《本科模拟电子技术实验》教案.docx
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《本科模拟电子技术实验》教案
《本科模拟电子技术实验》教案
D
阻RE，以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号u0，从而实现了电压放大。
安装电路时，要注意电解电容极性、直流电源正负极和信号源的极性。
图4.1共射极单管放大器实验电路
4.实验内容与步骤
（1）电路安装
①安装之前先检查各元器件的参数是否正确，区分三极管的三个电极，并测量其β值。
②按图4.1所示电路，在面包板或实验台上搭接电路。
安装完毕后，应认真检查连线是否正确、牢固。
（2）测试静态工作点
①电路安装完毕经检查无误后，首先将直流稳压电源调到12V，接通直流电源前，先将RW调至最大，函数信号发生器输出旋钮旋至零,再接通直流电源,调节RP，使IC＝2.0mA（即Ue＝2.0V）。
②用万用表测量电路的静态电压UCC、UBQ、UEQ、UBEQ、UCEQ，并记录在表4.2中。
表4.2静态工作点的测量
测试内容
UCC/V
UbQ/V
UeQ/V
UbeQ/V
UceQ/V
IcQ/mA
测量值
理论计算值
（3）测量电压放大倍数
①将信号发生器的输出信号调到频率为1kHz、幅度为10mV左右的正弦波，接到放大电路输入端,然后用示波器观察输出信号的波形。
在整个实验过程中，要保证输出信号不产生失真。
如输出信号产生失真，可适当减小输入信号的幅度。
②用电子毫伏表测量测量下述二种情况下的UO值，并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系，记入表2－2；用公式
和
，计算出不接负载时对输入电压Ui的电压放大倍数和对信号源Us的电压放大倍数，记录在表4.3中。
表4.3电压放大倍数的测量
测试
内容
不接负载（RL=∞）
接上负载（RL=2.4kΩ）
Us/
mV
Ui/
mV
Uo/V
Au
Aus
Us/
mV
Ui/
mV
Uo/V
Au
Aus
测量值
理论
计算值
（4）观察静态工作点对输出波形失真的影响
置Rc＝2.4kΩ，RL＝2.4kΩ，ui＝0，调节RP使Ic＝2.0mA，测出Uce值，再逐步加大输入信号，使输出电压u0足够大但不失真。
然后保持输入信号不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，绘出u0的波形，并测出失真情况下的Ic和Uce值，记入表4.4中。
每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
表4.4Rc＝2.4kΩRL＝∞Ui＝ mV
Ic/mA
Uce/V
u0波形
失真情况
管子工作状态
2.0
（5）测量最大不失真输出电压的幅度
置RC＝2.4kΩ，RL＝2.4kΩ，调节信号发生器输出，使Us逐渐增大，用示波器观察输出信号的波形。
直到输出波形刚要出现失真而没有出现失真时，停止增大Us，这时示波器所显示的正弦波电压幅度，就是放大电路的最大不失真输出电压幅度，将该值记录下来。
然后继续增大Us，观察输出信号波形的失真情况。
5.实验总结与分析
（1）用理论分析方法计算出电路的静态工作点，填入表4.2中，再与测量值进行比较，并分析误差的原因。
（2）通过电路的动态分析，计算出电路的电压放大倍数，包括不接负载时的Au、Aus以及接上负载时的Au、Aus。
将计算结果填入表8.3中，再与测量值进行比较，并分析产生误差的原因。
（3）回答以下问题：
①放大电路所接负载电阻发生变化时，对电路的电压放大倍数有何影响？
②怎样用测量信号电压的方法来测量放大电路的输入电阻和输出电阻？
（4）心得体会与其他。
4.3负反馈放大电路的研究
1.实验目的
（1）加深理解放大电路中引入负反馈的方法；
（2）研究负反馈对放大器性能的影响；
（3）掌握负反馈放大器性能的测试方法。
2.实验设备与器材
实验所用设备与器材见表4.8。
表4.8实验4.3的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流稳压电源
双路0～30V
1台
2
双踪示波器
