其中圖5(a)附加電阻選擇了和積分電阻相同阻值的電阻，可以看出雖然輸出端的直流偏置得到了消除，但是輸出波形已嚴(yán)重失真。圖5(b)為附加電阻選擇10 倍的積分電阻，輸出端為無(wú)直流偏移的三角波信號(hào)。

3.2 基于集成運(yùn)放的混沌電路設(shè)計(jì)

集成運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生有著廣泛的應(yīng)用，目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中已有正弦波產(chǎn)生電路、三角波方波產(chǎn)生電路和鋸齒波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)，但未涉及更為復(fù)雜的混沌信號(hào)。混沌現(xiàn)象是發(fā)生在確定系統(tǒng)中貌似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使用電阻、電容、電感和運(yùn)放等元件可以構(gòu)建混沌信號(hào)產(chǎn)生電路，將該部分增加至現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有助于豐富集成運(yùn)放在信號(hào)產(chǎn)生方面的應(yīng)用，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和鍛煉學(xué)生的電路調(diào)測(cè)能力，本實(shí)驗(yàn)選擇典型的蔡氏混沌電路如圖6所示。由運(yùn)放和電阻等構(gòu)成了等效負(fù)阻結(jié)構(gòu)。

圖6 基于集成運(yùn)放的蔡氏混沌電路

由于混沌信號(hào)產(chǎn)生電路對(duì)元件參數(shù)比較敏感，因此該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中要求學(xué)生先采用仿真軟件搭建電路，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)元件參數(shù)，得到雙渦卷和單渦卷混沌信號(hào)，兩種情況下電壓V1和V2時(shí)域波形和V1-V2相圖的仿真波形如圖7 和圖8 所示。

圖7 雙渦卷混沌信號(hào)仿真波形

圖8 單渦卷混沌信號(hào)仿真波形

參考仿真電路選取的元件參數(shù)在實(shí)驗(yàn)箱上選擇相近動(dòng)態(tài)元件，通過(guò)調(diào)節(jié)R 的阻值得到相應(yīng)雙渦卷和單渦卷混沌信號(hào)的實(shí)驗(yàn)波形如圖9 和圖10 所示。

圖9 雙渦卷混沌信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形

圖10 單渦卷混沌信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形

可以看出混沌電路實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形基本一致，體現(xiàn)出仿真軟件的使用在復(fù)雜集成運(yùn)放電路設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性，在鍛煉電路調(diào)測(cè)綜合能力的同時(shí)直接觀測(cè)到混沌信號(hào)也可引起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情興趣。

4 結(jié)語(yǔ)

課題組針對(duì)目前模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，自主研發(fā)了集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)箱，并在實(shí)驗(yàn)箱上開(kāi)發(fā)了集成運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)案例應(yīng)用至教學(xué)。