集成运算放大器的应用实验报告

集成运算放大器实验报告 集成运算放大器是一种高性能多级直接耦合具有两个输入端、一个输出端的电压放大电路。具有高增益、高输入阻抗低输出阻抗的特点。通常，线性应用电路需要引入负反馈网络，构成各种不同功能的实际应用电路。 (a)高增益运算放大器 （b） LM324四运算放大器图2.4.2 典型的集成运放外引脚排列1. 比例、加减、微分、积分运算电路设计与实验1.1原理图 (a) 反相比例运算电路 (b) 同相比例运算电路图1.1 典型的比例运算电路 (a) 反相求和运算电路 (b) 同相求和运算电路图1.2 典型的求和运算电路 (a) 单运放减法运算电路 (b) 双运放减法运算电路图1.3 典型的减法运算电路 图1.4 积分电路 图1.5 微分电路 图 1.6 实际微分电路（PID）2.方波、三角波发生器2.1原理图图2.1 方波、三角波发生器2.2理论分析(参照实验教材分析工作原理和周期、频率、幅度近似计算出以上结果)2.2.1频率分析2.2.2幅度分析2.2.3幅度调整图2.2 方波幅度通过R4、R5比例调整2.2.4减法器图2.3 减法器（交流正弦信号来自示波器）图2.4 积分器（方波信号可以来自示波器）图2.5 微分器（方波信号可以来自示波器）2.4.1 比例、加减运算电路设计与实验由运放构成的比例、求和电路，实际是利用运放在线性应用时具有“虚短”、“虚断”的特点，通过调节电路的负反馈深度，实现特定的电路功能。一、实验目的1掌握常用集成运放组成的比例放大电路的基本设计方法； 2掌握各种求和电路的设计方法；3熟悉比例放大电路、求和电路的调试及测量方法。二、实验仪器及备用元器件（1）实验仪器序号名称型号备注1函数信号发生器2数字示波器3数字万用表4交流毫伏表（2）实验备用器件序号名称说明备注1模拟集成运放块LM3242电阻见附件三、电路原理 集成运算放大器，配备很小的几个外接电阻，可以构成各种比例运算电路和求和电路。图2.4.3（a）示出了典型的反相比例运算电路。依据负反馈理论和理想运放的“虚短”、“虚断”的概念，不难求出输出输入电压之间的关系为 2.4.1式中的“-”号说明电路具有倒相的功能，即输出输入的相位相反。当时，电路成为反相器。合理选择的比值，可以获得不同比例的放大功能。反相比例运算电路的共模输入电压很小，带负载能力很强，不足之处是它的输入电阻为，其值不够高。为了保证电路的运算精度，除了设计时要选择高精度运放外，还要选择稳定性好的电阻器，而且电阻的取值既不能太大、也不能太小，一般在几十千欧到几百千欧。为了使电路的结构对称，运放的反相等效输入电阻应等于同相等效输入电阻，,图2.4.3（a）中，应为，电阻称之为平衡电阻。 (a) 反相比例运算电路 (b) 同相比例运算电路图2.4.3 典型的比例运算电路图2.4.3（b）示出了典型的同相比例运算电路。其输出输入电压之间的关系为 2.4.2由该式知，当时，电路构成了同相电压跟随器。同相比例运算电路的最大特点是输入电阻很大、输出电阻很小，常被作为系统电路的缓冲级或隔离级。同样，为了保证电路的运算精度，要选择高精度运放和稳定性好的电阻器，而且电阻的取值一般在几十千欧到几百千欧。为了使电路的结构对称，同样应满足。图2.4.4（a）为典型的反相求和电路，利用叠加原理和线性运放电路“虚短”、“虚断”的概念可以求得 2.4.3当满足时，输出电压为 2.4.4实现比例求和功能。当满足时，输出电压为 2.4.5实现了两个信号的相加运算。电路同样要求。该电路的性能特点与反相运算电路相同。 (a) 反相求和运算电路 (b) 同相求和运算电路图2.4.4 典型的求和运算电路同理，对于图2.4.4（b）所示的同相求和电路，当电路满足的条件下，可以得到输出电压为 2.4.6当时 2.4.7同相求和电路的特点、设计思路与同相比例运算电路类似。图2.4.5（a）为单运放减法电路，利用叠加原理和线性运放电路“虚短”、“虚断”的概念，且时，可以求得 2.4.8 (a) 单运放减法运算电路 (b) 双运放减法运算电路图2.4.5 典型的减法运算电路当时 2.4.9实现了两个信号的减法运算。图2.4.5（b）为双运放减法电路。大家可以自行分析，电路应该满足什么条件，才能够实现的功能。