0～10M
1台
3
函数信号发生器
低频
1台
4
模拟电路实验箱
1台
5
电子毫伏表
1只
6
万用表
1只
7
数字电压表
0～200V
1只
8
数字毫安表
0～200mA
1只
9
三极管
9013
2只
10
电阻
100Ω/0.25W
1只
RF1
11
电阻
1kΩ/0.25W
2只
Re1、Re2
12
电阻
2.4kΩ/0.25W
3只
RC1、RC2、RL
13
电阻
5.1kΩ/0.25W
1只
RS
14
电阻
8.2kΩ/0.25W
1只
Rf
15
电阻
10kΩ/0.25W
1只
Rb2
16
电阻
20kΩ/0.25W
1只
Rb3
17
电阻
680kΩ/0.25W
1只
Rb1
18
铝电解电容
10μF/25V
3只
C1、C2、C3
19
铝电解电容
20μF/25V
1只
Cf
20
铝电解电容
100μF/25V
2只
Ce1、Ce2
3.实验电路与说明
由于晶体管的参数会随着环境温度改变而改变，不仅放大器的工作点、放大倍数不稳
定，还存在失真、干扰等问题。
为改善放大器的这些性能，常常在放大器中加入负反馈环
节
负反馈在电子电路中的应用,虽然它使放大器的放大倍数降低，但能在多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入、输出电阻，减小非线性失真和展宽通频带等
根据输出端取样方式和输入端连接方式的不同，可以把负反馈放大器分成四种基本组
态：
电流串联负反馈、电压串联负反馈、电流并联负反馈、电压并联负反馈。
图4.5为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路，在电路中通过Rf把输出电压uo引回到输入端，加在晶体管T1的发射极上，在发射极电阻Rf1上形成反馈电压uf。
根据反馈的判断法可知，它属于电压串联负反馈
图4.5带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器
4.实验内容与步骤
（1）电路安装
①安装之前先检查各元器件的参数是否正确，区分三极管的三个电极，并测量其β值。
②按图4.5所示电路，在面包板或实验台上搭接电路。
安装完毕后，应认真检查连线是否正确、牢固。
（2）测试静态工作点
①电路安装完毕经检查无误后，首先将直流稳压电源调到12V，再接通直流电源，输入信号暂时不接。
②用直流电压表分别测量第一级、第二级的静态工作点，记入表4.9。
表4.9静态工作点测量数据
Ub/V
Ue/V
UC/V
IC/mA
第一级
第二级
（3）测试基本放大器的各项性能指标
①把Rf断开后，其他连线不动，将信号发生器的输出信号调到频率为1kHz、幅度为5mV左右的正弦波，接到放大电路输入端,然后用示波器观察输出信号的波形。
在整个实验过程中，要保证输出信号不产生失真。
如输出信号产生失真，可适当减小输入信号的幅度。
②在uO不失真的情况下，用交流毫伏表测量US、Ui、UL，记入表4.10中，保持US不变，断开负载电阻RL（注意，Rf不要断开），测量空载时的输出电压UO，记入表4.10中。
（4）测试负反馈放大器的各项性能指标
将实验电路恢复为图4.5的负反馈放大电路。
适当加大US（约10mV），在输出波形不失真的条件下，测量负反馈放大器的Auf、Rif和ROf，记入表4.10。
表4.10测量数据
基本放大器
US/mV
Ui/mV
UL/V
UO/V
Au
Ri/kΩ
RO/kΩ
负反馈放大器
US/mV
Ui/mV
UL/V
UO/V
Auf
Rif/kΩ
ROf/kΩ
5.实验总结与分析
（1）用理论分析方法计算出基本放大器和负反馈放大器动态参数，填入表4.7中，再与测量值进行比较，并分析误差的原因。
（2）根据实验结果，总结电压串联负反馈对放大器性能的影响。
（3）回答以下问题：
①怎样把负反馈放大器改接成基本放大器？
为什么要把Rf并接在输入和输出端？
②如输入信号存在失真，能否用负反馈来改善？
（4）心得体会与其他。
4.5基本运算电路的测试
1.实验目的
（1）研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能；
（2）学会上述电路的测试和分析方法。
2.实验设备与器材
