集成運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、學(xué)生序號(hào)6專(zhuān)業(yè)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 日期： 地點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)： 電路與模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)老師： 張冶沁 成績(jī)：_實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 基本運(yùn)算電路設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型： 電路實(shí)驗(yàn) 同組學(xué)生姓名：_一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?.掌握集成運(yùn)放組成的比例、加法和積分等基本運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)。2.掌握基本運(yùn)算電路的調(diào)試方法。3.學(xué)習(xí)集成運(yùn)算放大器的實(shí)際應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理1.實(shí)現(xiàn)反相加法運(yùn)算電路2.實(shí)現(xiàn)反相減法運(yùn)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(yùn)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(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表實(shí)驗(yàn)箱LM358運(yùn)放模塊四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟1.兩個(gè)信號(hào)的反相加法運(yùn)算1) 按設(shè)計(jì)的運(yùn)算電路進(jìn)行連接。2) 靜態(tài)測(cè)試：將輸入接地，測(cè)試直流輸出電壓。保證零輸入時(shí)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(yàn)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(rèn)電路功能正確。記錄示波器波形（坐標(biāo)對(duì)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(jì)的運(yùn)算電路進(jìn)行連接。2) 靜態(tài)測(cè)試：輸入接地，保證零輸入時(shí)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(rèn)電路功能正確。4) 用示波器測(cè)量輸入和輸出信號(hào)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(yùn)放的輸出零點(diǎn)。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(dāng)VS為方波信號(hào)并滿足TP<<2時(shí)（TP為方波半個(gè)周期時(shí)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(hào)（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(yùn)算電壓傳輸特性同相比例運(yùn)算電路同反相加法運(yùn)算電路，其特點(diǎn)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(yùn)算電路。2) 靜態(tài)測(cè)試：輸入接地，保證零輸入時(shí)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(yàn)證電路功能。4) 用示波器測(cè)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(dāng)增大輸入信號(hào)，使示波器顯示整個(gè)電壓傳輸特性曲線（即包含線性放大區(qū)和飽和區(qū)）。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理1.兩個(gè)信號(hào)的反相加法運(yùn)算使用信號(hào)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(hào) 三角波和輸出信號(hào) 用math按鈕直接疊加兩個(gè)信號(hào)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(gè)信號(hào)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(hào)VP

6、P=1V正弦波和輸出信號(hào)3. 用積分電路轉(zhuǎn)換方波為三角波用信號(hào)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(yùn)算電壓傳輸特性用信號(hào)發(fā)生器輸入頻率100Hz的正弦波，示波器兩個(gè)頻道分別接收信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)和運(yùn)放輸出信號(hào)，在示波器上選擇XY顯示模式，令正弦波的幅值在試驗(yàn)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(shí)出現(xiàn)六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1.兩個(gè)信號(hào)的反相加法運(yùn)算由理論推導(dǎo)可知實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)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(hào)和輸出信號(hào)符合預(yù)計(jì)結(jié)果，另外還可以使用示波器自帶的math通道，選擇“+”功

7、能，可以在屏幕上除了CH1和CH2之外，再增加一條經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出的曲線，這樣做可以更方便地驗(yàn)證電路功能是否正確，但在本實(shí)驗(yàn)中使用此法得到的曲線還需經(jīng)過(guò)反相才和實(shí)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(jì)算得其輸出電壓滿足關(guān)系：而我在試驗(yàn)中所設(shè)參數(shù)整理為：輸入信號(hào)幅值VS1/V輸入信號(hào)幅值VS2/V輸出電壓幅值VO/V0.50.27實(shí)際上因?yàn)槲以O(shè)置的兩個(gè)信號(hào)相位相反，所以若定義VS2的幅值為正，計(jì)算中的VS2=0.2V, VS1=-0.5V，由此計(jì)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

8、的原理是取RC電路充放電曲線的近似線性部分，來(lái)逼近理想的三角波，實(shí)驗(yàn)中RC回路的時(shí)間常數(shù)為=100k×0.01F=1ms，對(duì)應(yīng)的頻率為1kHz，于是測(cè)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(jiàn)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(huì)減小，這也是因?yàn)橹芷谧兌虝r(shí)電容充電時(shí)間變短，所以電位峰值會(huì)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(kāi)，略去高次項(xiàng)得即VO與VS成近似線性關(guān)系的條件便是

