模塊三集成運算放大器應(yīng)用電路的安裝與調(diào)試

1、 集成運算放大器是一種具有高電壓放集成運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。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。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、在線性應(yīng)用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)等模擬運算電路。減法、積分、微分、對數(shù)等模擬運算電路。集成運算放大器在非線性應(yīng)用方面的信號集成運算放大器在非線性應(yīng)用方面的信號處理電路有單值比較器、滯回電壓比較器處理電路有單值比較器、滯回電壓比較

2、器和窗口比較器等。和窗口比較器等。 集成運算放大器還能構(gòu)成各種波形發(fā)集成運算放大器還能構(gòu)成各種波形發(fā)生器，如可以構(gòu)成正弦波、方波和三角波生器，如可以構(gòu)成正弦波、方波和三角波發(fā)生電路等多種結(jié)構(gòu)形式，集成放大器構(gòu)發(fā)生電路等多種結(jié)構(gòu)形式，集成放大器構(gòu)成的波形發(fā)生電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、使成的波形發(fā)生電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點。用方便的特點。課題一課題一 集成運算放大器的線性應(yīng)用集成運算放大器的線性應(yīng)用1反相比例運算電路反相比例運算電路 反相比例運算電路如圖反相比例運算電路如圖2.3.1所示。所示。對于理想運放，該電路的輸出電壓與輸對于理想運放，該電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為入電壓之間

3、的關(guān)系為ifouRRu1圖圖2.3.1 2.3.1 反相比例運算電路反相比例運算電路 2反相加法電路反相加法電路 反相加法電路如圖反相加法電路如圖2.3.2所示，輸出所示，輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為)(22110RuRuRuiif圖圖2.3.2 2.3.2 反相加法電路反相加法電路3同相比例運算電路同相比例運算電路 圖圖2.3.3（a）所示為同相比例運算）所示為同相比例運算電路，它的輸出電壓與輸入電壓之間的電路，它的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為關(guān)系為ifouRRu)1 (1圖圖2.3.3 2.3.3 同相比例運算電路同相比例運算電路4差動放大電路（減法器）差動放

4、大電路（減法器） 對于如圖對于如圖2.3.4所示的減法運算電路，所示的減法運算電路，當(dāng)當(dāng)Rl = R2，R3 = Rf時，有如下關(guān)系式時，有如下關(guān)系式)(211iifouuRRu圖圖2.3.4 2.3.4 減法運算電路減法運算電路 5積分運算電路積分運算電路 反相積分電路如圖反相積分電路如圖2.3.5所示。在理所示。在理想化條件下，輸出電壓想化條件下，輸出電壓uo為為: 式中，式中，uc(0)為為t = 0時刻電容時刻電容C兩端的電壓值，兩端的電壓值，即初始值。即初始值。 tCioudtuRCtu0)0(1)( 圖圖2.3.5 2.3.5 積分運算電路積分運算電路u操作一操作一 安裝調(diào)試反相比

5、例運算電路安裝調(diào)試反相比例運算電路 集成運算放大器集成運算放大器 A741的引腳排列如的引腳排列如圖圖2.3.6所示。所示。（1）按圖）按圖2.3.1實驗電路配齊元器件，對器實驗電路配齊元器件，對器件進(jìn)行檢測。件進(jìn)行檢測。圖圖2.3.6 2.3.6 A A741741運算放大器運算放大器（2）按圖）按圖2.3.1連接實驗電路，實驗前要分連接實驗電路，實驗前要分清集成運放組件各管腳的位置，切忌將正、清集成運放組件各管腳的位置，切忌將正、負(fù)電源極性接反，輸出端不能短路，否則負(fù)電源極性接反，輸出端不能短路，否則將會損壞集成塊。接將會損壞集成塊。接12V直流電源，輸直流電源，輸入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和

6、消振。入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和消振。（3）在運放的反相輸入端輸入）在運放的反相輸入端輸入f = 100Hz，Ui = 0.5V的正弦交流信號，測量相應(yīng)的的正弦交流信號，測量相應(yīng)的Uo，并用示波器觀察并用示波器觀察uo和和ui的相位關(guān)系。的相位關(guān)系。u操作二操作二 安裝調(diào)試同相比例運算電路安裝調(diào)試同相比例運算電路 （1）按圖）按圖2.3.3（a）所示連接實驗電路，）所示連接實驗電路，接接12V直流電源，輸入端對地短路，進(jìn)直流電源，輸入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和消振。行調(diào)零和消振。（2）在運放的同相輸入端輸入）在運放的同相輸入端輸入f = 100Hz，Ui = 0.5V的正弦交流信號，測量相應(yīng)的的正弦