实验所用设备与器材见表4.12示。
表4.12实验4.5的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流稳压电源
双路0～30V
1台
2
双踪示波器
0～10M
1台
3
函数信号发生器
低频
1台
4
模拟电路实验箱
1台
5
电子毫伏表
1只
6
万用表
1只
7
数字电压表
0～200V
1只
8
数字毫安表
0～200mA
1只
9
集成运算放大器
μA741
1片
10
电阻
若干
11
电容
若干
12
连接导线
若干
3.实验电路与说明
集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。
在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。
基本运算电路
（1）反相比例运算电路
电路如图4.7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。
（2）反相加法电路
电路如图4.8所示，输出电压与输入电压之间的关系为
R3＝R1//R2//Rf
图4.7反相比例运算电路图4.8反相加法运算电路
（3）同相比例运算电路
图4.9（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4.9（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。
图4.9同相比例运算电路
（4）动放大电路（减法器）
减法运算电路如图4.10所示。
图4.10减法运算电路图图4.11积分运算电路
对于图4.10所示的减法运算电路，当R1＝R2，R3＝Rf时，有如下关系式
（5）积分运算电路
反相积分电路如图4.11所示。
在理想化条件下，输出电压uO（t）等于
式中，uC（0+）是t＝0+时刻电容C两端的电压值，即初始值。
如果ui（t）是幅值为E的阶跃电压，并设uc（0+）＝0，则
即输出电压uo（t）随时间增长而线性下降。
显然RC的数值越大，达到给定的Uo值所需的时间就越长。
积分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限值。
4.实验内容与步骤
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。
（1）反相比例运算电路
①按图4.7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。
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（t）和ui（t）的相位关系，记入表4.13中。
表4.13 Ui＝0.5V，f＝100Hz
Ui/V
U0/V
ui波形
uo波形
Au
实测值
计算值
（2）同相比例运算电路
①按图4.9（a）连接实验电路。
实验步骤同内容1，将结果记入表4.14中。
②将图4.9（a）中的R1断开，得图4.9（b）电路重复内容①。
表4.14 Ui＝0.5V f＝100Hz
Ui/V
U0/V
ui（t）波形
uo（t）波形
Au
实测值
计算值
（3）反相加法运算电路
①按图4.8连接实验电路。
调零和消振。
②输入信号
、
采用直流信号，图4.12所示电路为简易直流信号源，由实验者自行完成。
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4.15中。
图4.12简易可调直流信号源
表4.15反相加法器测量数据
Ui1/V
Ui2/V
UO/V
（4）减法运算电路
①按图4.10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4.16中。
表4.16减法器测量数据
Ui1/V
Ui2/V
UO/V
（5）积分运算电路
实验电路如图4.11所示。
① 打开S2，闭合S1，对运放输出进行调零。
② 调零完成后，再打开S1，闭合S2，使uC（o）＝0。
③ 预先调好直流输入电压Ui＝0.5V，接入实验电路，再打开S2，然后用直流电压表测量输出电压UO，每隔5秒读一次UO，记入表4.17中，直到UO不继续明显增大为止。