9、信號(hào)周期遠(yuǎn)小于時(shí)間常數(shù)，于是實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地符合了這一結(jié)論實(shí)驗(yàn)所得圖片中，值得注意的是當(dāng)VS周期變?yōu)?.1ms時(shí)，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(hào)發(fā)生器輸出的方波并非理想方波，在階躍點(diǎn)上的上升和下降存在一個(gè)很短的過(guò)程，但當(dāng)周期本身已經(jīng)很小的情況下，這個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間難以忽略，其變化過(guò)程中電壓有可能快速達(dá)到了一個(gè)較大的值，在短時(shí)間的積分過(guò)程中體現(xiàn)在了輸出波形上，類(lèi)似于沖激信號(hào)的原理4. 同相比例運(yùn)算電壓傳輸特性實(shí)驗(yàn)中設(shè)置信號(hào)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(duì)運(yùn)放掃描，在屏幕上觀察到了輸出電壓逐漸由線性區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)的過(guò)程

10、，符合理論預(yù)期七、討論、心得本次實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)了很多新的知識(shí)，理論課上關(guān)于運(yùn)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(shí)驗(yàn)后為了解釋相關(guān)的現(xiàn)象我也翻看了很多資料，對(duì)運(yùn)放的應(yīng)用有了更多的了解。另一方面體會(huì)到了仿真的便捷性，例如測(cè)量同比例運(yùn)算電壓傳輸特性時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室中要進(jìn)行直流掃描，需要通過(guò)降低交流信號(hào)頻率，再試探性設(shè)置正弦波形幅值來(lái)掃描，但仿真則可以方便地使用參數(shù)掃描來(lái)得到電路的性能分析圖。思考題又再一次讓我體會(huì)到了運(yùn)放引入負(fù)反饋的重要意義，增強(qiáng)了我的實(shí)驗(yàn)查錯(cuò)能力（1） 什么是集成運(yùn)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(yùn)放輸入電壓和輸出電壓之

11、間的關(guān)系即為電壓傳輸特性。集成運(yùn)放主要有三種輸入方式：差動(dòng)輸入，反相輸入和同相輸入；差動(dòng)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(duì)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(hào)（2） 集成運(yùn)算放大器的輸入輸出成線性關(guān)系，輸出電壓將會(huì)無(wú)限增大，這話對(duì)嗎？為什么？答：不對(duì)，運(yùn)放只有工作在線性放大區(qū)時(shí)，輸入輸出才成線性關(guān)系，當(dāng)輸入電壓大到一定程度時(shí)，輸出電壓到達(dá)飽和區(qū)，將基本保持不變（3） 實(shí)驗(yàn)中信號(hào)的頻率不一樣是否對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有影響？答：在前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，即使信號(hào)頻率不同波形同樣可以疊加，只不過(guò)不易于觀察，本質(zhì)上不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；而方波轉(zhuǎn)換三角波實(shí)

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

13、？答：題目所說(shuō)電路如右，由描述知，K2打開(kāi)前電容C未積累電荷，當(dāng)K2被打開(kāi)，電容開(kāi)始被充電，電位也逐漸上升，但是因?yàn)檩敵鲭妷合辔慌c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(huì)往負(fù)軸走，且電解電容左端為正極，右端為負(fù)極，因此移動(dòng)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(shí)的輸出波形是否接近于0，飽和失真可通過(guò)將輸出波形與輸入波形對(duì)比判斷（7） 在基本運(yùn)算電路中，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波、方波或直流信號(hào)等不同形式時(shí)，應(yīng)分別選擇什么儀器來(lái)測(cè)量其幅度答：三種信號(hào)都可以用示波器的“measure”功能對(duì)其幅度或有效值進(jìn)行測(cè)量，萬(wàn)用表也可以測(cè)量直流信號(hào)和允許頻率范圍內(nèi)的交流信號(hào)，但有了示波器已經(jīng)足夠（8） 實(shí)驗(yàn)中，若測(cè)得運(yùn)放靜態(tài)輸出電壓為+14V（或不為0），其根本