7、交流信號，測量相應(yīng)的UO，并用示波器觀察并用示波器觀察uo和和ui的相位關(guān)系。的相位關(guān)系。u操作三操作三 安裝調(diào)試反相加法運算電路安裝調(diào)試反相加法運算電路 （1）按圖）按圖2.3.2所示連接實驗電路，接所示連接實驗電路，接12V直流電源，輸入端對地短路，進(jìn)行直流電源，輸入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和消振。調(diào)零和消振。（2）輸入信號采用直流信號，圖）輸入信號采用直流信號，圖2.3.7所示所示電路為簡易直流信號源，由實驗者自己完電路為簡易直流信號源，由實驗者自己完成。實驗時要注意選擇合適的直流信號幅成。實驗時要注意選擇合適的直流信號幅度，以確保集成運算放大器工作在線性區(qū)。度，以確保集成運算放大器工作在線

8、性區(qū)。圖圖2.3.7 2.3.7 簡易可調(diào)直流信號源簡易可調(diào)直流信號源（3）用直流電壓表測量輸入電壓）用直流電壓表測量輸入電壓Ui1，Ui2及輸出電壓及輸出電壓Uo。 u操作四操作四 安裝調(diào)試減法運算電路安裝調(diào)試減法運算電路（1）按圖）按圖2.3.4連接實驗電路，接連接實驗電路，接12V直直流電源，輸入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和消流電源，輸入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和消振。振。 （2）采用直流輸入信號，信號源如圖）采用直流輸入信號，信號源如圖2.3.7所示，用直流電壓表測量輸入電壓所示，用直流電壓表測量輸入電壓Ui1、Ui2及輸出電壓及輸出電壓UO。 u操作五操作五 安裝調(diào)試積分運算電路安裝調(diào)試積分運

9、算電路 （1）實驗電路如圖）實驗電路如圖2.3.5所示，根據(jù)電路需所示，根據(jù)電路需要選擇元器件，并對器件進(jìn)行測試。要選擇元器件，并對器件進(jìn)行測試。（2）按圖連接電路，電路中）按圖連接電路，電路中K2的作用一的作用一方面為積分電容放電提供通路，同時可實方面為積分電容放電提供通路，同時可實現(xiàn)積分電容初始電壓現(xiàn)積分電容初始電壓uc(0) = 0；另一方面，；另一方面，可控制積分起始點，即在加入信號可控制積分起始點，即在加入信號ui后，后，只要只要K2一打開，電容就將被恒流充電，電一打開，電容就將被恒流充電，電路也就開始進(jìn)行積分運算。打開路也就開始進(jìn)行積分運算。打開K2，閉合，閉合K1，對輸出進(jìn)行調(diào)零

10、。，對輸出進(jìn)行調(diào)零。（3）調(diào)零完成后，打開）調(diào)零完成后，打開K1，閉合，閉合K2，使使uc(0) = 0。（4）將預(yù)先調(diào)好直流輸入電壓）將預(yù)先調(diào)好直流輸入電壓UI = 0.5V接入實驗電路，打開接入實驗電路，打開K2，用，用直流電壓表測量電壓直流電壓表測量電壓UO，每隔，每隔5s讀一讀一次次Uo，直到，直到Uo不繼續(xù)明顯增大為止。不繼續(xù)明顯增大為止。課題二課題二 集成運算放大器非線性應(yīng)用集成運算放大器非線性應(yīng)用 集成運算放大器工作在開環(huán)或正反饋集成運算放大器工作在開環(huán)或正反饋時，即為非線性工作狀態(tài)。時，即為非線性工作狀態(tài)。 在非線性工作狀態(tài)下，集成運放的同在非線性工作狀態(tài)下，集成運放的同相輸入