表4.17积分器测量数据
T/s
0
5
10
15
20
25
30
……
U0/V
5.实验总结与分析
（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。
（4）回答以下问题：
①在反相加法器中，如Ui1和Ui2均采用直流信号，并选定Ui2＝－1V，当考虑到运算放大器的最大输出幅度（±12V）时，｜Ui1｜的大小不应超过多少伏？
②在积分电路中，如R1＝100kΩ，C＝4.7μF，求时间常数。
假设Ui＝0.5V，问要使输出电压UO达到5V，需多长时间（设uC（o）＝0）？
（5）心得体会与其他。
4.8RC正弦振荡器的设计与调试（设计性实验）
1.实验目的
（1）掌握RC正弦波振荡器的设计方法和调试方法。
学会安装调试由分立元件组成的多级电子电路系统。
学会振荡频率的测量方法。
2.实验器材
实验所用设备与器材见表4.20。
表4.20实验4.8的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流可调稳压电源
二路0~30V
1台
2
模拟电路实验箱
1台
3
函数信号发生器
1台
4
双踪示波器
1台
5
频率计
220V/12V，20VA
1台
6
交流毫伏表
待选
1台
7
直流电压表
待选
1块
8
晶体三极管
9011
（β＝50～100）
若干
9
电阻器
若干
10
电容器
若干
3.设计要求与提示
（1）设计要求
①本振荡器要求振荡频率为f0=320Hz（误差在1%），放大环节用分立元件，输出无明显失真，取UCC＝＋12V。
②两级阻容耦合放大电路不要求设计，应设计选频网络的连接电路以及计算RC的参数。
③计算选择元器件参数，进行元器件测试。
④在实验箱上连接实验电路。
⑤自选设备和调试方案，对电路进行调试。
⑥测量振荡器的振荡频率，测量结果不满足，调整参数直到满足，记录波形及其参数。
（2）设计提示
RC正弦波振荡器电路形式较多，可供选择的参考电路如图4.18所示。
图4.18RC串并联选频网络振荡器
此电路为RC串并联网络（文氏桥）振荡器。
振荡频率：
起振条件：
|
|＞3
电路特点：
可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡波形。
4.注意事项
（1）安装电路后，断开选频网络，测量放大器静态工作点及电压放大倍数。
（2）可适当调节负反馈深度以满足起振条件和改善波型。
5.实验总结与分析
（1）实验报告要求
①画出设计电路和提供元器件选择依据；
②将规定的振荡频率下的RC参数的实测值和理论估算值列表进行比较，整理测试数据并分析误差。
根据实验结果，总结所设计的RC振荡器的特点。
（2）思考与总结
①如何用示波器来测量振荡电路的振荡频率。
②分析反馈电阻的作用，用实验数据加以说明。
5.1RC有源低通与带阻滤波器
1.实验目的
（1）掌握滤波电路频率特性的测量方法和主要参数的调整方法；
（2）了解频率特性对信号传输的影响，了解滤波电路的应用；
（3）巩固有源滤波电路的理论知识，加深理解滤波电路的作用。
2.实验电路与说明
有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。
实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。
有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。
RC有源滤波器按照所实现的传输函数的阶数分，可分为一阶、二阶和高阶RC有源滤波器。
从电路结构上看，除运算放大器和电阻元件外，一阶RC有源滤波器含有一个电容；二阶RC有源滤波器含有两个电容。
一般的高阶RC有源滤波器可以由一阶和二阶滤波器通过级联来实现。
3.实验内容与步骤
（1）一阶有源低通滤波电路
一阶有源低通滤波电路如图5.1所示。
操作步骤如下：
①启动EWB，输入并保存图5.1所示电路。
②测试准备：
输入幅度1V、1kHz的正弦波，运行电路，用示波器观察us、uo的波形，以确保电路正常工作。
图5.1一阶有源低通滤波电路
③观测并调整频率特性
测量幅频特性：
