基于运算放大器的电子技术综合性实验教学项目设计

[摘 要] 电子技术综合性实验教学对本科学生电子电路设计能力培养起重要作用。通过一个基于通用运算放大器的电子技术综合实验设计案例，介绍了将实际工业电子系统简化调整，设计适于本科学生掌握的实验项目的思路。

[关键词] 电子技术;运算放大器;教学项目

[基金项目] 2019年度教育部产学合作协同育人项目“软件仿真在电类大学生创新竞赛训练中应用研究”（201902208001）

[作者简介] 姚福强（1972—），男，山东巨野人，硕士，山东科技大学电气信息系副教授，主要从事配电系统自动化研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）40-0387-02    [收稿日期] 2020-04-09

一、引言

电子技术综合性实验是理工科电子技术课程实践教学环节重要组成部分。通过综合性实验教学项目的训练，既可锻炼学生的综合分析及实践动手能力，又能激发学生的工程意识和创新意识，提高学习的主动性和创造性，因此选择符合专业发展方向且能够理论联系工程应用的实例，经简化、调整转换为综合性实验项目，是全面推进电子技术综合性实验教学改革，提高实验教学质量关键环节[1-4]。

二、综合性实验教学项目案例设计

本节以“基于通用四运放LM324的温度变换电路设计”为例，介绍将实际工业应用经过简化调整，设计适合本科生能力拓展的综合性实验教学项目。

（一）案例要求

在工业生产过程中很多环节需要温度测量与控制，最常用的温度传感器是热电阻RTD，如铂电阻Pt100的阻值在0℃时为100Ω且随着温度线性变化，在-200℃～300℃范围内具有较高的线性度。本项目就是设计基于Pt100的温度测量和变换电路，将0℃～100℃内Pt100阻值变化变换为0～5V和4mA～20mA信号输出。

（二）实验电路设计

具体电路分析：

考虑到电阻误差等因素对变换精度的影响，实际变换电路如图2所示。由于要求测温上限时需要输出5V电压，因此增加同相放大器A2对ΔU放大，所需的增益为：G=5/0.05=100，通过调节“满度”电位器RJ2调整放大器增益，使其在100℃时输出5V。电位器RJ1为“调零”电位器，它与测量桥臂上臂电阻并联，调节RJ1使电桥在温度下限时输出电压为0V。电路校准应采用标准电阻箱替代Pt100接入进行校准：首先调节电阻箱为100.0欧姆，调节RJ1使输出电压Vo为0V。其次调节电阻箱为138.5欧姆，调节RJ2使输出电压Vo为5.0V。重复前两步直到“调零”和“满度”电位器都不需要进一步调节。

该电路在实际应用中可适用于各种温度测量范围。只需在上述步骤中先将电阻箱调节为对应温度低限时Pt100阻值，调节RJ1使Vo为0V，再将电阻箱调节为温度上限时Pt100阻值，调节RJ2使Vo为5.0V即可。但基于Pt100的电阻变化线性范围，变换电路在-50℃～300℃的范围内具有较高的线性度。

LM336为2.5V集成精密稳压电源，输出电压经10kΩ电阻分压后再经放大器A3跟随后作为偏置电压。

（三）实验效果分析

经过“调零”与“满度”校准的实验电路，用电阻箱代替Pt100分度表中不同温度下的阻值，测量其输出电压和电流进行绘图分析，可以看出變换电路具有较高的线性度，变换误差小于1.0%，取的比较满意的测量效果。

三、结语

本文介绍了一个基于通用运算放大器的模电综合性实验项目，将运算放大器引入不平衡电桥，巧妙地解决了不平衡电桥输出电压的非线性问题，并在变换电路中灵活运用了运算放大器的各种典型电路。随着“新工科”教学改革的进一步实施，需要老师们根据科研和工程实践，开发出更多新颖实用的实验项目，丰富综合性实验教学课程，提高电子技术综合性实验教学的质量。

参考文献

[1]张跃勤，龙英，杨军，等.电子技术综合设计性实验教学研究与实践[J].电气电子教学学报，2017，39（1）：135-138.

[2]侯长波，陈捷，邓志安，等.基于运放的电子电路综合实验项目设计[J].实验科学与技术，2018，16（2）：110-115.

[3]尚桦，李海军，闫清.基于四运放LM324的模拟电子设计综合训练[J].电子测量技术，2013，36（11）：106-109

[4]陈林，杨健，阳浩.电子技术综合设计性实验项目[J].实验室研究与探索，2012，31（1）：149-152，160.