實驗七 集成運算放大器的基本應(yīng)用一.doc

實驗七集成運算放大器的基本應(yīng)用一 線性運算電路 一、實驗?zāi)康?、研究由集成運算放大器組成的比例、加法、減法和積分等基本運算電路的功能。2、了解運算放大器在實際應(yīng)用時應(yīng)考慮的一些問題。二、實驗原理集成運算放大器是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合多級放大電路。當(dāng)外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負(fù)反饋電路時，可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。在線性應(yīng)用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)等模擬運算電路。理想運算放大器特性在大多數(shù)情況下，將運放視為理想運放，就是將運放的各項技術(shù)指標(biāo)理想化，滿足下列條件的運算放大器稱為理想運放。開環(huán)電壓增益Aud=輸入阻抗ri=輸出阻抗ro=0帶寬 fBW=失調(diào)與漂移均為零等。理想運放在線性應(yīng)用時的兩個重要特性：（1）輸出電壓UO與輸入電壓之間滿足關(guān)系式UOAud（U+U）由于Aud=，而UO為有限值，因此，U+U0。即U+U，稱為“虛短”。（2）由于ri=，故流進(jìn)運放兩個輸入端的電流可視為零，即IIB0，稱為“虛斷”。這說明運放對其前級吸取電流極小。上述兩個特性是分析理想運放應(yīng)用電路的基本原則，可簡化運放電路的計算?；具\算電路1) 反相比例運算電路電路如圖71所示。對于理想運放， 該電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為 為了減小輸入級偏置電流引起的運算誤差，在同相輸入端應(yīng)接入平衡電阻R2R1 / RF。圖71 反相比例運算電路 圖72 反相加法運算電路2)反相加法電路電路如圖72所示，輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為 R3R1 / R2 / RF 3) 同相比例運算電路圖73(a)是同相比例運算電路，它的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為 R2R1 / RF當(dāng)R1時，UOUi，即得到如圖73(b)所示的電壓跟隨器。圖中R2RF，用以減小漂移和起保護(hù)作用。一般RF取10K， RF太小起不到保護(hù)作用，太大則影響跟隨性。(a) 同相比例運算電路 (b) 電壓跟隨器圖7-3 同相比例運算電路 4) 差動放大電路（減法器）對于圖7-4所示的減法運算電路，當(dāng)R1R2，R3RF時， 有如下關(guān)系式 圖74 減法運算電路圖 7-5 積分運算電路 5) 積分運算電路反相積分電路如圖75所示。在理想化條件下，輸出電壓uO等于式中uC(o)是t0時刻電容C兩端的電壓值，即初始值。如果ui(t)是幅值為E的階躍電壓，并設(shè)uc(o)0，則即輸出電壓 uO(t)隨時間增長而線性下降。顯然RC的數(shù)值越大，達(dá)到給定的UO值所需的時間就越長。積分輸出電壓所能達(dá)到的最大值受集成運放最大輸出范圍的限值。在進(jìn)行積分運算之前，首先應(yīng)對運放調(diào)零。為了便于調(diào)節(jié)，將圖中K1閉合，即通過電阻R2的負(fù)反饋作用幫助實現(xiàn)調(diào)零。但在完成調(diào)零后，應(yīng)將K1打開，以免因R2的接入造成積分誤差。K2的設(shè)置一方面為積分電容放電提供通路，同時可實現(xiàn)積分電容初始電壓uC(o)0，另一方面，可控制積分起始點，即在加入信號ui后， 只要K2一打開， 電容就將被恒流充電，電路也就開始進(jìn)行積分運算。三、實驗設(shè)備與器件1、12V直流電源2、函數(shù)信號發(fā)生器3、交流毫伏表 4、直流電壓表5、集成運算放大器A7411 電阻器、電容器若干。四、實驗內(nèi)容實驗前要看清運放組件各管腳的位置；切忌正、負(fù)電源極性接反和輸出端短路，否則將會損壞集成塊。1、反相比例運算電路1) 按圖71連接實驗電路，接通12V電源，輸入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和消振。2) 輸入f100Hz，Ui0.5V的正弦交流信號，測量相應(yīng)的UO，并用示波器觀察uO和ui的相位關(guān)系，記入表7-1。表7-1Ui0.5V，f100HzUi（V）U0（V）ui波形uO波形AV實測值計算值2、同相比例運算電路1) 按圖73(a)連接實驗電路。實驗步驟同內(nèi)容1，將結(jié)果記入表72。 2) 將圖73(a)中的R1斷開，得圖73(b)電路重復(fù)內(nèi)容1)。表72Ui0.5Vf100HzUi（V）UO(V)ui波形uO波形AV實測值計算值3、 反相加法運算電路1) 按圖72連接實驗電路。調(diào)零和消振。2) 輸入信號采用直流信號，圖76所示電路為簡易直流信號源，由實驗者自行完成。實驗時要注意選擇合適的直流信號幅度以確保集成運放工作在線性區(qū)。用直流電壓表測量輸入電壓Ui1、Ui2及輸出電壓UO，記入表73。