基于運(yùn)算放大器的電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

[摘 要] 電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)本科學(xué)生電子電路設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)起重要作用。通過一個(gè)基于通用運(yùn)算放大器的電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例，介紹了將實(shí)際工業(yè)電子系統(tǒng)簡(jiǎn)化調(diào)整，設(shè)計(jì)適于本科學(xué)生掌握的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思路。

[關(guān)鍵詞] 電子技術(shù);運(yùn)算放大器;教學(xué)項(xiàng)目

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

[作者簡(jiǎn)介] 姚福強(qiáng)（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(dòng)化研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 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(shí)驗(yàn)是理工科電子技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)重要組成部分。通過綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的訓(xùn)練，既可鍛煉學(xué)生的綜合分析及實(shí)踐動(dòng)手能力，又能激發(fā)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)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(shí)例，經(jīng)簡(jiǎn)化、調(diào)整轉(zhuǎn)換為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是全面推進(jìn)電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]。

二、綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)

本節(jié)以“基于通用四運(yùn)放LM324的溫度變換電路設(shè)計(jì)”為例，介紹將實(shí)際工業(yè)應(yīng)用經(jīng)過簡(jiǎn)化調(diào)整，設(shè)計(jì)適合本科生能力拓展的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)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(cè)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(shí)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(xiàng)目就是設(shè)計(jì)基于Pt100的溫度測(cè)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(hào)輸出。

（二）實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

具體電路分析：

考慮到電阻誤差等因素對(duì)變換精度的影響，實(shí)際變換電路如圖2所示。由于要求測(cè)溫上限時(shí)需要輸出5V電壓，因此增加同相放大器A2對(duì)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(shí)輸出5V。電位器RJ1為“調(diào)零”電位器，它與測(cè)量橋臂上臂電阻并聯(lián)，調(diào)節(jié)RJ1使電橋在溫度下限時(shí)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(jìn)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(jìn)一步調(diào)節(jié)。

該電路在實(shí)際應(yīng)用中可適用于各種溫度測(cè)量范圍。只需在上述步驟中先將電阻箱調(diào)節(jié)為對(duì)應(yīng)溫度低限時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)效果分析

經(jīng)過“調(diào)零”與“滿度”校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)電路，用電阻箱代替Pt100分度表中不同溫度下的阻值，測(cè)量其輸出電壓和電流進(jìn)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(cè)量效果。

三、結(jié)語

本文介紹了一個(gè)基于通用運(yùn)算放大器的模電綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將運(yùn)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(yùn)用了運(yùn)算放大器的各種典型電路。隨著“新工科”教學(xué)改革的進(jìn)一步實(shí)施，需要老師們根據(jù)科研和工程實(shí)踐，開發(fā)出更多新穎實(shí)用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，提高電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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