11、端和反相輸入端的電壓大小經(jīng)過比相輸入端和反相輸入端的電壓大小經(jīng)過比較可決定輸出電壓的高低，當(dāng)一個輸入端較可決定輸出電壓的高低，當(dāng)一個輸入端輸入?yún)⒖茧妷簳r，另一端輸入電壓輸入?yún)⒖茧妷簳r，另一端輸入電壓ui的變的變化將使輸出電壓產(chǎn)生躍變?；瘜⑹馆敵鲭妷寒a(chǎn)生躍變。 常見集成運放非線性應(yīng)用的信號處理常見集成運放非線性應(yīng)用的信號處理電路包括單值比較器、滯回電壓比較器和電路包括單值比較器、滯回電壓比較器和窗口比較器。窗口比較器。1電壓比較器電壓比較器 電壓信號幅度比較，即將一個模擬量電壓信號幅度比較，即將一個模擬量的電壓信號與一個參考電壓相比較，輸出的電壓信號與一個參考電壓相比較，輸出電壓在二者幅度相等的

12、附近將產(chǎn)生躍變，電壓在二者幅度相等的附近將產(chǎn)生躍變，圖圖2.3.8所示為最簡單的電壓比較器，所示為最簡單的電壓比較器，UR為為參考電壓加在運放的同相輸入端，輸入電參考電壓加在運放的同相輸入端，輸入電壓壓ui加在反相輸入端。加在反相輸入端。圖圖2.3.8 2.3.8 電壓比較器電壓比較器 當(dāng)當(dāng)uiUR時，運放輸出低電平，時，運放輸出低電平，Dz正正向?qū)ǎ敵鲭妷旱扔诜€(wěn)壓管的正向降向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向降UD即即UO = UD。 因此，以因此，以UR為界，當(dāng)輸入電壓為界，當(dāng)輸入電壓ui變化變化時，輸出端反映出兩種狀態(tài)：高電位和低時，輸出端反映出兩種狀態(tài)：高電位和低電位。電位。 表示輸出

13、電壓與輸入電壓之間關(guān)系的表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線稱為傳輸特性。特性曲線稱為傳輸特性。 圖圖2.3.8（b）即為圖）即為圖2.3.8（a）比較器）比較器的傳輸特性。的傳輸特性。2幅度比較器幅度比較器 常用的幅度比較器有過零比較器、具常用的幅度比較器有過零比較器、具有滯回特性的過零比較器（又稱有滯回特性的過零比較器（又稱Schmitt觸觸發(fā)器）、雙限比較器（又稱窗口比較器）發(fā)器）、雙限比較器（又稱窗口比較器）等。等。（1）過零比較器。圖）過零比較器。圖2.3.9所示為過零比較所示為過零比較器，其在實際工作時，如果器，其在實際工作時，如果ui恰好在過零恰好在過零值附近，則由于零點漂移

14、的存在，值附近，則由于零點漂移的存在，uo將不將不斷由一個極限值轉(zhuǎn)換到另一個極限值，這斷由一個極限值轉(zhuǎn)換到另一個極限值，這在控制系統(tǒng)中對執(zhí)行機構(gòu)將是很不利的，在控制系統(tǒng)中對執(zhí)行機構(gòu)將是很不利的，為此，就需要輸出特性具有滯回現(xiàn)象。為此，就需要輸出特性具有滯回現(xiàn)象。圖圖2.3.9 2.3.9 過零比較器過零比較器 （2）具有滯回特性的過零比較器。圖）具有滯回特性的過零比較器。圖2.3.10（a）所示為具有滯回特性的過零）所示為具有滯回特性的過零比較器。如圖所示，從輸出端引一個電比較器。如圖所示，從輸出端引一個電阻分壓支路到同相輸入端，若阻分壓支路到同相輸入端，若uo改變狀改變狀態(tài)，態(tài)，點的電位也隨

15、著改變，使過零點離點的電位也隨著改變，使過零點離開原來位置。當(dāng)開原來位置。當(dāng)uo為正（記作為正（記作U+），）， 。URRRUf22圖圖2.3.10 2.3.10 具有滯回特性的過零比較器具有滯回特性的過零比較器 當(dāng)當(dāng)uiU時，時，uo由正變負(fù)（記作由正變負(fù)（記作U），），此時此時U變?yōu)樽優(yōu)閁。故只有當(dāng)。故只有當(dāng)ui下降到下降到U以下，以下，才能使才能使uo再度回升到再度回升到U+，于是出現(xiàn)圖，于是出現(xiàn)圖2.3.10（b）中所示的滯回特性。）中所示的滯回特性。U與與U的差別的差別稱為回差。改變稱為回差。改變R2的數(shù)值可以改變回差的大的數(shù)值可以改變回差的大小。小。u操作一操作一 安裝測試過零電壓

