模电课程设计加减法电路

加法运算电路

1 设计任务描述

1.1 设计题目：加法运算电路

1.2 设计要求

1.2.1 设计目的

（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计

步聚，培养综合设计与调试能力； （2）学会利用运算放大器实现加减法电路；

（3）学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法； （4）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1.2.2 基本要求

（1）利用两级运算放大器实现uo?2ui1?4ui2?ui3

（2）设计电路所需的直流稳压电源，要求包括整流、滤波、稳压。

1.2.3 发挥部分

（1）由于同相加法电路存在共模电压，将造成几个输入信号之间的互相影响，所以本次设计我选用两级运放反相输入，在第一级运用反相输入的求和电路，在第二级采用双端输入式，从而实现课设要求的输出与输入的线性关系。

（2）在线性直流电源中，将普通的电容滤波更改为两个电容与一个电阻的π型滤波电路，增加对交流分量的滤除。

（3）在线性直流电源中，将一般的稳压电路改为固定式三端集成稳压器工作。

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2 设计思路

本次设计的课题是加法运算电路，其“加法”的含义是实现输出与输入的线性关系。本次设计还要求设计为运算电路提供电源的线性直流稳压电源。

首先这次设计的重点是加法运算电路，我需要设计一个电路使得其输出电压与输入电压满足表达式。为满足这一线性关系，我选用两级放大来实现。经过一个学期的学习，我大致了解关于集成运算放大器的工作原理，而这次设计主要是关于运放的线性应用。首先第一级放大电路中，由于同相输入存在共模电压，会造成几个输入信号之间的互相影响。而反相输入式放大电路中，根据虚断的概念，同相位输入端的电位为零，相当于与地等电位，即“虚地”。这样可保证运放输入端无共模信号。在第一级运算放大器的反相端输入施加两个电压信号，从而达到两个输入电压与第一级运放的输出电压之间的线性关系。然后将这一输出加到第二级运放的反相端，同时在第二级运放的同相端加入第三个信号源，实现双端输入式放大电路，这种电路的的特点是输入电阻大、输出电阻小。最后实现最终的输出电压与三个输入电压信号成一定的线性关系。

一个电路要想稳定的工作，一定需要用稳定的直流电源进行供电。直流电压通常是从交流电网中转换获得，由于电网电压的波动，负载电流的变化，以及温度等环境因素的改变，往往使得直流电压不稳定。而直流电源的功能就是将交流电网电压转换成稳定的直流电压。电流稳压电源一般由变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。首先选择一个常用的交流电源，利用变压器降压。然后通过二级管组成的单相桥式整流电路将经过变压器降压的交流电整流。将普通的电容滤波更改为两个电容与一个电阻的π型滤波电路，增加对交流分量的滤除滤波。最后的稳压部分，我选用固定三端式稳压器。

两部分电路都设计好后，用multisim分别试调，改正后。将线性直流稳压电路施加在运算电路两端，使电路正常运行。

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加法运算电路

3 设计方框图

线性直流稳压电源 第一级放大电路 第二级放大电路 U1+U2 图3.1 设计方框图

U3

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4 各部分电路设计及参数计算

4.1 第一级运算放大电路

4.1.1 工作原理

R4VCC100kΩ10VVCC4542U2A13LM358AM8R150kΩV115 Vpk 2kHz 0° R225kΩ2V22kHz 5 V 3VEEVEE-10VR310kΩ0

图4.1 第一级运放电路

电路分析：上图所示电路为反相放大电路，将两个信号加到运算放大器反相输入端，R4为反馈电阻，R3为平衡电阻。由于虚地、虚断及虚短定理，可求出输出电压。此电路中利用输出电压vo1通过反馈元件（R4）对放大电路起自动调整作用，从而牵制了vo1的变化，最后达到输出稳定平衡。

4.1.2 参数计算

图4.1所示为反相输入的加法电路，它实质上是多端输入的电压并联负反馈电路。由于虚地，有vn=vP=0;此外，由于虚断，有i n=iP=0，对节点N，有

V1V2V???O1 （4.1.1） R1R2R4可得

?R4?R4v01?-?V?V?R1R2?? （4.1.2）

2?1?

