模电实验3.docx
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模电实验3
咸宁学院计算机学院模电实验
实验十一运算放大电路研究
（一）——同相与反相比例放大和加减法电路
【实验目的】
（1）掌握反相比例运算、同相比例运算、加法和减法运算电路的原理，设计方法及测量方法。
（2）能正确分析运算精度与运算电路中各元件参数之间的关系，能正确理解“虚断”、“虚短”的概念。
【实验器材】
模电实验箱装置（一套）、双踪示波器（一台）、万用表（一台）、稳压电源（一台）、信号发生器（一台）、导线若干。
【实验原理】
1.理想运算放大器特性
在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。
开环电压增益 Aud=∞
输入阻抗 ri=∞
输出阻抗 ro=0
带宽fBW=∞
失调与漂移均为零等。
理想运放在线性应用时的两个重要特性：
（1）U+≈U－，——“虚短”。
（2）I+=I-＝0，——“虚断”。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。
2.基本运算电路
（1）反相比例运算电路
电路如图11-1所示。
对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为
为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2＝R1//RF。
图11-1反相比例运算电路图11-2反相加法运算电路
（2）反相加法电路
电路如图11-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为
R3＝R1//R2//RF
（3）同相比例运算电路
图11-3（a）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为
R2＝R1//RF
当R1→∞时，UO＝Ui，即得到如图11-3（b）所示的电压跟随器。
图中R2＝RF，用以减小漂移和起保护作用。
一般RF取10KΩ，RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。
（a）同相比例运算电路（b）电压跟随器
图11-3同相比例运算电路
（4）减法器
对于图11-4所示的减法运算电路，当R1＝R2，R3＝RF时，有如下关系式
图11-4减法运算电路图
【实验内容】
（1）反相比例运算电路测试。
（2）反相加法运算电路测试。
（3）减法运算电路测试。
（4）加法运算电路测试。
【实验步骤】
实验前要看清运放组件各管脚的位置；切忌正、负电源极性接反和输出端短路，否则将会损坏集成块。
实验箱实验电路如图11-5所示。
图11-5比例及求和运算实验箱电路
1.反相比例运算电路
1）按图11-1连接实验电路，接通±12V电源，输入端对地短路，进行调零和消振（此时F与F1或F2相连，AB相连作平衡电阻）。
2）输入f＝100Hz，Ui＝0.5V的正弦交流信号，测量相应的UO，并用示波器观察uO和ui的相位关系，记入表11-1。
表11-1 反相比例运算电路（Ui＝0.5V，f＝100Hz）
Ui（V）
U0（V）
ui波形
uO波形
AV
实测值
计算值
2.同相比例运算电路
1）按图11-3（a）连接实验电路。
实验步骤同内容1，将结果记入表11-2。
2）将图11-3（a）中的R1断开，得图11-3（b）电路重复内容1）。
表11-2 同相比例运算电路（Ui＝0.5V f＝100Hz）
Ui（V）
UO（V）
ui波形
uO波形
AV
实测值
计算值
3.反相加法运算电路
（1）按图11-2连接实验电路。
调零和消振。
（2）输入信号采用直流信号，图11-6所示电路为简易直流信号源，由实验者自行完成（取+5V电源分别加在S1-S8两端，从Si1-Si4取出的电源作直流信号使用）。
实验时要注意选择合适的直流信号幅度以确保集成运放工作在线性区。
用直流电压表测量输入电压Ui1、Ui2及输出电压UO，记入表11-3。
图11-6简易直流信号源
表11-3反相加法运算电路
Ui1（V）
Ui2（V）
UO（V）
4、减法运算电路
1）按图11-4连接实验电路。
调零和消振。
2）采用直流输入信号，实验步骤同内容3，记入表11-4。
表11-4减法运算电路
Ui1（V）
Ui2（V）
UO（V）
【实验报告】
（1）整理实验数据，画出波形图（注意波形间的相位关系）。
（2）将理论计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因。
（3）分析讨论实验中出现的现象和问题。
实验十二运算放大电路研究
（二）——文氏振荡电路
【实验目的】
1、学习用集成运放构成正弦波、方波和三角波发生器。
2、学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。
【实验器材】
模电实验箱装置（一套）、双踪示波器（一台）、万用表（一台）、稳压电源（一台）、信号发生器（一台）、导线若干。
【实验原理】
由集成运放构成的正弦波、方波和三角波发生器有多种形式，本实验选用最常用的，线路比较简单的几种电路加以分析。
1、RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）
图12-1为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
≥2
式中Rf＝RW＋R2＋（R3//rD），rD—二极管正向导通电阻。