16、比較器安裝測試過零電壓比較器 （1）過零電壓比較器的實驗電路如圖）過零電壓比較器的實驗電路如圖2.3.11所示，按照該圖上的要求選擇元器件，所示，按照該圖上的要求選擇元器件，并進(jìn)行測量。并進(jìn)行測量。（2）按照電路接線，接通）按照電路接線，接通12V電源。電源。圖圖2.3.11 2.3.11 過零電壓比較器過零電壓比較器（3）將集成運放的輸入端懸空，測量）將集成運放的輸入端懸空，測量ui懸懸空時的空時的uo電壓。電壓。（4）從）從ui輸入輸入f = 500Hz，幅值為，幅值為2V的正弦的正弦信號，用示波器觀察信號，用示波器觀察ui、uO的波形并記錄。的波形并記錄。（5）改變）改變ui幅值，用示波

17、器觀察幅值，用示波器觀察ui、uO的的波形并記錄，畫出傳輸特性曲線。波形并記錄，畫出傳輸特性曲線。u操作二操作二 安裝測試反相滯回比較器安裝測試反相滯回比較器 （1）反相滯回比較器的實驗電路如圖）反相滯回比較器的實驗電路如圖2.3.12所示，按照電路圖選擇元器件，并進(jìn)所示，按照電路圖選擇元器件，并進(jìn)行測量。行測量。 圖圖2.3.12 2.3.12 反相滯回比較器反相滯回比較器 （2）按圖）按圖2.3.12接線，接線，ui接接+5V可調(diào)直流電可調(diào)直流電源，測出源，測出UO由由+Uomax Uomax時時ui的臨界值。的臨界值。（3）操作步驟同上，測出）操作步驟同上，測出uo由由 Uomax+Uo

18、max時時ui的臨界值。的臨界值。（4）根據(jù)測量數(shù)據(jù)畫出傳輸特性曲線。）根據(jù)測量數(shù)據(jù)畫出傳輸特性曲線。u操作三操作三 安裝測試同相滯回比較器安裝測試同相滯回比較器 實驗線路如圖實驗線路如圖2.3.13所示。所示。（1）參照操作二的步驟（）參照操作二的步驟（1）（）（4）的內(nèi)）的內(nèi)容，自擬實驗步驟及方法。容，自擬實驗步驟及方法。 圖圖2.3.13 2.3.13 同相滯回比較器同相滯回比較器 課題三課題三 集成運算放大構(gòu)成的波形發(fā)生器集成運算放大構(gòu)成的波形發(fā)生器 正弦波、方波和三角波發(fā)生電路有多正弦波、方波和三角波發(fā)生電路有多種結(jié)構(gòu)形式，它們的基本結(jié)構(gòu)部分都是由種結(jié)構(gòu)形式，它們的基本結(jié)構(gòu)部分都是由

19、放大電路構(gòu)成，放大電路的結(jié)構(gòu)也有多種放大電路構(gòu)成，放大電路的結(jié)構(gòu)也有多種形式，如晶體管、場效應(yīng)管放大電路，也形式，如晶體管、場效應(yīng)管放大電路，也可由集成放大器構(gòu)成放大電路?？捎杉煞糯笃鳂?gòu)成放大電路。 集成放大器構(gòu)成的波形發(fā)生電路，具集成放大器構(gòu)成的波形發(fā)生電路，具有電路結(jié)構(gòu)簡單。使用方便的特點。有電路結(jié)構(gòu)簡單。使用方便的特點。1RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器） 圖圖2.3.15所示為由集成運算放大器構(gòu)成所示為由集成運算放大器構(gòu)成的的RC橋式正弦波振蕩器，其中橋式正弦波振蕩器，其中RC串、并串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，

