电工电子仿真实践报告.doc

精品文档 东 北 石 油 大 学 电工电子仿真实践课程设计 2014 年 7 月 4 日 课 程 电工电子仿真实践课程设计 题 目 集成运算放大器 院 系 电气信息工程学院电气系 专业班级 电气 122 学生姓名 学生学号 指导教师 陶国彬 刘超 精品文档 电工电子仿真实践课程设计任务书 课程 电工电子仿真实践课程设计 题目 集成运算放大器 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 主要内容 根据仿真软件 Multisim 的主要功能特点 利用其先进的高频仿真功能对集成运算放 大器特性进行仿真研究 基本要求 集成运算放大器的主要技术指标有开环差模电压增益 输入失调电压 输入失调 电流 差模输入电阻和共模抑制比等 在分析集成运放的各种应用电路是 常常将它 看作是理想的运放放大器 主要技术指标如下 1 开环差模电压增益 od A 2 差模输入电阻 id R 3 输出电阻 0 O R 4 共模抑制比 CMR K 5 输入失调电压 失调电流以及它们的温漂均为零 iO U iO I 6 差模输入电压为零 7 3dB 带宽 H jw 主要参考资料 1 刘伟 李思强 Multisim8 电工电子仿真实践 M 哈尔滨 黑龙江科学技术出版社 2007 2 刘骋 高频电子线路 M 西安 西安电子科技大学出版社 2003 3 陈大钦 肖锡湘 杨华 电子技术基础 模拟部分 M 北京 高等教育出版社 1991 4 谢沅清 模拟电子线路 M 成都电子科大出版社 2001 5 康华光 电子技术基础 模拟部分 M 北京 高等教育出版社 1988 完成期限 2014 6 30 2014 7 4 指导教师 陶国彬 刘超 专业负责人 2014 年 7 月 4 日 精品文档 目 录 1设计 1 2 方案选择与电路原理图的设计 1 2 1 反向比例电路的选择 1 2 2 积分电路的选择 1 2 3 微分电路的选择 1 2 4 电路原理图设计 2 3 元件选取与电路图的绘制 2 3 1 元件选取 2 3 2 电路图的绘制 3 4 虚拟仪器设置与仿真分析计算 4 5 仿真实验与结果 5 6 总结 7 参考文献 9 精品文档 1设计 运算放大器是一种高电压增益高输入阻抗和低输入阻抗的多级直接耦合放大 电路 一般电路结构可分为差动输入级 电压放大级 输出级 3 部分 输入级一 般是由晶体管或场效应管组成的差动式放大电路 利用差动放大电路的对称性可 以提高整个电路的共模抑制比和其他性能指标 它的两输出端构成整个电路的反 相输入端和同相输入端 电压放大级主要作用是提高电压放大倍数 它可以由一 级或多级放大电路组成 输出级一般由射级跟随器或互补射级跟随器组成 主要 作用是提高输出功率 2 方案选择与电路原理图的设计 2 1 反向比例电路的选择 反相比例运算电路实际上是深度的电压并联负反馈电路 比例系数的数值决 定于电阻与之比 而与集成运放内部各项参数无关 只要和的阻值比 f R 1 R f R 1 R 较准确和稳定 即可得到准确额比例运算关系 比例系数的数值可以大于或等于 1 也可以小于 1 为使差分放大电路的参数保持对称 应使两个差分对管基极对 地的电阻尽量一致 以免静态基流流过这两个电阻时 在运放输入端产生附加的 偏差电压 因此 通常选择的阻值为 2 R 2 R 1 R f R 2 2 积分电路的选择 积分电路的形式可以根据实际要求来确定 若要进行两个信号的求和积分运 算 应选择求和积分电路 若只要求对某个信号进行一般的波形变换 可选用基 本积分电路 2 3 微分电路的选择 微积分电路分别为微分电路和积分电路 微分电路是以输出电压与输入电压 精品文档 成微分关系 在计算机控制 工程控制中广泛使用 在本设计中 使用运算放大 器进行微积分电路的设计 并使用电阻 R 电容 C 进行反馈电路 实现微分运算 2 4 电路原理图设计 集成运放总原理图如图 2 1 所示 主要包括信号发生电路 运算电路及示波 器 改变频率 图 2 1 电路原理图 3 元件选取与电路图的绘制 3 1 元件选取 根据设计原理图及电路选择方案 选择原件并建立电路图 基本原件选取如 表 3 1 所示 表 3 1 元件选取 元件 电路 电容电阻 运算放大 器 信号发生 器 示波器 反向比例 03111 积分电路 13111 微分电路 13111 信号发生器运算电路示波器 精品文档 3 2 电路图的绘制 1 反向比例电路 在 Multisim8 用户界面中 创建如图 3 1 所示的反相比例运算电路 图 3 1 反向比例电路 2 积分电路 积分电路可以完成对输入信号的积分计算 