模擬電路課程設(shè)計-積分、微分、比例運算電路

物理與電子信息學(xué)院模擬電路課程設(shè)計成績評定表專業(yè)：電子信息工程班級：學(xué)號：姓名：課題名稱積分、微分、比例運算電路設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)和要求：①設(shè)計一個可以同時實現(xiàn)積分、微分和比例功能的運算電路。②用開關(guān)控制也可單獨實現(xiàn)積分、微分或比例功能.。=3\*GB3③用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計電路所需的正負(fù)直流電源（±12V）。設(shè)計報告成績評分標(biāo)準(zhǔn)：=1\*GB3①有合理的方案設(shè)計和論證、電路參數(shù)的計算、總原理圖和清單。（0-20分）=2\*GB3②電路板制作、調(diào)試規(guī)范，有詳細(xì)制作和調(diào)試過程。（0-10分）=3\*GB3③電路板測試合理，對性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)完整，正確；進行數(shù)據(jù)處理規(guī)范，進行了誤差計算和誤差分析。（0-15分）=4\*GB3④對課程設(shè)計進行了總結(jié)，有體會，并能提出設(shè)計的改進、建設(shè)性意見。（0-5分）設(shè)計報告成績：電子作品成績評分標(biāo)準(zhǔn)：=1\*GB3①電路正確，能完成設(shè)計要求提出的基本功能。（0-30分）=2\*GB3②電路板焊接工藝規(guī)范，焊點均勻，布局合理。（0-20分）(其中直流電源部分占20%，功能部分80%)電子作品成績：課程設(shè)計成績總成績：指導(dǎo)教師：曾祥華2013年1月10日模擬電路課程設(shè)計報告設(shè)計課題：積分、微分、比例運算電路專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間：2012.12-2013.1積分、微分、比例運算電路一、設(shè)計任務(wù)與要求1．設(shè)計一個可以同時實現(xiàn)積分、微分和比例功能的運算電路；2．用開關(guān)控制也可單獨實現(xiàn)積分、微分或比例功能；3．用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計電路所需的正負(fù)直流電源（±12V）。二、方案設(shè)計與論證用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計電路所需的正負(fù)直流電流（±12），為運算電路提供了電源。此電路要求設(shè)計同時實現(xiàn)積分、微分和比例功能的運算電路。在電路中用開關(guān)控制也可實現(xiàn)這個功能。1.方案一、用三個Ua741分別實現(xiàn)積分、微分和比例功能，另外加一個Ua741比例求和運算電路。要單獨實現(xiàn)這功能，所以要再加三個開關(guān)分別控制電路的導(dǎo)通，達(dá)到現(xiàn)象。不足之處是線路多，產(chǎn)生接觸電阻，誤差大。還有電路復(fù)雜，器件多，成本高，頻率不一，難調(diào)節(jié)。設(shè)計框圖如下：積分運算電路比例運算電路比例積分微分運算電路微分運算電路圖2-1設(shè)計框圖設(shè)計原理電路圖如下：圖2-2設(shè)計原理電路圖2.方案二、用一個Ua741和四個開關(guān)一起實現(xiàn)這功能，并能單獨積分、微分和比例功能。優(yōu)點：電路簡單。圖2-3設(shè)計原理電路圖圖2-3通過分析，結(jié)合設(shè)計電路性能指標(biāo)、器件的性價比，本設(shè)計電路選擇方案二。三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算直流源的制作由四部分組成：電源變壓器，整流電路，濾波電路及穩(wěn)壓電路。變壓器部分通過變壓器降壓使得進入整流的電壓減??；整流道路部分利用二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)變，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈沖電壓；濾波部分采用大電容，利用電容的充放電作用使輸出電壓趨于平滑；穩(wěn)壓通過穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載電阻變化的影響。穩(wěn)壓電源的組成框圖如圖3-1所示。直流穩(wěn)壓電源電路原理圖如圖3-2所示。圖3-1穩(wěn)壓電源的組成框圖圖3-2直流穩(wěn)壓電源電路（1）整流、濾波電路其整流電路圖如下：圖3-3整流電路原理圖①原理分析：橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。