山東大學 模電實驗 作業(yè)四：運放應用zhangwei

1、作業(yè)四：4. 集成運算放大器的應用集成運算放大器是一種具有兩個輸入端、一個輸出端的電壓放大電路。具有增益高、輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點。通常，線性應用電路需要引入負反饋網絡，構成各種不同功能的實際應用電路。 LM324四運算放大器圖2.4.2 典型的集成運放外引腳排列4.1 理論基礎 學會利用理想放大器模型分析運放電路，也就是，利用“虛斷”及“虛短”概念。4.2 比例、加減、微分、積分運算電路設計與實驗4.2.1比例運算 (a) 反相比例運算電路 (b) 同相比例運算電路圖1.1 典型的比例運算電路1、 設計一個反相比例放大電路，要求放大倍數為-10倍；Rf=10K，R1=1K2、 設計一個

2、放大倍數為11的同相比例放大電路；Rf=10K，R1=1K4.2.2加法運算 (a) 反相求和運算電路 (b) 同相求和運算電路圖1.2 典型的求和運算電路3、 設計一個反相求和電路，實現(xiàn)功能；Rf=10，R1=R2=1 4、設計一個求和電路，完成；Rf=19，R1=R2=1,R=14.2.3減法運算 (a) 單運放減法運算電路 (b) 雙運放減法運算電路圖1.3 典型的減法運算電路5、設計一個求和電路，要求； 6、設計能夠實現(xiàn)的電路。4.2.4積分、微分運算 圖1.4 積分電路 圖1.5 微分電路 圖 1.6 實際微分電路（PID）1、 設計一個能夠將1kHz對稱方波轉換為三角波的積分運算電

3、路；2、 設計一個能夠將1kHz對稱方波轉換為尖峰脈沖波的電路；4.3 方波、三角波發(fā)生器4.3.1基本方波-三角波發(fā)生器圖2.1 方波、三角波發(fā)生器對圖2.1進行分析如下1.頻率分析2 幅度分析4.3.2幅度可調方波發(fā)生器圖2.2 方波幅度通過R4、R5比例調整4.3.2占空比可調方波-三角波發(fā)生器4.3.2鋸齒波發(fā)生器4.3.3 方波三角波正弦波發(fā)生器2.4.1 比例、加減運算電路設計與實驗由運放構成的比例、求和電路，實際是利用運放在線性應用時具有“虛短”、“虛斷”的特點，通過調節(jié)電路的負反饋深度，實現(xiàn)特定的電路功能。一、實驗目的1掌握常用集成運放組成的比例放大電路的基本設計方法； 2掌握

4、各種求和電路的設計方法；3熟悉比例放大電路、求和電路的調試及測量方法。二、實驗儀器及備用元器件（1）實驗儀器序號名稱型號備注1函數信號發(fā)生器2數字示波器3數字萬用表4交流毫伏表（2）實驗備用器件序號名稱說明備注1模擬集成運放塊LM3242電阻見附件三、電路原理 集成運算放大器，配備很小的幾個外接電阻，可以構成各種比例運算電路和求和電路。圖2.4.3（a）示出了典型的反相比例運算電路。依據負反饋理論和理想運放的“虛短”、“虛斷”的概念，不難求出輸出輸入電壓之間的關系為 2.4.1式中的“-”號說明電路具有倒相的功能，即輸出輸入的相位相反。當時，電路成為反相器。合理選擇的比值，可以獲得不同比例的放

5、大功能。反相比例運算電路的共模輸入電壓很小，帶負載能力很強，不足之處是它的輸入電阻為，其值不夠高。為了保證電路的運算精度，除了設計時要選擇高精度運放外，還要選擇穩(wěn)定性好的電阻器，而且電阻的取值既不能太大、也不能太小，一般在幾十千歐到幾百千歐。為了使電路的結構對稱，運放的反相等效輸入電阻應等于同相等效輸入電阻，,圖2.4.3（a）中，應為，電阻稱之為平衡電阻。 (a) 反相比例運算電路 (b) 同相比例運算電路圖2.4.3 典型的比例運算電路圖2.4.3（b）示出了典型的同相比例運算電路。其輸出輸入電壓之間的關系為 2.4.2由該式知，當時，電路構成了同相電壓跟隨器。同相比例運算電路的最大特點是

