学习情景3.函数信号发生器的制作与测试

学习情景3

函数信号发生器的制作与测试学习情景3

函数信号发生器的制作与测试【学习目标】技能目标:①掌握方波、三角波发生器的制作与测试方法；②掌握正弦波振荡器的制作与测试方法；③掌握函数信号发生器的制作与调试方法。知识目标:①了解集成运放的结构特点、电路组成、主要性能指标、种类等；②了解正弦波振荡器、方波、三角波发生器电路的组成及工作原理；③掌握函数信号发生器的电路制作与调试任务3.1集成运算放大器的应用【任务描述】

集成电路是将二极管、三极管、电阻、电容等元器件以及它们之间的连线同时制造在一小块半导体基片上，构成具有特定功能的电子电路。具有体积小、功耗低、性能好等优点。是发展最快、用途最广的集成电路。它可以通过外接反馈元件后组成各种函数运算电路，还可以组成各种放大器、比较器、波形发生器等。掌握集成运算放大电路的组成和分析方法、性能指标、参数、特点及主要应用是电子工程技术人员的主要技能。【任务分析】掌握集成运放的的基本结构和主要参数；掌握集成运放在信号运算、信号处理、信号放大及波形产生方面的应用；学会对集成运放的指标进行测试；学会对集成运算进行模拟运算；会用集成运放构成方波、三角波发生器；学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。

【知识准备】1.集成运算放大器的组成集成运算放大器简称集成运放，是应用最广泛的集成放大器。集成运放具有可靠性高、使用方便、放大性能好等特点。目前广泛应用于自动控制、精密测量、通信、信号处理及电源等电子技术应用的各个领域。集成运放是一种高低压放大倍数（通常大于104）的多级直接耦合放大器，内部电路通常由输入极、中间极、输出极和偏置电路4个部分组成，如图3-1（a）所示。输入极是提高集成运放质量的关键部分，通常由具有恒流源的双段输入、单段输出的差动放大电路构成，其目的是为了减少放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。中间极主要用于电压放大，为获得较高的电压放大倍数，中间极通常由带有源负载（即以恒流源代替集电极负载电阻）的共发射极放大电路构成。输出极通常由互补对称射极输出电路，其目的是为了减小损坏。偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。集成运放的电路符号如图3-1（b）所示。它有两个输入端，标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“—”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。图3-1集成运算放大器的组成框图和电路符号组成框图电路符号

2．集成运放的主要参数及种类集成运放的性能可以用各种参数反映，主要参数如下：

①差模开环电压放大倍数Ado.开环电压放大倍数是指运算放大器在没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数。Ado越大，运算精度越高。Ado一般为104～107.

②

共模开环电压放大倍数ACO是指集成运放本身的共模开环电压放大倍数，它反映集成运放的抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放ACO应接近于零。

③最大输出电压UOPP

最大输出电压是运算放大器在不失真情况下输出的最大电压。④输入失调电压UiO

输入失调电压是指输入电压为零时，在输入极所加的补偿电压值。它反映动放大部分参数的不对称程度，显然越小越好。一般为（1～10）mv。

⑤输入失调电流Iio

输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差，一般为（1nA～0.1μA)。

⑥输入偏置电流IIB

输入偏置电流是指输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流平均值，一般为（10nA～1μA)。

⑦最大差模输入电压Uidmax

差模输入电压超过这个电压值，将造成运算放大器内部部分三极管损坏。

⑧最大共模输入电压Uicmax

共模输入电压超过这个电压值,其共模抑制能力将明显下降，甚至造成运算放大器的损坏。

⑨差模输入电阻rid和输出电阻ro

差模输入电阻反映运算放大器输入端向信号源取用电流的大小，其值越大越好。输出电阻反映运算放大器带负载的能力，其值越小越好。

⑩共模抑制比KCMRR

用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB.

此外，还有带宽、转换速率、功耗等。3.理想集成运算放大器在分析计算集成运算放大器的应用电路时，为了简化分析过程，通常可将运放看作一个理想运算放大器，即将运放的各项参数都理想化，认为其开环电压放大倍数为无穷大，输入电阻为无限高，输出电阻为零，共模抑制比为无穷大等。由于集成运放的实际参数与理想运放十分接近，在分析计算时用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的，但这样的处理使计算过程大为简化。理想运放的电路符号如图3-2(a)所示，图中∞表示开环电压放大倍数为无穷大的理想化条件。图3-2（b）所示为集成运放的电压传输特性，它描述了输出电压与输入电压之间的关系。该传输特性分为线性区和非线性区（饱和区）。当运放工作在线性区时，输出电压u0和输入电压ui=（u+﹣u-）是一种线性关系，即：

u0=Adoui=Ado(u+﹣u-)图3-2理想运放的电路符号和电压传输特性

电路符号电压传输特性这时集成运放是一个线性放大元件。但由于集成运放的开环电压放大倍数极高，只有输入电压ui

=u+﹣u-极小（近似为零）时，输出电压u0和输入电压ui之间才具有线性关系。当输入电压稍大一点时，运放便进入非线性区。运放工作在非线性区时，输出电压为正或负饱和电压（±UOM）,与输入电压ui=u+﹣u-的大小无关。即可近似认为：