整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。
如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。
如波形失真严重，则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。
图12-1RC桥式正弦波振荡器
【实验内容】
RC桥式正弦波振荡器
按图12-1连接实验电路。
1）接通±12V电源，调节电位器RW，使输出波形从无到有，从正弦波到出现失真。
描绘uO的波形，记下临界起振、正弦波输出及失真情况下的RW值，分析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。
2）调节电位器RW，使输出电压uO幅值最大且不失真，用交流毫伏表分别测量输出电压UO、反馈电压U+和U-，分析研究振荡的幅值条件。
3）用示波器或频率计测量振荡频率fO，然后在选频网络的两个电阻
R上并联同一阻值电阻，观察记录振荡频率的变化情况，并与理论值进行比较。
4）断开二极管D1、D2，重复2）的内容，将测试结果与2）进行比较，分析D1、D2的稳幅作用。
*5）RC串并联网络幅频特性观察
将RC串并联网络与运放断开，由函数信号发生器注入3V左右正弦信号，
并用双踪示波器同时观察RC串并联网络输入、输出波形。
保持输入幅值（3V）不变，从低到高改变频率，当信号源达某一频率时，RC串并联网络输出将达最大值（约1V），且输入、输出同相位。
此时的信号源频率
【预习要求】
1、复习有关RC正弦波振荡器的工作原理，并估算图12-1电路的振荡频率。
2、设计实验表格
3、为什么在RC正弦波振荡电路中要引入负反馈支路？
为什么要增加二极管D1和D2？
它们是怎样稳幅的？
【实验报告要求】
1）列表整理实验数据，画出波形，把实测频率与理论值进行比较。
2）根据实验分析RC振荡器的振幅条件。
3）讨论二极管D1、D2的稳幅作用。
实验十三运算放大电路研究（三）——集成运算比较器
【实验目的】
1、掌握电压比较器的电路构成及特点
2、学会测试比较器的方法
【实验器材】
模电实验箱装置（一套）、双踪示波器（一台）、万用表（一台）、稳压电源（一台）、信号发生器（一台）、导线若干。
【实验原理】
电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。
图13-1所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相输入端，输入电压ui加在反相输入端。
（a）电路图（b）传输特性
图13-1电压比较器
当ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。
输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即uO＝UZ
当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即uo＝－UD
因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态。
高电位和低电位。
表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。
图13-1（b）为（a）图比较器的传输特性。
常用的电压比较器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器等。
1、过零比较器
电路如图13-2所示为加限幅电路的过零比较器，DZ为限幅稳压管。
信号从运放的反相输入端输入，参考电压为零,从同相端输入。
当Ui＞0时，输出UO＝-（UZ+UD），当Ui＜0时，UO＝+（UZ+UD）。
其电压传输特性如图13-2（b）所示。
过零比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。
（a）过零比较器（b）电压传输特性
图13-2过零比较器
2、滞回比较器
图13-3为具有滞回特性的过零比较器。
过零比较器在实际工作时，如果ui恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在，uO将不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，对执行机构将是很不利的。
为此，就需要输出特性具有滞回现象。
如图9－3所示，从输出端引一个电阻分压正反馈支路到同相输入端，若uo改变状态，∑点也随着改变电位，使过零点离开原来位置。
当uo为正（记作U+）
，则当
（a）电路图 （b）传输特性
图13-3滞回比较器
ui＞U∑后，uO即由正变负（记作U-），此时U∑变为－U∑。
故只有当ui下降到－U∑以下，才能使uO再度回升到U+，于是出现图13-3（b）中所示的滞回特性。
－U∑与U∑的差别称为回差。
改变R2的数值可以改变回差的大小。
【实验设计要求】
要求根据实验原理设计过零比较器、反相滞回比较器、同相滞回比较器、窗口比较器，并记录实验数据。
1、整理实验数据，绘制各类比较器的传输特性曲线
2、总结几种比较器的特点，阐明它们的应用。
【实验参考方案】
1、过零比较器
实验电路如图13-2所示
（1）接通±12V电源。
（2）测量ui悬空时的UO值。
（3）ui输入500Hz、幅值为2V的正弦信号，观察ui→uO波形并记录。
（4）改变ui幅值，测量传输特性曲线。
图13-4反相滞回比较器
2、反相滞回比较器
实验电路如图13-4所示
（1）按图接线，ui接＋5V可调直流电源，测出uO由＋Uomcx→－Uomcx时ui的临界值。
