集成運算放大器基本應用

1、實驗十一 集成運算放大器的基本應用 模擬運算電路一、實驗目的1、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用時應考慮的一些問題。二、實驗儀器1、雙蹤示波器2、萬用表3、交流毫伏表4、信號發(fā)生器三、實驗原理在線性應用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等模擬運算電路。1、 反相比例運算電路電路如圖11-1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系為 （11-1） 圖11-1 反相比例運算電路為減小輸入級偏置電流引起的運算誤差，在同相輸入端應接入平衡電阻R2=R1RF ，此處為了簡化電路，我們選取R2=10K。2、

2、反相加法電路圖11-2 反相加法運算電路電路如圖11-2所示，輸出電壓與輸入電壓之間的關系為 R3=R1R2RF （11-2）3、同相比例運算電路 圖11-3（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系為 R2=R1RF （11-3）當R1時，UO=Ui，即得到如圖11-3（b）所示的電壓跟隨器。圖中R2=RF，用以減小漂移和起保護作用。一般RF取10K，RF太小起不到保護作用，太大則影響跟隨性。(a)同相比例運算 (b)電壓跟隨器 圖11-3 同相比例運算電路4、差動放大電路(減法器)對于圖11-4所示的減法運算電路，當R1=R2，R3=RF時，有如下關系式： （11-4）圖1

3、1-4 減法運算電路5、積分運算電路圖11-5 積分運算電路反相積分電路如圖11-5所示。在理想化條件下，輸出電壓U0等于 （11-5）式中UC(0)是t=0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UC(0)=0，則 （11-6）此時顯然RC的數(shù)值越大，達到給定的UO值所需的時間就越長，改變R或C的值積分波形也不同。一般方波變換為三角波，正弦波移相。 6、微分運算電路微分電路的輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分，一般表達式為： = （11-7）利用微分電路可實現(xiàn)對波形的變換，矩形波變換為尖脈沖。圖11-6 微分運算電路7、對數(shù)運算電路對數(shù)電路的輸出電壓與輸入電

4、壓的對數(shù)成正比，其一般表達式為： u0=Klnui K為負系數(shù)。 （11-8）利用集成運放和二極管組成如圖11-7基本對數(shù)電路。圖11-7對數(shù)運算電路由于對數(shù)運算精度受溫度、二極管的內(nèi)部載流子及內(nèi)阻影響，僅在一定的電流范圍才滿足指數(shù)特性，不容易調(diào)節(jié)。故本實驗僅供有興趣的同學調(diào)試。按如圖11-7所示正確連接實驗電路，D為普通二極管，取頻率為1KHz，峰峰值為500mV的三角波作為輸入信號Ui，打開直流開關，輸入和輸出端接雙蹤示波器，調(diào)節(jié)三角波的幅度，觀察輸入和輸出波形如下所示：在三角波上升沿階段輸出有較凸的下降沿，在三角波下降沿階段有較凹的上升沿。如若波形的相位不對調(diào)節(jié)適當?shù)妮斎腩l率。8、指數(shù)運

5、算電路指數(shù)電路的輸出電壓與輸入電壓的指數(shù)成正比，其一般表達式為： （11-9）利用集成運放和二極管組成如圖11-8基本指數(shù)電路。K為負系數(shù)。圖11-8指數(shù)運算電路由于指數(shù)運算精度同樣受溫度、二極管的內(nèi)部載流子及內(nèi)阻影響，本實驗僅供有興趣的同學調(diào)試。按如圖11-8所示正確連接實驗電路，D為普通二極管，取頻率為1KHz，峰峰值為1V的三角波作為輸入信號Ui，打開直流開關，輸入和輸出端接雙蹤示波器，調(diào)節(jié)三角波的幅度，觀察輸入和輸出波形如下所示，在三角波上升階段輸出有一個下降沿的指數(shù)運算，在下降沿階段輸出有一個上升沿運算階段。如若波形的相位不對調(diào)節(jié)適當?shù)妮斎腩l率。四、實驗內(nèi)容*實驗時切忌將輸出端短路，

6、否則將會損壞集成塊。輸入信號時先按實驗所給的值調(diào)好信號源再加入運放輸入端，另外做實驗前先對運放調(diào)零，若失調(diào)電壓對輸出影響不大，可以不用調(diào)零，以后不再說明調(diào)零情況，調(diào)零方法見實驗十步驟3。a. 反相比例運算電路1、關閉系統(tǒng)電源。按圖11-1正確連線。連接信號源的輸出和Ui。2、打開直流開關。調(diào)節(jié)信號源輸出f=100Hz，Ui=0.5V（峰峰值）的正弦交流信號，用毫伏表測量Ui、UO值，并用示波器觀察UO和Ui的相位關系，記入表11-1。表11-1 Ui=0.5V（峰峰值），f=100HzUi(V)U0(V)Ui波形U0波形Av 實測值計算值b. 同相比例運算電路1、按圖11-3(a)連接實驗電路

