集成運算電路實驗箱研制及案例開發

盧振洲

（杭州電子科技大學 電工電子國家級實驗教學示范中心 電子信息學院，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據的時代，模擬電子技術仍然是一門實用的學問，對實物電路的分析和研究有助于學生們更加深刻理解理論知識。模擬電子技術實驗有助于學生提高解決復雜電路問題和故障的能力和工程意識和創新思維[1]。

集成運算（Operational Amplifier，簡稱OP）放大電路既是模擬電子技術的基礎，又是其核心。OP 放大電路具有廣泛的應用，例如基本運算電路、濾波器、回轉器和信號發生器等，基于集成運放電路，學生自主設計其它更加復雜的應用電路，不僅可以強化理論知識的理解，而且可以用來培養學生創新能力及動手能力[2]，提升學生競賽技能水平[3]。

1 教學現狀分析

現階段國內外高校關于集成運放電路的教學大多采用給出電路拓撲結構，學生根據指標完成電路設計驗證實驗原理，學生學習的主動性較差，不能培養學生綜合能力。我校集成運放電路的內容僅涉及了其線性應用，沒有考慮集成運放的非理想特性，缺少比較理想OP 放大電路和實際放大電路的實驗現象差異，不利于學生工程應用能力的培養。

我校電工電子實驗中心自2006 年被批準為國家級實驗教學示范中心來，面向全校電子信息工程、通信工程等多個專業承擔模擬電子技術實驗課程，共32 課時，其中4 個實驗項目：集成運算放大器的線性應用、負反饋放大器、電平檢測器的設計與應用、波形產生及變換電路，占課程總課時1/3 以上，可以看出其重要性，同時這些實驗內容均未涉及集成運放內部電路結構、主要的直流指標（輸入電阻、輸出電阻、輸入失調電壓、差模開環直流電壓增益、共模抑制比等）和交流指標（帶寬、壓擺率等），導致學生無法系統理解集成運放相關理論知識點。因此需要在需要調整實驗內容，進行必要的教學改革[4～5]。

2 集成運算電路實驗箱研制

目前實驗室選用的實驗箱如圖1 所示，有多路直流電壓源輸出和交流電壓源輸出，學生通過導線將分立元件連接在一起，這種實驗方式可以一定程度避免實驗元件的浪費，且有助于理解電路的組成結構和工作原理，鍛煉學生的工程實踐能力，但是也存在著一些問題，導線容易出現損壞，排查故障難度大、目的不明確，往往連接線、檢查線會占掉較多的時間，無法開展較復雜的電路設計，因此可以適當調減需要連接線的實驗項目，課題組據此研制了集成運算電路實驗箱。

圖1 模擬電路實驗箱

2.1 技術路線

集成運算電路試驗箱按照電路的連接方式分為負反饋結構、正反饋結構和正負反饋結構三個部分。

負反饋結構可以選擇反相比例、同相比例、反相加法和減法電路的一種供學生掌握集成運放的線性應用，重點是實際積分電路和微分電路的設計，由于實際運算放大器存在失調電壓等原因，需要額外增加附加電阻，學生可以通過改變電路參數觀察實驗現象的方式，通過對比的方式靈活掌握相關知識，而不是死記硬背。

對于正反饋結構，集成運算工作在非線性區域，可以通過反相滯回電路和同相滯回電路的設計，充分理解集成運放的開關特性知識點，掌握根據電路性能指標要求選擇合適的集成運算放大器。

選擇了典型正負反饋電路結構拓撲文氏電橋正弦波產生電路、張弛振蕩電路和等效負阻等，通過正弦波、方波等波形的產生使學生充分掌握集成運放在波形產生及變換等電路中的應用，通過等效負阻的應用，學生鞏固二端口網絡和戴維南定理等知識點，并可以將等效負阻應用至蔡氏電路中，觀測更加復雜的混沌振蕩電路結構中。

2.2 硬件電路設計

課題組設計的集成運算電路實驗箱電路板如圖2 所示，共使用了3 片四通道集成運放TL084，供電采用DC 12V 的電源適配器通過電源模塊轉換為±15V 的供電，搭建了比例運算/積分微分電路、指數對數函數、有源濾波器、混沌電路、遲滯比較器、方波發生器、等效負阻、文氏電橋、RMS 計算電路、D/A 轉換電路固定電路模塊。