6、輸入電阻很大、輸出電阻很小，常被作為系統(tǒng)電路的緩沖級或隔離級。同樣，為了保證電路的運算精度，要選擇高精度運放和穩(wěn)定性好的電阻器，而且電阻的取值一般在幾十千歐到幾百千歐。為了使電路的結構對稱，同樣應滿足。圖2.4.4（a）為典型的反相求和電路，利用疊加原理和線性運放電路“虛短”、“虛斷”的概念可以求得 2.4.3當滿足時，輸出電壓為 2.4.4實現(xiàn)比例求和功能。當滿足時，輸出電壓為 2.4.5實現(xiàn)了兩個信號的相加運算。電路同樣要求。該電路的性能特點與反相運算電路相同。 (a) 反相求和運算電路 (b) 同相求和運算電路圖2.4.4 典型的求和運算電路同理，對于圖2.4.4（b）所示的同相求和電路

7、，當電路滿足的條件下，可以得到輸出電壓為 2.4.6當時 2.4.7同相求和電路的特點、設計思路與同相比例運算電路類似。圖2.4.5（a）為單運放減法電路，利用疊加原理和線性運放電路“虛短”、“虛斷”的概念，且時，可以求得 2.4.8 (a) 單運放減法運算電路 (b) 雙運放減法運算電路圖2.4.5 典型的減法運算電路當時 2.4.9實現(xiàn)了兩個信號的減法運算。圖2.4.5（b）為雙運放減法電路。大家可以自行分析，電路應該滿足什么條件，才能夠實現(xiàn)的功能。四、設計任務【v1、v2參考輸入信號】1、設計一個反相比例放大電路，要求放大倍數為-10倍；2、設計一個放大倍數為11的同相比例放大電路；3、

8、設計一個反相求和電路，實現(xiàn)功能；4、設計一個求和電路，完成；5、設計一個求和電路，要求； 6、設計能夠實現(xiàn)的電路。五、實驗要求1、實驗前的準備（1）電路設計根據理論和上述任務要求，自行設計實現(xiàn)電路，計算出電路中各個元件的參數。（2）用Multisim仿真軟件進行仿真。選擇一組輸入電壓。用虛擬儀器測量：輸入電壓、輸出電壓的幅值，填入自行設計的表格內。驗證上述理論設計的正確性，并與理論計算結果進行比較。（3）測試方案的設計自擬實驗步驟、方法。2、實驗任務（1）檢查實驗儀器；檢測器件和導線；（2）根據自行設計的電路圖選擇實驗器件；（3）根據自行設計的電路圖插接電路；（4）根據自行設計的測試方案；選擇

9、仿真時的一組輸入電壓值。在輸入端加輸入信號，測量輸入、輸出信號的幅值并記錄，并與仿真結果、估算結果比較；3、實驗后的總結（1）根據設計技術指標及實驗記錄總結實驗體會。（2）分析誤差產生的原因。六、思考題1、反相求和電路與反相比例放大電路在電路結構和函數運算式上有何異同之處？2、同相求和電路和同相比例放大電路在電路結構和比例系數上有何異同？3、估算值、仿真值、測量值三者相同嗎？若不相同分析產生誤差的原因。七、實驗報告要求1、畫出實驗電路，整理實驗數據；2、將實驗結果與理論計算值比較，分析產生誤差的原因。2.4.2 積分、微分電路的設計與實驗 一、實驗目的1. 了解由集成運放組成的積分運算、微分運

10、算電路的基本運算關系； 2. 掌握積分運算、微分運算電路的設計方法；3. 熟悉積分運算、微分運算電路的調試及測量方法。 二、實驗儀器及備用元器件（1）實驗儀器序號名稱型號備注1函數信號發(fā)生器2數字示波器3數字萬用表4交流毫伏表（2）實驗備用器件序號名稱說明備注1模擬集成運放塊LM3242電阻見附件3電容見附件三、電路原理 積分運算的典型形式為 2.4.10利用電容兩端的電壓和流過電容的電流關系，可以得到如圖2.4.6（a）所示積分電路。圖中 2.4.11式中為時電容上的初始電壓。根據式（2.4.11）知，當為不同形式的信號時，就會得到不同形式的輸出電壓。如：當輸入信號，即為直流恒壓的情況下，輸