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加法运算电路

由4.3.2节内容，R1?50K?,R2?25K?,R4?100K?,故满足下列关系式

v01?-?4V1?2V2? （4.1.3）

4.1.3 波形分析

（1）当v1为幅值1V的正弦波，v2为幅值2V的矩形波，且频率都为2kHZ时，输出应该为幅值为10V的波形图。

图4.2 输出电压波形图

4.2 第二级运算放大电路

4.2.1 工作原理

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R620kΩVCC10VVCC5R520kΩVo110kHz 4 V 34312U1A1R740kΩV342 Vrms 10kHz 0° 02R840kΩ8LM358AMVEE-10V

图4.3 第二级运放电路

电路分析：如图4.3所示的放大电路，该放大电路采用双端输入的方式，图中Vo1（矩形波）通过R5加到反相端，V3（正弦波）通过R7、R8分压后加到同相端。输出信号通过R6、R5组成反馈网络加到反相端。双端输入放大电路的输出电压在线性工作条件下可利用叠加定理进行参数计算。

4.2.2 参数计算

图4.3为一个运放组成的差动输入的减法电路，运用虚短概念，有

VO1?VnVn?VO? (4.2.1) R5R6和

V3?VpVP (4.2.2) ?R7R8由两式且Vn?Vp可知，

?Vo1Vo?R5R6R81???Vn????RV?RV?V?V3 (4.2.3) 6o15oP?R?R7?R8?5R6?R5?R6R5?R6

可解得

?R5?R6??R8?R6???V? Vo???R??R?R?3RVo1 (4.2.4) 58?5???7- 6 -

加法运算电路

由第4.3.2节内容可知R5?20K?,R6?20K?,R7?40K?,R8?40K?，故满足下列关系式

Vo?V3?Vo1 （4.2.5）

4.2.3 波形分析

（1）当Vo1为幅值4V的矩形波弦波，v2为幅值2V的正弦波形波，且频率都为10kHZ时，输出应该为幅值为6V的波形图。

图4.4输出电压波形图

4.3 运算放大电路

4.3.1 工作原理

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R4VCC100kΩ10VVCC4R620kΩVCC10VVCC1R520kΩ34792U2A132U1A13LM358AM8R150kΩV141 Vpk 2kHz 0° R225kΩ5V22kHz 4 V 6VEEVEE-10VR310kΩR740kΩV322 Vrms 1kHz 0° 8R840kΩ8LM358AMVEE-10V0

图4.5加法运算电路

电路图分析：图4.5所示的电路为加法运算电路，是由图4.1中的输出端的电压Vo1充当图4.3中的反相端的信号电压，形成一个输入与输出具有线性关系的电路图。此电路图中先输入V1和V2，再通过第一级运放电路后形成一定放大倍数的电压，再与V3构成双端输入式放大电路，V3（正弦波）通过R7、R8分压后加到同相端。最终的输出信号通过R6、R5组成反馈网络加到反相端。最得到输出电压Vo，使Vo与V1、V2、V3具有相加的线性关系。此电路中利用输出电压Vo通过反馈元件（R1、R2、R4、R5、R6）对放大电路起自动调整作用，从而牵制了Vo的变化，最后达到输出稳定平衡。

4.3.2 参数计算

由式（4.1.3）和式（4.2.4）

?R4?R4?V01?-?V1?V2?? R2?R1?(4.3.1)

?R5?R6??R8?R6???Vo??V??R??R?R?3RVo1 58?5???7

可得下式

Vo?R6R4RRR(R?R6)V1?64V2?85V3 (4.3.2) R5R1R5R2R5(R7?R8)

根据设计要求，需要实现uo?2ui1?4ui2?ui3，可得下式

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a?b?R4R6?2 R1R5R6R4V?4 （4.3.3） R5R2R(R?R6)c?85?1

R5(R7?R8)

可求得其中一种解：

R1?50K?,R2?25K?,R3?10K?,R4?100K?

R5?20K?,R6?20K?,R7?40K?,R8?40K?

此时电路中输出与输入满足下列关系式：

Vo?2V1?4V2?V3

4.3.3 波形分析

（1）当V1为1V的正弦波、V2为4V的矩形波且频率都为2kHz时，V3为2V频率为1kHz时的正弦波，输出波形如图4.6所示。

图4.6输出电压波形图

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4.4 线性直流稳压电源

线性稳压电源的主要结构如下图所示：

4.4.1 工作原理

4V11T1412D15R250Ω7C2330nFC43uF220 Vpk 100 Hz 0° 2U1LM7812CTLINEVREGVOLTAGECOMMON6C3100nF333N255C12.2mFR1300Ω0

图4.7线性直流稳压电源

电路图分析：电子设备中都需要稳定的直流电源。直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电，整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入交流电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并稳定输出直流电压。

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4.4.2 各部分电路分析

(1)电源变压器

电源变压器是最常用的一类变压器。根据次级电压v2与初级电压v1的关系不同，电源变压器可分为降压变压器(v2v1）、隔离变压器（v2=v1）和多绕组变压器等。此次利用的是降压变压器，将220V的交流电压v1变换成整流滤波电路所需交流。