圖2 集成運算電路實驗箱主板

集成運算電路實驗箱固定電路模塊已完成運放供電和基本電路元件的連接，涉及電路設計和參數選取通過排針引出，學生可以使用跳線帽、杜邦線等完成電路的連接和參數的選取，避免了學生因為電源的誤接導致的芯片損壞，也減少了接線的工作量，保證在有限的課堂教學中可以完成更加豐富的實驗內容，同時在設計過程時考慮了課外教學，實驗箱具有很好的攜帶性，可與口袋儀器等搭配使用。

3 集成運算電路實驗案例開發

3.1 基于集成運放的積分電路設計

集成運算放大器的負反饋結果中的反相比例、同相比例、加減法等結構實際電路與理想電路相同，可以幫助學生理解集成運放在模擬電路基本運算方面的應用。而積分和微分電路實際電路和理想電路有所不同。本節就基于集成運放的積分電路設計進行說明。實際積分電路運算電路結構如圖3 所示。

圖3 實際積分運算電路

積分電阻和電容的選擇，也就是時間常數的選擇可以依據輸入信號的頻率來選取，電容一般選取nF 級別無極性電容，電阻選擇kΩ 級別，學生可以借助理論推導計算和仿真軟件輔助分析的方式進行設計，理想積分電路對方波信號進行積分的實驗結果如圖4 所示。

從圖4 可以看出，方波信號經積分電路轉換成三角波信號，但是由于電路直流通路處于開環狀態，將會放大實際運放存在微小失調電壓在輸出端，產生直流偏置，為了消除直流偏置，可在積分電容C 兩端并聯附加電阻Rf用來消直流偏移。附加電阻的選擇是本實驗內容一個重要的知識點，通過選擇不同附加電阻觀測輸入輸出電壓波形的關系加深理解實際積分電路如何設計，設計過程中應該如何權衡電路直流性能和信號性能的關系。圖5 為增加了附加電阻的實驗波形。

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，輸出端為無直流偏移的三角波信號。

3.2 基于集成運放的混沌電路設計

集成運算放大器在波形產生有著廣泛的應用，目前實驗教學內容中已有正弦波產生電路、三角波方波產生電路和鋸齒波產生電路的設計，但未涉及更為復雜的混沌信號。混沌現象是發生在確定系統中貌似隨機的不規則運動，使用電阻、電容、電感和運放等元件可以構建混沌信號產生電路，將該部分增加至現有實驗內容，有助于豐富集成運放在信號產生方面的應用，同時也可以培養學生的創新意識和鍛煉學生的電路調測能力，本實驗選擇典型的蔡氏混沌電路如圖6所示。由運放和電阻等構成了等效負阻結構。

圖6 基于集成運放的蔡氏混沌電路

由于混沌信號產生電路對元件參數比較敏感，因此該實驗項目的實施過程中要求學生先采用仿真軟件搭建電路，通過不斷調節元件參數，得到雙渦卷和單渦卷混沌信號，兩種情況下電壓V1和V2時域波形和V1-V2相圖的仿真波形如圖7 和圖8 所示。

圖7 雙渦卷混沌信號仿真波形

圖8 單渦卷混沌信號仿真波形

參考仿真電路選取的元件參數在實驗箱上選擇相近動態元件，通過調節R 的阻值得到相應雙渦卷和單渦卷混沌信號的實驗波形如圖9 和圖10 所示。

圖9 雙渦卷混沌信號實驗波形

圖10 單渦卷混沌信號實驗波形

可以看出混沌電路實驗波形與仿真波形基本一致，體現出仿真軟件的使用在復雜集成運放電路設計過程的有效性，在鍛煉電路調測綜合能力的同時直接觀測到混沌信號也可引起學生的學習熱情興趣。

4 結語

課題組針對目前模擬電子技術實驗存在的問題，自主研發了集成運算電路實驗箱，并在實驗箱上開發了集成運算電路實驗案例應用至教學。