7、。實驗步驟同上，將結(jié)果記入表11-2。2、將圖11-3(a)改為11-3(b)電路重復內(nèi)容1)。表11-2 Ui=0.5V, f=100HzUi(V)U0(V)Ui波形U0波形Av 實測值計算值c. 反相加法運算電路1、關閉系統(tǒng)電源。按圖11-2正確連接實驗電路。連接簡易直流信號源和Ui1、Ui2，圖11-9所示電路為簡易直流信號源。圖11-9 簡易可調(diào)直流信號源2、打開系統(tǒng)電源，用萬用表測量輸入電壓Ui1、Ui2(且要求均大于零小于0.5V)及輸出電壓UO，記入下表。表11-3Ui1(V)Ui2(V)UO(V)d. 減法運算電路1、關閉系統(tǒng)電源。按圖11-4正確連接實驗電路。采用直流輸入信號

8、。2、打開系統(tǒng)電源。實驗步驟同內(nèi)容3，記入表11-4。表11-4Ui1(V)Ui2(V)UO(V)e、積分運算電路1、關閉系統(tǒng)電源。按積分電路如圖11-5所示正確連接。連接信號源輸出和Ui。2、打開系統(tǒng)電源。調(diào)節(jié)信號源輸出率約為100Hz，峰峰值為2V的方波作為輸入信號Ui，打開直流開關，輸出端接示波器，可觀察到三角波波形輸出并記錄之。f、微分運算電路1、關閉系統(tǒng)電源。按微分電路如圖11-6所示正確連接。連接信號源輸出和Ui。2、打開系統(tǒng)電源。調(diào)節(jié)信號源輸出率約為100Hz，峰峰值為2V的方波作為輸入信號Ui，打開直流開關，輸出端接示波器，可觀察到尖頂波波形輸出并記錄之。實驗十二 集成運算放大

9、器的基本應用 波形發(fā)生器一、實驗目的1、學習用集成運放構成正弦波、方波和三角波發(fā)生器。2、學習波形發(fā)生器的調(diào)整和主要性能指標的測試方法。二、實驗儀器1、雙蹤示波器2、頻率計3、交流毫伏表三、實驗原理1、RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）圖12-1 RC橋式正弦波振蕩器 圖12-1 RC串、并聯(lián)電路構成正反饋支路同時兼作選頻網(wǎng)絡，R1、RW及二極管等元件構成負反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變負反饋深度，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、負半周對稱。R3

10、的接入是為了削弱二極管非線性影響，以改善波形失真。電路的振蕩頻率 （12-1） 起振的幅值條件 （12-2）式中RF=RW+（R3|rD），rD二極管正向?qū)娮琛Ｕ{(diào)整RW，使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋太強，應適當加大RF。如波形失真嚴重，則應適當減小RF。改變選頻網(wǎng)絡的參數(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)的頻率細調(diào)。1、 方波發(fā)生器由集成運放構成的方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。圖12-2所示為由遲回比較器及簡單RC積分電路組成的方波三角波發(fā)生器。它的特點是線路簡單，但三角波的線性度較差。主要

11、用于產(chǎn)生方波，或?qū)θ遣ㄒ蟛桓叩膱龊?。該電路的振蕩頻率： （12-3）RW從中點觸頭分為RW1和RW2， 。方波的輸出幅值 Uom=Uz （12-4）式中Uz為兩級穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值。 三角波的幅值 （12-5）調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變振蕩頻率，但三角波的幅值也隨之變化。如要互不影響，則可通過改變RF（或CF）來實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。圖12-2 方波發(fā)生器2、 三角波和方波發(fā)生器如把滯回比較器和積分器首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖12-3所示，則比較器輸出的方波經(jīng)積分器積分可到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構成三角波、方波發(fā)生器。由于采用運放組成的積分電路，因此可實現(xiàn)恒流充電

