电子课程设计内容_电科专业

发布时间：2020-03-02 12:28:23 来源：范文大全收藏本文下载本文手机版

电子课程设计内容

及时间安排

电科11级时间安排：

第一次：9月4日【周三】，上午8:30~11:30；学院三楼机房；第二次：9月6日【周五】，上午8:30~11:30；学院三楼机房；第三次：9月9日【周一】，下午2:00~4:30；学院三楼机房；第四次：9月13日【周五】，上午8:30~11:30；学院三楼机房；

交报告时间：9月17日下午2点-4点。地点学院楼B204.

请大家作好电路知识、Mulitisim、Protel99软件的预习；

在网上或者图书馆查找相关资料；

一、设计目的

1．集成运算放大电路当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系，在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算电路。

2．本课程设计通过Mulitisim编写程序几种运算放大电路仿真程序，通过输入不同类型与幅度的波形信号，测量输出波形信号对电路进行验证，并利用Protel软件对实现对积累运算放大电路的设计，并最终实现PCB版图形式。

二、开发软硬件：计算机，Mulitisim，Protel软件；

三、设计任务及步骤：

(1)通过Mulitisim编写程序运算放大电路仿真程序，通过输入不同类型与幅度的波形信号，测量输出波形信号对电路进行验证。要求：

1.运算放大电路类型：同相比例、反相比例、加法、减法、积分、微分电路；

2.所有运算放大电路的增益均可任意调节；

3.输入电压波形可以任意选取，并且可对输入波形的运算进行实时显示，并且可以进行比较；

(2)对设计完成的运算放大电路功能验证无误后，通过Protel软件对首先对电路进行原理图SCH设计，要求：所有运算放大电路在一张原理图上；运算放大器芯片可以选择集成运放741系列；输入输出信号需预留接口； (3)设计完成原理图SCH后，利用Protel软件设计完成印制板图PCB，要求：至少为双层PCB板；

四、设计方案(样例)：

运放是现代电子仪器的核心和灵魂。它们的适应性、稳定性和执行多种功能的能力使运放成为了模拟电路的理想选择。运放是从模拟量计算领域中发展起来的，即为了解决应用于工程中不同的公式计算问题，设计出计算加、减、乘、除、积分、微分等电路。今天，模拟计算机已经基本上被数字计算机所替代，但是运放很强的功能性被保留了下来并且仍应用于无数的电子电路和仪器中。

运放基本上是一个带两个输入端的高增益差动放大器。从运放的传输曲线可以看出，输出电压Vout由下式计算：

VoutA(VVAV)

(1) 式中，A为开环增益，V-为反相输出端电压，V+为正相输出端电压，增益前的负号使输出信号反向。增益(A)定义为输出电压(Vout)和输入的电压差值(△V)比值的大小。实际应用中，运放的增益能够达到10000~20000000。因此，只需要很小的输入信号就能得到很大的输出。例如，如果运放的增益为1000000，5mV的输入电压就能够得到5V的输出电压。

输出电压不可能超过提供的电源电压。实际上，运放的额定输出电压Vmax 通常只是提供的电源电压的一小部分。这个界限通常作为正/负电源电压的参考。

高增益的放大器在控制和抑制进入饱和状态上都有困难，但加入一些外部元件能将部分输出反馈作用于输入端。对于负反馈电路，反馈信号同输入信号的相位相反，使放大器稳定，这称为闭环连接。在实际应用中，反馈牺牲了增益来获取稳定性，将部分的开环增益用来使电路稳定。典型的运放电路开环增益为105~107，而闭环增益仅为10~1000。如果为正反馈，那么放大器将变为一个振荡器。

1．反相放大器

图1中所示的电路是最常见的运放电路，它显示出了如何在牺牲增益的条件下获得稳定，线性的放大器。标号为Rf的反馈电阻用于将输出信号反馈作用于输入端，反馈电阻连接到负输入端表示电路为负反馈连接。输入电压V1通过输入电阻R1产生了一个输入电路i1。电压差△V加载在+、—输入端之间，放大器的正输入端接地。

图1 利用回路公式计算传输特性：输入回路：

V1i1R1V

(2) 反馈回路：

VoutifRfV

(3) 求和节点

i1ifiin

(4) 增益公式：

VoutAV

(5) 由以上4个式子可以得到输出：

Voutiin/Z(V1/R1)/Z

(6) 式中，闭环阻抗Z=1/Rf+1/ARf+1/Rf。

反馈电阻和输入电阻通常都较大(k)级，并且A很大(大于100000)，因此Z=1/Rf。更进一步，△V通常很小(几微伏)且放大器的输入阻抗Zin很大(大约10M),那么输入输入电流(Iin=△V/Zin)非常小，可以认为为零。则传输曲线变为：

