北京邮电大学电路实验报告

电子电路综合实验报告课题名称：基于运算放大器的彩灯显示电路的设计与实现
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一、摘要：
运用运算放大器设计一个彩灯显示电路，通过迟滞电压比较器和反向积分器构成方波—三角波发生器，三角波送入比较器与一系列直流电平比较，比较器输出端会分别输出高电平和低电平，从而顺序点亮或熄灭接在比较器输出端的发光管。

关键字：
模拟电路，高低电平，运算放大器，振荡，比较
二、设计任务要求：
利用运算放大器LM324设计一个彩灯显示电路，让排成一排的5个红色发光二极管(R1～R5)重复地依次点亮再依次熄灭（全灭→R1→R1R2→R1R2R3→R1R2R3R4→R1R2R3R4R5→R1R2R3R4→R1R2R3→R1R2→R1→全灭），同时让排成一排的6个绿色发光二极管（G1～G6）单光点来回扫描点亮（G1→G2→G3→G4→G5→G6→G5→G4→G3→G2→G1）。

要求：彩灯的变化速度均匀且可以调节,而且人眼能够识别彩灯的变化，所拥有的供电条件为直流电源±12V。

三、设计思路，总体结构框图：
根据任务要求，可以设计一个如图2-27所示的电路，图中振荡电路产生频率可调的三角波信号，三角波信号被送入比较器电路与一系列直流电平比较，根据三角波信号瞬时值的大小不同，比较器的输出端会分别输出高电平或低电平，这些高、低电平可以按照任务要求的顺序点亮或熄灭接在比较器输出端的发光管，达到任务要求的彩灯显示效果。

四、分块电路和总体电路的设计：
1、振荡电路的设计：
三角波振荡电路可以采用如图2-28所示电路，这是一种常见的由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器电路，图2-28中运放A1接成迟滞电压比较器，A2接成反相输入式积分器，积分器的输入电压取自迟滞电压比较器的输出，迟滞电压比较器的输入信号来自积分器的输出。

假设迟滞电压比较器输出U o1初始值为高电平，该高电平经过积分器在U o2端得到线性下降的输出信号，此线性下降的信号又反馈至迟滞电压比较器的输入端，当其下降至比较器的下门限电压U th-时，比较器的输出发生跳变，由高电平跳变为低电平，该低电平经过积分器在U o2端得到线性上升的输出信号，此线性上升的信号又反馈至迟滞电压比较器的输入端，当其上升至比较器的上门限电压U th+时，比较器的输出发生跳变，由低电平跳变为高电平，此后，不断重复上述过程，从而在迟滞电压比较器的输出端U o1得到方波信号，在反向积分器的输出端U o2得到三角波信号。

假设稳压管反向击穿时的稳定电压为U Z，正向导通电压为U D，由理论分析可知，该电路方波和三角波的输出幅度分别为：
式（5）中R P2为电位器R P动头2端对地电阻，R P1为电位器1端对地的电阻。

由上述各式可知，该电路输出方波的幅度由稳压管的稳压值和正向导通电压决定，三角波的输出幅度决定于稳压管的稳压值和正向导通电压以及反馈比R1/R f，而振荡频率与稳压管的稳压值和正向导通电压无关，因此，通过调换具有不同稳压值和正向导通电压的稳压管可以成比例地改变方波和三角波的幅度而不改变振荡频
率。

电位器的滑动比
R P2/R P1和积分器的积分时间常数R2C的改变只影响振荡频率而不影响振荡幅度，而反馈比R1/R f的改变会使振荡频率和振荡幅度同时发生变化。

因此，一般用改变积分时间常数的方法进行频段的转换，用调节电位器滑动头的位置来进行频段内的频率调节。

2、比较电路与发光管的设计：
如图2-29所示电路中，由6个电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6组成的电阻链将±12V电压分成5个等级，设R1=R2=R3=R4=R5=R6=R，则这5个电压等级分别是-8V、-4V、0V、4V和8V，这5个等级的电压分别作为5个电压比较器（U2D、U2C、U2B、U2A和U1D）的基准电压分别接到这5个比较器的反相输入端。

三角波振荡电路产生的三角波信号（用u i表示）同时加到这5个电压比较器的同相输入，与这5个基准电压进行比较。

每个电压比较器的输出端都通过一个限流电阻对地接一个红色的发光二极管，而6个绿色的发光二极管则与6个限流电阻串联构成绿色发光二极管链，与5个电压比较器的输出端连接。

