1. 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。
实验内容：
设计制作一个交流信号采集调理电路，能够将带干扰的正弦波信号，经信号调理电路后得到带直流偏置的无干扰、不失真、被放大的正弦信号，同时输出过零点检测方波信号；并设计限幅保护电路。
实验任务分为基本实验和拓展实验。
基本实验要求：
1）输入信号是峰峰值为1V，频率为50Hz，并且叠加峰峰值为40mV，频率为5kHz的正弦波干扰信号。实验中运放可采用单电源供电（12V），也可采用双电源供电（±6V）。
2）设计带直流偏置的放大电路。使输出的正弦信号峰峰值为3V，并且叠加1.5V直流分量。
3）设计滤波器电路，滤除干扰信号。
4）设计过零点采集电路，输出过零点方波信号。
5）设计输出限幅保护电路，使输出电压限定在0~3.3V（误差在±0.7V以内）。
以上实验内容，先根据理论设计电路，运用Multisim仿真软件验证理论计算结果。然后在电子技术实验模块上实现电路功能，并利用实验室的设备测试电路的相关参数。
拓展实验要求：
1）输入信号不变，自行设计电路使输出信号峰峰值为5V，并叠加2.5V直流分量。运放要求单电源供电（5V）。理解并总结轨到轨运放和非轨到轨运放的差别。
2）完成1）后，分别使用肖特基二极管和普通硅二极管设计输出限幅保护电路，限制幅度在0~3.3V（误差在±0.7V以内），并查阅资料总结两种二极管的主要区别，那种二极管更适合做信号的限幅保护。
2. 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。
整个实验分为课前预习、课中实验、课后总结三个阶段：
第一阶段：课前预习阶段
1）掌握偏置放大电路、滤波器电路、过零点采集电路、限幅保护电路的设计方法。
2）查阅运放OP07、LM358、LMV358的数据手册，了解各运放的供电要求及主要性能参数。（是否支持单电源供电、供电电压范围、带宽增益积、是否为轨到轨运放）
3）查阅比较器LM393的数据手册，总结比较器和常规运放的主要区别。
4）根据题目要求，设计电路结构和参数，合理选择元器件型号。
5）运用Multisim软件完成上述电路的的设计和仿真，并验证设计的正确性。
第二阶段：课中实验阶段
1）根据仿真电路图在电子技术实验模块上搭建实验电路。
2）利用实验室的电源、信号发生器、示波器测试电路的相关参数。
3）检查验收。
第三阶段：课后总结阶段
1）对实验中出现的问题进行归纳总结。
2）攥写实验报告。
3. 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。
信号采集是非常基础的功能需求，大到航天、电力，小到日常家用电器、玩具等领域的产品都需要信号采集，本次实验针对实际信号采集应用进行设计。
本实验涉及到的知识点包括：偏置放大电路、滤波电路、限幅保护电路和信号转换电路的设计，Multisim软件仿真以及电路搭建调试、参数测量、实验结果分析等，并涉及示波器、信号发生器、直流稳压电源、万用表等设备的使用。
4. 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。
仪器设备：示波器、信号源、万用表、电子技术实验模块。
软件工具：Multisim。
主要元器件：运算放大器、比较器、二极管、电阻、电容。
5. 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）熟练使用Multisim仿真软件的能力，学会使用软件进行电路设计、仿真，并分析结果；
2）掌握使用运算放大器设计偏置放大电路、滤波电路的能力；
3）了解常用运放的种类及区别，并加深对供电方式、供电范围、带宽、输出轨到轨等的理解；了解不同类型二极管的区别。
4）培养学生自主学习与实践的能力，分析问题与解决问题的能力；
5）将《模拟电子技术》课程中的内容学以致用，培养学生整合、分析、运用知识的能力。
6. 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。
实际典型的控制系统一般由传感器、信号调理电路、信号采集和执行算法的处理器、被控单元等部分构成。信号调理电路的主要作用包括放大、滤波、限幅保护等。本实验针对交流信号采集进行实验设计，尽量让学生能够理论联系实际，感受实际电路设计应该考虑的地方和注意事项，比如：让同学理解实际多数处理器ADC允许采集的电压范围比较小且只能采集0V以上的电压，所以对交流信号进行采集要叠加直流偏置、幅值调整、输出限幅保护；同时，实际采集的信号一般会带有干扰，需要对其进行滤除，所以本实验对输入信号叠加干扰，让同学们观察有干扰的波形形状以及滤除干扰后的波形形状，体会滤波器在实际中的作用。另外，实际很多领域会对交流信号过零点进行采集，如电机控制、电源逆变器等，所以本实验也进行过零点采集的相关实验。考虑对成本敏感的产品，供电电路一般只采用单电源，所以本实验进阶要求同学使用单电源供电实现功能要求。
本实验的过程分为课前预习、课中实验、课后总结三个部分，具体如下。
（1）课前预习
1）布置任务，明确实验项目的完整功能和要求；
2）提供运放OP07、LM358、LMV358和比较器LM393的数据手册，学生可查阅了解运放的供电要求及主要性能参数。
3）引导学生将实验项目分解成多个模块。各个模块的实现方法有多种可能，应考虑各个方案的优缺点，选择合理的设计方案。