当ui＞0,即u+

＞u-时，uo=+UOM

当ui＜0,即u+

＜u-时，uo=+UOM

为了使运放能在线性区稳定工作，通常把外部元器件如电阻、电容等跨接在运放的输出端与输入端之间构成闭环工作状态，引入深度电压负反馈，以限制其电压放大倍数。工作在线性区的理想运放，利用上述理想参数可以得出两条重要结论：①因rid=∞,故有i+=i_=0,即理想运放两个输入端的输入电流为零。由于两个输入端并非开路而电流为零，故称为“虚断”。②Ado=∞,故有u+=u-，即理想运放两个输入端的点位相等。由于两个输入端点位相等，但又不是短路，故称为“虚短”。如果信号从反相输入端输入，而同相输入端接地，即u+=0,这时必有u-=0,即反相输入端的电位为“地”，通常称为“虚地”。上述两条重要结论是分析理想运放线性运用时的基本依据。

4.模拟运算电路

集成运算放大器引入适当的负反馈，可以使输入和输出之间具有某种特点的函数关系，即实现特定的模拟运算，如比例、加法、减法、积分、微分等。

(1)比例运算电路

①反相输入比例运算电路

反相输入比例运算电路如图3-3所示，输入信号ui经电阻Ri从反相输入端输入，同相输入端经电阻RP接地，反馈电阻RF跨接在反相输入端与输出端之间。根据工作在线性区的两条分析依据可知：

i1=iF,u+=u-=0

由图3-3可得：

i1=

iF=

u0=-式中的负号表示输出电压与输入电压的相位相反。上式表明输出电压与输入电压时一种比例运算关系，比例系数只取决于RF与R1的比值，而与集成运放本身的参数无关。只要RF与R1的精度和稳定性很高，电路的运算精度和稳定性就很高。闭环电压放大倍数为：

Auf=

当RF=R1时，u0=-ui,即Auf=-1,该电路就成了反相器。②同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路如图3-4所示，输入信号ui经电阻RP从同相输入端输入，反相输入端经电阻R1接地，反馈电阻RF跨接在反相输入端与输出端之间。根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：

i1=iF,u-=u+=ui图3-3反相输入比例运算电路图3-4同相输入比例运算电路由图3-4可得：

i1=

iF=由此可得：

u0=〔1+〕ui

输出电压与输入电压的相位相同。上式表明输出电压与输入电压也是一种比例运算关系，比例系数也只取决于RF与R1的比值，而与集成运放本身的参数无关。同反相输入比例运算电路一样，为了提高差动电路的对称性。平衡电阻Rp=R1∥RF。

输出电压与输入电压的相位相同。上式表明输出电压与输入电压也是一种比例运算关系，比例系数也只取决于RF与R1的比值，而与集成运放本身的参数无关。同反相输入比例运算电路一样，为了提高差动电路的对称性。平衡电阻Rp=R1∥RF。闭环电压放大倍数为：Auf=

同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于1，当RF=0或R1=∞时，u0=ui，即Auf=1时，这时输出电压跟随输入电压作相同的变化称为电压跟随器。例3-1在图3-3中，R1=1K,RF=10K,运放组件的最大输出电压为10V。（1）当Ui=0.8V时，求U0和Auf；（2）当Ui=1.2V时，求U-。

解：（1）当Ui=0.8V时，则

Auf=（2）当Ui=1.2V时，若Auf仍为-10V,则U0=-12V,但已知运放组件的最大输出电压为10V，故此时不可能输出-12V的电压，而只能输出-10V的电压。因此，运放已不能工作在线性区，故“虚短”的概念不能应用，即U+U-。通常运放组件的差模输入电阻Rid非常大，故仍可认为i-=i+=0。于是

U-=0.182V

(2)

加法和减法运算电路①加法运算电路图3-5所示为反相输入加法运算电路。格局运放工作在线性区的两条分析依据可知：

iF=i1+i2

i1=,i2=,iF=-

由此可得：u0=-()

若R1=R2=RF,则：

u0=-(ui1+ui2)

可见，输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。这一运算关系可推广到有更多个信号输入的情况。平衡电阻Rp=R1∥R2∥RF②减法运算电路减法运算电路如图3-6所示，由叠加定理可以得到输出与输入关系。

图3-5加法运算电路图3-6减法运算电路ui1单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为：

=-ui2单独作用时同相输入比例运算，其输出电压为：

ui1和ui2共同作用时，输出电压为：

u0==-若R3=∞(断开)，则：

u0=-若R1=R2,且R3=RF,则：

u0=若R1=R2=R3=RF，则

u0=ui2-ui1由此可见，输出电压与两个输入电压之差成之比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。

(3)积分运算电路和微分运算电路①积分运算电路将反相输入比例运算电路的反馈电阻RF用电容C替换，则称为积分运算电路，如图3-7，由于反相输入端虚地，且i+=i-,由图可得：

iR=iCiR=

iC=C

由此可得：

u0=-输出电压u0与输入电压ui对时间的积分成正比。负号表示u0与ui的极性相反。RC为积分时间常数。若ui为恒定电压U,则输出电压u0为：

u0=-

输出电压u0与时间t成正比，设t=0时的输出电压为零，则波形图如图3-8所示。图3-7积分运算电路图3-8ui恒定电压时积分电路u0的波形

②微分运算电路微分运算电路是积分运算电路的逆运算，只要将积分运算电路的R、C位置对调即为微分运算电路，如图3-9所示，由于运放的反相输入端虚地，且i+=i-，由图可得：