四、设计任务【v1、v2参考输入信号】1、设计一个反相比例放大电路，要求放大倍数为-10倍； 反向比例放大器，令2、设计一个放大倍数为11的同相比例放大电路； 同向比例放大器，令3、设计一个反相求和电路，实现功能； 反向求和放大器，令=10=104、 设计一个求和电路，完成； 同向求和放大器，令=10=105、设计一个求和电路，要求； 差放电路，令6、设计能够实现的电路。 可以用差放电路，令输入信号为同一个信号，同时即可五、实验要求1、实验前的准备（1）电路设计（减法器）根据理论和上述任务要求，自行设计实现电路，计算出电路中各个元件的参数。（2）用Multisim仿真软件进行仿真。选择一组输入电压 选择1V 5KHz正弦交流信号 减去 峰峰值10V 1KHz的方波仿真结果如下：（3） 测试方案的设计： 1按照电路图在实验板上搭建实物电路图 2确保无误后，接通电源开始实验 3记录数据。2、实验任务（1）检查实验仪器；检测器件和导线；（2）根据自行设计的电路图选择实验器件；（3）根据自行设计的电路图插接电路；（4）根据自行设计的测试方案；选择仿真时的一组输入电压值。在输入端加输入信号，测量输入、输出信号的幅值并记录，并与仿真结果、估算结果比较； 实验结果如下：3、实验后的总结（1）根据设计技术指标及实验记录总结实验体会。 实验时，一定要确保运放两端的直流电源连接正确（2） 分析误差产生的原因。 误差主要产生在电阻和电容的精确度上六、思考题1、反相求和电路与反相比例放大电路在电路结构和函数运算式上有何异同之处？ 可以说没什么区别，反向比例放大器可以看做是反向求和电路输入端合并为一个后的等效2、 同相求和电路和同相比例放大电路在电路结构和比例系数上有何异同？ 两者基本相同，主要区别在输入端的个数上3、 估算值、仿真值、测量值三者相同吗？若不相同分析产生误差的原因。 三种相差不是太大。误差主要产生在电阻 电容精确度上。2.4.2 积分、微分电路的设计与实验 一、实验目的1. 了解由集成运放组成的积分运算、微分运算电路的基本运算关系； 2. 掌握积分运算、微分运算电路的设计方法；3. 熟悉积分运算、微分运算电路的调试及测量方法。 二、实验仪器及备用元器件（1）实验仪器序号名称型号备注1函数信号发生器2数字示波器3数字万用表4交流毫伏表（2）实验备用器件序号名称说明备注1模拟集成运放块LM3242电阻见附件3电容见附件三、电路原理 积分运算的典型形式为 2.4.10利用电容两端的电压和流过电容的电流关系，可以得到如图2.4.6（a）所示积分电路。图中 2.4.11式中为时电容上的初始电压。根据式（2.4.11）知，当为不同形式的信号时，就会得到不同形式的输出电压。如：当输入信号，即为直流恒压的情况下，输出电压为 2.4.12工作波形如图（b）所示。 （a） （b） （c）图2.4.6 积分运算电路及其工作波形当输入信号是幅度为的方波时，则在运放为非饱和的情况下，输出电压将变为三角波，见图（c）所示。大家可以自行分析输出电压的振幅值。 同理，当输入信号正弦信号时，在正弦稳态情况下，输出信号将为同频率的余弦波，即实现了超前相移90o的功能。由于微分运算与积分运算呈现对偶关系，所以将积分电路中的电阻、电容对调，既可以实现微分功能。微分电路如图2.4.7所示。输出、输入的关系为 2.4.12 图2.4.7 微分电路 图 2.4.8 实际微分电路对于微分电路，通常应该满足的条件，其中T为输入信号的周期。在实际电路中，为了解决直流漂移和高频噪声等问题，通常情况下在C支路中串接一个电阻R1，在R支路两端并接一个电容C1。如图2.4.8所示。四、设计任务1、设计能够将1kHz、峰峰值为4V正负半周对称的方波转换为三角波的积分运算电路；2、设计能够将1kHz的矩形波转换为尖峰脉冲波的电路；五、实验要求1、实验前的准备（1）电路设计根据理论和上述设计任务要求，设计实现积分，微分电路，计算出电路中各个元件的参数。（2） 用Multisim仿真软件进行仿真。 积分： 微分：2、实验任务（1）检查实验仪器；检测器件和导线；（2）根据自行设计的电路图选择实验器件；（3）根据自行设计的电路图插接电路；（4）根据自行设计的测试方案，完成实验任务实验结果如下：积分：微分：3、实验后的总结（1）根据设计技术指标及实验记录总结实验体会。 实验时，一定要确保连接正确后在接电源。（2）分析误差产生的原因。 