20、同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，絡(luò)，R1、R2、RP及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。圖圖2.3.15 RC2.3.15 RC橋式正弦波振蕩器橋式正弦波振蕩器 調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器RP可以改變負(fù)反饋深度，可以改變負(fù)反饋深度，以滿足振幅條件和改善波形。以滿足振幅條件和改善波形。 利用兩個反向并聯(lián)二極管利用兩個反向并聯(lián)二極管VD1、VD2正正向電阻的非線性來實現(xiàn)穩(wěn)幅。向電阻的非線性來實現(xiàn)穩(wěn)幅。VD1、VD2采采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配才能保證輸出波形正、負(fù)半周對稱。配才能保證輸出波形正、負(fù)半周對稱。 R3的接入可削弱二極管非

21、線性的影的接入可削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。響，以改善波形失真。 電路的振蕩頻率：電路的振蕩頻率：RCf210 起振的幅值條件：起振的幅值條件： 式中，式中，Rf = RP + R2 + (R3rD)， rD為二極管正向?qū)娮?。為二極管正向?qū)娮琛?1RRf2方波發(fā)生器方波發(fā)生器 由集成運放構(gòu)成的方波發(fā)生器和三角由集成運放構(gòu)成的方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，一般包括比較器和波發(fā)生器，一般包括比較器和RC積分器積分器兩大部分。兩大部分。 圖圖2.3.16所示為由滯回比較器及簡所示為由滯回比較器及簡單單RC積分電路組成的方波積分電路組成的方波三角波發(fā)生三角波發(fā)生器，它的特點是線路簡單，

22、但三角波的器，它的特點是線路簡單，但三角波的線性度較差，主要應(yīng)用于產(chǎn)生方波或?qū)€性度較差，主要應(yīng)用于產(chǎn)生方波或?qū)θ遣ㄒ蟛桓叩膱龊?。三角波要求不高的場合?該電路的振蕩頻率為該電路的振蕩頻率為 )21 (21120RRlCRfnff 圖圖2.3.16 2.3.16 方波發(fā)生器方波發(fā)生器 式中，式中，R1 = R1+RP，R2 = R2 +RP 。 方波的輸出幅值：方波的輸出幅值： ZomURRRU212u操作一操作一 安裝測試安裝測試RC橋式正弦波振橋式正弦波振蕩器蕩器（1）按圖）按圖2.3.15電路要求選擇元器件，電路要求選擇元器件，連接實驗電路，電路的輸出端接示波連接實驗電路，電路的輸出

23、端接示波器。為了保證輸出波形正、負(fù)半周對器。為了保證輸出波形正、負(fù)半周對稱性，用晶體管圖示儀對稱性，用晶體管圖示儀對VD1、VD2二二極管進(jìn)行配對測試。極管進(jìn)行配對測試。（2）接通）接通12V電源，調(diào)節(jié)電位器電源，調(diào)節(jié)電位器RW，使輸出波形從無到有，從正弦波，使輸出波形從無到有，從正弦波到出現(xiàn)失真。描繪到出現(xiàn)失真。描繪uO的波形，測量并的波形，測量并記下臨界起振、正弦波輸出及失真等記下臨界起振、正弦波輸出及失真等情況下的情況下的RW值，分析負(fù)反饋強弱對起值，分析負(fù)反饋強弱對起振條件及輸出波形的影響。振條件及輸出波形的影響。（3）調(diào)節(jié)電位器）調(diào)節(jié)電位器RP，使輸出電壓，使輸出電壓uO幅值幅值最大且不失真，用交流毫伏表分別測量輸最大且不失真，用交流毫伏表分別測量輸出電壓出電壓UO，負(fù)反饋電壓，負(fù)反饋電壓U和和U，分析，分析研究振蕩的幅值條件。研究振蕩的幅值條件。 實驗中調(diào)節(jié)實驗中調(diào)節(jié)RW （調(diào)整反饋電阻（調(diào)整反饋電阻Rf）使）使電路起振如不能起振，則說明負(fù)反饋太強，電路起振如不能起振，則說明負(fù)反饋太強，應(yīng)該適當(dāng)加大應(yīng)該適當(dāng)加大Rf；如果波形失真嚴(yán)重，則；如果波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)該適當(dāng)減小應(yīng)該適當(dāng)減小Rf。（4）用示波器或頻率計測量振蕩頻率）用示波器或頻率計測量振蕩頻率f