11、出電壓為 2.4.12工作波形如圖（b）所示。 （a） （b） （c）圖2.4.6 積分運算電路及其工作波形當輸入信號是幅度為的方波時，則在運放為非飽和的情況下，輸出電壓將變?yōu)槿遣?，見圖（c）所示。大家可以自行分析輸出電壓的振幅值。 同理，當輸入信號正弦信號時，在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，輸出信號將為同頻率的余弦波，即實現(xiàn)了超前相移90o的功能。由于微分運算與積分運算呈現(xiàn)對偶關系，所以將積分電路中的電阻、電容對調，既可以實現(xiàn)微分功能。微分電路如圖2.4.7所示。輸出、輸入的關系為 2.4.12 圖2.4.7 微分電路 圖 2.4.8 實際微分電路對于微分電路，通常應該滿足的條件，其中T為輸入信號的周期

12、。在實際電路中，為了解決直流漂移和高頻噪聲等問題，通常情況下在C支路中串接一個電阻R1，在R支路兩端并接一個電容C1。如圖2.4.8所示。四、設計任務1、設計一個能夠將1kHz對稱方波轉換為三角波的積分運算電路；2、設計一個能夠將1kHz對稱方波轉換為尖峰脈沖波的電路；五、實驗要求1、實驗前的準備（1）電路設計根據理論和上述設計任務要求，自行設計實現(xiàn)電路，計算出電路中各個元件的參數。（2）用Multisim仿真軟件進行仿真。A）當輸入信號的幅度為2V、頻率為500Hz且正負半周對稱的方波的情況下，用虛擬示波器觀察積分運算電路的輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內。B）當

13、輸入信號的峰峰值為4V、頻率分別為200Hz、500Hz、1000Hz正弦波的情況下，用虛擬示波器觀察積分運算電路的輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內。C）當輸入信號的幅度為5V、頻率為200Hz矩形波的情況下，用虛擬示波器觀察微分運算電路輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內。D）當輸入信號的幅度為5V、頻率分別為100Hz、200Hz、500Hz正弦波的情況下，用虛擬示波器觀察微分運算電路輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內。（3）測試方案的設計自擬實驗步驟、方法及測試表格。2、實驗任務（1）檢查實驗儀器；檢測器件和導

14、線；（2）根據自行設計的電路圖選擇實驗器件；（3）根據自行設計的電路圖插接電路；（4）根據自行設計的測試方案，完成下述實驗任務：【加入表格】A）當輸入信號的幅度為2V、頻率為500Hz且正負半周對稱的方波的情況下，用示波器觀察積分運算電路的輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內，并與仿真結果、估算結果進行比較。B）當輸入信號的峰峰值為4V、頻率分別為200Hz、500Hz、1000Hz正弦波的情況下，用示波器觀察積分運算電路的輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內，并與仿真結果、估算結果進行比較。C）當輸入信號的幅度為5V、頻率為200Hz矩形波的情

15、況下，用示波器觀察微分運算電路輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內，并與仿真結果、估算結果進行比較。D）當輸入信號的幅度為5V、頻率分別為100Hz、200Hz、500Hz正弦波的情況下，用示波器觀察微分運算電路輸入、輸出信號波形，并記錄其峰值和相位，填入自行設計的表格內，并與仿真結果、估算結果進行比較。3、實驗后的總結（1）根據設計技術指標及實驗記錄總結實驗體會。（2）分析誤差產生的原因。六、思考題1、有源積分電路和無源積分電路的主要區(qū)別？2、積分電路可以將方波轉換為三角波，那么當改變方波的頻率時，三角波會發(fā)生何種變化？當改變方波的峰值時，三角波又有何種變化？3、在向