12、，使三角波線性大大改善。電路的振蕩頻率 （12-6）方波的幅值 UO1=Uz （12-7）三角波的幅值 UO2=R1Uz /R2 （12-8）調(diào)節(jié)RW可以改變振蕩頻率，改變比值R1/R2可調(diào)節(jié)三角波的幅值。圖12-3 三角波、方波發(fā)生器四、實驗內(nèi)容a. RC橋式正弦波振蕩器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖12-1連接實驗電路，輸出端Uo接示波器。2、打開直流開關，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，分析負反饋強弱對起振條件及輸出波形的影響。3、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

13、、反饋電壓U+（運放腳電壓）和U-（運放腳電壓），分析研究振蕩的幅值條件。4、用示波器或頻率計測量振蕩頻率fO，然后在選頻網(wǎng)絡的兩個電阻R上并聯(lián)同一阻值電阻，觀察記錄振蕩頻率的變化情況，并與理論值進行比較。5、斷開二極管D1、D2，重復3）的內(nèi)容，將測試結(jié)果與3）進行比較分析D1、D2的穩(wěn)幅作用。b. 方波發(fā)生器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖12-2連接電路。2、打開直流開關，用雙蹤示波器觀察U01及U02的波形（注意對應關系），調(diào)節(jié)RW輸出正弦波和方波。測量其幅值及頻率，記錄之。3、改變RW的值，觀察U01、U02幅值及頻率變化情況。改變RW并用頻率計測出頻率范圍并記錄。4、將RW恢復到中心位置，將

14、穩(wěn)壓管D1兩端短接，觀察UO波形，分析D2的限幅作用。c. 三角波和方波發(fā)生器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖12-3連接實驗電路。2、打開直流開關，調(diào)節(jié)RW起振，用雙蹤示波器觀察UO1和UO2的波形，測其幅值、頻率及RW值，記錄之。3、改變RW的位置，觀察對UO1、UO2幅值及頻率的影響。4、改變R1（或R2），觀察對UO1、UO2幅值及頻率的影響。實驗十三 集成運算放大器的基本應用信號處理 有源濾波器一、實驗目的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、帶阻濾波器及其特性。2、 學會測量有源濾波器的幅頻特性。二、實驗儀器1、雙蹤示波器2、頻率計3、交流毫伏表4、信號發(fā)生器三、實驗原

15、理1、低通濾波器低通濾波器是指低頻信號能通過而高頻信號不能通過的濾波器，用一級RC網(wǎng)絡組成的稱為一階RC有源低通濾波器，如圖13-1所示：圖13-1 基本的有源低通濾波器為了改善濾波效果，在圖13-1(a)的基礎上再加一級RC網(wǎng)絡，為了克服在截止頻率附近的通頻帶范圍內(nèi)幅度下降過多的缺點，通常采用將第一級電容C的接地端改接到輸出端的方式，如圖13-2所示，即為一個典型的二階有源低通濾波器。圖13-2 二階低通濾波器這種有源濾波器的幅頻率特性為 （13-1）式中：為二階低通濾波器的通帶增益； 為截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。為品質(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

16、的形狀。注：式中S代表2、高通濾波器只要將低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成有源高通濾波器，如圖13-3所示。其頻率響應和低通濾波器是“鏡象”關系。圖13-3 高通濾波器這種高通濾波器的幅頻特性為 （13-2）式中，的意義與前同。3、帶通濾波器這種濾波電路的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號都被阻斷。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波電路中將其中一級改成高通而成。如圖13-4所示，它的輸入輸出關系為 （13-3）中心角頻率 （13-4）頻帶寬 （13-5）選擇性 （13-6）圖13-4 典型二階帶通濾波器 這種電路的優(yōu)點是改變R

17、f和R1的比例就可改變頻帶寬而不影響中心頻率。4、帶阻濾波器如圖13-5所示，這種電路的性能和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號不能通過（或受到很大衰減），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過。常用于抗干擾設備中。圖13-5 二階帶阻濾波器這種電路的輸入、輸出關系為 （13-7）式中：由式中可見，愈接近2，愈大，即起到阻斷范圍變窄的作用。四、實驗內(nèi)容a. 二階低通濾波器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖13-2正確連接電路圖。連接信號源輸出和Ui。2、打開系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)信號源輸出Ui = 1V（峰峰值）的正弦波，改變其頻率（接近理論上的截止頻率338Hz 附近改變），并維持Ui = 1V（峰峰值）不變，