iR=ic

iR=-，iC=C由此可得：

u0=-RC

即输出电压u0与输入电压ui对时间的微分成正比。若ui为恒定电压U，则在ui作用与电路的瞬间，微分电路输出一个尖脉冲电压，波形如图3-10所示。

图3-9微分运算电路图3-10ui恒定电压时微分电路u0

5.信号处理电路本小结主要讨论集成运放在信号处理方面的应用。重点讨论用集成运放构成的电压比较器，电压比较器可以完成模拟信号之间的电压比较。

(1)电压比较器电压比较器是一种模拟信号的处理电路，它的基本功能是比较两个或多个模拟输入量的大小，并由输出的高、低电平来表示比较结果。在多数情况下，比较器有两个输入端和一个输出端，其中的一个输入端通常接固定不变的电压，称为参考电压，用UR表示，而另一个输入端接变化的信号电压。比较器的输出端只有两种可能的状态：高电平或低电平。通常工作在非线性区，往往处于开环工作状态。有些比较器电路中引入了正反馈。电压比较器的主要用途是进行电平检测，它广泛地应用于自动控制与自动检测等技术领域，以及用于实现A/D转换，组成数字仪表及组成各非正弦波信号的产生和变换电路等等。从比较器的功能来划分，常用的比较器有：过零比较器、单限比较器、迟滞比较器和双限比较器等。

(2)比较器的特点与分析方法在电压比较器中，集成运放一般处于开环或正反馈方式，运放工作在非线性区。由于集成运放的开环放大倍数很高，所以运放两个输入端的电压略有差异，输出电压不是最高值就是最低值。在分析电压比较器，应注意：①由于集成运放开环或正反馈方式，因此运放的同相输入端与反相输入端不再是“虚短路”，输出电压也不随输入电压连续变化。②由于运放工作在非线性区，所以集成电路内部的管子大多工作于截止区或饱和区。运放的输出也只有两种输出状态，即输出高电平与输出低电平。

3.过零比较器图3-11（a）、（b）所示均为过零比较器。从图中可以看出运放工作开环状态，其开环电压放大倍数接近∞。输入信号ui加在运放的同相端（或反相端），其反相端（或同相端）接地，即参考电压UR=0。电路的输入输出特性如图3-11（c）、（d）所示。（a）同相输入过零比较器；（b）反相输入过零比较器（c）图是（a）图的传输特性；（d）图是（b）的传输特性图3-11过零比较器

在图3-11（a）中，当输入信号电压ui<0时，差动输入电压uid=uP-uN<0,由于运放开环放大倍数接近∞，所以运放处于负饱和状态，则u0=UOL；当ui＞0时，uid＞0,运放处于正饱和状态，则u0=UOH。同理可以分析图3-11（b）所示电路。以上分析可知，当输入信号ui每次过零时，输出电压就要发生变化，从一个电平翻转到另一个电平。通常我们把比较器的输出电压从一个电平值翻转到另一个电平值的输入电压称为阈值电压或门限电压，用符号UTH表示。对于过零比较器来说，其UTH=0。

例3-1-1已知电路如图3-12（a）所示，输入信号ui为如图3-12（b）所示的正弦波，试画出输出电压u0的波形。画出u0的波形如图3-12（a）所示，Uo的波形为具有正负极性且占空比相等的方波。解图3-12(a)所示电路为同相输入过零电压比较器。在输入正弦波的正半周时，ui＞0，则Up＞Un，uid＞0，运放输出最大电压值，即高电平；在ui负半轴时，ui<0，uid<0，运放输出最低电压值，即低电平。画出u0的波形如图3-12（a）所示，uo的波形为具有正负极性且占空比相等的方波。图3-12例3-2的图(4)单限比较器

图3-13（a）所示电路为基本单限比较器，图3-13（b）为其电压传输特性。图3-13中，输入信号ui加在运放的反相输入端，在同相端接一个参考电压UR。当输入电压ui<UR时，uN<uP，uid＞0,输出为最大电压值，若输入电压ui＞UR，uid<0时，输出为最低电压值。其门限电压UTH=UR。（a）电路；（b）传输特性图3-13单限比较器例3-3

已知一单限比较器如图3-14（a）所示。输入电压ui=10sin(V)（V），E=5V,试画出输出电压u0的波形。

解：从图3-14（a）中可以看出，单限比较器的待比较电压ui接于运的同相端，其反相输入端接直流电源E，即参考电压UR=E=5V。当ui＞5V时，uid＞0,输出高电平UOH；当ui<5V时，uid<0，输出低电平UOL。其门限电压UTH=UR=5V。画出其输入与输出对应波形如图3-14（b）、（c）所示。由图可见，其输出电压uo的波形为矩形波，而且进一步分析可知，改变门限电压UTH的值可改变矩形波的占空比图3-14例3-3题图

(5)迟滞比较器单相比较器当输入信号达到某一给定参考电压时就立即翻转，因而它具有较高的灵敏度，但是，单限比较器易受零点漂移、噪声及干扰的影响，造成错误动作。例如：当零点漂移存在时，uo将不断地从一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，对执行机构将是不利的，在实际运用中也是不允许的。为此我们在电路中引入正反馈，从而使其比较器的输出特性具有滞回特性。人们将这种比较器称为迟滞比较器。如图3-15所示，由图可见，输入电压ui从反相输入端加入运放，所以uN=ui；该电路同相端的电压up由uo和UR共同决定，根据叠加定理可得：up=

由于运放工作在非线性区，输出只有高低两种电压，即UOH和UOL。当输出电压为UOH时，同相端电压up的上限值为

UPH=（a）电路图；（b）、（c）、（d）电压传输特性电路图电压传输特性电压传输特性电压传输特性图3-15迟滞比较器要使比较器从UOH转换到UOL，反相端电压uN(即ui)必须增大到UPH才行。这时的输入-输出特性如图3-15（b）所示。同理，输出电压为UOL时，同相端电压up的下限值为