误差主要产生在元器件的精度上六、思考题1、有源积分电路和无源积分电路的主要区别？2、积分电路可以将方波转换为三角波，那么当改变方波的频率时，三角波会发生何种变化？当改变方波的峰值时，三角波又有何种变化？3、在向积分器输入正弦波时，若逐渐增加输入信号的频率，输出信号将如何变化？4、在向微分器输入正弦波时，若逐渐增加输入信号的频率，输出信号将如何变化？2.4.3 非正弦波形发生电路的设计与实验一、实验目的1. 了解由集成运放组成波形发生器的电路结构； 2. 掌握非正弦波发生电路的基本设计、分析和调试方法；3. 进一步理解非正弦波发生器的基本性能特点；4、全面掌握波形发生电路理论设计与实验调整相结合的设计方法。二、实验仪器及备用元器件（1）实验仪器序号名称型号备注1函数信号发生器2数字示波器3数字万用表4交流毫伏表（2）实验备用器件序号名称说明备注1模拟集成运放块LM3242二极管1N41483稳压二极管6V4电位器见附件5电阻见附件6电容见附件三、电路原理非正弦波主要有方波、三角波、矩形波及锯齿波。它主要是利用积分电路可以将方波转换为三角波、电压比较器可以将三角波转换为方波这样一些功能来实现的。因此非正弦波发生器的电路主要由电压比较器、积分器以及反馈环节组成。电路框图如图4.3.1所示。1、方波发生器简单的方波发生器电路如图2.4.9所示。电路由反相滞回电压比较器和RC积分电路共同构成。利用一阶RC电路的三要素法可以求得方波的振荡周期为 图2.4.9 非正弦波发生器电路组成框图 2.4.13 图2.4.10 简单的方波发生器电路 图2.4.11 图2.4.10电路的工作波形图2.4.10电路的工作波形如图2.4.11所示。2、占空比可调的矩形波发生器在方波发生器的负反馈R支路中串接一个由二极管D3、D4和电位器RW构成的电路，可以构成占空比可调的矩形波发生器，电路如图2.4.12所示。它是利用电位器的滑动端和二极管的单向导电性，改变电容的充、放电时间常数，可以改变占空比，从而得到占空比可调的矩形波。可以证明矩形波的高电平持续时间为图2.4.12 占空比可调的矩形波发生器 2.4.14矩形波的低电平持续时间为 2.4.15其中 矩形波的周期为 2.4.16占空比 2.4.173、方波、三角波发生器常见的三角波、方波发生器的原理电路如图2.4.13所示。运放A2、RC构成反相积分器，将滞回电压比较器A1输出的方波转换成三角波。三角波的峰值电压就是比较器的门限电压。若稳压二极管的稳定电压值为，且其正向导通压降为，则当A1的输出为高电平时，电容C将被充电，输出电压下降。此时A1同相输入端的电压为 2.4.18当输出电压下降到使A1的同相端电压，即 时，A1的输出反转为低电平，电容C将被反向充电，输出电压增大，A1同相输入端的电压为 2.4.19当输出电压增大到使，即时，A1的输出再次反转为高电平。以上过程周而复始，得到方波和三角波，见图2.4.14所示。 图2.4.13 三角波、方波发生器的原理电路 图2.4.14 图4.3.5的工作波形分别令式（2.4.18）、（2.4.19）为零可以求得翻转电平(输出三角波电压的幅值)为 2.4.20据此可以推得方波、三角波的周期T为 2.4.214、锯齿波发生器与占空比可调的矩形波相似，利用二极管的单向导电性改变积分电容的充放电时间常数，就可以得到锯齿波发生器。如图2.4.15所示。图2.4.15 锯齿波发生器可以证明，锯齿波的上升时间为 2.4.22下降时间为 2.4.23波形周期为 2.4.24四、设计任务1、设计一个用集成运放构成的方波发生器，并满足一下设计要求：输出电压幅值为6V，频率为500Hz1kHz范围内可调；2、设计一个用集成运放构成的占空比可调的矩形波发生器，并满足以下设计要求： 振荡频率从范围500Hz1kHz范围内可调； 输出电压幅值为6V；占空比D在(4080)之间可调；3、设计一个用集成运放构成的方波、三角波发生器，并满足一下设计要求 振荡频率从范围500Hz1kHz范围内可调； 输出电压幅值为6V；4、设计一个用集成运放构成的锯齿波发生器，并满足一下设计要求振荡频率从范围500Hz1kHz范围内可调； 占空比D在(4080)之间可调；输出锯齿波电压的幅值调节范围24V；五、实验要求1、实验前的准备（1）电路设计根据理论和上述设计任务要求，自行设计实现电路。（2） 用Multi