集成運放組成的基本運算電路實驗報告

1、學生序號6專業(yè)： 姓名： 學號： 日期： 地點： 實驗報告課程名稱： 電路與模擬電子技術(shù)實驗 指導老師： 張冶沁 成績：_實驗名稱： 基本運算電路設(shè)計 實驗類型： 電路實驗 同組學生姓名：_一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、實驗?nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、實驗?zāi)康暮鸵?.掌握集成運放組成的比例、加法和積分等基本運算電路的設(shè)計。2.掌握基本運算電路的調(diào)試方法。3.學習集成運算放大器的實際應(yīng)用。二、實驗內(nèi)容和原理1.實現(xiàn)反相加法運算電路2.實現(xiàn)反相減法運算電路3.用積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波4.同相

2、比例運算電路的電壓傳輸特性（選做）5.查看積分電路的輸出軌跡（選做）三、主要儀器設(shè)備HY3003D-3型可調(diào)式直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源示波器、信號發(fā)生器、萬用表實驗箱LM358運放模塊四、操作方法和實驗步驟1.兩個信號的反相加法運算1) 按設(shè)計的運算電路進行連接。2) 靜態(tài)測試：將輸入接地，測試直流輸出電壓。保證零輸入時電路為零輸出。3) 調(diào)出0.2V三角波和0.5V方波，送示波器驗證。4) VS1輸入0.2V三角波，VS2輸入0.5V方波，用示波器雙蹤觀察輸入和輸出波形，確認電路功能正確。記錄示波器波形（坐標對齊，注明幅值）。2. 減法器（差分放大電路）減法器電路，為了消除輸入偏置電流以及輸入共模成

3、分的影響，要求R1=R2、RF=R3。1) 按設(shè)計的運算電路進行連接。2) 靜態(tài)測試：輸入接地，保證零輸入時為零輸出。3) VS1和VS2輸入正弦波（頻率和幅值），用示波器觀察輸入和輸出波形，確認電路功能正確。4) 用示波器測量輸入和輸出信號幅值，記到表格中。3. 用積分電路轉(zhuǎn)換方波為三角波電路中電阻R2的接入是為了抑制由IIO、VIO所造成的積分漂移，從而穩(wěn)定運放的輸出零點。在t<<2（2=R2C）的條件下，若VS為常數(shù)，則VO與t將近似成線性關(guān)系。因此，當VS為方波信號并滿足TP<<2時（TP為方波半個周期時間），則VO將轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣?，且方波的周期越小，三角波的線性

4、越好，但三角波的幅度將隨之減小。1) 連接積分電路，加入方波信號（幅度？）。2) 選擇頻率，使TP <<2，用示波器觀察輸出和輸入波形，記錄線性情況和幅度。3) 改變方波頻率，使TP 2，觀察并記錄輸出波形的線性情況和幅度的變化。4) 改變方波頻率，使TP >>2，觀察并記錄輸出波形的線性情況和幅度的變化。4. 同相比例運算電壓傳輸特性同相比例運算電路同反相加法運算電路，其特點是輸入電阻比較大，電阻R的接入同樣是為了消除平均偏置電流的影響，故要求R=R1/RF。1) 連接同相比例運算電路。2) 靜態(tài)測試：輸入接地，保證零輸入時為零輸出。3) 加入正弦波，用示波器觀察輸入

5、和輸出波形，驗證電路功能。4) 用示波器測出電壓傳輸特性：示波器選擇XY顯示模式，選擇適合的按鈕設(shè)置。5) 適當增大輸入信號，使示波器顯示整個電壓傳輸特性曲線（即包含線性放大區(qū)和飽和區(qū)）。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理1.兩個信號的反相加法運算使用信號發(fā)生器作為輸入，頻道1輸入0.2V三角波，頻道2輸入0.5V方波，示波器顯示如下：雙蹤示波顯示三角波和方波方波和輸出信號三角波和輸出信號 用math按鈕直接疊加兩個信號2. 減法器（差分放大電路）頻道1輸入峰峰值0.4V正弦波，頻道2輸入峰峰值1V正弦波，頻率都是1kHz，兩個信號互為反相 雙蹤示波器顯示輸入波形 VPP=0.4V正弦波和輸出信號VPP=