圖3-4整流輸出電壓的平均值（即負(fù)載電阻上的直流電壓VL）VL定義為整流輸出電壓VL在一個周期內(nèi)的平均值，即設(shè)變壓器副邊線圈的輸出電壓為，整流二極管是理想的。則根據(jù)橋式整流電路的工作波形，在Vi的正半周，VL=V2，且VL的重復(fù)周期為p，所以上式也可用其它方法得到，如用傅里葉級數(shù)對圖3-4中VL的波形進行分解后可得式中恒定分量即為負(fù)載電壓VL的平均值，因此有。②整流元件參數(shù)：在選擇整流二極管時，主要考慮兩個參數(shù)，即最大整流電流和反向擊穿電壓。在橋式整流電路中，二極管D1、D3和D2、D4是兩兩輪流導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個二極管的平均電流為在選擇整流管時應(yīng)保證其最大整流電流IF>ID。二極管在截止時管子兩端承受的最大反向電壓可以從橋式整流電路的工作原理中得出。在v2正半周時，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。此時D2、D4所承受的最大反向電壓均為v2的最大值，即

同理，在v2的負(fù)半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。所以，在選擇整流管時應(yīng)取其反向擊穿電壓VBR>VRM。其慮波電路圖如下：圖3-5慮波電路原理圖電容濾波電路簡單，負(fù)載直流電壓VL較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動不大的場合。所以在選擇電容時其耐壓值應(yīng)大于1.4V2，電容越大越好，其級別應(yīng)在千uF以上。（2）穩(wěn)壓電路=1\*GB3①啟動電路=2\*GB3②基準(zhǔn)電壓電路=3\*GB3③取樣比較放大電路和調(diào)整電路=4\*GB3④保護電路對于本實驗的穩(wěn)壓電路，主要使用了集成塊：78系列。目前，電子設(shè)備中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器。由于它只有輸入、輸出和公共引出端，故稱之為三端式穩(wěn)壓器。78××系列輸出為正電壓，輸出電流可達(dá)1A，如78L××系列和78M××系列的輸出電流分別為0.1A和0.5A。它們的輸出電壓分別為5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7檔。和78××系列對應(yīng)的有79××系列，它輸出為負(fù)電壓，如79M12表示輸出電壓為–12V和輸出電流為0.5A。由于本實驗要產(chǎn)生±12V的恒流源，所以在選擇集成塊時選7812和7912。（1）比例運算電路：圖3-6比例運算電路由于“虛斷”，i+=0，u+=0；由于“虛短”，u-=u+=0——“虛地”由iI=iF，得反相輸入端“虛地”，電路的輸入電阻為Rif=R1引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，電路的輸出電阻為R0f=0該實驗所設(shè)定的比例系數(shù)為-20，由uo=-(R5/R1)uI推出R5/R1=20。（2）積分運算電路：圖3-7積分運算電路由于“虛地”，u-=0，故uO=-uC由于“虛斷”，iI=iC，故uI=iIR=iCRτ=RC——積分時間常數(shù)輸入電壓為階躍信號，當(dāng)t≤t0時，uI=0，uO=0。當(dāng)t0<t≤t1時，uI=UI=常數(shù)，即輸出電壓隨時間而向負(fù)方向直線增長。當(dāng)t>t1時，uI=0，uo保持t=t1時的輸出電壓值不變。實現(xiàn)的波形變換為方波變?nèi)遣?。?）微分運算電路：圖3-8微分運算電路由于“虛斷”，i-=0，故iC=iR又由于“虛地”，u+=u-=0可見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。微分電路的作用：實現(xiàn)波形變換，如當(dāng)RC<<T/2將方波變成尖峰脈沖。（4）比例積分運算電路：圖3-9比例積分運算電路PI調(diào)節(jié)器比例微分運算電路：圖3-10比例微分運算電路PD調(diào)節(jié)器比例積分微分運算電路：圖3-11比例積分微分運算電路PID調(diào)節(jié)器四、總原理圖及元器件清單1．總原理圖圖4-1總原理設(shè)計電路圖2．元件清單表一元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量（個）備注（單價元）R1100k1R210k1R320k1R41k1R51k1C11C21C31U1μA7411按鍵開關(guān)4D1、D21N4745A2續(xù)表一電源功能部分C4、C53300uf2C6、C72C8、C92C10、C11220uf2R6、R71k2D1N40076LED2U2AMP1U3LM78121U4LM79121T11五、安裝與調(diào)試按照總原理圖將元器件正確安裝在電路板上，焊接時應(yīng)注意布局要合理，分清7812、7819和三極管的管腳，注意不要虛焊。