Vout(Rf/R1)V1(G)V

1 (7) 式中，Rf/R1的比值称为闭环增益G，负号表示输出反向。闭环增益可以通过选择两个电阻Rf和R1来设定。

2．同向比例运放电路

同向比例运放电路组成如图2所示，将输入电阻R1接地，并且将输入信号加载道+输入端。

RfR1ui-+图2 电压在通过由反馈电阻Rf和输入电阻R1组成的分压电路的时候产生压降，中间位置的电压V-为：

V(R1/(R1Rf))Vout

(8)

+uo

根据理想运放的性质1，运放的输入电压△V为零，因此Vin=V-。重新排列公式

Vout(1Rf/R1)Vin

(9) 通用运放的闭环增益为G=1+Rf/R1，并且不会改变输入信号的符号。从中可以看出电路的输入阻抗Zi很大。

ZiZin(R1/(R1Rf))A

(10) 式中，Zin为实际运放的输入阻抗(大约为20m，且由于电路的开环增益A很大，输出阻抗Z0趋紧于零，因此，同向比例运放电路能够以有限的增益有效地对输入电路进行缓冲。

3．运放积分电路

图3 图3为运放积分电路示意图。在运放积分电路中，用电容器替换反馈电阻。理想电容器能够存储电荷(Q)，并且没有漏电流。输入电流通过求和节点对反馈电容器Cf进行充电。电容器上的电压等于Vout，电容器存储电荷Q=CV，即Q=CfVout，并且电流I=dQ/dt，可以得到

ifCf(dVout/dt)

(11) 将运放看做理想运放，i1=Vin/R1，且i1=If，则

Vin/R1Cf(dVout/dt)

(12) 用积分的形势表达：

Vout(1/R1Cf)Vindt

(13) 输出电压为输入电压的积分乘以一个比例系数(1/R1Cf)。R的电位是欧姆，C的单位是法拉，RC的单位是秒。例如，一个1uF的电容器和一个1M的电阻组成的积分电路的时间常数为1秒。

假设输入电压恒定，那么输入电压项可以从积分号中提出来，公式变为：

Vout(Vin/R1Cf)t常数

(14) 其中常数由初始条件确定，如在t=0时刻，Vout=V0。

输入电压和时间为斜率为—(Vin/R1Cf)的直线。例如，当Vin=—1V，C=1uF并且R=1M,则斜率为1vot/sec。在运放达到饱和以前，输出电压按这个比例线性地变化。通过在反馈电容器上加载初始电压，能够得到积分的常数项。同样可以在积分开始或t=0时，定义初始条件Vout(0)=Vconstant，输出电压则从初始电压开始增加或减少。通常情况下，初始电压设定为零。在反馈电容器上连接一根短接线，并在积分开始时移走，可以实现初始电压为零。

4．运放加法电路

图4 图4为运放加法电路原理图。运放加法电路是反相比例电路的变形，带有两个或更多的输入信号。各个输入电压Vi通过各自的输入电阻Ri连接到各自的输入电阻Ri连接到运放的-输入引脚。运放加法电路满足克希荷夫第二定律，即在任意瞬时，电路中任意节点流入流出的电流和为零。在V-这一点，i1ifiin0。而且理想运放没有输入电流、没有偏置电流。在这种连接情况下，-输入端通常称为求和节点(Vs)。这个点的另一个表述为：在求和节点上，所有的电流和为零。对于输入回路1

i1V1/R

1(15) 对于输入回路2

i2V2/R

2(16) 对于反馈回路

if(Vout/Rf)

(17) 根据以上式子可得输出

VoutRf(V1/R1)Rf(V2R2)

(18) 如果R1=R2=R，那么电路模拟了一个真实的加法电路。

Vout(Rf/R)(V1V2)

(19) 在Rf/R=1/2的特殊情况下，输出电压为输入电压的平均值。

五、验收方式：结束完毕后以实验报告的形式上交结果，其中包括Mulitisim程序，仿真结果图，SCH原理图，PCB印制板图。

六、报告内容：包括设计任务分析，设计方案（基本原理）介绍，各模块功能介绍，调试过程，结论，心得体会等内容。