同相运算放大电路的设计

学号：0121414680512电子综合实训题目同相运算放大电路的设计学院理学院专业应用物理班级物理JD1401姓名陈玉成指导教师贾信庭2016年1月20日电子综合实训任务书学生姓名：陈玉成专业班级：物理JD1401指导老师：贾信庭工作单位：武汉理工大学理学院题目：同相运算放大电路的设计初始条件：直流稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具要求完成的主要任务：（包括电子综合实训工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求）1、技术要求：设计一种模拟信号的同相运算电路，其中包括加法、减法和反相比例等电路的运用，要求能够实现函数（）的三路可调输入模拟信号的运算，测试并记录下各节点的波形图。2、主要任务：（一）设计方案（1）按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；（2）以集成电路运算放大器LF353为主，设计一种模拟信号运算电路（实现方案）；（3）依据设计方案，进行预答辩；（二）实现方案（4）根据设计的实现方案，画出电路图；（5）查阅资料，确定所需各元器件型号和参数；（6）在面包板上组装电路；（7）自拟调整测试方法，并调试电路使其达到设计指标要求；（8）撰写设计说明书，进行答辩。3、撰写电子综合实训说明书：封面：题目，学院，专业，班级，姓名，学号，指导教师，日期任务书目录（自动生成）正文：1、技术指标；2、设计方案及其比较；3、实现方案；4、调试过程及结论；5、心得体会；6、参考文献成绩评定表时间安排：电子综合实训时间：19周－20周19周：明确任务，查阅资料，提出不同的设计方案（包括实现方案）并答辩；20周：按照实现方案进行电路布线并调试通过；撰写电子综合实训说明书。指导教师签名：年月日系主任（或负责老师）签名：年月日12350.5oiiivvvv目录1技术指标................................................................................................................12设计方案及其比较................................................................................................12.1方案一.........................................................................................................12.2方案二.........................................................................................................22.3方案三.........................................................................................................32.4方案比较.....................................................................................................33实现方案................................................................................................................44调试过程及结论....................................................................................................45心得体会................................................................................................................56参考文献................................................................................................................5武汉理工大学《电子综合实训Ⅰ》说明书1同相运算放大电路设计1技术指标设计一种模拟信号的同相运算电路，其中包括加法、减法和反相比例等电路的运用，要求能够实现函数（𝑣𝑜=5𝑣𝑖1+𝑣𝑖2−0.5𝑣𝑖3）的三路可调输入模拟信号的运算，测试并记录下各节点的波形图。2设计方案及其比较2.1方案一图1方案一原理图方案一的原理图如图所示，该方案采用差动输入方式，也是由一个LF353的运算放大器构成的两级输入结构，𝑣𝑖1，𝑣𝑖2，𝑣i3均在第一级输入，第二级为一反向比例运算器；其中𝑣𝑖1和𝑣𝑖2从反向输入端输入，𝑣i3从同向输入端输入，得:𝑣𝑜1=−(5𝑣𝑖1+𝑣𝑖2)+0.5𝑣𝑖3（1）再经过U1:A后得:𝑣𝑜=−𝑣𝑜1=5𝑣𝑖1+𝑣𝑖2−0.5𝑣𝑖3（2）由公式：𝑣𝑜1=(1+𝑅5𝑅3‖𝑅4)(𝑅2𝑅1+𝑅2)𝑣𝑖3−𝑅5𝑅3𝑣𝑖2−𝑅5𝑅4𝑣𝑖1（3）易知：(1+𝑅5𝑅3‖𝑅4)(𝑅2𝑅1+𝑅2)=0.5，𝑅5𝑅3=1，𝑅5𝑅4=5。武汉理工大学《电子综合实训Ⅰ》说明书2为抑制共模信号，从而提高共模抑制比，以保证电路精确度，故:𝑅1‖𝑅2=𝑅3‖𝑅4‖𝑅5（4）由𝑅5=5kΩ可求出:𝑅1=10kΩ，𝑅2=769Ω，𝑅3=5kΩ，𝑅4=1kΩ。