4）要求学生运用Multisim软件完成基础实验电路的设计和仿真，并验证设计的正确性。完成实验预考核和方可进入实验室进行实验。
（2）课中实验
1）学生在充分预习的基础上已经具备搭建信号调理电路的能力，课堂上可直接在电子技术实验模块上搭建实验电路。利用实验室的电源、信号发生器、示波器测试电路的相关参数。
2）每人一组，因材施教。针对每位同学的具体情况，单独指导，提高学生发现问题、思考问题、解决问题的能力。
验收要求：
a）检查实验电路中各部分模块，包括偏置放大电路、滤波电路、过零点采集电路及限幅保护电路的设计参数是否合理性，实现的难易程度以及成本等。能否完成信号调理电路的功能。
b）是否完成拓展实验部分。
c）对实验中出现的问题与学生进行及时交流。
（3）课后总结
安照要求撰写实验报告，对实验中出现的问题进行归纳总结。实验周期结束后以班级为单位交到所在班级报告箱。
7. 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。
本实验项目是设计制作一个交流信号采集调理电路，能够将带干扰的正弦波信号，经信号调理电路后得到带直流偏置的无干扰、不失真、被放大的正弦信号，同时输出过零点检测方波信号；并设计限幅保护电路。
基础实验要求：输入信号是峰峰值为1V，频率为50Hz，并且并且叠加频率为5kHz，叠加比例为20%的正弦波干扰信号。实验中运放可采用单电源供电（12V），也可采用双电源供电（±6V）。
根据实验要求，将基础实验分为偏置放大电路、滤波电路、过零点采集电路、保护电路四个模块进行分别设计，并且运放以单电源供电为例进行介绍。整体框图如图1所示。
图1 信号采集调理电路框图
1）偏置放大电路
偏置放大电路的种类较多，本实验只给出一种带直流偏置的差分放大电路作为参考。同学可自行设计该电路的结构（如加减法电路、交流耦合方式等等），为学生提供多种类型运放，包括双电源供电运放、单电源供电运放、轨导轨运放等。
参考电路的原理图如图2所示，其是在差分放大电路的基础上，将运放的正输入端引入一个偏置电压V1，实现叠加直流分量的作用。这样输入交流信号被放大后，同时会叠加一个固定电压值V1。
图2 偏置放大电路
在图2中，根据运放的“虚短”、“虚短”特性，同时使R2/R1=R3/R4，可推导出输入与输出的关系为：
2）滤波电路
本实验中，输入的正弦波信号频率为50Hz，模拟干扰的信号频率为5kHz，所以应设计低通滤波器滤除高频干扰。同学可自行设计滤波电路，设计合适的截止频率。本实验给的参考电路为一阶无源低通滤波电路，如图3所示，蓝色波形为带干扰的波形，粉色波形为滤除干扰后的波形。
图3 滤波电路
在图3滤波器电路图中，由R5和C1组成RC低通滤波器，截止频率为：
3）过零点采集电路
硬件过零点采集电路一般由比较器实现，同时考虑过零点附近容易出现振荡现象，所以比较器电路设计成滞回比较器形式，但滞回量过大对过零点的相位影响比较大，实际设计电路时要折中考虑滞回量的大小，基本不振荡的前提下，滞回量尽量小一些。
本实验给出的参考电路如图4所示，由于待比较信号已经有1.5V的直流分量，所以过零检测应与1.5V电压进行比较，并由电阻R6、R7引入滞回量，以减少过零附近的振荡现象。
图4 过零点采集电路
4）保护电路
保护电路在实际中的作用，主要是防止输入异常变大时，导致输出过大进而损坏后级采集电路。最简单的保护电路由二极管实现电压钳位，电压过高时二极管D1导通，电压过低时二极管D2导通，原理图如图5所示。此部分为同学提供普通硅二极管和肖特基二极管，同学可实际感受二者的管压降区别。
图5 保护电路
8. 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）实验项目名称
2）实验内容及要求
3）实验仪器及元器件
4）电路设计、参数计算与仿真分析
5）实验数据记录
6）实验过程中遇到的问题接解决方法
7）实验结束后的收获和心得体会
9. 考核要求与方法（限300字）
考核的节点、时间、标准及考核方法。
（1）实验操作（10分）。
1）课前预习（1分）：预习报告应考察设计的完整性，正确性。检查Multisim仿真软件使用情况及是否得到正确的仿真结果。
2）实验操作（1分）：主要考察对实验设备和实验方法的熟练程度，是否能正确分析和处理实验中的故障，以及对实验现象的正确解读。
3）实验验收（8分）：功能构思、电路功能和指标是否达到既定要求。电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。拓展实验的完成情况。
（2）实验报告（5分）。
实验内容规范完整。（1分）
实验原理、步骤、方案的描述。（4分）
10. 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。
具有很强的实用性
（1）难度适当，知识覆盖面广，综合性强，有助于融汇贯通模拟电子技术课程的知识。
（2）实现方法多样，给予学生足够的创新空间。
（3）聚焦工程实际，提高学生实际电路设计能力：
1）理解不同类型运放、二极管的特性，实际应如何选择；
2）理解实际采集交流信号叠加偏置的原因；
3）理解滤波器在信号采集时的作用；
4）理解实际设计运放电路也可以采用单电源供电；
5）理解滞回比较器的作用及对过零点的影响；
6）理解输出限幅保护的作用。