16、積分器輸入正弦波時，若逐漸增加輸入信號的頻率，輸出信號將如何變化？4、在向微分器輸入正弦波時，若逐漸增加輸入信號的頻率，輸出信號將如何變化？七、實驗報告要求1. 畫出自行設計的實驗電路，整理實驗數據；2. 將實驗結果與理論計算值比較，分析產生誤差的原因。2.4.3 非正弦波形發(fā)生電路的設計與實驗一、實驗目的1. 了解由集成運放組成波形發(fā)生器的電路結構； 2. 掌握非正弦波發(fā)生電路的基本設計、分析和調試方法；3. 進一步理解非正弦波發(fā)生器的基本性能特點；4、全面掌握波形發(fā)生電路理論設計與實驗調整相結合的設計方法。二、實驗儀器及備用元器件（1）實驗儀器序號名稱型號備注1函數信號發(fā)生器2數字示波器3

17、數字萬用表4交流毫伏表（2）實驗備用器件序號名稱說明備注1模擬集成運放塊LM3242二極管1N41483穩(wěn)壓二極管6V4電位器見附件5電阻見附件6電容見附件三、電路原理非正弦波主要有方波、三角波、矩形波及鋸齒波。它主要是利用積分電路可以將方波轉換為三角波、電壓比較器可以將三角波轉換為方波這樣一些功能來實現(xiàn)的。因此非正弦波發(fā)生器的電路主要由電壓比較器、積分器以及反饋環(huán)節(jié)組成。電路框圖如圖4.3.1所示。1、方波發(fā)生器簡單的方波發(fā)生器電路如圖2.4.9所示。電路由反相滯回電壓比較器和RC積分電路共同構成。利用一階RC電路的三要素法可以求得方波的振蕩周期為 圖2.4.9 非正弦波發(fā)生器電路組成框圖

18、2.4.13 圖2.4.10 簡單的方波發(fā)生器電路 圖2.4.11 圖2.4.10電路的工作波形圖2.4.10電路的工作波形如圖2.4.11所示。2、占空比可調的矩形波發(fā)生器在方波發(fā)生器的負反饋R支路中串接一個由二極管D3、D4和電位器RW構成的電路，可以構成占空比可調的矩形波發(fā)生器，電路如圖2.4.12所示。它是利用電位器的滑動端和二極管的單向導電性，改變電容的充、放電時間常數，可以改變占空比，從而得到占空比可調的矩形波。可以證明矩形波的高電平持續(xù)時間為圖2.4.12 占空比可調的矩形波發(fā)生器 2.4.14矩形波的低電平持續(xù)時間為 2.4.15其中 矩形波的周期為 2.4.16占空比 2.4

19、.173、方波、三角波發(fā)生器常見的三角波、方波發(fā)生器的原理電路如圖2.4.13所示。運放A2、RC構成反相積分器，將滯回電壓比較器A1輸出的方波轉換成三角波。三角波的峰值電壓就是比較器的門限電壓。若穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓值為，且其正向導通壓降為，則當A1的輸出為高電平時，電容C將被充電，輸出電壓下降。此時A1同相輸入端的電壓為 2.4.18當輸出電壓下降到使A1的同相端電壓，即 時，A1的輸出反轉為低電平，電容C將被反向充電，輸出電壓增大，A1同相輸入端的電壓為 2.4.19當輸出電壓增大到使，即時，A1的輸出再次反轉為高電平。以上過程周而復始，得到方波和三角波，見圖2.4.14所示。 圖2.4

20、.13 三角波、方波發(fā)生器的原理電路 圖2.4.14 圖4.3.5的工作波形分別令式（2.4.18）、（2.4.19）為零可以求得翻轉電平(輸出三角波電壓的幅值)為 2.4.20據此可以推得方波、三角波的周期T為 2.4.214、鋸齒波發(fā)生器與占空比可調的矩形波相似，利用二極管的單向導電性改變積分電容的充放電時間常數，就可以得到鋸齒波發(fā)生器。如圖2.4.15所示。圖2.4.15 鋸齒波發(fā)生器可以證明，鋸齒波的上升時間為 2.4.22下降時間為 2.4.23波形周期為 2.4.24四、設計任務1、設計一個用集成運放構成的方波發(fā)生器，并滿足一下設計要求：輸出電壓幅值為6V，頻率為500Hz1kHz范圍內可調；2、設計一個用集成運放構成的占空比可調的矩形波發(fā)生器，并滿足以下設計要求： 振蕩頻率從范圍500Hz1kHz范圍內可調； 輸出電壓幅值為6V；占空比D在(4080)