对于U2:A，该运放电路仅起到反向作用，故：𝑅6=𝑅8=1kΩ。R7为平衡电阻，有：𝑅7=𝑅6‖𝑅8=500Ω。2.2方案二图2方案二的原理图方案二的原理图如图所示，该方案由两个LF353运算放大器构成。其中U1:B是一个反相比例运算器，U1:A是一个加法器，将𝑣𝑜3，𝑣𝑖1，𝑣𝑖2做加法运算。对U1:B，有𝑣𝑜3=−𝑅8𝑅7𝑣𝑖3=−0.5𝑣𝑖3（5）∴R8=1kΩR7=2kΩ又由于R6是平衡电阻，故:𝑅6=𝑅7‖𝑅8（6）故:𝑅6=670Ω。对U1:A：𝑣𝑜=𝑅5𝑅3𝑣𝑜3+𝑅5𝑅1𝑣𝑖1+𝑅5𝑅2𝑣𝑖2（7）设：𝑅5=5kΩ,故有:𝑅3=𝑅2=5kΩ，𝑅1=1kΩ。武汉理工大学《电子综合实训Ⅰ》说明书3已知：𝑅1‖𝑅2‖𝑅3=𝑅4‖𝑅5（8）故：𝑅4=833kΩ。2.3方案三图3方案三的原理图方案三的原理图如图所示，该方案采用差动输入方式，由一个LF353运算放大器构成。𝑣𝑖1，𝑣𝑖2均由正向端输入，𝑣𝑖3由反向端输入。输入输出关系为：𝑣𝑜=𝑅5𝑅1𝑣𝑖1+𝑅5𝑅2𝑣2−𝑅5𝑅3𝑣3（9）易知：𝑅5𝑅1=5，𝑅5𝑅2=1，𝑅5𝑅3=0.5。为抑制共模信号，故:𝑅1‖𝑅2‖𝑅4=𝑅3‖𝑅5（10）由𝑅5=5kΩ，可求出：𝑅1=1kΩ，𝑅2=5kΩ，𝑅3=10kΩ，𝑅4=1.11kΩ。2.4方案比较方案一采用差动输入方式分别从同向和反向端输入，由于运算放大器也没有“虚地”点，相当于在运放两端加上了大小相等，极性相同的共模信号，因此想要获得较高精度的运算还得选用共模抑制比高的运算放大器，该方案以差动输入从结果来看实际构成了一个减法器，后面接一个运放作为等比例反向比例运算器反向。方案一的电路较简单，但运算起来相对较麻烦并且仿真效果一般。武汉理工大学《电子综合实训Ⅰ》说明书4方案二同样只用了两个运放电路，却是最容易想到的方案，从过程上来看，它先将v𝑖3反相，再通过加法器将三个输入电压相加完成计算，计算思路清晰，近乎可以口算出各电阻的参数值。方案三只用了一个运算放大器，耗材少，但没有隔离作用，不适合于集成电路中应用。综合上述比较，选择方案二为最佳方案。3实现方案从上面的方案比较来看，我们将选择方案二来实现，实现过程中我们将用到如下表（表1）中器件，其中直流源1为运放提供偏置电压，电源2提供输入电压。表1元件清单元件名称规格数量元件名称规格数量直流电源1±12V1运算放大器LF3532直流电源25V1面包板1滑动变阻器10k3导线若干电阻1k5剪刀1电阻2k5镊子1电阻10k5起子1按图2原理图接线，实物图如图4所示。用一个直流源提供三个可变电压进行三端输入，其中的三个滑动变阻器即用来改变输入的5V电压，经过变阻器的部分电阻分压后将𝑣𝑖输入到电路中。用万用表在合适的位置测量需要测的数据。从而得出结论。图4实现方案的实物图4调试过程及结论直流源1和直流源2由实验台直接提供，然后把±12V的直流源接在LF353的相应端口，把直流源2的正向端接到滑动变阻器的一端，另一端接地。打开电源开关，调节滑动武汉理工大学《电子综合实训Ⅰ》说明书5变阻器，用万用表测量𝑣𝑖1，𝑣𝑖2，𝑣𝑖3，𝑣𝑜。记录数据并计算理论值以及百分比误差。实验数据记录如表2所示。表2实验数据的记录次数𝑣𝑖1(V)𝑣𝑖2(V)𝑣𝑖3(V)𝑣𝑜理论值𝑣𝑜实验值误差（%）11.002.001.006.486.500.3121.501.502.008.068.000.7530.353.971.994.934.851.62由实验数据可知，三次测量精确度均小于2%，说明实现方案可以实现函数运算。5心得体会这是我第一次做课程设计，也是第一次接触这种不需要焊接而直接插线布线的面包板。显然这个课程设计没有我当初想的那么复杂，老师也不是我们所常理解的严肃古板，反而让人很亲切，或许是我们的年龄相差并不大吧。同时这小小课程设计也让我明白了并不是设计性的实验就一定那么难，其实科学与我们并不遥远。这短短几天的时间，让我了解到了电路设计的基本步骤，也更让我了解到模电这门课与我们的实际生活是那么的接近。从理论到实践，回顾起此课程设计，我感慨颇多，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了办公软件word的很多妙用，显然这是以前的我丛来不知道的，比如自动生成目录，设计插图格式等。同时这次的课程设计使我懂得了理论与实际相结合是非常重要的，扎实的理论知识只是实践的基础，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能通过真实的实验数据得出结论。因为，在这次实验中我与同组的一个合作，很快就完成了第一组数据的测量，板子连线没有出现任何问题，但是当我们计算误的时候，发现有一组数据误差超过了5%，显然这是很不妙的事情，但是当我们重新设计数据测量的时候也有同样问题，所以当时为了解决这个问题，我们花费了很多时间。所以我当时就感叹，实际与理论同等重要。也让我明白了坐而言不如立而行，对于这些电路要自己动手实际操作才会有深刻理解。6参考文献[1]吴友宇，刘可文.模拟电子电路.北京：科学出版社，2014.[2]LF353资料网址:本科生电子综合实训成绩评定表姓名陈玉成性别男专业、班级物理JD1401电子综合实训题目：同相运算放大电路设计电子综合实训答辩或质疑记录：1.你的三个实验方案电脑仿真结果如何？答：我设计的三个实验方案都用了Multisim电子仿真软件做了仿真。我的第一个仿真均输入1V,运行结果为：5.50V。第二个方案我设计输入𝒗𝒊𝟏=2V，𝒗𝒊𝟐=1V，𝒗𝐢𝟑=4V，输出结果为：9.00V。第三个方案我设计输入𝒗𝒊𝟏=1V，𝒗𝒊𝟐=2V，𝒗𝐢𝟑=2V，仿真结果为：6.00V。显然我的三个设计方案都是合理的。2.