模拟信号运算电路的设计

目录

1设计指标 (1)

2设计方案及其比较 (1)

2.1方案一 (1)

2.2方案二 (2)

2.3方案三 (3)

2.4方案比较 (5)

3实现方案 (5)

4调试过程及结论 (8)

5心得体会 (9)

6参考文献 (9)

模拟信号运算电路的设计

1设计指标

设计一种模拟信号的运算电路，其中包括加法、减法和反相比例等电路的运用，要求能够实现特定函数（v v v v O 5.05321-+=）的三路可调输入模拟信号的运算，测试并记录下各节点的波形图。

2设计方案及其比较

2.1方案一

方案一的原理图如图1所示，方案一是由两个LF353的运算放大器U1:A

和U1:B 组成一个两级运放的结构，其中v 1和v 2由第一级输入，通过运放U1:A 进行反向比例加法运算从而得到)5(211v v v O +-=；v 3 由第二级输入而与v O 1进行反向比例加法运算从而得到v v v v O 5.05321-+=；

图1为方案一的原理图

其中各电阻值的确定如下：

)5()(2122

51151v v v R R v R R v O +-=∙+∙-=; （1） R R 515=∴

R R 25=

又R 7为平衡电阻,其作用是避免输入偏流产生附加的差动输入电压，故

R R R R 1257////=;

)()(14

033031v R R v R R v v v O O O +∙-=+-= （2） R R R 3402

1==; 同理，R 6也为平衡电阻，故

R R R R 4306////=

该方案主要采用了加法器运算电路和和反向比例运算器的工作原理来实现v v v v O 5.05321-+=，可行！

2.2方案二

方案二的原理图如图2所示，该方案采用差动输入方式，也是由两个

LF353的运算放大器构成的两级输入结构，与方案一不同的是，v 1，v 2，v 3均在第一级输入，第二级为一反向比例运算器；其中v 1和v 2从反向输入端输入，v 3从同向输入端输入，得v v v v O 5.0)5(3211++-=，再经过U1:B 后得v v v v v O O 5.053211-+=-=

其中各电阻值的确定如下：

v v R R v R R v O O 322

71171)(+∙+∙-= （3） 其中v O 3满足

v R R R R R v R R R O 37

21213535////∙+=∙+; （4） 由（3）得

R R R 5172==

由（4）得

v R R R R R R R R v O 3532172153)

)(//()//(∙++= （5）

图2为方案二的原理图

为抑制共模信号，从而提高共模抑制比，以保证电路的测量精度，故

R R R R R 72153//////=

R R 1353=∴ R R 1013=

对于U1:B,该运放仅起到反向的作用，故

R R 84=

R 6为平衡电阻，故

R R 5.046=

2.3方案三

方案三的原理图如图3所示,此方案共用了四个LF353型的运算放大器，其中U1:A,U1:B 的输入方式为同相输入，U2:A 为反向比例运算器，U2:B 为射随器，其作用是将输入端和输出端隔离开来以满足运算关系；

各电阻值的确定如下：

运用叠加定理，记v 1，v 2，v 3分别作用时一级输出为V V V O O O 321,,到第二级的输入电压分别为v v v O O O 321,,，则有

图3为方案三的原理图

V R R R R R v O 110

981091////∙+= （6） V R R R R R v O 210891082////∙+=

（7） V R R R R R v O 310

98983////∙+= （8） 令R R R 1098==，则

V v O O 2131=， V v O O 2231=， V v O O 333

1=; 因此，为保证v v v v O 5.05321-+=的成立，需先将比例整体扩大3倍，即令

v V O 1511= v V O 322= v V O 5.133-=；

151

4111=+=R R R v V O （9） 32

5222=+=R R R v V O （10）

5.13

633-=-=R R v V O （11） R R 1414=∴ R R 225= R R 5.136=

R 7为平衡电阻，

R R R 637//=∴

2.4方案比较

上述各方案均能较好的符合运算电路的公式，仿真精度也近似，然而对

于实际操作却各有利弊，现在从方案三看起，方案三一共用了四个运算放大器，十个电阻，但从电路中可以清楚的看出各个小模块的作用，该方案既有同相输入的模块又有反向输入的模块，各个模块还有平衡电阻来避免附加的差动输入电压以提高电路精度；虽然远离简单，但耗材较多，电路连接复杂，与其他方案相比，实际操作难度高；方案二采用差动输入方式分别从同向和反向端输入，由于运算放大器也没有“虚地” 点，相当于在运放两端加上了大小相等，极性相同的共模信号，因此想要获得较高精度的运算还得选用共模抑制比K CMR 高的运算放大器，该方案以差动输入从结果来看实际构成了一个减法器，后面接一个运放作为等比例反向比例运算器反向；电路较简单，但运算起来相对较麻烦或者说无法直接看出最终结果！方案一同样只用了两个运放，却是最容易想到的方案，从始末来看，它两次反向将从一级反向端输入的还原为正，将从第二级反向端输入的反向为负从而起到减法器的作用，此方案两次采用反向比例加法运算电路实现了v v v v O 5.05321-+=，计算思路清晰，近乎可以口算出各电阻的参数值；综合上述比较，选择方案一作为最终操作方案；

3实现方案

从上面的方案比较来看，我们将选择方案一来实现v v v v O 5.05321-+=的运算，实现过程中我们将用到如下表（表1）中器件，其中直流源1为运放提供偏