基于軟件仿真驗證的含運放電路應用設計

摘 要: 概述了積分器和濾波器的工作原理，對這兩種含運放典型電路的應用計算方法進行了說明，推導了輸入/輸出關系表達式，并采用Proteus仿真軟件進行了仿真驗證。結果表明，軟件仿真與理論計算結果一致。給出了一種電壓反饋取樣電路的詳細設計方法，該電路可以較好地反映輸入信號的變化。針對濾波器快速設計方法中相位計算繁瑣的不足，指出通過軟件仿真可以準確、快捷地得出補償量。關鍵詞:積分器; 濾波器; Proteus軟件; 仿真設計; 運算放大器

中圖分類號:TN710-34; TM92 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0012-03

Application Design of Op-amp Circuit Based on Software Simulation Verification

ZHANG Ling， CAO Man， XING Ya-lang

(Department of Electric Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China)

Abstract: The working principles of integrator and filter are summarized. The computation method of typical circuit with operational amplifier is described. The input and output expressions are deduced and are verified by Proteus simulation software. It indicates that the result obtained by the software simulation is identical with that of the theoretical calculation. A detailed design method about a sample circuit of voltage feedback is explained. The variation of the input signal can be better reflected by the circuit. Aiming at the shortcoming of phase calculation when the method of the filter quick design is adopted， it is pointed out that the compensation quantity can be achieved accurately and quickly by software simulation.

Keywords: integrator; filter; Proteus software; simulation design; operational amplifier

收稿日期:2010-06-26

0 引 言

集成運算放大器廣泛應用于電子電路的設計中，可以進行信號的放大、運算(加、減、乘、除、對數、反對數、平方、開方等)、處理(調制)以及波形的產生和變換。積分器和濾波器就是運放器件輔以外圍電路后的兩種典型應用電路。當外圍電路較為復雜時，輸入/輸出關系的表征就會變得較為繁瑣和困難。Proteus軟件具有模擬電路、數字電路和單片機應用系統的設計和仿真功能，是目前能夠對微處理器進行較好仿真的軟件，真正實現了從概念到產品的設計[1]。本文探討了使用仿真軟件設計電路的可行性[2-5]，并給出了典型的電壓反饋取樣電路設計方法。

1 積分器和濾波器工作原理[6]

1.1 積分器工作原理

積分器的基本電路和實際應用電路如圖1(a)，(b)所示。積分器的基本電路輸入/輸出電壓關系如下:

Uo=-1R1C1∫t0Uidt(1)

在實際應用中，積分器的反饋電容C與電阻RF并聯，其輸入/輸出電壓關系如下:

Uo = -RFR1(11 + (f/f0)2-j 1f0/f+f/f0)Ui(2)

式中:f0=1/(2πRFC1)。

當輸入的工頻信號幅值為5 V時，RF和R1的固定比值分別取為20 kΩ和10 kΩ。采用Proteus仿真軟件對電容取值不同的輸入/輸出進行了仿真驗證，結果如表1和圖2所示。

表1 電容取不同值時的積分器電壓輸出/輸入關系

C /μF15.91.590.1590.015 90.001 59

f0/Hz0.55505005 000

Vout /V0.099 90.9957.079.959.99

φVF-89.4°-84.2°-45°-5.71°-0.57°

可見，當輸入頻率大于f0時，電路為積分器;當輸入頻率小于f0時，電路為反相器。低頻電壓增益為:

AVF=-RFR1(3)

1.2 濾波器快速設計

無限增益多路反饋二階低通濾波器電路如圖3所示。

設計步驟如下:

(1) 根據截止頻率，從表2中選定一個電容C的標稱值，使其滿足下式:

K =100/(fcC)(4)

圖1 積分器基本電路和實際應用電路圖

圖2 電容取不同值時的積分器電壓輸出輸入曲線

圖3 無限增益多路反饋電路二階RC有源低通濾波器

表2 濾波器工作頻率與電容取值的對應關系

f /Hz 1～1010～102102～103(1～10)×103(1～10)×103

C /μF20～1010～0.10.1～0.01(104～103)×10-6(103～102)×10-6

(2) 從表3查出與AV對應的電容值及K=1時的電阻值，將電阻值乘以K后，得到電阻的設計值。濾波器的基本性能參數為Q=0.707，AV=-R2/R1。

表3 二階低通濾波器設計表

AV12610

R1/kΩ3.1112.5651.6971.625

R2/kΩ3.1115.13010.18016.252

R3/kΩ4.0723.2924.9774.723

C1/μF0.20.150.050.033

2 電壓反饋取樣電路設計

2.1 濾波器移相補償[7]

濾波器是改善電能質量的有效措施，但相移計算起來較為繁瑣，如式(5)所示:

Ui=[(jωCR1+1+R1R2+R1R3)(-jωC1R3)-R1R2]Uo(5)

為了克服不足，通過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確數據[8]。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。

圖4 濾波器相移曲線

由圖4可見，相移大小為θ2π=20.0-13.220，得出θ = 122°。輸出電壓也可由理論近似計算相等，而得到的精確值為4.56 V。

2.2 電壓反饋取樣電路[9]

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的交流電壓形成兩路正交信號。將全波精密整流設計成輸入/輸出間的比例[9]為1。積分放大電路對合成后的脈動直流信號作平滑放大處理。

以對輸入幅值2 V的工頻電壓信號取樣為例，經過移相和全波精密整流后，作為積分放大器的輸入信號，是兩路為2|sin ωt|和2|cos ωt|的正交信號，合成為uf=2(|sin ωt|+|cos ωt|)作脈動變化的直流信號，因為1≤(|sin ωt|+|cos ωt|)≤2，考慮到RF/R1的反相放大作用，積分放大電路的輸出信號uf在0~5.66 V之間變化，圖6給出電容分別取15.9 μF和1.59 μF時的輸出電壓曲線。

當電容為15.9 μF時時間常數τ =RC = 0.318 s ，經過5τ = 1.59 s到達穩定狀態;當電容為1.59 μF時的時間常數τ= RC=0.031 8 s，經過5τ = 0.159 s后達到穩定狀態并與圖中曲線衰減規律一致。一般集成電路器件的輸入電壓在10 V以內，通過理論計算獲得脈動直流信號的積分輸出變化規律較為困難，可以通過軟件仿真的方法得出輸出值的變化規律，在積分放大器的輸入信號中加以基準源，即可限制輸出信號的幅值。對于圖5可取基準源信號為-4.5 V。最終可獲得正紋波很小的反應輸入電壓變化的直流信號。

圖5 電壓反饋取樣電路

圖6 積分放大輸出電壓波行曲線

3 結 語

對濾波器和積分器的工作原理進行了說明，指出在實踐設計過程中，當運算放大器外圍器件較多，輸入/輸出關系需要精確考慮，而理論計算繁瑣或較為困難時，采用軟件仿真是準確、有效、便捷的輔助手段[4]。以濾波器的相移和電壓反饋取樣電路為例，詳細說明了采用軟件仿真驗證的設計過程，可以使用該法設計其他電子電路，本文設計的電壓反饋取樣電路極具參考價值。

參考文獻

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