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1、1 设计任务描述1.1 设计题目：加法运算电路1.2 设计要求1.2.1 设计目的1) 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计 步聚，培养综合设计与调试能力；2) 学会利用运算放大器实现加减法电路；3) 学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法；4) 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。1.2.2 基本要求(1) 利用两级运算放大器实现u = 2u + 4u +uoi1i 2 i3( 2 )设计电路所需的直流稳压电源，要求包括整流、滤波、稳压。1.2.3 发挥部分( 1 )由于同相加法电路存在共模电压，将造成几个输入信号之间的互相影响，所以本次 设
2、计我选用两级运放反相输入，在第一级运用反相输入的求和电路，在第二级采用双端输 入式，从而实现课设要求的输出与输入的线性关系。(2) 在线性直流电源中，将普通的电容滤波更改为两个电容与一个电阻的n型滤波电路, 增加对交流分量的滤除。(3) 在线性直流电源中，将一般的稳压电路改为固定式三端集成稳压器工作。2 设计思路本次设计的课题是加法运算电路，其“加法”的含义是实现输出与输入的线性关系。本 次设计还要求设计为运算电路提供电源的线性直流稳压电源。首先这次设计的重点是加法运算电路，我需要设计一个电路使得其输出电压与输入电压 满足表达式。为满足这一线性关系，我选用两级放大来实现。经过一个学期的学习，我
3、大 致了解关于集成运算放大器的工作原理，而这次设计主要是关于运放的线性应用。首先第 一级放大电路中，由于同相输入存在共模电压，会造成几个输入信号之间的互相影响。而 反相输入式放大电路中，根据虚断的概念，同相位输入端的电位为零，相当于与地等电位， 即“虚地”。这样可保证运放输入端无共模信号。在第一级运算放大器的反相端输入施加 两个电压信号，从而达到两个输入电压与第一级运放的输出电压之间的线性关系。然后将 这一输出加到第二级运放的反相端，同时在第二级运放的同相端加入第三个信号源，实现 双端输入式放大电路，这种电路的的特点是输入电阻大、输出电阻小。最后实现最终的输 出电压与三个输入电压信号成一定的线
4、性关系。一个电路要想稳定的工作，一定需要用稳定的直流电源进行供电。直流电压通常是从交 流电网中转换获得，由于电网电压的波动，负载电流的变化，以及温度等环境因素的改变， 往往使得直流电压不稳定。而直流电源的功能就是将交流电网电压转换成稳定的直流电 压。电流稳压电源一般由变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。首先选择一个常 用的交流电源，利用变压器降压。然后通过二级管组成的单相桥式整流电路将经过变压器 降压的交流电整流。将普通的电容滤波更改为两个电容与一个电阻的n型滤波电路，增加 对交流分量的滤除滤波。最后的稳压部分，我选用固定三端式稳压器。两部分电路都设计好后，用 multisim 分别试调
5、，改正后。将线性直流稳压电路施加在 运算电路两端，使电路正常运行。3 设计方框图U1+U2U3图 3.1 设计方框图4 各部分电路设计及参数计算4.1 第一级运算放大电路4.1.1 工作原理5图4.1第一级运放电路电路分析：上图所示电路为反相放大电路，将两个信号加到运算放大器反相输入端， R4为反馈电阻，R3为平衡电阻。由于虚地、虚断及虚短定理，可求出输出电压。此电路 中利用输出电压vo1通过反馈元件（R4）对放大电路起自动调整作用，从而牵制了 vo1的 变化，最后达到输出稳定平衡。4.1.2 参数计算图4.1所示为反相输入的加法电路，它实质上是多端输入的电压并联负反馈电路。由于虚地，有v =
6、 J =0;此外，由于虚断，有i二i =0，对节点N，有n P n P4.1.1)V V V+ 2 = -O1R R R124v01可得4.1.2)由4.3.2节内容，R = 50KQ , R = 25KQ, R = 100KQ，故满足下列关系式 124v = -（4V + 2V ）（4.1.3）01 1 24.1.3 波形分析（1）当v为幅值1V的正弦波，v为幅值2V的矩形波，且频率都为2kHZ时，输出应该 12为幅值为10V的波形图。图 4.2 输出电压波形图4.2 第二级运算放大电路4.2.1 工作原理电路分析：如图4.3所示的放大电路，该放大电路采用双端输入的方式，图中Vol （矩形
7、波）通过R5加到反相端，V3 （正弦波）通过R7、R8分压后加到同相端。输出信号通过R6、 R5组成反馈网络加到反相端。双端输入放大电路的输出电压在线性工作条件下可利用叠加 定理进行参数计算。4.2.2参数计算图4 . 3为一个运放组成的差动输入的减法电路，运用虚短概念，有和由两式且V二V可知,V - V V - VO1n = nORR56V - VV3p = pRR78(4.2.l)(4.2.2)r vo1I R5V )R6丿RR5_6R + R56-(R V + R V )= V =R8VR + R 65 o pR + R 35678(4.2.3)np可解得R + R56RR )8八R +