UPL=

要使比较器从UOL转换到UOH,反相端的电压uN(即ui)必须下降到UPL才行，此时输入-输出特性如图3-15（c）所示。由以上分析可得，迟滞比较器在两种输出状态之间互相翻转时有两个门限电压。合成起来的输入-输出特性如图3-15(d)所示。从图中可以看出，滞迟比较器有两个门限电压，值大的门限电压叫高门限电压，用UTH表示，UTH=UPH；值小的门限电压叫低门限电压，用UTL表示，UTL=UPL。高门限电压和低门限电压之差叫迟滞宽度或迟滞回差电压，用表示，即

=UTH-UTL

6.非正弦波信号产生电路在许多电子仪器和设备（如计算机、雷达、示波器等）中，还需要应用方波、三角波等非正弦波信号。这里仅介绍由集成运放构成的方波、三角波发生器。

1.方波发生器

①电路组成方波发生器的电路图如图3-16所示。电路由两个部分组成：由运放构成的滞迟电压比较器和由RC充放电回路构成的积分器。滞迟电压比较器使运放形成正反馈，决定了输出电压的波形为方波；RC充放电回路决定了方波的周期。输出端的稳压管VZ起限幅作用，电阻R3为VZ的限流电阻。②工作原理在方波发生器接通电源的瞬间，输出电压是正向饱和电压还是负向饱和电压，是由偶然因素决定的。设在计时起点t=0时，输出电压为正向饱和电压，由于双向稳压管的限幅，有u0=UZ,电容电压uc=-FUZ，其中，F为滞迟比较器的正反馈系数，即

F=

电路图工作波形图3-16方波发生器及其工作波形图在以上初始条件下，运放同相输入所加电压为

u+=u0=FUZ由于电容电压即是运放反相输入端电压，有uc=u-<u0=UZ，且uc不能突变，所以u0通过反馈电阻R向电容C充电，使uc按指数规律不断上升，充电时间常数充=RC,充电电流方向如图3-16（a）中i充所示。由于正反馈的作用，比较器在其输入u-=u+的条件下，输出电压u0迅速从一个饱和值翻转到另一个饱和值，所以当电容电压放电至uc=u-u+=FUZ时，比较器输出电压u0=-UZ,同相输入端电压随之变为

u+=-FUZ

由于uc＞u0=-UZ，所以电容C通过电阻R向运放输出端放电，使uc按指数电压放电至uc=u-u+=-FUZ时，输出电压再次翻转成u0=UZ，恢复到初始状态，开始下一周期的振荡。因为电容充电放电为同一通路，即

充=放=RC故输出电压u0的波形为方波。电容电压uc和输出电压u0的波形如图3-16（b）所示。③主要参数

a.

幅度由双向限幅稳压管的稳压值来确定

Uom=UZ若更换不同稳压值的稳压管，即可改变输出电压的幅值。b.

周期方波的周期可通过电容充、放电的过渡过程求得。

Uc过渡过程在T/2范围内的初始值、稳态值和时间常数为uc(0)=-FUZ,uc(∞)=UZ，=RC，所以电容电压随时间的变化规律为

uc(t)=UZ

当t=T/2时，uc(T/2)=FUZ,将此值代入上式，得uc()=UZ=FUZ对T求解，有

T=2RCln将F=代入上式，可得

T=2RCln若适当选取R1和R2的阻值，可使F=0.46,则振荡周期可简化为

T=2RC

方波发生器的振荡频率

f=1/T若要调节方波发生器的周期，根据表达式T=2RCln可得，只需改变R、C、R1和R2这四个参数中的一个或几个即可。

(2)三角波发生器①电路组成从数学分析可知，方波经过积分可得三角波。因此在积分运算电路的输入端加入方波信号，在其输出端就能获得三角波电压。如图3-17（a）所示为三角波发生电路，其中运放N1为同相输入的过零滞迟比较器，起开关器件的作用。运放N2为反相积分电路，起延迟作用。两个运放之间由电阻R1构成正反馈，形成自激振荡。②工作原理比较器N1的输出u01为方波，其幅度由稳压管的稳压值UZ来决定，即UO1m=UZ。N1的同相输入端电位u+1取决于N1和N2输出电压uo1和uo共同作用的结果。设t=0时，N1输出的初始值u01=-UZ,电容的初始电压值为uc(0)=0。积分电路N2同相输入端接地，反相输入端为“虚地”，在u01为恒定的情况下，反相积分器N2的反馈电容C被恒流充电，u0由零正向线性上升，且线性很好。当u0上升到某一定值，使N1的输入电压达到其上门限电平（即u+1=u-1=0）时，比较器N1的状态翻转成u01=UZ。此时，电容C开始向输出端恒流放电，u0负向线性下降。当u0下降到使N1的输入达到下门限电平时，比较器N2再次翻转，回到初始状态。因此在N1输出端形成方波，在N2输出端形成三角波，其波形图如图3-17（b）所示。图3-1-17三角波发生器及其波形图电路图波形图

③三角波的幅值和周期

a.

幅值利用叠加原理可求得比较器同相电压u+1为

u+1=代入u01=和u+1=u-1=0的翻转条件，即可求得比较器N1的门限电平Ur，即积分电路N2的输出电压Uom为

Uom=Uom=上式表明，当改变电阻R1或R2的数值，也就改变了电路的正反馈量的大小，从而改变了三角波的幅度。

b.

