實驗一運算放大器的基本應用(吳健雄)最終

1、實驗一 運算放大器的基本應用一、基本信息實驗時數：6+3學時實驗時間：第4-5周完成， 報告提交：第6周內提交實驗報告實驗檢查：實驗驗收，提交實驗報告二、實驗內容1. 基本要求：內容一：反相輸入比例運算電路各項參數測量實驗（預習時，查閱uA741運放的數據手冊，自擬表格記錄相關的直流參數、交流參數和極限參數，解釋參數含義）。圖1.1 反相輸入比例運算電路(1) 圖1.1中電源電壓±15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP10k/100k。按圖連接電路，輸入直流信號Ui分別為2V、0.5V、0.5V、2V，用萬用表測量對應不同Ui時的Uo值，列表計算Au并和理論值相

2、比較。其中Ui通過電阻分壓電路產生。(2) Ui輸入0.2V（有效值）、 1kHz的正弦交流信號，在雙蹤示波器上觀察并記錄輸入輸出波形，在輸出不失真的情況下測量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時不需要接電阻分壓電路。(3) 輸入信號頻率為1kHz的正弦交流信號，增加輸入信號的幅度，測量最大不失真輸出電壓值。加重負載（減小負載電阻RL），使RL220，測量最大不失真輸出電壓，并和RL100 k數據進行比較，分析數據不同的原因。（提示：考慮運算放大器的最大輸出電流。）(4) 用示波器X-Y方式，測量電路的傳輸特性曲線，計算傳輸特性的斜率和轉折點值。(5) 電源電壓改為±12V，重復

3、(3)、(4)，并對實驗結果結果進行分析比較。1 / 8(6) 保持Ui0.1V不變，改變輸入信號的頻率，在輸出不失真的情況下，測出上限頻率fH并記錄此時的輸入輸出波形，測量兩者的相位差，并做簡單分析。(7) 將輸入正弦交流信號頻率調到前面測得的fH，逐步增加輸入信號幅度，觀察輸出波形，直到輸出波形開始變形（看起來不象正弦波了），記錄該點的輸入、輸出電壓值，根據轉換速率的定義對此進行計算和分析，并和手冊上的轉換速率值進行比較。(8) 輸入信號改為占空比為50%的雙極性方波信號，調整信號頻率和幅度，直至輸出波形正好變成三角波，記錄該點輸出電壓和頻率值，根據轉換速率的定義對此進行計算和分析（這是較

4、常用的測量轉換速率的方法）。(9) RF改為10 k，自己計算RP的阻值，重復（6）（7）。列表比較前后兩組數據的差別，從反相比例放大器增益計算、增益帶寬積等角度對之進行分析。并總結在高頻應用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉換速率對電路性能的影響。內容二：設計電路滿足運算關系Uo=-2Ui1+3Ui2（預習時設計好電路圖，并用Multisim軟件仿真),Ui1接入方波信號，方波信號從示波器的校準信號獲?。M示波器Ui1為1KHz、1V（峰峰值）的方波信號，數字示波器Ui1為1KHz、5V（峰峰值）的方波信號），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信號，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫

5、出波形圖并與理論值比較。實驗中如波形不穩(wěn)定，可微調Ui2的頻率。2. 提高要求： 設計一個比例-積分-微分運算電路。滿足運算公式 寫出具體的設計過程，比例、積分、微分的系數可以有所不同，請考慮不同的系數對設計輸出有何影響？3. 創(chuàng)新要求：運用放大器的線性特性自行設計一個有意義的電路。 三、實驗要求1. 設計反向比例放大電路，計算電路中各元件參數。2. 在Multisim軟件平臺中對所設計的電路作仿真，調整參數。其中阻容元件參數必須符合電阻、電容參數規(guī)范。3. 在面包板上搭試、調試電路。4. 測量反向比例放大電路的各項參數，包括增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、帶寬的測量方法。 5. 用運算放大器設

6、計反相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的方法及實驗測量技能。四、設計指導1. 電壓增益（電壓放大倍數Au）測量方法電壓增益是電路的輸出電壓和輸入電壓的比值，包括直流電壓增益和交流電壓增益。實驗中一般采用萬用表的直流檔測量直流電壓增益，測量時要注意表筆的正負。交流電壓增益測量要在輸出波形不失真的條件下，用交流毫伏表或示波器測量輸入電壓Ui（有效值）或Uim（峰值）或Uip-p（峰-峰值）與輸出電壓Uo（有效值）或Uom（峰值）或 Uop-p（峰-峰值），再通過計算可得。測試框圖如圖1.2所示，其中示波器起到了監(jiān)視輸出波形是否失真的作用。圖1.2 電壓增益（電壓放大倍數Au）測量2.

