如何设计时间可调的给定积分器电路

如何设计时间可调的给定积分器电路？这样处理积分电路更灵活。

给定积分器的作用：把用户的给定阶跃信号转换为斜坡给定信号，减少给定突变引起的瞬间冲击。

1 电路图原理分析：

输入信号为用户可调电阻分压信号，经过运算放大器IC1A放大后，经过电阻分压网络，输入给运算放大器IC1B，信号经过电容C3进行累积后，经放大器输出。

这个电路最主要的元器件是两个运算放大器，要想分析清除电路的工作原理，必须把运算放大器的工作原理弄清楚。

1.1 运算放大器原理：

运算放大器是一种集成电路，功能是把输入电压信号放大N倍后输出。

放大倍数（也叫增益）：输出电压与输入电压的比值A。

运算放大器特点：高增益，高输入电阻，低输出电阻。

一个运算放大器元件通常包含两个电源端，两个输入端，一个输出端。电源端接直流偏置电压，有的运放是单轨电源供电，比如0~5V供电，有的运放是双轨电源供电，比如-5~+5V供电。

标记为负的一端称为倒向输入端，也叫反向输入端。当输入电压U加在负端与公共端之间时，输出电压Uo等于-U，符号与输入电压U相反。

标记为正的一端称为非倒向输入端，也叫同向输入端。当输入电压U加在正端与公共端之间时，输出电压Uo等于U，符号与输入电压U相同。

如果正端和负端分别输入电压U1,U2时，设正负端输入电压差值为Ud=U1-U2，则输出电压Uo=AUd。把Ud称为差动输入电压。

当U1=0，则Ud=-U2，Uo=-AU2。当U2=0，则Ud=U1，Uo=AU1。

运放输出电压Uo与差动输入电压Ud之间的关系可用上图描述，在Ud很小的范围内(-ε, ε)，Uo与Ud之间呈现线性关系，斜率为放大倍数A，由于A非常大，使得曲线斜率很陡峭，Ud的线性范围非常小。随着Ud的增大，输出电压Uo区域饱和电压Us。

因此，在运放的线性范围内，Rin=∞，Ro=0，A=∞，运放的差压输入值Ud≈0，则同向端和倒向端电压基本相等。

由此获得运放两条非常重要性质：

1 虚短：同向端和倒向端电压相等；

2 虚断：倒向端和非倒向端输入电流为零；

有了运放的基本性质，就可以对电路图进行分析了。

1.2 电路原理分析

分析第一个运放IC1A。该运放的同向输入端通过电阻R3接给定电压信号和电阻R5接积分输出反馈信号。倒向输入端通过电阻R4接公共端地。根据运放基本性质，输入端虚短，同向输入端无电流流过，则给定电压Ug与积分反馈电压Ui之间的电压差，必定在同向输入端产生电压信号Ud，而倒向输入端电压为0，则当电压Ud>0时，运放输出饱和导通电压Us，当电压Ud<0时，运放输出饱和导通电压-Us。

分析IC1A运放输出参数配置：当运放IC1A输出Us时，通常Us略低于供电电源电压+5V，当运放IC1A输出-Us时，通常-Us略低于供电电源电压-5V，

当运放输出电压大于公共端电压时，二极管D2导通，配置不同的R8，R9值，可选择不同的积分电容充电时间常数，当运放输出电压小于公共端电压时，二极管D1导通，配置不同的R6,R7值，可选择不同的积分电容放电时间常数。

两个二极管的作用是对电容C3的充电和放电积分时间参数进行选择，使得积分具有不同的上升时间和下降时间。

分析运放IC1B，运放倒向输入端通过R11电阻输入，倒向输入端与运放输出端通过电容C3相连接。输出端通过电阻R3接电容C4用于信号滤波。

根据运放虚短基本特性，可知运放的倒向输入端与同向输入端电压相等，同向输入端电压为公共端电压0V，因此，倒向输入端电压为0V。

根据运放虚断基本特性，R11输入电流完全流入电容C3，不经过运放倒向输入端，当R11流入正向电流时，C3电容被充电，运放输出电压反向升高或正向下降，反之，当R11流入反向电流时，C3电容被放电，运放输出电压正向升高或反向下降，

2 电路参数计算：

2.1 计算运放IC1A输出电压：

设运放倒向输入端电压为U1，则当输入电压Ug与积分电路输出电压Uob不相等时，可计算U1电压：

当U1>0时，计算此时的Ug与Uob之间的关系：

此时运放IC1A同向输入端电压大于0，倒向输入端电压等于0，差动输入电压Ud>0，输出电压为Us≈5V，反之，差动输入电压Ud<0，输出电压为Us≈-5V。

2.2 计算积分时间参数：

假设运放IC1A输出电压为5V，则计算Uoa值：

此时二极管D2导通，假设二极管压降为0.7V，则R9电压为Uoa-0.7V。

对电路列写KCL电流平衡方程：

计算Uoa值：

选择不同的R8，R9可获得不同的Uoa值，对应着不同的电容C3充电电流。

当运放输出电压为-5V时，同样可计算出小于0的Uoa值。

2.3 计算积分输出电压：

利用运放的虚短、虚断性质，R11流入的电流等于电容C3流入的电流。

由此，获得运放输出电压Uob：

3 结论：

当Uob输出值与Ug满足下列等式时：

运放IC1A差动输入电压Ud=0，此时运放输出电压为0，则Uoa等于0，积分电路输出电压保持当前的Uob值，否则，必然造成积分电路的正向或反向积分。

因此，此给定积分器是具有负反馈功能的电压积分给定器，积分器输出电压Uob与输入电压Ug之间保持固定的比例关系。