变压器

220V

经过变压器后的波形（幅度变化）

(2)单向桥式整流电路

整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件（如二极管、晶闸管等），将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。但是，这种电压直流幅值变化很大，包含有很多的脉动交流成分，还不能作为直流电源使用。对于高质量的稳压电源，其整流电路一般都选用桥式整流电路。整流电路常见的有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，和单相全波整流电路。本次设计为桥式整流滤波电路，就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电压。

3V14T1412D15220 Vpk 100 Hz 0° 1233N255R1300Ω0

图4.8 单向桥式全波整流电路

(3)π型滤波电路

经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在小功率电路中常采用电容滤波电路，将滤波电容C直接

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并联在负载RL两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成风降低，输出直流电压的平均值增大，采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压。

滤波电路

单向脉冲电压 滤波

工作电路图：

V14T1412D1R250ΩR1300Ω6220 Vpk 100 Hz 0° 12353N255C12.2mFC43uF0

图4.9 π型滤波电路

滤波后C1两端的电压为

Vc1?29.1V

电阻R2两端的电压为

VL?26.5V

流经R2的电流为

IL?VL?0.053A R2 - 12 -

则C1可选耐压30V容量为2.2mF的电解电容，C4可选耐压30V容量为3uF的电解电容。

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(4)单电源集成稳压电路

4V11T1412D15R250Ω7C2330nFC43uF220 Vpk 100 Hz 0° 2U1LM7812CTLINEVREGVOLTAGECOMMON6C3100nF333N255C12.2mFR1300Ω0

图4.10单电源集成稳压电路

交流电网电压经过变压、桥式整流、电容滤波后的不稳定的直流电压加至LM7812集成稳压器的输入端（IN）和公共端（GND）之间，则在输出端（OUT）和公共端（GND）之间可得到固定的稳定电压输出。其中，C2、C3是高频旁路以及为防止自激振荡用。

选用集成稳压型号，确定电路形式 查器件手册选三端固定式稳压器LM7812，特性参数在手册中查得：输出电压Uo=11.5-12.5V，最大电流为1A，最小输入电压为14V,最大输入电压为35V。

4.4.3 波形分析

(1)变压部分

图4.11 变压器两端电压

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(2)整流部分

图4.12 整流电路

(3)滤波

图4.13 滤波电路

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(4)稳压

图4.14 稳压电路

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5 工作过程分析

5.1 加法运算电路

第一级运放电路为反相放大电路，将两个信号加到运算放大器反相输入端。由于虚地、虚断及虚短定理，可求出输出电压。此电路中利用输出电压vo1通过反馈元件对放大电路起自动调整作用，从而牵制了vo1的变化，最后达到输出稳定平衡。 加法运算电路先经过一级运算放大器形成如下线性关系：

v01?-?4V1?2V2?

第二级运算放大电路采用双端输入的方式，Vo1加到反相端，V3加到同相端。输出信号通过R6、R5组成反馈网络加到反相端。双端输入放大电路的输出电压在线性工作条件下可利用叠加定理进行参数计算。

在经过二级运算放大器形成最终结果：

Vo?2V1?4V2?V3

5.2 线性直流稳压电源

电子设备中都需要稳定的直流电源。直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电，整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入交流电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并稳定输出直流电压。

在调试过程中，主要调节两个电容的大小来减小失真的部分，然后通过调节稳压部分中的几个电阻进一步获得稳定的16V输出电压。

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6 元器件清单

数量 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 描述 RESISTOR, 40kΩ RESISTOR, 25kΩ RESISTOR, 50kΩ AC_POWER, 10 Vrms 1kHz 0° CLOCK_VOLTAGE, 2kHz 5 V AC_VOLTAGE, 5 Vpk 2kHz 0° RESISTOR, 20kΩ RESISTOR, 100kΩ POWER_SOURCES, GROUND RESISTOR, 10kΩ RESISTOR, 50Ω CAPACITOR, 3uF RESISTOR, 300Ω CAPACITOR, 100nF CAPACITOR, 330nF CAPACITOR, 2.2mF TS_IDEAL AC_VOLTAGE, 220 Vpk 100 Hz 0° 参考标识 R10, R7 R9 R8 V4 V3 V2 R6, R5 R4 0 R3 R2 C4 R1 C3 C2 C1 T1 V1 封装 Generic Generic Generic Generic Generic Generic

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7 主要元器件介绍

1. 运算放大器LM358

低功耗，共模输入定呀范围宽，包括接地。适用于电源电压范围很宽的单电源使用，在一定工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

