如何設計時間可調的給定積分器電路

如何設計時間可調的給定積分器電路？這樣處理積分電路更靈活。

給定積分器的作用：把用戶的給定階躍信號轉換為斜坡給定信號，減少給定突變引起的瞬間沖擊。

1 電路圖原理分析：

輸入信號為用戶可調電阻分壓信號，經過運算放大器IC1A放大后，經過電阻分壓網絡，輸入給運算放大器IC1B，信號經過電容C3進行累積后，經放大器輸出。

這個電路最主要的元器件是兩個運算放大器，要想分析清除電路的工作原理，必須把運算放大器的工作原理弄清楚。

1.1 運算放大器原理：

運算放大器是一種集成電路，功能是把輸入電壓信號放大N倍后輸出。

放大倍數（也叫增益）：輸出電壓與輸入電壓的比值A。

運算放大器特點：高增益，高輸入電阻，低輸出電阻。

一個運算放大器元件通常包含兩個電源端，兩個輸入端，一個輸出端。電源端接直流偏置電壓，有的運放是單軌電源供電，比如0~5V供電，有的運放是雙軌電源供電，比如-5~+5V供電。

標記為負的一端稱為倒向輸入端，也叫反向輸入端。當輸入電壓U加在負端與公共端之間時，輸出電壓Uo等于-U，符號與輸入電壓U相反。

標記為正的一端稱為非倒向輸入端，也叫同向輸入端。當輸入電壓U加在正端與公共端之間時，輸出電壓Uo等于U，符號與輸入電壓U相同。

如果正端和負端分別輸入電壓U1,U2時，設正負端輸入電壓差值為Ud=U1-U2，則輸出電壓Uo=AUd。把Ud稱為差動輸入電壓。

當U1=0，則Ud=-U2，Uo=-AU2。當U2=0，則Ud=U1，Uo=AU1。

運放輸出電壓Uo與差動輸入電壓Ud之間的關系可用上圖描述，在Ud很小的范圍內(-ε, ε)，Uo與Ud之間呈現線性關系，斜率為放大倍數A，由于A非常大，使得曲線斜率很陡峭，Ud的線性范圍非常小。隨著Ud的增大，輸出電壓Uo區域飽和電壓Us。

因此，在運放的線性范圍內，Rin=∞，Ro=0，A=∞，運放的差壓輸入值Ud≈0，則同向端和倒向端電壓基本相等。

由此獲得運放兩條非常重要性質：

1 虛短：同向端和倒向端電壓相等；

2 虛斷：倒向端和非倒向端輸入電流為零；

有了運放的基本性質，就可以對電路圖進行分析了。

1.2 電路原理分析

分析第一個運放IC1A。該運放的同向輸入端通過電阻R3接給定電壓信號和電阻R5接積分輸出反饋信號。倒向輸入端通過電阻R4接公共端地。根據運放基本性質，輸入端虛短，同向輸入端無電流流過，則給定電壓Ug與積分反饋電壓Ui之間的電壓差，必定在同向輸入端產生電壓信號Ud，而倒向輸入端電壓為0，則當電壓Ud>0時，運放輸出飽和導通電壓Us，當電壓Ud<0時，運放輸出飽和導通電壓-Us。

分析IC1A運放輸出參數配置：當運放IC1A輸出Us時，通常Us略低于供電電源電壓+5V，當運放IC1A輸出-Us時，通常-Us略低于供電電源電壓-5V，

當運放輸出電壓大于公共端電壓時，二極管D2導通，配置不同的R8，R9值，可選擇不同的積分電容充電時間常數，當運放輸出電壓小于公共端電壓時，二極管D1導通，配置不同的R6,R7值，可選擇不同的積分電容放電時間常數。

兩個二極管的作用是對電容C3的充電和放電積分時間參數進行選擇，使得積分具有不同的上升時間和下降時間。

分析運放IC1B，運放倒向輸入端通過R11電阻輸入，倒向輸入端與運放輸出端通過電容C3相連接。輸出端通過電阻R3接電容C4用于信號濾波。

根據運放虛短基本特性，可知運放的倒向輸入端與同向輸入端電壓相等，同向輸入端電壓為公共端電壓0V，因此，倒向輸入端電壓為0V。

根據運放虛斷基本特性，R11輸入電流完全流入電容C3，不經過運放倒向輸入端，當R11流入正向電流時，C3電容被充電，運放輸出電壓反向升高或正向下降，反之，當R11流入反向電流時，C3電容被放電，運放輸出電壓正向升高或反向下降，

2 電路參數計算：

2.1 計算運放IC1A輸出電壓：

設運放倒向輸入端電壓為U1，則當輸入電壓Ug與積分電路輸出電壓Uob不相等時，可計算U1電壓：

當U1>0時，計算此時的Ug與Uob之間的關系：

此時運放IC1A同向輸入端電壓大于0，倒向輸入端電壓等于0，差動輸入電壓Ud>0，輸出電壓為Us≈5V，反之，差動輸入電壓Ud<0，輸出電壓為Us≈-5V。

2.2 計算積分時間參數：

假設運放IC1A輸出電壓為5V，則計算Uoa值：

此時二極管D2導通，假設二極管壓降為0.7V，則R9電壓為Uoa-0.7V。

對電路列寫KCL電流平衡方程：

計算Uoa值：

選擇不同的R8，R9可獲得不同的Uoa值，對應著不同的電容C3充電電流。

當運放輸出電壓為-5V時，同樣可計算出小于0的Uoa值。

2.3 計算積分輸出電壓：

利用運放的虛短、虛斷性質，R11流入的電流等于電容C3流入的電流。

由此，獲得運放輸出電壓Uob：

3 結論：

當Uob輸出值與Ug滿足下列等式時：

運放IC1A差動輸入電壓Ud=0，此時運放輸出電壓為0，則Uoa等于0，積分電路輸出電壓保持當前的Uob值，否則，必然造成積分電路的正向或反向積分。

因此，此給定積分器是具有負反饋功能的電壓積分給定器，積分器輸出電壓Uob與輸入電壓Ug之間保持固定的比例關系。