物理與電子信息學院模擬電路課程設計成績評定表專業：電子信息工程班級：學號：姓名：課題名稱積分、微分、比例運算電路設計任務與要求設計任務和要求：①設計一個可以同時實現積分、微分和比例功能的運算電路。②用開關控制也可單獨實現積分、微分或比例功能.。=3\*GB3③用橋式整流電容濾波集成穩壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（±12V）。設計報告成績評分標準：=1\*GB3①有合理的方案設計和論證、電路參數的計算、總原理圖和清單。（0-20分）=2\*GB3②電路板制作、調試規范，有詳細制作和調試過程。（0-10分）=3\*GB3③電路板測試合理，對性能指標測試數據完整，正確；進行數據處理規范，進行了誤差計算和誤差分析。（0-15分）=4\*GB3④對課程設計進行了總結，有體會，并能提出設計的改進、建設性意見。（0-5分）設計報告成績：電子作品成績評分標準：=1\*GB3①電路正確，能完成設計要求提出的基本功能。（0-30分）=2\*GB3②電路板焊接工藝規范，焊點均勻，布局合理。（0-20分）(其中直流電源部分占20%，功能部分80%)電子作品成績：課程設計成績總成績：指導教師：曾祥華2013年1月10日模擬電路課程設計報告設計課題：積分、微分、比例運算電路專業班級：學生姓名：學號：指導教師：設計時間：2012.12-2013.1積分、微分、比例運算電路一、設計任務與要求1．設計一個可以同時實現積分、微分和比例功能的運算電路；2．用開關控制也可單獨實現積分、微分或比例功能；3．用橋式整流電容濾波集成穩壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（±12V）。二、方案設計與論證用橋式整流電容濾波集成穩壓塊電路設計電路所需的正負直流電流（±12），為運算電路提供了電源。此電路要求設計同時實現積分、微分和比例功能的運算電路。在電路中用開關控制也可實現這個功能。1.方案一、用三個Ua741分別實現積分、微分和比例功能，另外加一個Ua741比例求和運算電路。要單獨實現這功能，所以要再加三個開關分別控制電路的導通，達到現象。不足之處是線路多，產生接觸電阻，誤差大。還有電路復雜，器件多，成本高，頻率不一，難調節。設計框圖如下：積分運算電路比例運算電路比例積分微分運算電路微分運算電路圖2-1設計框圖設計原理電路圖如下：圖2-2設計原理電路圖2.方案二、用一個Ua741和四個開關一起實現這功能，并能單獨積分、微分和比例功能。優點：電路簡單。圖2-3設計原理電路圖圖2-3通過分析，結合設計電路性能指標、器件的性價比，本設計電路選擇方案二。三、單元電路設計與參數計算直流源的制作由四部分組成：電源變壓器，整流電路，濾波電路及穩壓電路。變壓器部分通過變壓器降壓使得進入整流的電壓減小；整流道路部分利用二極管的單向導電性實現交流電壓到直流電壓的轉變，即將正弦波電壓轉換為單一方向的脈沖電壓；濾波部分采用大電容，利用電容的充放電作用使輸出電壓趨于平滑；穩壓通過穩壓管的穩壓作用使輸出直流電壓基本不受電網電壓波動和負載電阻變化的影響。穩壓電源的組成框圖如圖3-1所示。直流穩壓電源電路原理圖如圖3-2所示。圖3-1穩壓電源的組成框圖圖3-2直流穩壓電源電路（1）整流、濾波電路其整流電路圖如下：圖3-3整流電路原理圖①原理分析：橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將四個二極管分為兩組，根據變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。圖3-4整流輸出電壓的平均值（即負載電阻上的直流電壓VL）VL定義為整流輸出電壓VL在一個周期內的平均值，即設變壓器副邊線圈的輸出電壓為，整流二極管是理想的。則根據橋式整流電路的工作波形，在Vi的正半周，VL=V2，且VL的重復周期為p，所以上式也可用其它方法得到，如用傅里葉級數對圖3-4中VL的波形進行分解后可得式中恒定分量即為負載電壓VL的平均值，因此有。②整流元件參數：在選擇整流二極管時，主要考慮兩個參數，即最大整流電流和反向擊穿電壓。在橋式整流電路中，二極管D1、D3和D2、D4是兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為在選擇整流管時應保證其最大整流電流IF>ID。二極管在截止時管子兩端承受的最大反向電壓可以從橋式整流電路的工作原理中得出。在v2正半周時，D1、D3導通，D2、D4截止。此時D2、D4所承受的最大反向電壓均為v2的最大值，即

同理，在v2的負半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。所以，在選擇整流管時應取其反向擊穿電壓VBR>VRM。其慮波電路圖如下：圖3-5慮波電路原理圖電容濾波電路簡單，負載直流電壓VL較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。所以在選擇電容時其耐壓值應大于1.4V2，電容越大越好，其級別應在千uF以上。（2）穩壓電路=1\*GB3①啟動電路=2\*GB3②基準電壓電路=3\*GB3③取樣比較放大電路和調整電路=4\*GB3④保護電路對于本實驗的穩壓電路，主要使用了集成塊：78系列。目前，電子設備中常使用輸出電壓固定的集成穩壓器。由于它只有輸入、輸出和公共引出端，故稱之為三端式穩壓器。78××系列輸出為正電壓，輸出電流可達1A，如78L××系列和78M××系列的輸出電流分別為0.1A和0.5A。它們的輸出電壓分別為5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7檔。和78××系列對應的有79××系列，它輸出為負電壓，如79M12表示輸出電壓為–12V和輸出電流為0.5A。