8、 R丿78RV - V3 Ro1(4.2.4)由第4.3.2节内容可知R二2OK0, R二2OK0, R二4OK0 , R二4OK0，故满足下列关5678系式V 二V -V(4.2.5)o 3 o14.2.3 波形分析(1)当Vol为幅值4V的矩形波弦波，v2为幅值2V的正弦波形波，且频率都为lOkHZ 时，输出应该为幅值为6V的波形图。图4.4输出电压波形图4.3 运算放大电路4.3.l 工作原理9电路图分析：图4.5所示的电路为加法运算电路，是由图4. 1中的输出端的电压Vol充 当图4.3中的反相端的信号电压，形成一个输入与输出具有线性关系的电路图。此电路图 中先输入V1和V2,再通过第
9、一级运放电路后形成一定放大倍数的电压，再与V3构成双端 输入式放大电路，V3 （正弦波）通过R7、R8分压后加到同相端。最终的输出信号通过R6、 R5组成反馈网络加到反相端。最得到输出电压Vo,使Vo与V1、V2、V3具有相加的线性 关系。此电路中利用输出电压Vo通过反馈元件（R1、R2、R4、R5、R6）对放大电路起自 动调整作用，从而牵制了 Vo的变化，最后达到输出稳定平衡。4.3.2 参数计算由式4.1.3)和式(4.2.4)V01(乞V +乞JI R 1 R12(4.3.1)R + R56R5R八笃+ 丿RV 心V3Ro15可得下式(4.3.2)RR RR R(R+R )二一6V +
10、6V + 856 VR Ri R R2 R(R+ R )35 152578根据设计要求，需要实现u二2u + 4u +u，可得下式 oi1i 2i3RR 2a 二一46 = 2RR15RRb = 6 4V = 4(4.3.3)R R52R (R + R ) 1R (R + R )578可求得其中一种解：R = 50KG, R = 25KG, R = 10KG , R = 100KG1234R =20KG, R =20KG, R =40KG, R =40KG5678此时电路中输出与输入满足下列关系式：V = 2V + 4V +Vo 1 2 34.3.3 波形分析(1)当VI为IV的正弦波、V2为
11、4V的矩形波且频率都为2kHz时，V3为2V频率为1kHz 时的正弦波，输出波形如图4.6所示。类型无正弦I标准I自初通道B 比例|弓沁瞬 示?Jii-XSC2Ext. Triggerr丄T2-T1边沿_lJ k日i夕剧旦平Y位置F| 0 |DC时间牌比別 |200 us/Div xQS |oF7T加载|瑚|词位置|0AC图 4.6 输出电压波形图时间谨道丿通直E1.800 ms-19.199 V反向通道匸比例 |10 V/Civ4.4 线性直流稳压电源线性稳压电源的主要结构如下图所示：4.4.1 工作原理波电路220 Vpk100 Hz 041D17-i50Q丄C1 -r2.2mFU1LM7
12、812CTLINE VREGVOLTAGEC3onFCOMIMON丄C4L -r3uF图 4.7 线性直流稳压电源电路图分析：电子设备中都需要稳定的直流电源。直流稳压电源一般由电源变压器， 整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电 整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动 电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入交流电压波动、 负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电 路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将 220V 交流电，变为稳定的直流电，并稳定输出 直流
13、电压。4.4.2 各部分电路分析(1)电源变压器电源变压器是最常用的一类变压器。根据次级电压 v 与初级电压 v 的关系不同，电源变21压器可分为降压变压器( v v )、隔离变压器( v = v )和多绕组变2 1 2 1 2 1压器等。此次利用的是降压变压器，将220V的交流电压v变换成整流滤波电路所需交流。1(2)单向桥式整流电路整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件(如二极管、晶闸 管等)，将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。但是，这种电压直流幅 值变化很大，包含有很多的脉动交流成分，还不能作为直流电源使用。对于高质量的稳压 电源，其整流电路一般都选
14、用桥式整流电路。整流电路常见的有单相桥式整流电路，单相 半波整流电路，和单相全波整流电路。本次设计为桥式整流滤波电路，就是四个二极管两 两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电 压。图 4.8 单向桥式全波整流电路0n型滤波电路经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整 流电路后接有滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤 除掉，使其变成平滑的直流电。在小功率电路中常采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在负载 RL 两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压 波形比较平滑，脉动成风降低，输出直流电压的平均值增大，采用电容滤波电路可以得到 脉动性很小的直流电压。V 二 29.1Vc1电阻 R 两端的电压为2V 二 26.5VL流经 R 的电流为2 VI =-l 二 0.053AL R2则C1