圖76 簡易可調(diào)直流信號源表7-3Ui1(V)Ui2(V)UO(V)4、減法運算電路1) 按圖74連接實驗電路。調(diào)零和消振。2) 采用直流輸入信號，實驗步驟同內(nèi)容3，記入表74。 表74Ui1(V)Ui2(V)UO(V)5、積分運算電路實驗電路如圖75所示。1)打開K2，閉合K1，對運放輸出進(jìn)行調(diào)零。 2)調(diào)零完成后，再打開K1，閉合K2，使uC(o)0。3)預(yù)先調(diào)好直流輸入電壓Ui0.5V，接入實驗電路，再打開K2，然后用直流電壓表測量輸出電壓UO，每隔5秒讀一次UO，記入表7-5，直到UO不繼續(xù)明顯增大為止。 表75 t(s)051015202530U0(V)五、實驗總結(jié)1、 整理實驗數(shù)據(jù)，畫出波形圖（注意波形間的相位關(guān)系）。2、 將理論計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)相比較，分析產(chǎn)生誤差的原因。 3、 分析討論實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題。六、預(yù)習(xí)要求1、 復(fù)習(xí)集成運放線性應(yīng)用部分內(nèi)容，并根據(jù)實驗電路參數(shù)計算各電路輸出電壓的理論值。2、 在反相加法器中，如Ui1 和Ui2 均采用直流信號，并選定Ui21V，當(dāng)考慮到運算放大器的最大輸出幅度(12V)時，Ui1的大小不應(yīng)超過多少伏？3、 在積分電路中，如R1100K， C4.7F，求時間常數(shù)。假設(shè)Ui0.5V，問要使輸出電壓UO達(dá)到5V，需多長時間（設(shè)uC(o)0）？4、 為了不損壞集成塊，實驗中應(yīng)注意什么問題？實驗九 集成運算放大器的基本應(yīng)用三 文氏電橋波振蕩器一、實驗?zāi)康?、 學(xué)習(xí)用集成運放構(gòu)成正弦波。2、 學(xué)習(xí)波形發(fā)生器的調(diào)整和主要性能指標(biāo)的測試方法。進(jìn)一步學(xué)習(xí)RC正弦波振蕩器的組成及其振蕩條件3、 學(xué)會測量、調(diào)試振蕩器二、實驗原理由集成運放構(gòu)成的正弦波、方波和三角波發(fā)生器有多種形式，本實驗選用最常用的，線路比較簡單的幾種電路加以分析。1、 RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）圖91為RC橋式正弦波振蕩器。其中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，R1、R2、RW及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變負(fù)反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負(fù)半周對稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。電路的振蕩頻率 起振的幅值條件 2 式中RfRWR2（R3 / rD），rD 二極管正向?qū)娮?。調(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)RW），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負(fù)反饋太強，應(yīng)適當(dāng)加大Rf。如波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減小Rf。改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。圖91 文氏電橋波振蕩器從結(jié)構(gòu)上看，正弦波振蕩器是沒有輸入信號的，帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。若用R、C元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)，就稱為RC 振蕩器， 一般用來產(chǎn)生1Hz1MHz的低頻信號。 2、 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（文氏橋）振蕩器 電路型式如圖122所示。 振蕩頻率 起振條件 |3電路特點 可方便地連續(xù)改變振蕩頻率，便于加負(fù)反饋穩(wěn)幅，容易得到良好的振蕩波形。圖92 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩器原理圖圖96 RC移相式振蕩器三、實驗設(shè)備與器件1、12V直流電源 2、雙蹤示波器3、交流毫伏表 4、頻率計5、集成運算放大器 A7412 6、二極管 IN41482 7、 穩(wěn)壓管 2CW2311 電阻器、電容器若干。四、實驗內(nèi)容1、 RC橋式正弦波振蕩器按圖91連接實驗電路。1)接通12V電源，調(diào)節(jié)電位器RW，使輸出波形從無到有，從正弦波到出現(xiàn)失真。描繪uO的波形，記下臨界起振、正弦波輸出及失真情況下的RW值，分析負(fù)反饋強弱對起振條件及輸出波形的影響。