同向运算放大电路的设计

1、 武汉理工大学专业课程设计（一）课程设计说明书 同向运算放大电路的设计1 技术指标 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，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 设计方案及其比较2.1 方案一 要实现函数 ，可利用两个反向加法运算放大电路，首先可在第一级电路中输入vi1与vi2，进行计算后，利用不同阻值的电阻使信号达到5vi1+vi2，实现两个信号的相加，第一级电路的输出则会使信号反向变为-5vi1-vi2，同时也为第二级的输入，第二级也使用一个反向加法运算放大电路，在第二级中输入信号

2、vi3，经过运算放大器即会实现 。（如图1所示） 图1 两个反向加法器实现运算其中根据虚短和虚断可以得出Vp=Vn，根据计算 Vo=R7R3Vi1/R6R1+R7R3Vi2/R6R2-R7Vi3/R5.(1)选择R1=2k，R2=10k，R3=10k，R4=1k，R5=2k，R6=1k，R7=1kR8=1k其中R4与R8作为整个电路的平衡电阻。2.2 方案二 利用同向两个减法器实现，由于此设计是两个同向的减法器，在经过第一级运方时，输入两路信号，同向端输入vi3，反向端输入vi2，经过运放可得到vi3-vi2，在经过第二级运放，同相端输入vi1，反向端为vi3-vi2，经过减法器即可得到vi1

3、-（vi3-vi2），即vi1+vi2-vi3，经过计算得出电阻的阻值。最终使得信号输出为 。（如图2所示） 图2 两个同向减法器实现运算其中根据虚短和虚断可以得出Vp=Vn，根据计算得出 Vo=（1+R8/R7）(1+R1/R6)Vi1+R5R8/R2R7Vi2-R8R4(R2+R5)/R7R2(R3+R4)Vi3.(2)根据上述式子可选择R1=10k，R2=27k，R3=895k,R4=5k,R5=3k,R6=20kR7=2k,R8=18k如图3为方案二的仿真图 （a）方案二的仿真电路 （b）方案二的波形图 图3 方案二的仿真电路与波形2.3 方案三 可利用一个同向比例放大与一个减法器实现

4、，经过计算只利用一个减法器不能够使vi1的倍数放大到5倍，所以先经过一个同向比例放大器将vi1放大，输入到第二级的同相放大端，同时通向放大端再输入一个vi2，实现vi1+vi2，在运算放大器的反向输入端输入vi3，最终输出信号为 vi1+vi2-vi3，经过计算可以算出电阻的阻值，使得 。（如图4所示） 图4 一个同向比例放大器与一个同向减法器实现其中根据虚短和虚断可以得出Vp=Vn，根据计算得出 Vo=（1+R4/R3）(R2R5/R1R2+R1R5+R2R3)Vi1+(1+R4/R3)(R1R5/R1R2+R1R5+R2R3)-R4/R3Vi3.(3)根据上述式子可选择R1=10k，R2=

5、12.5k，R3=40k,R4=20k,R5=20k,R6=33kR7=3k。 如图5所示为方案三的仿真。 （a）方案三的电路图 （b）方案三的输入输出波形 图5 方案三仿真电路与波形2.4 方案比较 经过计算以及仿真，方案一的电路简洁明了，使用电阻较少，计算方便简单，有利于实践操作中对电阻及时进行更改。同时每条线路电阻的阻值可以直接选用1k，2k，10k的电阻，即可实现所要求倍数的放大，避免了电阻的并联或串联，在接线中减少错误。由于电阻的阻值和理论上的存在差异，往往不是精确的，电阻过多会造成误差较大，所以选择方案一是比较合理的。3 实现方案 选择方案一的电路为实验电路如图1所示 首先可在第一

6、级电路中输入vi1与vi2，进行计算后，利用不同阻值的电阻使信号达到5vi1+vi2，实现两个信号的相加，第一级电路的输出则会使信号反向变为-5vi1-vi2，同时也为第二级的输入，第二级也使用一个反向加法运算放大电路，在第二级中输入信号vi3，经过运算放大器即会实现 。其中根据虚短和虚断可以得出vp=vn，根据计算（vi-vn）/R1=(vn-vo)/R3.(4) Vo=-R3×Vi1/R1.(5) Vo=-R3×Vi2/R2.(6) Vo=R7R3Vi1/R6R1+R7R3Vi2/R6R2-R7Vi3/R5.(7) 选择R1=2k，R2=10k，R3=10k，R4=1k

7、，R5=2k，R6=1k，R7=1k R8=1k 如图6所示为方案一的仿真 （a）方案一电路图 （b）输入信号为直流时输入输出电压比较 （c）输入信号为交流时输入与输出波形 图6 方案一的仿真如图6(a)所示其中R7，R8为平衡电阻使放大器平衡，图中的B1，B2，B3，B4为直流电压源，为运算放大器提供合适的偏置电压，使运算放大器正常工作。 从图6b）中可以看出，输入电压Vi1，Vi2，Vi3，都为0.35v，输出电压为1.90v，根据 可以算出电压输出的理论值为1.925v，相对误差为1.29%。 根据要求使用的运放信号为LF353，查阅资料得到LF353双JFET输入运算放大器，一个内部补

