集成運(yùn)放基本應(yīng)用之一—模擬運(yùn)算電路

1、實驗十二 集成運(yùn)放基本應(yīng)用之一模擬運(yùn)算電路一、實驗?zāi)康?、了解并掌握由集成運(yùn)算放大器組成的比例、加法、減法和積分等基本運(yùn)算電路的原理與功能。2、了解運(yùn)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(yùn)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(yùn)算電路。理想運(yùn)算放大器特性：在大多數(shù)情況下，將運(yùn)放視為理想運(yùn)放，就是將運(yùn)放的各項技術(shù)指標(biāo)理想化，滿足下列條件的運(yùn)算放大器稱為理想運(yùn)放：開環(huán)電壓增益Aud=輸入阻抗ri=輸出阻抗ro=

2、0帶寬 fBW=失調(diào)與漂移均為零等。理想運(yùn)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(yùn)放兩個輸入端的電流可視為零，即IIB0，稱為“虛斷”。這說明運(yùn)放對其前級吸取電流極小。上述兩個特性是分析理想運(yùn)放應(yīng)用電路的基本原則，可簡化運(yùn)放電路的計算?；具\(yùn)算電路1) 反相比例運(yùn)算電路電路如圖51所示。對于理想運(yùn)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(yùn)算誤差，在同相輸入端應(yīng)接入平衡電阻R2R1 / RF。圖51 反相比例運(yùn)算電路

3、 圖52 反相加法運(yùn)算電路2)反相加法電路電路如圖52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(yùn)算電路圖53(a)是同相比例運(yùn)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53(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(yùn)算電路 (b) 電壓跟隨器圖5-3 同相比例運(yùn)算電路 4) 差動放大電路（減法器）對于圖5-4所示的減法運(yùn)算電路，當(dāng)R1R2，R3RF時， 有如下關(guān)系式 圖54 減法運(yùn)算電路圖 5-5 積分運(yùn)

4、算電路 5) 積分運(yùn)算電路反相積分電路如圖55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(yùn)放最大輸出范圍的限值。在進(jìn)行積分運(yùn)算之前，首先應(yīng)對運(yùn)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

5、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(yùn)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(yùn)算放大器A7411 電阻器、電容器若干。四、實驗內(nèi)容及實驗分析總結(jié)實驗前要看清運(yùn)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(yùn)算電路1) 按圖51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5-1。表5-1Ui0.5V，f

6、100HzUi（V）U0（V）ui波形uO波形AV0.1751.75實測值計算值-10-10圖像如下：其中黃線代表Ui 藍(lán)線代表U0分析：由公式 可計算出電路的輸出電壓與輸入電壓之比Au的理論值為-10.由上波形圖及讀表可得Ui=0.175V U0=1.75 其比值為10.可知實驗?zāi)M效果非常好。波形圖可看出Ui與U0相位恰好相差半個周期即反相，效果很好。2、同相比例運(yùn)算電路1) 按圖53(a)連接實驗電路。實驗步驟同內(nèi)容1，將結(jié)果記入表52。 2) 將圖53(a)中的R1斷開，得圖53(b)所示電路重復(fù)上述內(nèi)容，將結(jié)果記入表53。表52Ui0.5Vf100HzUi（V）UO(V)ui波形uO

7、波形AV0.1761.918實測值計算值10.9011表53Ui0.5Vf100HzUi（V）UO(V)ui波形uO波形AV0.1440.142實測值計算值0.991如圖：其中黃線代表Ui，藍(lán)線代表U0.分析：由公式可計算Au的理論值為11，讀表可得Ui=0.176V U0=1.918V 計算得到Au的值為10.90，誤差為0.9%，模擬效果很好。由波形圖可看出Ui與U0的圖像同相，符合要求。分析：由公式，而將R1斷開后公式則變?yōu)閁0=Ui可計算Au的理論值為1，讀表可得Ui=0.144V U0=0.142V 計算得到Au的值為10.90，誤差為1.39%，模擬效果很好。由波形圖可看出Ui與U

8、0的圖像同相，符合要求。3、 反相加法運(yùn)算電路1) 自行設(shè)計實驗電路，使其滿足U0=-10（Ui1+Ui2），并通過給Ui1、Ui2 輸入不同的直流電壓，驗證電路的功能。2) 實驗時要注意選擇合適的直流信號幅度以確保集成運(yùn)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54中。表54Ui1(V)-1.9571.925-1.9591.936-1.963Ui2(V)1.984-1.9751.639-1.8821.566UO(V)-0.1050.3613.135-0.607-3.715分析數(shù)據(jù)一數(shù)據(jù)二數(shù)據(jù)三數(shù)據(jù)四數(shù)據(jù)五理論值（Ui1+Ui2）*-10-0.270.53.2

9、-0.543.97相對誤差61.1%27.8%2.0%12.4%6.4%由上述表格可知：數(shù)據(jù)一、數(shù)據(jù)二誤差較大，分析原因可能是直流電壓表讀取U0時記錄數(shù)據(jù)有誤，也有可能是選擇的直流信號幅度不合適，導(dǎo)致集成運(yùn)放沒有在線性區(qū)工作。數(shù)據(jù)三、數(shù)據(jù)五模擬效果較好。4、減法運(yùn)算電路1) 自行設(shè)計實驗電路，使其滿足U0=10（Ui2Ui1），并通過給Ui1、Ui2 輸入不同的直流電壓，驗證電路的功能。2) 采用直流輸入信號時，確保集成運(yùn)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55中。 表55Ui1(V)0.7560.5730.4090.2220.014Ui2(V)0.91

10、50.8570.6290.431-0.223UO(V)-1.56-2.500-2.165-2.04-2.001分析：數(shù)據(jù)一數(shù)據(jù)二數(shù)據(jù)三數(shù)據(jù)四數(shù)據(jù)五理論值（Ui1-Ui2）*10-1.59-2.84-2.2-2.09-2.04相對誤差1.9%12.0%1.6%2.4%1.9%由上述表格可知：數(shù)據(jù)二誤差較大，分析原因可能是直流電壓表讀取U0時記錄數(shù)據(jù)有誤，也有可能是選擇的直流信號幅度不合適，導(dǎo)致集成運(yùn)放沒有在線性區(qū)工作。其他數(shù)據(jù)模擬效果較好，誤差均在2%左右。5、積分運(yùn)算電路實驗電路如圖55所示。1)打開K2，閉合K1，對運(yùn)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

11、)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5-6，直到UO不繼續(xù)明顯增大為止。 表56 t(s)051015202530.U0(V)-3.793-4.240-5.132-6.461-7.122-8.216-9.362-9.369分析：誤差分析及總結(jié)：圖像沒有如預(yù)期擬合得那么好，主要原因是操作中我們用視頻連續(xù)拍下數(shù)據(jù)，但處理時取數(shù)據(jù)時間間隔并不完全一致，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。但總體來說，線性下降的趨勢還是有的，在一定程度上達(dá)到了驗證積分運(yùn)算電路的性質(zhì)。5、 實驗小結(jié)： 六組試驗中，反相比例運(yùn)算電路、同相比例運(yùn)算電路、跟隨特性曲線、減法運(yùn)算電路這四組實驗效果都非常不錯，誤差均在實驗允許的范圍內(nèi)。只有加法運(yùn)算電路這組實驗的數(shù)據(jù)以及積分運(yùn)算電路這組實驗的圖像有較大的偏差。分析原因如下： 加法運(yùn)算電路可