2)調(diào)節(jié)電位器RW，使輸出電壓uO幅值最大且不失真，用交流毫伏表分別測量輸出電壓UO、反饋電壓U+和U-，分析研究振蕩的幅值條件。3) 用示波器或頻率計測量振蕩頻率fO，然后在選頻網(wǎng)絡(luò)的兩個電阻R上并聯(lián)同一阻值電阻，觀察記錄振蕩頻率的變化情況， 并與理論值進(jìn)行比較。4) 斷開二極管D1、D2，重復(fù)2)的內(nèi)容，將測試結(jié)果與2)進(jìn)行比較，分析D1、D2的穩(wěn)幅作用。2、 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩器(1) 按圖94組接線路圖94 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩器 (2) 斷開RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，測量放大器靜態(tài)工作點及電壓放大倍數(shù)。 (3) 接通RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并使電路起振，用示波器觀測輸出電壓uO波形，調(diào)節(jié)Rf使獲得滿意的正弦信號，記錄波形及其參數(shù)。 (4) 測量振蕩頻率，并與計算值進(jìn)行比較。(5) 改變R或C值，觀察振蕩頻率變化情況。(6) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的觀察將RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與放大器斷開，用函數(shù)信號發(fā)生器的正弦信號注入RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，保持輸入信號的幅度不變（約3V），頻率由低到高變化，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出幅值將隨之變化，當(dāng)信號源達(dá)某一頻率時，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出將達(dá)最大值（約1V左右）。且輸入、輸出同相位，此時信號源頻率為 五、實驗總結(jié)1、 正弦波發(fā)生器1)列表整理實驗數(shù)據(jù)，畫出波形，把實測頻率與理論值進(jìn)行比較2)根據(jù)實驗分析RC振蕩器的振幅條件3)討論二極管D1、D2的穩(wěn)幅作用。2、 由給定電路參數(shù)計算振蕩頻率，并與實測值比較， 分析誤差產(chǎn)生的原因。 3、 總結(jié)RC振蕩器的特點。六、預(yù)習(xí)要求1、 復(fù)習(xí)有關(guān)RC正弦波振蕩器、三角波及方波發(fā)生器的工作原理，并估算圖91、92、93電路的振蕩頻率。2、 設(shè)計實驗表格3、 為什么在RC正弦波振蕩電路中要引入負(fù)反饋支路？為什么要增加二極管D1和D2？它們是怎樣穩(wěn)幅的？4、 在波形發(fā)生器各電路中，“相位補償”和“調(diào)零”是否需要？為什么？5、 復(fù)習(xí)教材有關(guān)三種類型RC振蕩器的結(jié)構(gòu)與工作原理。 6、 計算三種實驗電路的振蕩頻率。7、 如何用示波器來測量振蕩電路的振蕩頻率。 實驗十 集成運算放大器的基本應(yīng)用（四） 二階有源低通濾波器 一、實驗?zāi)康?1、 熟悉用運放、電阻和電容組成有源低通濾波、 高通濾波和帶通、帶阻濾波器。 2、 學(xué)會測量有源濾波器的幅頻特性。二、實驗原理（a）低通 （b）高通(c) 帶通 （d）帶阻圖91四種濾波電路的幅頻特性示意圖由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)等四種濾波器，它們的幅頻特性如圖91所示。具有理想幅頻特性的濾波器是很難實現(xiàn)的，只能用實際的幅頻特性去逼近理想的。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。1、 低通濾波器（LPF）低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。如圖92（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。圖92（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。 (a)電路圖(b)頻率特性圖92 二階低通濾波器電路性能參數(shù) 二階低通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。三、實驗設(shè)備與器件 1、 12V 直流電源 4、交流毫伏表 2、 函數(shù)信號發(fā)生器 5、頻率計 3、 雙蹤示波器 6、A7411 電阻器、電容器若干。 四、實驗內(nèi)容 1、 二階低通濾波器實驗電路如圖92(a)（1）粗測：接通12V電源。ui 接函數(shù)信號發(fā)生器，令其輸出為Ui1V的正弦波信號，在濾波器截止頻率附近改變輸入信號頻率，用示波器或交流毫伏表觀察輸出電壓幅度的變化是否具備低通特性，如不具備，應(yīng)排除電路故障。（2）在輸出波形