实验七 集成运算放大器的基本应用一.docx
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实验七集成运算放大器的基本应用一
实验七 集成运算放大器的基本应用一
─线性运算电路─
一、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、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。
二、实验原理
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。
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）输出电压UO与输入电压之间满足关系式
UO＝Aud（U+－U－）
由于Aud=∞，而UO为有限值，因此，U+－U－≈0。
即U+≈U－，称为“虚短”。
（2）由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB＝0，称为“虚断”。
这说明运放对其前级吸取电流极小。
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。
基本运算电路
1）反相比例运算电路
电路如图7－1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7－1反相比例运算电路图7－2反相加法运算电路
2） 反相加法电路
电路如图7－2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7－3（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7－3（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7-3同相比例运算电路
4）差动放大电路（减法器）
对于图7-4所示的减法运算电路，当R1＝R2，R3＝RF时，有如下关系式
图7－4减法运算电路图7-5积分运算电路
5）积分运算电路
反相积分电路如图7－5所示。
在理想化条件下，输出电压uO等于
式中 uC（o）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（o）＝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。
在进行积分运算之前，首先应对运放调零。
为了便于调节，将图中K1闭合，即通过电阻R2的负反馈作用帮助实现调零。
但在完成调零后，应将K1打开，以免因R2的接入造成积分误差。
K2的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可实现积分电容初始电压uC（o）＝0，另一方面，可控制积分起始点，即在加入信号ui后，只要K2一打开，电容就将被恒流充电，电路也就开始进行积分运算。
三、实验设备与器件
1、±12V直流电源 2、函数信号发生器
3、交流毫伏表 4、直流电压表
5、集成运算放大器μA741×1
电阻器、电容器若干。
四、实验内容
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7－1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。
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7-1。
表7-1 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7－3（a）连接实验电路。
实验步骤同内容1，将结果记入表7－2。
2）将图7－3（a）中的R1断开，得图7－3（b）电路重复内容1）。
表7－2 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7－2连接实验电路。
调零和消振。
2）输入信号采用直流信号，图7－6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7－3。
图7－6简易可调直流信号源
表7-3
Ui1（V）
Ui2（V）
UO（V）
4、减法运算电路
1）按图7－4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7－4。
表7－4
Ui1（V）
Ui2（V）
UO（V）
5、积分运算电路
实验电路如图7－5所示。
1） 打开K2，闭合K1，对运放输出进行调零。
2） 调零完成后，再打开K1，闭合K2，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K2，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7-5，直到UO不继续明显增大为止。
表7－5
t（s）
0
5
10
15
20
25
30
……
U0（V）
五、实验总结
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。
六、预习要求
1、复习集成运放线性应用部分内容，并根据实验电路参数计算各电路输出电压的理论值。
2、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？
3、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）？
4、为了不损坏集成块，实验中应注意什么问题？
实验九集成运算放大器的基本应用三
─文氏电桥波振荡器─
一、实验目的
1、学习用集成运放构成正弦波。
2、学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。
进一步学习RC正弦波振荡器的组成及其振荡条件
3、学会测量、调试振荡器
二、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9－1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。
调整反馈电阻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9－1文氏电桥波振荡器
从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，带选频网络的正反馈放大器。
若用R、C元件组成选频网络，就称为RC振荡器，一般用来产生1Hz～1MHz的低频信号。
2、RC串并联网络（文氏桥）振荡器
电路型式如图12－2所示。
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。
图9－2RC串并联网络振荡器原理图
图9－6RC移相式振荡器
三、实验设备与器件
1、±12V直流电源 2、双踪示波器
3、交流毫伏表 4、频率计
5、集成运算放大器μA741×26、二极管IN4148×2
7、稳压管2CW231×1电阻器、电容器若干。
四、实验内容
1、RC桥式正弦波振荡器
按图9－1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。
2、RC串并联选频网络振荡器
（1）按图9－4组接线路
图9－4RC串并联选频网络振荡器
（2）断开RC串并联网络，测量放大器静态工作点及电压放大倍数。
（3）接通RC串并联网络，并使电路起振，用示波器观测输出电压uO波形，调节Rf使获得满意的正弦信号，记录波形及其参数。
（4）测量振荡频率，并与计算值进行比较。
（5）改变R或C值，观察振荡频率变化情况。
（6）RC串并联网络幅频特性的观察
将RC串并联网络与放大器断开，用函数信号发生器的正弦信号注入RC串并联网络，保持输入信号的幅度不变（约3V），频率由低到高变化，RC串并联网络输出幅值将随之变化，当信号源达某一频率时，RC串并联网络的输出将达最大值（约1V左右）。
且输入、输出同相位，此时信号源频率为
五、实验总结
1、正弦波发生器
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。
2、由给定电路参数计算振荡频率，并与实测值比较，分析误差产生的原因。
3、总结RC振荡器的特点。
六、预习要求
1、复习有关RC正弦波振荡器、三角波及方波发生器的工作原理，并估算图9－1、9－2、9－3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？
4、在波形发生器各电路中，“相位补偿”和“调零”是否需要？
为什么？
5、复习教材有关三种类型RC振荡器的结构与工作原理。
6、计算三种实验电路的振荡频率。
7、如何用示波器来测量振荡电路的振荡频率。
实验十集成运算放大器的基本应用（四）
─二阶有源低通滤波器─
一、实验目的
1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。
2、学会测量有源滤波器的幅频特性。
二、实验原理
（a）低通 （b）高通
（c）带通 （d）带阻
图9－1 四种滤波电路的幅频特性示意图
由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。
根据对频率范围的选择不同，可分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）与带阻（BEF）等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。
具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。
一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。
滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。
任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。
1、低通滤波器（LPF）
低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。
如图9－2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。
它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。
图9－2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。
（a）电路图 （b）频率特性
图9－2二阶低通滤波器
电路性能参数
二阶低通滤波器的通带增益
截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。
品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
三、实验设备与器件
1、±12V直流电源4、交流毫伏表
2、函数信号发生器5、频率计
3、双踪示波器6、μA741×1
电阻器、电容器若干。
四、实验内容
1、二阶低通滤波器
实验电路如图9－2（a）
（1）粗测：
接通±12V电源。
ui接函数信号发生器，令其输出为Ui＝1V的正弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信号频率，用示波器或交流毫伏表观察输出电压幅度的变化是否具备低通特性，如不具备，应排除电路故障。
（2）在输出波形不失真的条件下，选取适当幅度的正弦输入信号，在维持输入信号幅度不变的情况下，逐点改变输入信号频率。
测量输出电压，记入表9-1中，描绘频率特性曲线。
表9－1
f（Hz）
UO（v）
五、实验总结
1、整理实验数据，画出各电路实测的幅频特性。
2、根据实验曲线，计算截止频率、中心频率，带宽及品质因数。
3、总结有源滤波电路的特性。
六、预习要求
1、复习教材有关滤波器内容
2、分析图9－2，9－3，9－4，9－5所示电路，写出它们的增益特性表达式
3、计算图9－2，9－3的截止频率，9－4，9－5的中心频率
4、画出上述四种电路的幅频特性曲线
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