8、偿输入失调电压。双通道场效应输入运算放大器（内带补偿输入失调电压）。性能参数：双列直插八脚封装；电源电压：±5±18V;开环电压增益110dB;输入偏置电流50p;转换速率13V；输出电压±13.5V。设定直流电压为±12v。如图7所示为测试电路的布线图 图7 所示为测试电路的布线图引脚 1 ,主要功能:运放A输出端;引脚2, 主要功能: 运放A负输入端;引脚 3 ,主要功能: 运放A正输入端;引脚4,主要功能: 负电源电压;引脚5 , 主要功能: 运放B正输入端;引脚6 ,运放B负输入端7;主要功能:运放B输出端；引脚8，主要功能:正电源电压。R为滑动

9、变阻器，vi为输入电压，经过滑动变阻器后可分为三路不同的电压。4 调试过程及结论4.1 调试过程 首先我们将直流电压源中间两个接地端短路，将直流电压分别调到±12v，并用万用表测量确定是否为±12v然后将电源负电压接到运放的4引脚，正电压接到运放的8引脚。用万用表测量每一个输入端的电压，看是否在5v以内，没有在5v以内的输出很容易导致失真。在一开始进行测量的时候并不顺利，输入电压过大，导致输出电压失真，不满足要求的标准。经过检查和向老师请教发现滑动变阻器的三个脚没有全接入电路中，有一个脚应该接地，而我们却忽略了，于是我们将滑阻的中间脚接入电路中，两端的脚一端接直流电源一端接

10、地，调到合适的阻值后，再进行测量，输出的电压满足要求。测量并记录多组数据。如表1所示 表1 输入与输出电压 Vi1（v）Vi2（v）Vi3（v）测量值VO （v）理论值VO（v）相对误差w%1.813.467.588.598.7201.491.673.737.858.258.1551.161.793.578.218.338.4151.01 接着，进行完直流电压测量后，利用示波器观察输入与输出电压。先将函数发生器与示波器相连，观察函数发生器输出的波形是否正确，观察到输出的波形正确后将函数发生器接入到电路的输入端，并将示波器的X端也接到输入端，Y端接在电路的输出端，也就是运算放大器的引脚7。接好后

11、发现示波器中只出现了输入波形而无输出波形，经过检查发现，在连接示波器中碰到面包板上的导线，导致接触不良，经过多次调整，主要是导线的重新安装或者将其压紧，最终得到了波形输出。（如图8所示） 图8 输入与输出波形测完同向的一组波形接着测一组反向的，将输入端接在第三个端口也就是Vi3上，输出接在放大器的引脚7，得到输入与输出波形。（如图9所示） 图9输入波形与输出反向波形由于输入的为Vi3，如图所示输出波形与输入波形基本为1/2的关系。如图10所示为电路在面包板上的实际布线图 图10 面包板上的实际布线图4.2 结论 经过计算仿真以及实际操作，直流电压输入时，根据表格可以看出理论值与实际值差别不大，

12、基本可以得出 的关系。输入为正弦信号时，根据波形图也可以推断出设计基本正确。5 心得体会 这一次的课程设计给我带来了很大的收获，从一开始的原理图设计到实际面包板的线路连接再到调试都给我很多的收获。 一开始知道课题后，虽然感觉比较简单，但是我还是找来相关书籍进行阅读，了解运算放大器的工作原理，开始构思设计的同向放大的电路。在资料的查阅当中也学到了其他的有关知识。我觉得课程设计给我们提供了一个很好的学习契机，让我们能够通过自己学习，自己查阅资料了解与课程相关的东西，最重要的是可以进行实践操作，让我们把书本上的东西运用到实际当中来。 实际操作时是两个人搭档，在实际线路的布置中两个人的配合就尤为重要，

13、从方案的选择到线路的连接，都需要两个人达到共识。我们组配合的还不错，这给实践带来了很多好处，大大减少了不必要的时间浪费。在布线中一个人往往会没注意到一些小细节而导致线路错误。比如没有注意到面包板上竖向为导通而导致的线路短路，或者线路的不合理导致飞线，有同伴的提醒会大大提高工作效率，能够及时的改正错误。同时这也就锻炼了与人协调沟通的能力。 让我印象最为深刻的就是，实际操作与理论计算或是计算机仿真都存在很大的差别。原理图的设计较为简单，运用proteus仿真时也是很顺利，理论值与仿真的实际值几乎相等。然而实践操作就会遇到很多突发的情况。一开始没有考虑到只有一路信号，就没有使用滑动变阻器。了解到实际情况后，在运用滑动变阻器时，由于没有正确使用滑阻，在调试时总是达不到想要的效果，在询问老师后才了解到滑阻的使用。我们总以为是滑阻坏了，在换滑阻调滑阻上花费了我们很大一部分时间。这让我觉得在调试之前应该对各个部件进行详细的了解，预想可能出现的问题，并提出解决方案。实践操作时，会花费我们很多时间，由于第一次很多东西也没弄清楚，之前一直没有调试出来心里难免会有些急躁，但是做事情就应该心平气和，需要我们有耐心有针对性的解决问题。 总的来说这一次的课程设计给我很多收获，做事前的预备工作要做好