（2）同上，测出uO由－Uomcx→＋Uomcx时ui的临界值。
（3）ui接500Hz，峰值为2V的正弦信号，观察并记录ui→uO波形。
（4）将分压支路100K电阻改为200K，重复上述实验，测定传输特性。
3、同相滞回比较器
实验线路如图13-5所示
（1）参照2，自拟实验步骤及方法
（2）将结果与2进行比较
图13-5同相滞回比较器
【预习要求】
1、复习教材有关比较器的内容
2、画出各类比较器的传输特性曲线。
3、若要将图9-4窗口比较器的电压传输曲线高、低电平对调，应如何改动比较器电路。
实验十四串联稳压电源
【实验目的】
1．研究单相桥式整流、电容滤波电路的特性。
2．掌握串联型集成稳压器应用方法。
【实验器材】
模电实验箱装置（一套）、双踪示波器（一台）、万用表（一台）、稳压电源（一台）、信号发生器（一台）、导线若干。
【实验原理】
电子设备一般都需要直流电源供电。
这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。
图14-1直流稳压电源框图
直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图14-1所示。
电网供给的交流电压u1（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。
但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。
在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。
【实验内容】
一、整流滤波电路测试
按图14-2连接实验电路。
取可调工频电源电压为16V（可视实际情况而定），作为整流电路输入电压u2。
图14-2整流滤波电路
1）取RL＝240Ω，不加滤波电容，测量直流输出电压UL及纹波电压
L，并用示波器观察u2和uL波形，记入表14-1。
2）取RL＝240Ω，C＝470μf，重复内容1）的要求，记入表14-1。
表14-1U2＝16V
电路形式
UL（V）
L（V）
uL波形
RL=240Ω
RL=240Ω
C=47Oµf
注意
①每次改接电路时，必须切断工频电源。
②在观察输出电压uL波形的过程中，“Y轴灵敏度”旋钮位置调好以后，不要再变动，否则将无法比较各波形的脉动情况。
二、串联型集成稳压电源性能测试
1、串联型直流稳压电源
1）测量Ui
2）测输出电压Uo的调节范围（空载）：
调Rw，测量稳压电源的最大输出电压和最小输出电压
Uomax＝
Uomin＝
3）调Rw，使Uo＝12V，然后测量图14-2中所示的各标注节点的电压值，记入表14-1中。
表14-2
各点对
地电位
U1
U2
U3
U4
（V）
图14-2
4）空载时，测出Uo＝12V，然后接入负载RL，测量Uo变化情况：
5）输出纹波电压的测量。
输入电压Ui不变，输出电压12V。
负载输出端纹波电压用毫伏表测量（从示波器上读取峰峰值，然后转换为有效值，即
）并记录：
，同时用示波器观察（AC耦合）并画出：
。
2、三端集成稳压电路应用
三端集成稳压器内部电路与上述分立件组成的串联调整式稳压电源十分相似。
不同的是增加了恒流源、启动电路以及保护电路。
集成稳压器分为固定电压输出和可调电压输出。
例“78××系列”（正电压输出）和“79××系列”（负电压输出）为固定输出稳压器，LM317为可调输出稳压器。
但固定输出的稳压器可改为可调的，可调的输出稳压器电压调整端直接接地，则输出Uo固定为其基准电压值（较低）。
在使用中可以用输出正电压的三端稳压器输出负电压，反之亦然。
也可构成恒流源。
同一厂家，同一型号可以并联使用。
一般固定输出稳压器的最大输入电压小于40V。
整流电路输出电压的峰值不得超过此值，Ui与Uo之差不要小于3V左右，也不应悬殊过大。
在使用中，输出电压选定后，还应查寻所需集成稳压器的输入电压要求。
公共端不得悬空；不同的封装器件，引脚不同，需清楚管教排列。
7800、7900系列引脚如图14-3所示。
图14-3
1）采用78L12（或78M12）组成正电压输出，按图14-4组成电路，根据表14-3测量：
图14-4
表14－3
U2
Ui
Uo
2）利用固定式三端稳压器构成5–12V可调电源。
见图14-5，按表14-4测量。
图14-5
表14－4
Ui
Ux1
Ux2
Uo（RL＝∞）
（RL＝100Ω）
计算△Uo
5V
9V
12V
【预习要求】
1、复习教材中“直流电源”工作原理，完成有关内容的估算，了解稳压电源若干重要指标含义。
2、说明实验步骤，设计数据记录表格，选定测量仪器。
【实验报告】
• 附入预习报告。
• 整理测量数据，计算电源各项指标。
• 记录实验中出现的问题，分析原因，并说明解决办法。
【思考题】
当电网电压变化时，试说明图8-2电路中各点电位的变化趋势（增大还是减小），并阐述输出电压稳定过程。
实验十五综合设计实验
参考实验一微分和积分电路设计
设计提示：
利用模电实验箱上的积分、微分电路模块设计相应实验
参考实验二有源滤波电路设计
设计提示：
利用左图中的实验箱里的相应的模块设计一阶或二阶有源滤波电路实验
参考实验三OTL功率放大电路设计
设计提示：
利用上图中的实验箱上的相应的模块设计OTL功率放大电路实验
参考实验四三角波、方波发生器电路设计
设计提示：
利用左图中的电路实现三角波、方波信号发生器
参考实验五信号叠加混合电路设计
利用文氏电桥正弦波发生器产生基波信号、信号发生器为谐波信号，加法电路作为两信号叠加电路获混合信号。
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