7、用示波器測量電壓傳輸特性曲線的方法雙端口網絡的輸出電壓值隨輸入電壓值的變化而變化的特性叫做電壓傳輸特性。電壓傳輸特性在實驗中一般采用兩種方法進行測量。一種是手工逐點測量法，另一種是采用示波器X-Y方式進行直接觀察。手工逐點測量法：可以在輸入端加一個輸入信號，逐步改變輸入端電壓，每改變一次記錄一個輸出電壓值，最后把所有測量所得數據記錄在坐標紙上，所有的點連接起來就是電壓傳輸特性曲線。這種測量方式最大的優(yōu)點是設備簡單，只要有信號源和電壓表就可以了，缺點是繁瑣，同時由于是取有限的點進行測量，有可能丟失比較重要的信息點，所以測量精度有限。示波器X-Y方式直接觀察法：是把一個電壓隨時間變化的信號（如：正

8、弦波、三角波、鋸齒波）在加到電路輸入端的同時加到示波器的X通道，電路的輸出信號加到示波器的Y通道，利用示波器X-Y圖示儀的功能，在屏幕上顯示完整的電壓傳輸特性曲線，同時還可以測量相關參數。測量方法如圖1.3所示。圖1.3電壓傳輸特性曲線測量具體測量步驟如下：(1) 選擇合理的輸入信號電壓，一般與電路實際的輸入動態(tài)范圍相同，太大除了會影響測量結果以外還可能會損壞器件；太小不能完全反應電路的傳輸特性。(2) 選擇合理的輸入信號頻率，頻率太高會引起電路的各種高頻效應，太低則使顯示的波形閃爍，都會影響觀察和讀數。一般取50500Hz即可。(3) 選擇示波器輸入耦合方式，一般要將輸入耦合方式設定為DC，

9、比較容易忽視的是在X-Y方式下，X通道的耦合方式是通過觸發(fā)耦合按鈕來設定的，同樣也要設成DC。(4) 選擇示波器顯示方式，示波器設成X-Y方式，對于模擬示波器，將掃描速率旋鈕逆時針旋到底就是X-Y方式；對于數字示波器，按下“Display”按鈕，在菜單項中選擇X-Y。(5) 進行原點校準，對于模擬示波器，可把兩個通道都接地，此時應該能看到一個光點，調節(jié)相應位移旋鈕，使光點處于坐標原點；對于數字示波器，先將CH1通道接地，此時顯示一條豎線，調節(jié)相應位移旋鈕，將其調到和Y軸重合，然后將CH1改成直流耦合，CH2接地，此時顯示一條水平線，調節(jié)相應位移旋鈕，將其調到和X軸重合。3. 參數定義(1) 開

10、環(huán)帶寬BW 集成運放的開環(huán)電壓增益下降3dB(或直流增益的0.707倍)時所對應的信號頻率稱為開環(huán)帶寬。(2) 單位增益帶寬GW 集成運放在閉環(huán)增益為1倍狀態(tài)下，當用正弦小信號驅動時，其閉環(huán)增益下降至0.707倍時的頻率。當集成運放的頻率特性具有單極點響應時，其單位增益帶寬可表示為 式中，是當信號頻率為f時集成運放的實際差模開環(huán)電壓增益值。 (3) 轉換速率（或電壓擺率） 在額定的負載條件下，當輸入階躍大信號時，集成運放輸出電壓的最大變化率稱為轉換速率。 通常，集成運放手冊中所給出的轉換速率均指閉環(huán)增益為1倍時的值。實際集成運放的轉換速率與其閉環(huán)增益無關，一般集成運放反相和同相應用時的轉換速率

