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。本文探討了使用仿真軟件設計電路的可行性，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

　　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：

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　　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：

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　　當輸入的工頻信號幅值為5 V時，RF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。

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　　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：

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　　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：

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　　(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。

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　　2 電壓反饋取樣電路設計

　　2.1 濾波器移相補償

　　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：

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　　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。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。

　　由圖4可見，相移大小為，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。

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　　2.2 電壓反饋取樣電路

　　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。

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　　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|sinωt|和2|cosωt|的正交信號，合成為 uf="2"(|sinωt|+|cosωt|)作脈動變化的直流信號，因為1≤(|sinωt|+|cosωt|)≤，考慮到RF/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15.9μF和1.59μF時的輸出電壓曲線。當電容為15.9μF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1.59μF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。

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　　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。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。