基于運算放大器的電子技術(shù)綜合性實驗教學(xué)項目設(shè)計

[摘 要] 電子技術(shù)綜合性實驗教學(xué)對本科學(xué)生電子電路設(shè)計能力培養(yǎng)起重要作用。通過一個基于通用運算放大器的電子技術(shù)綜合實驗設(shè)計案例，介紹了將實際工業(yè)電子系統(tǒng)簡化調(diào)整，設(shè)計適于本科學(xué)生掌握的實驗項目的思路。

[關(guān)鍵詞] 電子技術(shù);運算放大器;教學(xué)項目

[基金項目] 2019年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“軟件仿真在電類大學(xué)生創(chuàng)新競賽訓(xùn)練中應(yīng)用研究”（201902208001）

[作者簡介] 姚福強（1972—），男，山東巨野人，碩士，山東科技大學(xué)電氣信息系副教授，主要從事配電系統(tǒng)自動化研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0387-02? ? [收稿日期] 2020-04-09

一、引言

電子技術(shù)綜合性實驗是理工科電子技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)重要組成部分。通過綜合性實驗教學(xué)項目的訓(xùn)練，既可鍛煉學(xué)生的綜合分析及實踐動手能力，又能激發(fā)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識，提高學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，因此選擇符合專業(yè)發(fā)展方向且能夠理論聯(lián)系工程應(yīng)用的實例，經(jīng)簡化、調(diào)整轉(zhuǎn)換為綜合性實驗項目，是全面推進電子技術(shù)綜合性實驗教學(xué)改革，提高實驗教學(xué)質(zhì)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]。

二、綜合性實驗教學(xué)項目案例設(shè)計

本節(jié)以“基于通用四運放LM324的溫度變換電路設(shè)計”為例，介紹將實際工業(yè)應(yīng)用經(jīng)過簡化調(diào)整，設(shè)計適合本科生能力拓展的綜合性實驗教學(xué)項目。

（一）案例要求

在工業(yè)生產(chǎn)過程中很多環(huán)節(jié)需要溫度測量與控制，最常用的溫度傳感器是熱電阻RTD，如鉑電阻Pt100的阻值在0℃時為100Ω且隨著溫度線性變化，在-200℃～300℃范圍內(nèi)具有較高的線性度。本項目就是設(shè)計基于Pt100的溫度測量和變換電路，將0℃～100℃內(nèi)Pt100阻值變化變換為0～5V和4mA～20mA信號輸出。

（二）實驗電路設(shè)計

具體電路分析：

考慮到電阻誤差等因素對變換精度的影響，實際變換電路如圖2所示。由于要求測溫上限時需要輸出5V電壓，因此增加同相放大器A2對ΔU放大，所需的增益為：G=5/0.05=100，通過調(diào)節(jié)“滿度”電位器RJ2調(diào)整放大器增益，使其在100℃時輸出5V。電位器RJ1為“調(diào)零”電位器，它與測量橋臂上臂電阻并聯(lián)，調(diào)節(jié)RJ1使電橋在溫度下限時輸出電壓為0V。電路校準(zhǔn)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱替代Pt100接入進行校準(zhǔn)：首先調(diào)節(jié)電阻箱為100.0歐姆，調(diào)節(jié)RJ1使輸出電壓Vo為0V。其次調(diào)節(jié)電阻箱為138.5歐姆，調(diào)節(jié)RJ2使輸出電壓Vo為5.0V。重復(fù)前兩步直到“調(diào)零”和“滿度”電位器都不需要進一步調(diào)節(jié)。

該電路在實際應(yīng)用中可適用于各種溫度測量范圍。只需在上述步驟中先將電阻箱調(diào)節(jié)為對應(yīng)溫度低限時Pt100阻值，調(diào)節(jié)RJ1使Vo為0V，再將電阻箱調(diào)節(jié)為溫度上限時Pt100阻值，調(diào)節(jié)RJ2使Vo為5.0V即可。但基于Pt100的電阻變化線性范圍，變換電路在-50℃～300℃的范圍內(nèi)具有較高的線性度。

LM336為2.5V集成精密穩(wěn)壓電源，輸出電壓經(jīng)10kΩ電阻分壓后再經(jīng)放大器A3跟隨后作為偏置電壓。

（三）實驗效果分析

經(jīng)過“調(diào)零”與“滿度”校準(zhǔn)的實驗電路，用電阻箱代替Pt100分度表中不同溫度下的阻值，測量其輸出電壓和電流進行繪圖分析，可以看出變換電路具有較高的線性度，變換誤差小于1.0%，取的比較滿意的測量效果。

三、結(jié)語

本文介紹了一個基于通用運算放大器的模電綜合性實驗項目，將運算放大器引入不平衡電橋，巧妙地解決了不平衡電橋輸出電壓的非線性問題，并在變換電路中靈活運用了運算放大器的各種典型電路。隨著“新工科”教學(xué)改革的進一步實施，需要老師們根據(jù)科研和工程實踐，開發(fā)出更多新穎實用的實驗項目，豐富綜合性實驗教學(xué)課程，提高電子技術(shù)綜合性實驗教學(xué)的質(zhì)量。

參考文獻

[1]張躍勤，龍英，楊軍，等.電子技術(shù)綜合設(shè)計性實驗教學(xué)研究與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017，39（1）：135-138.

[2]侯長波，陳捷，鄧志安，等.基于運放的電子電路綜合實驗項目設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2018，16（2）：110-115.

[3]尚樺，李海軍，閆清.基于四運放LM324的模擬電子設(shè)計綜合訓(xùn)練[J].電子測量技術(shù)，2013，36（11）：106-109

[4]陳林，楊健，陽浩.電子技術(shù)綜合設(shè)計性實驗項目[J].實驗室研究與探索，2012，31（1）：149-152，160.