创建如图 3 2 所示的积分电路 精品文档 图 3 2 加反馈电阻的积分电路 3 微分电路 积分电路可以完成对输入信号的微分运算 在 Mulitisim8 用户界面中 创建 如图 3 3 所示电路 图 3 3 串联电阻的微分电路 4 虚拟仪器设置与仿真分析计算虚拟仪器设置与仿真分析计算 1 反向比例电路设置与计算 在反向输入端加入 2V 1kHz 的方波信号 并保存 kR1 1 kRf2 输出电压与输入电压的关系为 ii f O UU R R U2 1 4 1 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差 在同相端应接入平衡电阻 f RRR 1 精品文档 2 积分电路设置与计算 给反相输入端加一个 2V 1kHz 的方波信号 取 i U kR10 1 uFC01 0 MRf1 利用理想运放的 虚短 和 虚断 特性 积分电路输出电压与输入电压的 关系为 0 1 1 ciO UdtU CR U 4 2 一般 0 0 c U 当输入电压信号为阶跃信号时该电路的输出电压为 4 tV CR dttU CR U IiO 11 1 1 3 3 微分电路设置与计算 给反相输入端加一个 1V 100Hz 的方波信号 取 i UuFC01 0 串联电阻 解决了微分电路对 kRf10 kR10 7982 1 CwA R R OO 高频干扰信号的灵敏性 利用理想运放的 虚短 和 虚断 特性 积分电路输出电压与输入电压关 系为 0 1 1 ciO UdtU CR U 4 4 5 仿真实验与结果仿真实验与结果 1 反相比例电路波形 在理想情况下 反相输入端的电位等于零 称为 虚地 因此加在集成运 放输入端的共模电压很小 输出电压与输入电压的幅值成正比 但相位相反 因 精品文档 此 电路实现了反相比例运算 由于运算放大器的非理想性是的输出信号波形为 非标准方波 输出的波形与输入的波形相位差为 180 度 用示波器观察电路输入 与输出波形如图 5 1 所示 图 5 1 反相比例电路的输入与输出电压波形 2 积分电路波形 启动仿真 通过示波器观察积分电路的输入与输出电压波形如图 5 2 所示 显然 输出为一个线性变化的电压 其幅度受集成运放饱和输出电压的限制 方 波信号可以看成是多个阶跃信号的组合 因此 当输入信号为方波信号时 积分 运算电路输出三角波 即完成积分功能 精品文档 图 5 2 加反馈电阻的积分电路输入与输出波形 3 微分电路波形 启动仿真 通过示波器观察积分电路的输入与输出电压波形如图 5 3 所示 显然 输入三角波信号经积分后得到方波波形 即完成微分功能 微分是积分的 逆运算 图 5 3 串联电阻的微分电路输入与输出波形 6 总结总结 本课程设计就集成运放原理 使用 Mulitisim8 软件 或硬件 进行了仿真 验证了设计的合理性和可行性 具体内容包括 1 设计了集成运放的主电路 包括反相比例运算电路 积分运算电路 微 分运算电路 2 根据设计任务指标计算了各部分系统参数 并进行了相应元件选取 3 利用 Mulitisim8 软件进行了仿真 仿真结果表明 积分电路可将矩形脉冲波 转换为锯齿波或三角波 完成积分功能 微分电路可将三角波转换为锯齿波或矩 精品文档 形脉冲 微分与积分互为逆运算 4 实际应用积分电路时 由于运算放大器的输入失调电压 输入偏置电流 和失调电流的影响 会出现积分误差 此外 积分电容的漏电流也是产生积分误 差的原因之一 积分器输入方波信号 输出三角波信号的幅度大小受积分时间常 数和输入信号的频率制约 软件模拟的时候也有很多问题 比如说线接错了 软 件用的不到位 示波器输出波形不理想等等 简单的理论放到实际操作中就会出 现这样那样的问题 精品文档 参考文献 1 刘伟 李思强 Multisim8 电工电子仿真实践 M 哈尔滨 黑龙江科学技术出版社 2007 2 刘骋 高频电子线路 M 西安 西安电子科技大学出版社 2003 3 陈大钦 肖锡湘 杨华 电子技术基础 模拟部分 M 北京 高等教育出版社 1991 4 谢沅清 模拟电子线路 M 成都电子科大出版社 2001 5 康华光 电子技术基础 模拟部分 M 北京 高等教育出版社 1988 6 李要球 祝晓凤 周琳 基于 Multisim7 软件的 24 秒倒计时器的设计与 仿真 电气自动化 J 2010 30 2 59 61 精品文档 东北石油大学课程设计成绩评价表 课程名称电工电子仿真实践课程设计 题目名称集成运算放大器 学生姓名学号 指导教 师姓名 陶国彬 刘超 职称 副教授 讲师 序号评价项目指 标满分评分 1 工作量 工作 态度和出勤率 按