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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,其中涉及加法、减法和反相比例等电路的运用,规定可以实现函数()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
要实现函数,可运用两个反向加法运算放大电路,一方面可在第一级电路中输入vi1与vi2,进行计算后,运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,同步也为第二级的输入,第二级也使用一种反向加法运算放大电路,在第二级中输入信号vi3,通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=2kΩ,R2=10kΩ,R3=10kΩ,R4=1kΩ,R5=2kΩ,R6=1kΩ,R7=1kΩ
R8=1kΩ
其中R4与R8作为整个电路的平衡电阻。
运用同向两个减法器实现,由于此设计是两个同向的减法器,在通过第一级运方时,输入两路信号,同向端输入vi3,反向端输入vi2,通过运放可得到vi3’-vi2’,在通过第二级运放,同相端输入vi1,反向端为vi3’-vi2’,通过减法器即可得到vi1’-(vi3’-vi2’),即vi1’+vi2-’vi3’,通过计算得出电阻的阻值。最后使得信号输出为。(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=10kΩ,R2=27kΩ,R3=895kΩ,R4=5kΩ,R5=3kΩ,R6=20kΩ
R7=2kΩ,R8=18kΩ
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
可运用一种同向比例放大与一种减法器实现,通过计算只运用一种减法器不可以使vi1的倍数放大到5倍,因此先通过一种同向比例放大器将vi1放大,输入到第二级的同相放大端,同步通向放大端再输入一种vi2,实现vi1’+vi2’,在运算放大器的反向输入端输入vi3,最后输出信号为vi1’+vi2’-vi3’,通过计算可以算出电阻的阻值,使得。
(如图4所示)
图4一种同向比例放大器与一种同向减法器实现
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=10kΩ,R2=,R3=40kΩ,R4=20kΩ,R5=20kΩ,R6=33kΩ
R7=3kΩ。
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
通过计算以及仿真,方案一的电路简洁明了,使用电阻较少,计算以便简朴,有助于实践操作中对电阻及时进行更改。同步每条线路电阻的阻值可以直接选用1kΩ,2kΩ,10kΩ的电阻,即可实现所规定倍数的放大,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别,往往不是精确的,电阻过多会导致误差较大,因此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
一方面可在第一级电路中输入vi1与vi2,进行计算后,运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,同步也为第二级的输入,第二级也使用一种反向加法运算放大电路,在第二级中输入信号vi3,通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=2kΩ,R2=10kΩ,R3=10kΩ,R4=1kΩ,R5=2kΩ,R6=1kΩ,R7=1kΩ
R8=1kΩ
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,,,根据
,%。
根据规定使用的运放信号为LF353,查阅资料得到LF353双JFET输入运算放大器,一种内部补偿输入失调电压。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±。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,重要功能:运放A输出端;引脚2,重要功能:运放A负输入端;引脚3,重要功能:运放A正输入端;引脚4,重要功能:负电源电压;引脚5,重要功能:运放B正输入端
;引脚6,运放B负输入端7;重要功能:运放B输出端;引脚8,重要功能:正电源电压。
R为滑动变阻器,vi为输入电压,通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
一方面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,并用万用表测量拟定与否为±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。用万用表测量每一种输入端的电压,看与否在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,不满足规定的原则。通过检查和向教师请教发现滑动变阻器的三个脚没有全接入电路中,有一种脚应当接地,而我们却忽视了,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地,调到合适的阻值后,再进行测量,输出的电压满足规定。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%
接着,进行完直流电压测量后,运用示波器观测输入与输出电压。先将函数发生器与示波器相连,观测函数发生器输出的波形与否对的,观测到输出的波形对的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。接好后发现示波器中只浮现了输入波形而无输出波形,通过检查发现,在连接示波器中遇到面包板上的导线,导致接触不良,通过多次调节,重要是导线的重新安装或者将其压紧,最后得到了波形输出。(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)