（1）靜態(tài)調(diào)試用萬用表對電路板進行靜態(tài)測試，目的主要是為了防止虛焊或者漏焊。動態(tài)調(diào)試接好電路利用示波器和函數(shù)信號發(fā)生器驗證積分、微分和比例功能：當(dāng)為積分電路時，輸入方波信號時，調(diào)節(jié)各種數(shù)據(jù)參數(shù)，輸出應(yīng)該為三角波信號；當(dāng)為微分電路時，輸入方波信號時，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻使RC<<T/2，則輸出為尖峰脈沖；當(dāng)為比例運算電路時，輸出信號應(yīng)為輸入信號的二十倍。六、性能測試與分析測試步驟分別用萬用表先測量LM7812的輸入端與輸出端之間的電壓U13和LM7912的輸入端與輸出端之間的電壓U23，然后，測試正負(fù)輸出電壓和變壓器副邊輸出電壓。（2）測試數(shù)據(jù)變壓器副邊電壓：+1V-1V穩(wěn)壓塊的輸入端與輸出端電壓：穩(wěn)壓塊的輸出電壓：+1V-1V數(shù)據(jù)處理理論上數(shù)據(jù)：變壓器副邊電壓：+1V-1V穩(wěn)壓塊的輸入端與輸出端電壓:穩(wěn)壓塊的輸出電壓:+1V-1V（4）誤差計算變壓器副邊：η1=(15-15)/15*100%=%穩(wěn)壓電壓：η2=(12.02-1)/12*100%=%η3=(-1+12.00)/（）*100%=%結(jié)論分析電源電路由于元件少，線路簡單，所以應(yīng)力求保證連線正確。三端穩(wěn)壓器要檢查三個腳不能接錯。7812系列和79121，2腳連線剛好相反，切忌弄錯。濾波電解電容一定要分清正負(fù)極性，否則會產(chǎn)生爆炸。一般是正端接高電位，負(fù)端接低電位。誤差由于電阻的不精確、焊接的失誤造成的。測試步驟測試比例運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。測試積分運算電路，先輸入一方波信號，觀察輸出波形：再輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。測試微分運算電路，輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試比例積分運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。再輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試比例微分運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。再輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試比例積分微分運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。再輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試數(shù)據(jù)測試比例運算電路時的比例系數(shù)，觀察積分微分運算電路時的波形變化化。比例運算電路（輸出為輸入為-20倍）：圖6-1比例運算仿真圖積分運算電路（輸入為方波時輸出為三角波）：圖6-2積分運算仿真圖微分運算電路（輸入為方波時輸出為尖峰脈沖）：圖6-3微分運算仿真圖三種功能一起實現(xiàn)時，輸入分別為正弦波三角波方波時波形如下：圖6-4比例積分微分仿真圖數(shù)據(jù)處理當(dāng)為比例運算電路時，輸入信號為34.8mv時，此時輸出信號為-698mv，放大-20倍。當(dāng)為積分運算電路時，輸入為正弦波時輸出為余弦波;輸入為方波時，輸出為三角波。當(dāng)為微分運算電路時，輸入為方波時并且RC<<T/2，輸出信號為尖峰脈沖。當(dāng)為比例積分運算電路時，輸入信號為正弦波則輸出正弦波但相位偏移180度。當(dāng)為比例微分運算電路時，輸入信號為正弦波則輸出信號為正弦波。當(dāng)為比例積分微分運算電路時，輸入信號為正弦波時則輸出為余弦波。（4）誤差計算比例運算電路：測得Ui=34.8mvUo=-698mvAu=-20.06Au理=-20Au相對誤差=(-20.06+20)/20*100℅℅結(jié)論分析比例運算電路可實現(xiàn)波形的放大，積分和微分運算電路可實現(xiàn)波形的變化。誤差由于電阻選擇的不合理，積分微分時間常數(shù)不滿足要求，導(dǎo)致實驗得不到預(yù)想的結(jié)果，可通過改變時間常數(shù)即改變電阻的大小，同樣，