6、1V正弦波和輸出信號3. 用積分電路轉(zhuǎn)換方波為三角波用信號發(fā)生器產(chǎn)生方波，幅度值均為1V，取不同頻率的輸出效果： 方波頻率0.1kHz方波頻率1kHz方波頻率10kHz4.同相比例運算電壓傳輸特性用信號發(fā)生器輸入頻率100Hz的正弦波，示波器兩個頻道分別接收信號發(fā)生器輸入信號和運放輸出信號，在示波器上選擇XY顯示模式，令正弦波的幅值在試驗中逐漸增大，直至出現(xiàn)飽和區(qū)如下：線性放大區(qū)和飽和區(qū)同時出現(xiàn)六、實驗結(jié)果與分析1.兩個信號的反相加法運算由理論推導可知實驗中的運放電路放大倍數(shù)為10倍，且反相，示波器上得到的輸入信號和輸出信號符合預(yù)計結(jié)果，另外還可以使用示波器自帶的math通道，選擇“+”功能，

7、可以在屏幕上除了CH1和CH2之外，再增加一條經(jīng)過運算得出的曲線，這樣做可以更方便地驗證電路功能是否正確，但在本實驗中使用此法得到的曲線還需經(jīng)過反相才和實際曲線相同2. 減法器（差分放大電路）由減法器的電路構(gòu)成可以計算得其輸出電壓滿足關(guān)系：而我在試驗中所設(shè)參數(shù)整理為：輸入信號幅值VS1/V輸入信號幅值VS2/V輸出電壓幅值VO/V0.50.27實際上因為我設(shè)置的兩個信號相位相反，所以若定義VS2的幅值為正，計算中的VS2=0.2V, VS1=-0.5V，由此計算得VO=10×(0.2-(-0.5)=7V，示波器上的波形也符合理論預(yù)期3.用積分電路轉(zhuǎn)換方波為三角波積分電路轉(zhuǎn)換三角波的原

8、理是取RC電路充放電曲線的近似線性部分，來逼近理想的三角波，實驗中RC回路的時間常數(shù)為=100k×0.01F=1ms，對應(yīng)的頻率為1kHz，于是測量了三種頻率方波的轉(zhuǎn)換效果：VS周期VS幅度值VO線性情況VO幅度值10ms1V畸變6.62V1ms1V較差5.40V0.1ms1V很好1.40V可見周期越小，轉(zhuǎn)換的三角波效果越好，但相應(yīng)的，輸出電壓幅度值會減小，這也是因為周期變短時電容充電時間變短，所以電位峰值會變小。理論上求解電路輸出電壓可得：若t<<R2C，且t較小，接近于0（初始狀態(tài)），則根據(jù)在t=0鄰域內(nèi)的泰勒展開，略去高次項得即VO與VS成近似線性關(guān)系的條件便是信號

9、周期遠小于時間常數(shù)，于是實驗結(jié)果很好地符合了這一結(jié)論實驗所得圖片中，值得注意的是當VS周期變?yōu)?.1ms時，輸出電壓理應(yīng)有很好的線性，但是在峰值處波形出現(xiàn)了尖端，理論上不該出現(xiàn)，究其原因，有可能是信號發(fā)生器輸出的方波并非理想方波，在階躍點上的上升和下降存在一個很短的過程，但當周期本身已經(jīng)很小的情況下，這個過程所需的時間難以忽略，其變化過程中電壓有可能快速達到了一個較大的值，在短時間的積分過程中體現(xiàn)在了輸出波形上，類似于沖激信號的原理4. 同相比例運算電壓傳輸特性實驗中設(shè)置信號頻率為較低頻率，用峰值超出線性放大區(qū)輸入電壓的正弦波對運放掃描，在屏幕上觀察到了輸出電壓逐漸由線性區(qū)進入飽和區(qū)的過程，符

