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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=-R3Vi1/R1.(5) Vo=-R3Vi2/R2.(6) Vo=R7R3Vi1/R6R1+R7R3Vi2/R6R2-R7Vi3/R5.(7) 选择R1=2k，R2=10k，R3=10k，R4=1k，R5=2k，R6=1k
7、，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，一个内部补偿输入失调电压。双通道场
8、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：518V;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
9、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。