周期由图3-17（b）的波形图不难看出，输出三角波从零上升到Uom=所需时间为T/4。由反相积分器N2的输入输出关系，有

u0(t)=-在t=0时，u0(0)=0,在t=T/4时，u0()=Uom=,在t=0~T/4期间，u01=-UZ,代入上式得

u0()=-整理，得三角波的周期T为

T=4RC由三角波的对称性，有T=2T1，得

T1=2RC三角波的频率

f=

由以上分析可得出如下结论：

a.图3-17（a）所示电路可以同时输出方波和三角信号波，且波形对称;b.调节积分电阻R和电容C，可改变三角波和方波的频率（周期）;C.改变R1／R2的比例，会同时影响三角波的幅值和频率；

d.更换不同稳压值Uz的稳压管，即可同时改变方波和三角波的幅值。【任务实施】

实施地点：电子技术实验室实训所需器材：①信号源②示波器③交流毫伏表④数字直流电压表⑤集成运算放大器实验板⑥数字频率计实施内容与步骤：①学员分组：4人左右一组，指定组长，工作始终各组人员尽量固定。②教师布置工作任务，学生了解工作内容，明确工作目标，制定实施方案。1.集成运算放大器的指标测试

(1)电路原理集成运算放大器是一种线性集成电路，和其他半导体器件一样，用一些性能指标来衡量其质量的优劣。(2)测试运放组件的几种指标本测试采用的集成运算放大组件的型号为UA741（或F007）。实际测试参数电路的引脚排列如图3-1-18所示。它是八角双列直插式组件，

脚和

脚为反相和同相输入端，

脚为输出端，

脚和

脚为正、负电源端，

脚和

脚间可接入一只几十千伏的电位器并将滑动头接到负电源端。

脚为空脚。管脚要正确地插入管座，并查UA741典型指数。3.实际测试集成运算放大电路参数的电路图如图3-1-19所（1）测试输入失调电压Uio：理想运放输入信号为零时，其输出直流电压也为零。但实际上，若无外界调零的措施，由于运放内部差动输入级参数的不完全对称，输出电压往往不为零。这种零输入时输出不为零的现象称为集成运放的失调。输入失调电压Uio是指输入信号为零时，输出端出现的电压折算到同相输入端的数值。图图3-18集成运算放大电路的引脚排列图失调电压测试电路如图3-19（a）所示。去掉外接调零电位器。接通电源后用示波器观察输出电压波形有无振荡。若有则更换消振电容(可用几十到几百皮法电容由小到大调试)，直到完全消振为止。测量此时的输出电压U01,并计算输出失调电压Uio，即

Uio=将Uio的大小填入表3-1中。测量输入失调电压Uio测量输入失调电流Iio测量开环差模放大倍数Ado测量差模电压放大倍数测量共模电压放大倍数图3-19集成运算放大电路参数测试的电路图实际测出的U01可能是正，也可能是负。测试中应注意：a.

将运放零端开路；b.

要求电阻R1.R2的参数严格对称。②测试输入失调电流Iio：输入失调电流Iio是指输入信号为零时，运放的两端输入端的静态基极电流之差。测量电路如图3-19（b）所示。按图3-19（b）接线，接通电源后，观察输出电压波形有无振荡，若振荡，则消振。测量分两部进行：（放大电路中不能接入调零电位器）

a.闭合开关S及S，在低输入电阻下，测出输出电压U01(这是由输入失调电压Uio引起的输出电压,即测失调电压时的输出电压U01)。

b.断开S及S，接入两个输入电阻R,由于R阻值较大，流经它们的输入电流的差异，将变成输入电压的差异，因此，也会影响输出电压的大小，可见，测出两个电阻接入时的输出电压U02,若扣除输入失调电压Uio的影响，则输入失调电流Iio为：

Iio=

=

计算结果填入表3-1中。③测试开环差模电压放大倍数Ado

集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模放大倍数，用Ado表示。大小为：

Ado=Uid为差分输入端之间所加电压，Ui为电路输入端加入在组件说明书指定频率下的电压。测试电路如图3-19（c）所示。按图3-19（c）接线，电路输入端接地后接通电源，观察输出电压波形有无振荡，若振荡，则消振。微调调零电位器，使输出电压为零。测量出Ui和U0,并把测量结果填入表3-1中。计算出开环电压放大倍数Ado。=表3-1Uio、Iio及Ado的测量

测

量值

U01

U02

Ui

U0

计算值

Ui0Ii0

Ad0

典型值

Ui0

Ii0

Ad0

④测量共模抑制比KCMR

集成运放的差模电压放大倍数Ad0与共模电压放大倍数Ac0之比称为共模抑制比，用KCMR表示。则有

KCMR=

共模抑制比在应用中是一个很重要的参数，理想运放对输入的共模信号其输出为零，但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分，输出端共模信号越小，说明电路对称性越好，即运放对共模干扰信号的抑制能力越强，KCMR越大。测试电路如图3-19（d）、（e）所示。接通电源且输入端接地，用示波器观察输出电压波形有无振荡，若振荡，则消振。调节调零电位器，使输出电压为零。输入端加入指定频率下的电压Uicm,用毫伏表测量Uicm与U0,并计算共模抑制比。按图3-19（d）接线，先测量差模放大倍Ad0,由于R1=R3=51,R2=R4=5.1K,所以可得

Ad0-按图3-19（e）接线，测量共模放大倍数AC0=于是KCMR==把数据纪录在表3-2中。Uicm频率f=

测量值

Uicm

U0计

算

值Ad0

AC0

KCMR

2.集成运算放大器的基本应用（模拟运算电路）集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以使输出和输入之间具有某种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算电路。实际进行测试模拟运算电路