10、合理論預(yù)期七、討論、心得本次實驗中學習了很多新的知識，理論課上關(guān)于運放的內(nèi)容較為抽象，為何要采取不同的輸入方式一度給我造成了困擾，本次實驗后為了解釋相關(guān)的現(xiàn)象我也翻看了很多資料，對運放的應(yīng)用有了更多的了解。另一方面體會到了仿真的便捷性，例如測量同比例運算電壓傳輸特性時，在實驗室中要進行直流掃描，需要通過降低交流信號頻率，再試探性設(shè)置正弦波形幅值來掃描，但仿真則可以方便地使用參數(shù)掃描來得到電路的性能分析圖。思考題又再一次讓我體會到了運放引入負反饋的重要意義，增強了我的實驗查錯能力（1） 什么是集成運算放大器的電壓傳輸特性？輸入方式的改變將如何影響電壓傳輸特性？答：集成運放輸入電壓和輸出電壓之間的

11、關(guān)系即為電壓傳輸特性。集成運放主要有三種輸入方式：差動輸入，反相輸入和同相輸入；差動輸入可以有效抑制零漂，得到穩(wěn)定的輸出，反相輸入和同相輸入是輸入端電壓相對于輸出端電壓的相位關(guān)系不同，輸出端分別得到與輸入反相和同相的放大信號（2） 集成運算放大器的輸入輸出成線性關(guān)系，輸出電壓將會無限增大，這話對嗎？為什么？答：不對，運放只有工作在線性放大區(qū)時，輸入輸出才成線性關(guān)系，當輸入電壓大到一定程度時，輸出電壓到達飽和區(qū)，將基本保持不變（3） 實驗中信號的頻率不一樣是否對實驗的結(jié)果有影響？答：在前兩個實驗中，即使信號頻率不同波形同樣可以疊加，只不過不易于觀察，本質(zhì)上不會影響實驗結(jié)果；而方波轉(zhuǎn)換三角波實驗中

12、信號頻率本身作為一個變量，觀察同相比例運算電路電壓傳輸特性要求在低頻條件下，因此信號頻率存在影響（4） 基本運算電路，沒有輸出信號，輸出端電壓接近飽和，為什么？怎樣處理？答：有可能是運放放大倍數(shù)過高，直接導致電壓飽和，此時可以加入深度負反饋達到控制增益的效果。另一種可能是運放損壞，需要更換元器件（5） 在積分運算電路中，當選擇Vs0.2V時，若用示波器觀察Vo（t）的變化軌跡，并假定掃速開關(guān)置于“1s/div”，Y軸靈敏度開關(guān)置于“2V/div”，光點一開始位于屏幕左上角，當開關(guān)K2由閉合轉(zhuǎn)為打開后，電容即被充電。試分析并畫出Vo隨時間變化的軌跡。若采用電解電容時，電解電容的正負極該如何接？答

13、：題目所說電路如右，由描述知，K2打開前電容C未積累電荷，當K2被打開，電容開始被充電，電位也逐漸上升，但是因為輸出電壓相位與輸入相反（公式已在方波轉(zhuǎn)換三角波分析給出），波形首先會往負軸走，且電解電容左端為正極，右端為負極，因此移動軌跡大約為：（6） 為防止出現(xiàn)自激振蕩和飽和失真，應(yīng)用什么儀器監(jiān)視輸出電壓波形。答：使用示波器監(jiān)視零輸入時的輸出波形是否接近于0，飽和失真可通過將輸出波形與輸入波形對比判斷（7） 在基本運算電路中，當輸入信號為正弦波、方波或直流信號等不同形式時，應(yīng)分別選擇什么儀器來測量其幅度答：三種信號都可以用示波器的“measure”功能對其幅度或有效值進行測量，萬用表也可以測量直流信號和允許頻率范圍內(nèi)的交流信號，但有了示波器已經(jīng)足夠（8） 實驗中，若測得運放靜態(tài)輸出電壓為+14V（或不為0），其根本