运算放大器在波形变换中地应用Word格式.docx

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当V+＞V-时，VO＞0；

当V+＜V-时，VO＜0。

电路中输入+端接地，V+=0，所以V-＞0，VO＜0；

V-＜0，VO＞0。

因此，当V-在V+附近波动时，输出电压VO将在正负电源电压间跳变。

b、积分电路

∑点为虚地点。

可得：

当Vi为常数时，

由此可见，VO是时间的线性函数，当Vi为正电压时，Vo线性减小；

当Vi为负电压时，VO线性增加。

因此，如Vi为正负绝对值相等的矩形波电压且维持时间t恰当（不至于使运算放大器输出饱和），积分电路输出波形为三角形电压。

c、两个比较信号电平的确定（VO1经R2，VO2经R3）

VO1是积分电路输出的三角波形电压，VO2是第三个运算放大器输出的矩形波电压。

当VO2施加不变的电压时，VO1施加的是线性变化的三角波电压。

因此V-存在两个不同的过零电压。

计算得：

考虑一般性，VO2输出的正电平为Vp，负电平为-VN，则V-过零时刻，VO1两个电平为：

则，实验各点波形为：

d、振荡频率和周期

在t0＜t＜t1经过分压，积分电路的输入电压Vi为-αVN（这里的α为分压比，调节W1电位器，可改变α），两个比较电平对应积分电路中的初末电压。

从而可得：

同理，在t1＜t＜t2时间内积分电路的输入电压Vi为αVP，两个比较电电平仍对应积分电路中的初末电压。

所以，T1+T2即为三角波的周期化简得：

1、若VP不等于VN，则T1不等于T2，VO1输出为锯齿波，VO2输出为矩形波；

2、若VP等于VN，则T1等于T2，VO1输出为三角波，VO2输出为方波；

3、三角波和方波的周期为：

4、当R2=R3时，周期和频率为：

，f=

5、若输出电压VO2被钳制在不同的正负电压值时，可改变输出波形占空比，即VO1将输出锯齿波，而VO2将输出矩形波。

5、通观整体

积分电路

→

比较电平产生电路

比较电路

6、性能估算

设计指标

三角波和方波的频率范围0.5KHz—2KHz

输出幅度为±

6V

A、根据输出幅度要求D3、D4可取5V1稳压二极管；

取R2=R3，使三角波输出最大电压为5.1V，最小电压为－5.1V；

D1、D2可取快速二极管1N4148。

B、根据频率范围要求f=

取α=1时f=2kHz,若C1取0.01μF，则R1=12kΩ；

当f=500Hz，C1=0.01μF，R1=12kΩ时，α=0.25；

因此可选W1>

3kΩ，R4=1kΩ。

选R2=R3=1kΩ

三、μA741

1、特性

短路电流保护

电压调零能力

大范围的差模和共模输入电压

低电源消耗

无闩锁效应

2、最大额定值

μA741C

μA741I

μA741M

单位

输入电压，VCC+

18

22

V

输入电压，VCC-

-18

-22

差动输入电压，VID

±

15

30

调零段到VCC-的电压降

0.5

输出短路时间

无限

操作自然温度范围

0至70

-40至85

-55至125

°

C

储存温度

-65至150

工作60s后表面温度

FK封装

260

工作60s距离表面1.6mm导线温度

J，JG或U封装

600

工作10s距离表面1.6mm导线温度

D，P或PW封装

3、电气参数（除特别指出，均在在25°

C自然温度，VCC=±

15V）（除特别指出，均在开环下，零共模输入）

参数

测试条件

μA741C,μA741M

最小

标准

最大

输入偏移电压VIO

VO=0

1

6

5

mV

偏移电压调整范围△VIO

输入偏移电流IIO

20

200

nA

输入基准电流IIB

80

500

共模输入电压范围VICR

12

13

最大峰值输出电压VOM

RL=10KΩ

14

RL≥10KΩ

RL=2KΩ

10

RL≥2KΩ

大信号差模输入电压震荡AVD

50

V/mV

VO=±

10V

25

输入电阻ri

0.3

2

MΩ

输出电阻ro

75

Ω

输入电容Ci

VIC=VICRmin

1.4

pF

共模抑制比CMRR

VCC=±

9V至±

15V

70

90

dB

短路输出电流IOS

40

mA

源电流ICC

VO=0，无负载

1.7

2.8

总功率消耗PD

85

mW

四、实验步骤