1)电路原理集成运算放大电路组成的模拟运算电路如图3-20所示。

2)测试模拟运算电路①同相比例运算电路图3-20（a）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为：

U0=且Auf=1+平衡电阻R2的大小为R2=R1//RF

按图3-20（a）组装并接线，接通电源，输入端对地短路，进行调零和消振。输入f=100HZ,Ui=0.5V的正弦交流信号，测量相应的U0,并用示波器观察U0和Ui的相位关系，将结果计入表3-3中。

Ui=0.5V,f=100HZ

表3-3同相比例运算电路项

目UiU0

Au波

形

图

测

量

值

(V)测量值计算值

Ui的波形

U0的波形

积分运算比例运算加法运算减法运算图3-20集成运算放大电路组成的模拟运算电路

Ui1(V)

Ui2(V)

U0(V)

②加法运算电路如果在反相输入端增加多个输入电路，则可以构成反相加法运算电路。按图3-1-20（b）所示电路组装并接线，调零和消振。当输入A、B同时加入信号电压Ui1.Ui2时，则有

U0=-

两个输入电压之间互有影响，要反复调节，避免进入运放的饱和区。所以必须适当调节信号幅度和极性，以确保集成运放工作在线性区，用数字电压表测量相对应的输入电压Ui1.Ui2及输出电压U0，把数据计录在表3-4中。表3-4加法运算电路

Ui1(V)

Ui2(V)

U0(V)③减法运算电路如果在运放的两个输入端加上输入信号，即可构成减法运算电路。按图3-20（c）所示电路组装并接线，接通电源，进行调零和消振。当输入端A、B同时输入信号电压Ui1.Ui2时，由于R1=R2,Rf=R3,则有

U0=

测量要求与加法运算电路相同，把测量结果填入表3-5中。

表3-5减法运算电路T（s）

5

10

15

20

25

…

…

U0(V)

④积分运算电路将反相输入比例运算电路的反馈电阻Rf用电容替换，则可以构成积分运算电路。按图3-20（d）组装并接线，输入预先调好的-0.5V电压，操作开关S0合向“1”，此时运算放大器输入为零。电容短接，为保证其上无电荷，U0=0。切换开关S0，并开始计时。每隔5s读取一次输出电压值U0,计入表3-6中，直到输出电压U0无明显增大为止。表3-6积分运算电路

3.集成运算放大器的基本应用(波形运算电路)1.方波发生器在反相输入端迟滞比较器电路中，增加一条由RfCf积分电路组成的负反馈支路，构成一个简单的方波发生器。如图3-21（a）所示。其振荡频率为

f0=

电路的限流电阻R3和稳压管VS1和VS2组成双向限幅电路。（a）方波发生器图3-21集成运算放大电路组成的波形运算电路（b）三角波发生器

项

目U0的波形

R1/R2/幅值（V）频率（HZ）RP的位置

中心最上端最下端

按图3-21（a）接线，将电位器RP调至中心位置，用双踪示波器观察并描绘方波U0的波形，测量其频率及幅值，测量R1.R2的值。计入表3-7中。改变RP动点的位置，观察U0的幅值及频率变化情况。再把动点调至最上端和最下端，测出频率范围，计入表3-7中。表3-7方波发生器

(2)三角波发生器如果把迟滞比较器首尾相接，组成如图3-21（b）所示的正反馈电路，形成自激振荡。比较器输出方波，积分器输出三角波。方波发生器由三角波触发，积分器对方波发生器的输出积分，形成一个闭环电路。其振荡频率为：

f0=在Rf上串联一个电位器RP,调节RP，则可以调节电路的振荡频率。按图3-21接线，接通电源。将电位器RP调至中心位置，用双踪示波器观察并描绘波形，估算振荡频率，测量其幅值及频率，测量RP的值。再改变RP，观察振荡波形、幅值及频率变化情况。最后把RP的动点调至最上端和最下端，测出频率范围。把数据纪录在自拟的表格中。

【学习小结】(1)集成运算放大器是一种输入电阻高、输出电阻低、电压放大倍数高的直接耦合放大电路，其内部由差动式输入级、中间级、互补对称式输出级及偏置电路组成。

(2)运放的模拟运算电路包括反相输入比例运算电路、同相输入比例运算电路、加法和减法运算电路、积分和微分运算电路等。

(3)信号处理电路包括有源滤波器、电压比较器等。有源滤波器由无源滤波网络和带有深度负反馈的放大器组成，具有高输入阻抗和良好的滤波特性等特点。电压比较器是一种差动输入的开环运算放大器，对两个输入电压进行比较，输出规定的高低电平。

(4)常用比较器类型：过零比较器、单限比较器、迟滞比较器等。

(5)非正弦波振荡电路最常见的有：方波、三角波等发生电路。这些振荡电路由三个部分组成：开关器件、反馈网络、延迟环节。分析这类电路是否产生震荡，通常的方法是先检查电路组成，再分析工作过程，如假定比较器（其他开关器件）的输出状态，若经过反馈和延迟环节后，能使比较器输出电压跃变为另一种状态，则电路能够振荡。【自我评估】1.简述集成运放的结构特点、电路组成、主要性能指标、参数、种类及应用。

2.简述非正弦波发生器电路的组成与工作原理。

3.简述电压比较器电压传输特性及工作原理。

4.判断题：（1）运算电路中一般均引入负反馈。（）（2）在运算电路中，集成运放的反相输入端均接地。（）（3）凡是运算电路都可利用“虚短”和“虚断”的概念求解运算关系（）（4）各种运算电路的放大倍数均大于1。（）