当u i<-8V时，5个电压比较器均输出低电平，5个红色发光二极管全不亮，绿色发光二极管只有LED11亮，当-8V<u i<-4V时，电压比较器U2D输出为高电平，其余的电压比较器输出均为低电平，红色发光二极管只有LED5亮，绿色发光二极管只有LED10亮，当-4V<u i<0V时，电压比较器U2D和U2C输出为高电平，其余的电压比较器输出均为低电平，红色发光二极管LED5和LED4亮，绿色发光二极管只有LED9亮，当0V<u i<4V时，电压比较器U2D、U2C和U2B输出为高电平，其余的电压比较器输出均为低电平，红色发光二极管LED5、LED4和LED3亮，绿色发光二极管只有LED8亮，当4V<u i<8V时，电压比较器U2D、U2C、U2B和U2A输出为高电平，其余的电压比较器输出为低电平，红色发光二极管LED5、LED4、LED3和LED2亮，绿色发光二极管只有LED7亮，当8V<u i时，5个电压比较器均输出高电平，5个红色发光二极管全亮，绿色发光二极管只有LED6亮。

当输入的三角波信号在±10V的峰峰值范围内慢速（2HZ以内）变化时，电压比较器输出端所接的红绿发光二极管即可按照实验任务要求的效果显示。

五、所实现功能说明：
1、基本功能：
排成一排的5个红色发光二极管(R1～R5)重复地依次点亮再依次熄灭（全灭→R1→R1R2→R1R2R3→R1R2R3R4→R1R2R3R4R5→R1R2R3R4→R1R2R3→R1R2→R1→全灭），同时排成一排的6个绿色发光二极管（G1～G6）单光点来回扫描点亮（G1→G2→G3→G4→G5→G6→G5→G4→G3→G2→G1）。

同时彩灯的变化速度均匀且可以调节,而且人眼能够识别彩灯的变化。

2、主要测试数据：
输出信号变化的频率范围：0.118Hz—1.381Hz
方波Vopp=12.6V
三角波Vopp=±10.4V
基准电压：-8.1V，-3.9V，0V，4.1V，8.1V
3、必要的测试方法：
将正负12V直流电源接入面包板正负极，观察红绿小灯闪烁情况并调节电位器，使之达到合适速度，人眼能清楚观察到红绿小灯变化匀速且红灯驻点增减，绿灯单点扫描。

然后接入示波器，测量方波和三角波幅值，并在示波器上读出三角波频率大小。

继续调节电位器，观察三角波频率可变范围并记录数据。

六、故障及问题分析：
在实验过程中，出现了几次失败的情况。

第一次和第二次，均是由于电路设计的不好，导致导线和元器件分布过于密集，电路连接有错。

第三次是因为粗心而忘记了正负电源的接法，没有接地。

在经过重新连接后，又出现了稳压源故障的问题，经过检查，是因为电流CURRENT调节的问题。

七、总结和结论：
通过本次实验，我对电路的设计和元器件的位置安排有了新的认识，电路设计的巧妙，连接出现的问题就会少很多，而且当出现问题时方便查找，能节省不少时间，应该在动手连接之前先进行设计，这是整个实验成功的第一步。

另外，当出现问题时，如何查找十分关键，有可能是电路连接的问题，还有可能是元器件损坏，或者没有调试合适，这时，不能手忙脚乱的拆电路，重新连，而是要先分析出现故障可能的原因，逐一排除。

应该注意的是，实验中出现的问题更多是因为粗心而把一些基础的东西忘掉，例如正负电源如何接。

同时，利用示波器等其他工具可以帮助我们更好的检查问题。

总体而言，本次实验的难点在于对电路的设计与连接，实验原理等方面还是较为简单，这种实验更加注重于实验的基本操作，动手能力，以及查找问题，排除故障的能力。

从知识层面讲，本次实验对于理解运算放大器的功能及其应用有很大帮助，还有对于信号的积分，比较，放大，将运算放大器实际应用于生活中，将使我们对它有更深层次的理解。

八、Multisim仿真原理图，波形图：
九、所用元器件及测试仪表清单：
元器件名称型号、规格数量
运算放大器LM3242片
双稳压管2DW2321个（材料箱内）发光二极管红5个（材料箱内1）发光二极管绿6个（材料箱内1）
测试仪表：
直流稳压源，示波器，万用表
十、参考文献：
《2017年模拟综合实验讲义》
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