1、在面包板上按实验原理图，连接电源和信号路线（器件要平铺在面包板上，不能立交状）

2、不带电测试：

利用万能表二极管档位，测试全线路的通断状况

3、接通电源，手感应关键器件（μA741）的温度，如果有发烫，则断电检查线路

4、若器件工作正常，则用万用表测量电源和典型节点的电压

5、接通示波器，观察输出波形，记录数据

五、实验结果与数据分析

这次试验较为顺利，在连接好电路之后，经过不带电测试和手感应温度测试，期间均工作正常、接通示波器后，屏幕上出现理想的三角波和方波波形。

通过调整电位器的分压比，观察三角波和方波的极限工作范围。

经测试，波形的频率在458.7Hz到1.96kHz之间。

三角波的最小值为-6V，最大值为6.6V；

方波电压的最小值为-5.8V，最大值为6.2V。

基本符合设计的要求。

记录了几个典型波形如图：

稳压管的稳压值为5.1V，但是稳压管正向导通的时候也存在一定的压降，所以方波电压的峰峰值略大于5.1V。

达到6V左右。

而三角波电压在与方波电压进行比较的时候，由于集成运放作为比较器使用的时候，需要有一定的压降，所以三角波形的峰峰值略大于方波电压的峰峰值。

而通过调节电位器所能达到的频率值也基本与计算值相同，符合预期。

六、实验结论与体会

集成运放在输出三角波和方波的方面性能比较好，波形稳定，通过选取不同的稳压管，电阻和电容，可以将输出电压钳制在一定范围内；

可以改变时间常数来改变三角波和方波的周期；

可以通过改变方波正向和反向不同的时间常数改变占空比；

可以通过串联不同的稳压管改变幅值，同时间接改变占空比。

原理简单，电路清楚，扩展广泛，是一个很好的选择。

七、作业题

分析、设计电路并EDA仿真：

1、使得V02的输出电压幅值可变（VP和VN分别可变）

2、使得电路的占空比可变

3、频率范围提高到200kHz

答：

VO2的输出电压值VP，VN简单的方法是可以选用不同稳压值的稳压管，通过不同的连接方式配合单刀多掷开关，来达到不同的VP和VN的值，但是此种方法得到的值固定不连续，且需要很多的稳压管。

所以选择了另外一种方法，通过两个二极管来筛选出方波的正负两个幅值，输入到正向可调比例的运放中。

正向可调比例的运放电路借鉴于21Ic网。

原理如图：

其中，Ui为输入信号，经过R1和RP连接地，在运放的正段得到第一次的缩小信号，之后经过R和RF同向比例放大电路，得到放大的信号UO，经过比例均可调的一次缩小和一次放大，最终信号的缩小和放大均可达成。

Multisim模拟中，将R1和Rp；

R和Rf由电位器替代，只需调整两个电位器的比例值，即可得到各种比例。

两个幅值各接到一个可调比例正向运放电路中，通过两个电阻使信号不直接短路，接到原电路的位置。

这一过程由于经过两个电阻，信号有一定的缩小，三角波的电压幅值，也与方波幅值的比例发生一定的变化，不再满足原来的关系式。

同时，通过前边对振荡周期的讨论，VP和VN的不同时改变也会间接改变占空比。

但想要得到占空比可变的电路，显然是不能通过此实现的，应该通过改变方波正反向电压的时间常数实现。

所以在积分电路的输入端，仍然通过两个二极管，来筛选出方波的正负幅值，原电路的RC中，R=12KΩ，所以仍然通过一个12KΩ的电位器，连接筛选出的正负幅值后，输入到积分器内，这样，在不改变周期的基础下，改变正负不同电压的时间常数，达到改变占空比的目的。

实际电路如图：

U1,U2,U3为原电路的三个运放，U4,U5为改变方波幅值的两个同向可改变比例运放电路，D5，D6以及电位器R5起到改变波形占空比的作用。

此时，示波器波形如图：

仅改变R5比例后的示波器图形：

仅调整U4连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最高电压）：

仅调整U5连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最低电压）：

这些改变可以同时发生。

满足了作业中1和2的条件。

而想使波频率可以达到200kHz，在调整RC的值时，由于方波的上升和下降均需要一定的时间，所以当频率达到5kHz时，方波有很明显的失真，同时频率也存在一定的上限，大概在10kHz左右。

所以需要选用频率更高的运放和二极管等。

但是在选用了LM318JB时，情况仍没有很好的改变。

通过查找，又找到了更高速的运放，LF356AH，将R=1.2kΩ，C1=1nF，但是仍没有得到200kHZ，得到了135kHz的方波。

最后找到了LT1395CS5,R=1.2kΩ，C1=1nF得到了较为完美的200kHz的方波。

波形如图：