5.分别选择“反相”和“同相”填入下列空格中。（1）_比例运算电路中集成运放反相输入端为虚地，而

比例运算电路中集成运放两个输入端的电位等于输入电压。（2）_比例运算电路的输入电阻大，而

比例运算电路的输入电阻小。（3）

比例运算电路的输入电流等于零，而

比例运算电路的输入电流等于反馈电阻中的电流。（4）

比例运算电路的比例系数大于1，而

比例运算电路的比例系数小于零。任务3.2正弦波振荡器的制作与测试【任务描述】

正弦波振荡器是一种不需要外加输入信号即能产生一定频率和幅度的信号波形电路。在计算机技术、自动控制、仪器仪表和通信等许多领域中，常常需要使用各种不同类型的振荡器。掌握正弦波振荡器的工作原理是电子工程技术人员的主要技能。【任务分析】①了解产生自激震荡的条件；②了解正弦波振荡器的组成和分类；③掌握RC正弦波振荡器的工作原理与测试方法；④掌握LC正弦波振荡器的工作原理与测试方法。【知识准备】

波形发生电路包括正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。它们不需要外加输入信号，能自己产生各种形状的周期变化的波形，例如正弦波、矩形波、三角波等，这些电路广泛应用于广播、通信、控制和测量等领域中。1.产生正弦波振荡的条件在电子电路中，电路自己能产生一定幅度、一定频率的正弦波的现象称为自激振荡。当放大电路引入负反馈并满足一定条件时，电路就会发生自激振荡。正弦波振荡电路的基本结构如图3-22所示，当开关S合在位置“1”时，构成无反馈放大器，净输入信号为ud=ui，在放大器有了一定的输出以后，再将S合到位置“2”，并使uf=ui=ud，则电路形成正反馈，即用反馈信号代替输入信号，使放大器在没有输入信号的情况下有了输出信号，从而产生了振荡。由于分析中个量均为正弦量，故用相量表示。根据放大电路的放大倍数则有：

A=

反馈网络的反馈系数为

由以上分析可知，放大电路产生自激振荡的条件是，即

设可以得到振荡电路的振荡条件：(1)振幅平衡条件反馈电压与净输入电压大小相等：Uf=Ud,即(2)相位平衡条件反馈电压与净输入电压同相位，形成正反馈。用相位表示为：图3-22正反馈产生自激振荡2.RC正弦波振荡电路常见的RC正弦波振荡电路有桥式振荡电路，该振荡电路又称文氏电桥正弦波振荡电路，电路如图3-23（a）所示，从图中可以得到输出电压与输入电压之比若将RC串并联电路作为振荡电路的选频网络和反馈网络，则反馈系数为令

,有电路的幅频特性F=电路图幅频特性相频特性图3-23RC串并联电路网络及其频率特性电路的相频特性arctg

对应电路图如同3-23(b)、（c）所示。当或f=f0=时，F=1/3,达到幅频特性曲线的最大值；相移为零，电路呈电阻性，输出电压与输入电压同相位。利用RC串并联电路的选频特性，可构成RC振荡器的选频网络和反馈网络。3.LC振荡电路常用的LC振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。（1）变压器反馈式振荡电路如图3-24所示为变压器反馈式振荡电路。振荡电路的放大环节为三极管V，选频网络为接于放大管集电极回路中的LC并联谐振回路，反馈是通过电感L1和L2之间的变压器耦合来实现的。LC振荡器是靠变压器原、副线圈同名端的正确连接来满足自激振荡的相位条件的。只要相位条件满足，很容易满足振幅条件，即可产生震荡。振荡频率为：

f0=

若电路在接通电源后没有起振，应检查变压器同名端连接是否正确。在相位条件满足的情况下，若仍不起振，可将三极管换成较大的管子，或增大副线圈的匝数，还可以增加原、副线圈的耦合程度，都能解决不起振的问题。图3-24变压器反馈式LC正弦波振荡器

（2）电感三点式振荡电路如图3-25示为电感三点式振荡电路。由于振荡频率较高，对C1.C2及CE对交流信号可视作短路，从图上可以看出，电感三点式振荡器的三个组成部分为：电感L1.L2和电容C组成的LC并联回路作为选频网络。三极管V及其偏置电路作为放大环节；反馈电压取自电感L2，则L2构成正反馈环节实现振荡。振荡频率为：f0=

图3-25电感三点式振荡电路图3-26电容三点式振荡电路式中M为L1和L2之间的互感。可以通过C来调节振荡排频率的大小。由于反馈电压取自L2,而L2的电感对高次谐波非常敏感，引起输出波形中有较大的谐波分量，输出波形较差。（2）电容三点式振荡电路如图3-26所示为电容三点式振荡电路。其中C1.C2及CE对交流信号可视作短路。电容C1.C2和电感L组成并联谐振回路，起选频作用，反馈电压取自C2两端。则C2构成正反馈环节，以实现振荡。振荡频率为：

f0=

由于反馈电压取自C2，谐波次数越高，C2对应的容抗越小，输出波形中谐波分量含量越低，输出的波形较好。调节谐振频率时，由于同时调节C1.C2不方便，通常在电感支路中串接电容C，通过调节电容C来调整工作频率。【任务实施】实施地点：电子技术实验室实训所需材料：①示波器②交流毫伏表③直流电压表④频率计⑤集成运算放大器电路板⑥二极管⑦晶体三极管实施内容与步骤（1）学员分组：4人左右一组，指定组长，工作始终各组人员尽量固定。（2）教师布置工作任务，学生了解工作内容，明确工作目标，制定实施方案。实际进行正弦波振荡器的组装与测试。1.RC正弦波振荡器的制作与测试(1)电路原理实际测试电路如图3-27所示。图3-27RC桥式电路电路由放大电路、反馈电路、选频网络和稳幅环节组成。其中串联的R和C、并联的R和C各为一臂，故称桥式。它们在RC正弦波振荡器中即是反馈网络又是选频网络。