由于本實驗要產生±12V的恒流源，所以在選擇集成塊時選7812和7912。（1）比例運算電路：圖3-6比例運算電路由于“虛斷”，i+=0，u+=0；由于“虛短”，u-=u+=0——“虛地”由iI=iF，得反相輸入端“虛地”，電路的輸入電阻為Rif=R1引入深度電壓并聯負反饋，電路的輸出電阻為R0f=0該實驗所設定的比例系數為-20，由uo=-(R5/R1)uI推出R5/R1=20。（2）積分運算電路：圖3-7積分運算電路由于“虛地”，u-=0，故uO=-uC由于“虛斷”，iI=iC，故uI=iIR=iCRτ=RC——積分時間常數輸入電壓為階躍信號，當t≤t0時，uI=0，uO=0。當t0<t≤t1時，uI=UI=常數，即輸出電壓隨時間而向負方向直線增長。當t>t1時，uI=0，uo保持t=t1時的輸出電壓值不變。實現的波形變換為方波變三角波。（3）微分運算電路：圖3-8微分運算電路由于“虛斷”，i-=0，故iC=iR又由于“虛地”，u+=u-=0可見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。微分電路的作用：實現波形變換，如當RC<<T/2將方波變成尖峰脈沖。（4）比例積分運算電路：圖3-9比例積分運算電路PI調節器比例微分運算電路：圖3-10比例微分運算電路PD調節器比例積分微分運算電路：圖3-11比例積分微分運算電路PID調節器四、總原理圖及元器件清單1．總原理圖圖4-1總原理設計電路圖2．元件清單表一元件清單元件序號型號主要參數數量（個）備注（單價元）R1100k1R210k1R320k1R41k1R51k1C11C21C31U1μA7411按鍵開關4D1、D21N4745A2續表一電源功能部分C4、C53300uf2C6、C72C8、C92C10、C11220uf2R6、R71k2D1N40076LED2U2AMP1U3LM78121U4LM79121T11五、安裝與調試按照總原理圖將元器件正確安裝在電路板上，焊接時應注意布局要合理，分清7812、7819和三極管的管腳，注意不要虛焊。（1）靜態調試用萬用表對電路板進行靜態測試，目的主要是為了防止虛焊或者漏焊。動態調試接好電路利用示波器和函數信號發生器驗證積分、微分和比例功能：當為積分電路時，輸入方波信號時，調節各種數據參數，輸出應該為三角波信號；當為微分電路時，輸入方波信號時，調節信號發生器的頻使RC<<T/2，則輸出為尖峰脈沖；當為比例運算電路時，輸出信號應為輸入信號的二十倍。六、性能測試與分析測試步驟分別用萬用表先測量LM7812的輸入端與輸出端之間的電壓U13和LM7912的輸入端與輸出端之間的電壓U23，然后，測試正負輸出電壓和變壓器副邊輸出電壓。（2）測試數據變壓器副邊電壓：+1V-1V穩壓塊的輸入端與輸出端電壓：穩壓塊的輸出電壓：+1V-1V數據處理理論上數據：變壓器副邊電壓：+1V-1V穩壓塊的輸入端與輸出端電壓:穩壓塊的輸出電壓:+1V-1V（4）誤差計算變壓器副邊：η1=(15-15)/15*100%=%穩壓電壓：η2=(12.02-1)/12*100%=%η3=(-1+12.00)/（）*100%=%結論分析電源電路由于元件少，線路簡單，所以應力求保證連線正確。三端穩壓器要檢查三個腳不能接錯。7812系列和79121，2腳連線剛好相反，切忌弄錯。濾波電解電容一定要分清正負極性，否則會產生爆炸。一般是正端接高電位，負端接低電位。誤差由于電阻的不精確、焊接的失誤造成的。測試步驟測試比例運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。測試積分運算電路，先輸入一方波信號，觀察輸出波形：再輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。測試微分運算電路，輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試比例積分運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。再輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試比例微分運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。再輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試比例積分微分運算電路，輸入一正弦波信號，觀察輸出波形。再輸入一方波信號，觀察輸出波形。測試數據測試比例運算電路時的比例系數，觀察積分微分運算電路時的波形變化化。比例運算電路（輸出為輸入為-20倍）：圖6-1比例運算仿真圖積分運算電路（輸入為方波時輸出為三角波）：圖6-2積分運算仿真圖微分運算電路（輸入為方波時輸出為尖峰脈沖）：圖6-3微分運算仿真圖三種功能一起實現時，輸入分別為正弦波三角波方波時波形如下：圖6-4比例積分微分仿真圖數據處理當為比例運算電路時，輸入信號為34.8mv時，此時輸出信號為-698mv，放大-20倍。當為積分運算電路時，輸入為正弦波時輸出為余弦波;輸入為方波時，輸出為三角波。當為微分運算電路時，輸入為方波時并且RC<<T/2，輸出信號為尖峰脈沖。當為比例積分運算電路時，輸入信號為正弦波則輸出正弦波但相位偏移180度。當為比例微分運算電路時，輸入信號為正弦波則輸出信號為正弦波。當為比例積分微分運算電路時，輸入信號為正弦波時則輸出為余弦波。（4）誤差計算比例運算電路：測得Ui=34.8mvUo=-698mvAu=-20.06Au理=-20Au相對誤差=(-20.06+20)/20*100℅℅結論分析比例運算電路可實現波形的放大，積分和微分運算電路可實現波形的變化。誤差由于電阻選擇的不合理，積分微分時間常數不滿足要求，導致實驗得不到預想的結果，可通過改變時間常數即改變電阻的大小，同樣，