基于軟件仿真驗(yàn)證的運(yùn)放電路設(shè)計(jì)方法
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0 引言
集成運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)中，可以進(jìn)行信號(hào)的放大、運(yùn)算(加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開(kāi)方等)、處理(調(diào)制)以及波形的產(chǎn)生和變換。積分器和濾波器就是運(yùn)放器件輔以外圍電路后的兩種典型應(yīng)用電路。當(dāng)外圍電路較為復(fù)雜時(shí)，輸入/輸出關(guān)系的表征就會(huì)變得較為繁瑣和困難。Proteus 軟件具有模擬電路、數(shù)字電路和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真功能，是目前能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行較好仿真的軟件，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。本文探討了使用仿真軟件設(shè)計(jì)電路的可行性，并給出了典型的電壓反饋取樣電路設(shè)計(jì)方法。
1 積分器和濾波器工作原理
1.1 積分器工作原理
積分器的基本電路和實(shí)際應(yīng)用電路如圖1(a)，(b)所示。積分器的基本電路輸入/輸出電壓關(guān)系如下：
在實(shí)際應(yīng)用中，積分器的反饋電容C與電阻RF并聯(lián)，其輸入/輸出電壓關(guān)系如下：
當(dāng)輸入的工頻信號(hào)幅值為5 V時(shí)，RF和R1的固定比值分別取為20 kΩ和10 kΩ。采用Proteus仿真軟件對(duì)電容取值不同的輸入/輸出進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如表1和圖2所示。
可見(jiàn)，當(dāng)輸入頻率大于f0時(shí)，電路為積分器;當(dāng)輸入頻率小于f0時(shí)，電路為反相器。低頻電壓增益為：
1.2 濾波器快速設(shè)計(jì)
無(wú)限增益多路反饋二階低通濾波器電路如圖3所示。
設(shè)計(jì)步驟如下：
(1)根據(jù)截止頻率，從表2中選定一個(gè)電容C的標(biāo)稱值，使其滿足下式：
(2)從表3查出與AV對(duì)應(yīng)的電容值及K=1時(shí)的電阻值，將電阻值乘以K后，得到電阻的設(shè)計(jì)值。濾波器的基本性能參數(shù)為Q=0.707，AV=-R2/R1。
2 電壓反饋取樣電路設(shè)計(jì)
2.1 濾波器移相補(bǔ)償
濾波器是改善電能質(zhì)量的有效措施，但相移計(jì)算起來(lái)較為繁瑣，如式(5)所示：
為了克服不足，通過(guò)軟件仿真可快速得出相移大小，在需要同步的電路中為移相電路提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。圖3的輸入/輸出電壓曲線如圖4所示。其中輸入電壓幅值為5 V，頻率為50 Hz。 [!--empirenews.page--]由圖4可見(jiàn)，相移大小為，得出θ=122°。輸出電壓也可由理論近似計(jì)算相等，而得到的精確值為4.56 V。
2.2 電壓反饋取樣電路
電壓反饋取樣電路由移相、全波精密整流和積分放大電路三部分組成，如圖5所示。移相電路用以將輸出側(cè)的交流電壓形成兩路正交信號(hào)。將全波精密整流設(shè)計(jì)成輸入/輸出間的比例為1。積分放大電路對(duì)合成后的脈動(dòng)直流信號(hào)作平滑放大處理。
以對(duì)輸入幅值2 V的工頻電壓信號(hào)取樣為例，經(jīng)過(guò)移相和全波精密整流后，作為積分放大器的輸入信號(hào)，是兩路為2|sinωt|和2|cosωt|的正交信號(hào)，合成為 uf="2"(|sinωt|+|cosωt|)作脈動(dòng)變化的直流信號(hào)，因?yàn)?≤(|sinωt|+|cosωt|)≤，考慮到RF/R1的反相放大作用，積分放大電路的輸出信號(hào)uf在0～5.66 V之間變化，圖6給出電容分別取15.9μF和1.59μF時(shí)的輸出電壓曲線。當(dāng)電容為15.9μF時(shí)時(shí)間常數(shù)τ=RC=0.318 s，經(jīng)過(guò)5τ=1.59 s到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)電容為1.59μF時(shí)的時(shí)間常數(shù)τ=RC=0.031 8 s，經(jīng)過(guò)5τ=0.159 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并與圖中曲線衰減規(guī)律一致。一般集成電路器件的輸入電壓在10 V以內(nèi)，通過(guò)理論計(jì)算獲得脈動(dòng)直流信號(hào)的積分輸出變化規(guī)律較為困難，可以通過(guò)軟件仿真的方法得出輸出值的變化規(guī)律，在積分放大器的輸入信號(hào)中加以基準(zhǔn)源，即可限制輸出信號(hào)的幅值。對(duì)于圖5可取基準(zhǔn)源信號(hào)為-4.5 V。最終可獲得正紋波很小的反應(yīng)輸入電壓變化的直流信號(hào)。
3 結(jié)語(yǔ)
對(duì)濾波器和積分器的工作原理進(jìn)行了說(shuō)明，指出在實(shí)踐設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)運(yùn)算放大器外圍器件較多，輸入/輸出關(guān)系需要精確考慮，而理論計(jì)算繁瑣或較為困難時(shí)，采用軟件仿真是準(zhǔn)確、有效、便捷的輔助手段。以濾波器的相移和電壓反饋取樣電路為例，詳細(xì)說(shuō)明了采用軟件仿真驗(yàn)證的設(shè)計(jì)過(guò)程，可以使用該法設(shè)計(jì)其他電子電路，本文設(shè)計(jì)的電壓反饋取樣電路極具參考價(jià)值。
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