2. 固定式三端集成稳压器LM7812

交流电网电压经过变压、桥式整流、电容滤波后的不稳定的直流电压加至LM7812集成稳压器的输入端（IN）和公共端（GND）之间，则在输出端（OUT）和公共端（GND）之间可得到固定的稳定电压输出。其中，C2、C3是高频旁路以及为防止自激振荡用。选用集成稳压型号，确定电路形式 查器件手册选三端固定式稳压器LM7812，特性参数在手册中查得：输出电压Uo=11.5-12.5V，最大电流为1A，最小输入电压为14V,最大输入电压为35V。

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小 结

经过本次课程设计，我深刻体会到实践出真知的意义。通过上学期对电子技术基础模拟部分的学习，我对这门课程有了一定的基础知识。本次课设，我很幸运地选到一个相对简单而且熟悉的课题。根据运算放大器的性质，实现一个加法电路，还要求设计一个电源。

看似简单的课题，虽然学校要求是一个周的时间，但对我而言，我足足花了两个周。刚选完我便开始复习运算放大器的相关学术知识，我发现教材上的内容对本次设计而言，略有不足。面对这样的设计，我真的不知如何着手。与解题不同的是，我们不仅需要学好知识，还要学会如何运用。

终于通过上网和图书馆的图书资源，我大概有了设计方向。我先把电路的雏形画了出来，前前后后这次设计我画出了三种方案，通过与同组成员对比讨论，我最后选了两级反相输入，第二级使用减法器实现本次课设的目的。

相比仿真来说，简单地在草纸上构思真的很轻松。刚开始画图就遇到各种各样的问题，各种各样的元件有不同的性能，如何选择也成了一大难题。为了满足设计要求，需要根据电路来计算阻值。为了仿出波形，一次又一次的改变参数。

面对重重困难，只能反复查阅资料，询问同学老师。虽然本次设计不是完美的，但对于我来说，是一次很大的历练。通过这次模电课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试。熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法。同时对直流稳压电源构造及原理这一部分的知识基础也更深入掌握。我感觉自己的知识得到了拓展，更深一步理解了老师上课所讲的内容。

希望在以后的学习中，我不会让所学到的内容白白浪费掉，做到真正的学已致用！ 本次设计更让我明白的是，遇到困难不能气馁更不能妥协。虽然遇到了各种各样的错误、困难。软件出问题，花了几个小时卸载安装。电路出现错误，反复查阅资料，对照书籍，最终找到解决方案。其次，书本知识很重要，除了书本知识更要学会利用图书馆的书籍资源已经图书馆系统的数据资源。通往成功的路上一定是曲折的。以小见大，这便是本次课设的人生感悟！

功夫不负有心人，这次课设圆满结束。感谢老师和同学们的帮助！

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致 谢

对于本次课程设计，首先要感谢的是指导我课设的秦宏老师，每次课上检查老师都会具体到每一位同学，为我们指出错误与不足，帮助我们改正和完善。耐心的总结每组每个课题设计的核心，为了我们能取得优异的成绩，哪怕是课余时间也耐心为我们解答。这一个周，每节课老师都细心的检查我们的电路，仿真结果。真的特别感谢秦老师的付出。

然后我还要感谢的是教我们班模电课的罗老师，罗老师风趣的教学风格，让我们更容易地接受知识。为本次设计奠定了扎实的基础。

最后我要感谢帮助过我的同学，谢谢你们不厌其烦的帮我修改电路。感谢你们在自己也有任务的同时，帮助我解答疑问。 真诚地向你们致谢！

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参考文献

[1]康华光.电子技术基础（数字部分）.北京：高等教育出版社，2014 [2]程勇.实例讲解Multisim10电路仿真.北京：人民邮电出版社，2010 [3]李国丽.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2012 [4]沈任远.模拟电子技术基础.北京：机械工业出版社，2013 [5]李宁.模拟电路.北京：清华大学出版社，2010

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附 录 A 电路图

V1 5 3 T1 2 D1 1220 Vpk 100 Hz 0° 1 4 2 3 R2 50? 6 C4 3uF C2 330nF U1 LM7812CT LINEVREGVOLTAGECOMMON 7 3N255 C3 100nF R1 300? C1 2.2mF 0 R4 100k? 14 42R6 4 20k? U2A LM358AM R7 40k? V4 9 10 Vrms 1kHz 0° 1 8 8 R5 20k? 10 42 16 U1A 1 83V2 5 Vpk 2kHz 0° R8 50k? 11 R9 25k? 12 V3 2kHz 5 V 13 R3 10k? 15 R10 40k? 3 LM358AM 0

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