11、是不一樣的。(4) 全功率帶寬 在額定負載條件下，集成運放閉環(huán)增益為1倍時，當輸入正弦大信號后，使集成運放輸出電壓幅度達到最大時的信號頻率，即為功率帶寬。此頻率將受到集成運放轉換速率的限制。一般可用近似公示估算和之間的關系 式中是集成運放輸出的峰值電壓。4. 比例、積分、微分電路在工程中的應用 在實驗內容提高要求中，僅僅是完成了一個含有比例、積分、微分的運算電路，但在實際工程應用中，特別是閉環(huán)控制系統(tǒng)中，比例、積分、微分電路各自承擔不同的角色功能。圖1.3中是一個典型的比例積分微分閉環(huán)控制系統(tǒng)，俗稱PID控制系統(tǒng)。圖1.4 PID控制系統(tǒng)原理框圖用運算表達式表示圖1.4為： 式中Kp、TI、T

12、D分別為比例、積分、微分系數，e(t)=r(t)-c(t)比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的誤差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數。TI越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間?？梢酝ㄟ^設計Kp、TI、TD值滿足不同控制對象的需要。五、報告要求1. 實驗項目名稱。2. 實驗內容及要求分析項目的功能與性能指標。3. 電路設計，包括：(1) 電路設計

13、思想，電路結構框圖與系統(tǒng)工作原理。(2) 各單元電路結構、工作原理、參數計算和元器件選擇說明。(3) 電路的仿真與優(yōu)化。4. 畫出完整的電路圖，并說明電路的工作原理。5. 制定實驗測量方案。6. 安裝調試，包括：(1) 使用的主要儀器和儀表。(2) 調試電路的方法和技巧。(3) 測試的數據和波形并與設計結果比較分析。(4) 調試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法。6. 總結(1) 闡述設計中遇到的問題、原因分析及解決方法。(2) 總結設計電路和方案的優(yōu)缺點。(3) 指出課題的核心及實用價值，提出改進意見和展望。(4) 實驗的收獲和體會。7. 列出系統(tǒng)需要的元器件清單。8. 參考文獻。六、考核要求1.

14、 考察內容：(1) 電路圖與原理分析。(2) 電路仿真運行結果。(3) 硬件電路功能與指標，測試數據與誤差分析。(4) 實驗報告。2. 實驗結束需要提交的材料：(1) 仿真電路圖(2) 硬件實物(3) 實驗報告七、注意事項：1. 要注意運放器件的管腳順序和電解電容的極性。2. 使用運算放大器時要注意不能超過各項參數的極限值，如最大電源電壓、最大輸入電壓、最大輸出電流等。電源電壓應預先調到所需的電壓值后再接入到實驗電路中，同時請注意正負電源的接法。3. 部分實驗需要輸入可調的直流電壓，這可通過由電位器串接電阻組成分壓電路來實現(xiàn)，串接固定電阻的目的是限流，避免燒壞器件和電源。4. 儀器和電路的接地

15、：在電路的調試過程中，如果儀器的接地端連接不正確，或者接觸不良，會直接影響測量精度，甚至影響到測量結果的正確與否。在實驗中直流穩(wěn)壓電源的“地”、示波器的“地”、函數信號發(fā)生器、交流毫伏表的“地”都必須和電路的“地”連接在一起，否則會導致信號不正確。5. 運算放大器電路的調試方法(1) 在調試uA741應用電路時，一般采用以下步驟(2) 檢查集成電路插接方向是否正確；(3) 測量7腳的電壓是否為正電源電壓值，4腳的電壓是否為負電源電壓值；(4) 根據電路特性，測量2腳和3腳電壓值是否符合理論值。以反相放大器為例，電路中2腳=3腳=0V。如果3腳電壓不等于0V，一般是同相端外接電路開路，如果2腳和3腳不等，則有可能是反饋電阻沒有接好或運算放大器損壞；(5) 用萬用表測量運放的好壞。主要測正負電源端與其它各引腳之間是否短路，若無短路則正確；電路中主要晶體管的PN結電阻值是否正確，應該正向電阻小，反向電阻大。測試時注意，不用小電阻檔（如“×1”檔），以免測試電流過大；也不要用大電阻檔（如“×10K”檔），以免電壓過高損壞運放。對于完好的uA741，測試結果應該如表1.1所示，如果測得阻值與表中值相差太多，說明運放的差動輸入級或者推挽輸出管有損壞。表1.1 用萬用表測量uA741管腳間的阻值范圍表筆阻值表筆阻值