按表5.1要求用波特图仪测量幅频特性，观察电位器RP2和电容C大小对截止频率fH的影响，观察电位器RP1大小对低频增益Auf的影响。
表5.1测量分析一阶有源低通滤波电路的幅频特性
测试条件（Usm=1V）
Auf/dB
fH/kHz
RP2/kΩ
C/
F
RP1/kΩ
测量值
理论值
测量值
理论值
观察相频特性：
用波特图仪观察相频特性，参数设置参考值为：
特性测量选择“Phase”，Vertical坐标类型选择“Lin”，其坐标范围选择起点I为“0°”、终点F为“－90°”，Horizontal坐标类型选择“Log”，其坐标范围选择起点I为“0.1Hz”、终点F为“10MHz”。
④观察低通滤波电路对信号传输的影响：
输入幅度为1V的正弦波，观察并比较信号频率分别为1kHz和10kHz时输出电压uo波形形状、大小的变化。
将参数恢复为图5.1所示，进行观察比较，然后将输入波形改成方波，再进行观察比较，并定性记录波形。
⑤设计一个低频增益Auf为10dB、截止频率fH为1kHz的低通滤波电路。
（2）100Hz二阶带阻滤波电路
100Hz二阶带阻滤波电路如图5.2所示。
操作步骤如下：
①输入并保存图5.2所示电路。
②用波特图仪测量幅频特性。
a.测量并记录通带增益和带阻滤波频率。
b.观察改变电阻R或电容C的大小对截止频率的影响。
c.观察电阻Rf的大小对通带增益的影响。
③观察干扰信号和带阻滤波电路的滤波效果。
a．图5.2中干扰信号ud为0.2V、100Hz的正弦波，有用信号us为1V、10Hz的正弦波，电路的输入信号ui由这两者叠加而成，因此，对有用信号而言，干扰信号视为高频干扰，用示波器观察这种高频干扰波形的特点，并定性记录波形。
然后运行电路，用示波器比较ui和uo波形，观察带阻滤波电路的滤波效果。
图5.2100Hz二阶带阻滤波电路
b.将有用信号us改为1kHz，这时ud波形为低频干扰波形，用示波器观察其波形特点，并定性记录波形。
然后运行电路，观察带阻滤波效果。
④设计一个50Hz二阶带阻滤波电路。
4.实验总结与分析
（1）整理测量记录，分析测量结果。
（2）画出图5.1所示一阶有源低通滤波电路的幅频特性，总结其幅频特性参数的调节方法。
（3）画出图5.1所示电路输入10kHz方波时的输入、输出波形，并分析输出波形失真的原因。
（4）画出图5.2所示100Hz二阶带阻滤波电路的幅频特性，总结其幅频特性参数的调节方法。
（5）分别定性画出有高频干扰和低频干扰的波形。
5.3方波－三角波发生器设计与研究（设计性实验）
1.实验目的
（1）掌握方波—三角波产生电路的设计方法及工作原理。
（2）了解集成运算放大器的波形变换及非线性应用。
2.实验电路与说明
（1）技术指标
设计一个用集成运算放大器构成的方波—三角波产生电路。
指标要求如下：
①方波。
重复频率：
500Hz，相对误差<±5％；脉冲幅度：
±（6～6.5）V
②三角波。
重复频率：
500Hz，相对误差<±5％；幅度：
1.5～2V
（2）设计要求
①根据指标要求和已知条件，确定电路方案，计算并选取各单元电路的元件参数。
②测量方波产生电路（图5.6）、图5.7）输出方波的幅度和重复频率，使之满足设计要求；
③测量三角波产生电路（图5.6）、图5.7）输出三角波的幅度和重复频率，使之满足设计要求。
（3）预习要求
①掌握集成运算放大器波形变换与非正弦波产生电路的工作原理。
②熟悉其设计和调试方法。
（4）设计电路提示
能产生方波（或矩形波）的电路形式很多。
如由门电路、集成运算放大器或555定时器组成的多谐振荡器均能产生矩形波。
再经积分电路产生三角波（或锯齿波）。
下面仅介绍由集成运算放大器组成的方波—三角波产生电路。
①简单的方波—三角波产生电路
图5.5简单的方波—三角波产生电路
图5.5所示是由集成运算放大器组成的反相输入施密特触发器（即迟滞比较强）构成的多谐振荡器，RC积分电路起反馈及延迟作用，电容上的电压uC即是它的输入电压，近似于三角波，这是一种简单的方波—三角波产生电路，其特点是结构简单，但输出三角波的线性度差。
该电路的有关计算公式为：
振荡周期：
（5.1）
输出三角波uC的幅度：
（5.2）
输出方波uO的幅度：
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