18、用示波器監(jiān)視輸出波形，用頻率計測量輸入頻率，用毫伏表測量輸出電壓UO，記入表13-1。表13-1f(Hz)U0(V)3、輸入方波，調(diào)節(jié)頻率（接近理論上的截止頻率338Hz附近調(diào)節(jié)），取Ui =1V（峰峰值），觀察輸出波形，越接近截止頻率得到的正弦波越好，頻率遠小于截止頻率時波形幾乎不變?nèi)詾榉讲?。有興趣的同學以下濾波器也可用方波作為輸入，因為方波頻譜分量豐富，可以用示波器更好的觀察濾波器的效果。b. 二階高通濾波器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖13-3正確連接電路圖。連接信號源輸出和Ui。2、打開系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)信號源輸出Ui =1V（峰峰值）的正弦波，改變其頻率（接近理論上的高通截止頻率1.6K附近改變

19、），并維持Ui =1V（峰峰值）不變，用示波器監(jiān)視輸出波形，用頻率計測量輸入頻率，用毫伏表測量輸出電壓UO，記入表13-2。表13-2f(Hz)U0(V)c. 帶通濾波器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖13-4正確連接電路圖。連接信號源輸出和Ui。2、打開系統(tǒng)電源。調(diào)節(jié)信號源輸出Ui =1V（峰峰值）的正弦波，改變其頻率（接近中心頻率為1040Hz附近改變），并維持Ui =1V（峰峰值）不變，用示波器監(jiān)視輸出波形，用頻率計測量輸入頻率，用毫伏表測量輸出電壓U0，自擬表格記錄之。理論值中心頻率為1040Hz，上限頻率為1080Hz，下限頻率為990Hz。3、實測電路的中心頻率f04、以實測中心頻率為中心，

20、測出電路的幅頻特性。d. 帶阻濾波器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖13-5正確連接電路圖。連接信號源輸出和Ui。2、打開系統(tǒng)電源。調(diào)節(jié)信號源輸出Ui =1V（峰峰值）的正弦波，改變其頻率，并維持Ui =1V（峰峰值）不變，用示波器監(jiān)視輸出波形，用頻率計測量輸入頻率，用毫伏表測量輸出電壓UO。3、實測電路的中心頻率。4、測出電路的幅頻特性。實驗十四 集成運算放大器的基本應用 電壓比較器一、實驗目的1、掌握比較器的電路構成及特點。2、學會測試比較器的方法。二、實驗儀器1、雙蹤示波器2、萬用表三、實驗原理圖14-1所示為一最簡單的電壓比較器，UR為參考電壓，輸入電壓Ui加在反相輸入端。圖14-1(b)為(a

21、)圖比較器的傳輸特性。 圖14-1 電壓比較器1、當Ui UR時，運放輸出低電平，Dz正向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降UD，即：UO = UD因此，以UR為界，當輸入電壓Ui變化時，輸出端反映出兩種狀態(tài)。高電位和低電位。2、常用的幅度比較器有過零比較器、具有滯回特性的過零比較器（又稱Schmitt觸發(fā)器）、雙限比較器（又稱窗口比較器）等。1) 圖14-2為簡單過零比較器圖14-2 過零比較器2) 圖14-3為具有滯回特性的過零比較器。過零比較器在實際工作時，如果Ui恰好在過零值附近，則由于零點漂移的存在，UO將不斷由一個極限值轉(zhuǎn)換到另一個極限值，這在控制系統(tǒng)中，對執(zhí)行機構將是很不利的。為

22、此，就需要輸出特性具有滯回現(xiàn)象。如圖14-3所示：圖14-3 具有滯回特性的過零比較器從輸出端引一個電阻分壓支路到同相輸入端，若UO改變狀態(tài)，U點也隨著改變電位，使過零點離開原來位置。當UO為正（記作），則當UD U后，UO即由正變負(記作-UD)，此時U變?yōu)?U。故只有當Ui下降到-U以下，才能使UO再度回升到UD，于是出現(xiàn)圖(b)中所示的滯回特性。-U與U的差別稱為回差。改變R2的數(shù)值可以改變回差的大小。3) 窗口（雙限）比較器 圖14-4 兩個簡單比較器組成的窗口比較器簡單的比較器僅能鑒別輸入電壓Ui比參考電壓UR高或低的情況，窗口比較電路是由兩個簡單比較器組成，如圖14-4所示，它能指示出Ui值是否處于之間。四、實驗內(nèi)容a. 過零電壓比較器1、關閉系統(tǒng)電源。按圖14-5正確連接電路。連接信號源輸出和Ui。2、打開系統(tǒng)電源，用萬用表測量Ui懸空時的UO電壓。3、調(diào)節(jié)信號源輸出f=500Hz、峰峰值為2V的正弦信號，用雙蹤示波器觀察Ui和UO波形。4、改變Ui幅值，測量傳輸特性曲線。 圖14-5 過零比較器b.