R1.R2.RP及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RP可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形，利用两个反向二极管VD1.VD2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。电路的振荡频率为：

f0=

起振的幅值条件为

RF＞R1

式中RF=RP+R2+（R3//RD）,RD为二极管正向导电电阻。

(2)调整RC振荡器调整反馈电阻RF（其实调整RP）,使电路起振，如不起振，则说明负反馈太强，应适当加大RF；若波形失真严重，则适当减少RF,而要改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。（改变C作频率量程切换，R为量程内的频率细调）

(3)测试RC振荡器的性能指标按图3-27连接电路，接通电源，输出端接输出波形。

①调节电位器RP,使输出波形从无到有，从产生正弦波到出现失真。描绘输出电压U0的波形，纪录临界起振、正弦波输出及失真情况下的RP的值，分析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。②调节电位器RP，使输出波形最大且不失真，用交流毫伏表测量输出电压U0、反馈电压U+和U-,分析研究振荡的幅值条件。③用示波器测量振荡频率f0,然后在选频网络的两个电阻上并联同一阻值的电阻，观察纪录振荡频率的变化情况，并与理论值进行比较。

2.LC正弦波振荡器的制作与测试

LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。根据LC调谐回路的不同连接方式,LC正弦波振荡器可分为变压器反馈式、电感三点式、电容三点式三种。

1.电路原理实际测试电路如图3-28所示。按图3-28组装和连接电路。电位器RP放值最大位置，振荡电路的输出端接示波器。图3-28变压器反馈式LC正弦波振荡器

(2)实际进行对LC正弦波振荡器的调整和测试①静态工作点的调整

a.接通电源，调节电位器RP,使输出端得到不失真的正弦波形，如不起振，改变L2的首末端位置，使之起振。测量此时的UE、UB及IC并测量正弦波的有效值U0计入表3-9中。

b.

调小RP，观察输出波形的变化。并测出UE、UB及IC的值，计入表3-9中。

c.调大RP使之振荡波形刚刚消失，测量UE、UB及IC的值，计入表3-9中。根据以上三组数据，分析静态工作点对电路起振、输出波形幅度和失真的影响。②验证相位条件改变线圈L2的首、末端位置，观察停振现象；恢复L2的正反馈接法，改变L1首、末端位置，观察停振现象。③测量振荡频率调节RP使电路正常起振，同时用示波器和频率计以下两种情况的振荡频率f0,计入表3-10中。谐振回路电容：C=1000PFC=100PF④观察谐振回路Q值对静态工作点的影响谐振回路两端并入R=5.1K的电阻，观察R并入电阻前后波形的变化情况。UB(V)UE(V)

IC(mA)UO(V)

UO的波形

RW居中

RW居小

RW居大

C(PF)

1000

100

f(KHZ)表3-9静态工作点的调整表3-10测量振荡频率【知识拓展】

石英晶体振荡器简介石英晶体振荡器是用石英晶体谐振器来控制振荡频率的一种振荡器，其频率稳定度随采用的石英晶体谐振器、电路形式以及稳频措施的不同而不同。石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。对于振荡频率的稳定性要求高的电路，应选用石英晶体作选频网络。

1.石英晶体的特点石英晶体的化学成分是二氧化硅（SiO2），外形呈六角形晶体。将把二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层，并作为两个极引出管脚，加以封装，就构成石英晶体谐振器。其结构示意图和符号如图3-29所示。结构示意图符号图3-29石英晶体谐振器的结构示意图及符号

1.压电效应和压电振荡在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械变形引起的振动又会产生交变电场，这种物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，测试共振，称为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的故有频率，也称谐振频率。

(2)石英晶体的等效电路和振荡频率

①等效电路石英晶体的等效电路如图3-30（a）所示。当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0,称为静态电容，其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积。当石英晶体发生谐振时，在外电路上可以产生很大的电流，这种情况与电路的谐振情况非常相似，因此，可以采用一组电路参数来模拟这种现象，其等效电路如图3-30所示。一般石英晶体的参数范围：R=10~150,L=0.01~10H,C1=0.005~0.1PF,C0=2~5PF。等效电路频率特性图3-30石英晶体的等效电路及其频率特性②谐振频率石英晶体有两个谐振频率fs和fp,一是当等效电路中的L、C、R支路产生串联谐振时，该支路呈电阻性，等效电阻为R，谐振频率为：

fs=

二是石英晶体和静态电容C0组成的并联电路所决定的并联谐振频率fp。在谐振频率下整个网络的电抗等于R并联C0的容抗，由于R«,故可以近似地认为石英晶体也呈电阻性，等效电阻为R。当f<fs时，C0和C电抗较大，石英晶体呈容性。当f＞fs时，L、R、C支路呈感性，将与C0产生谐振，石英晶体又呈纯电阻性，谐振频率为：

fp==fs

由于C«C0,所以fsfp。（3）品质因数根据品质因数的表达式

Q

其Q值很高，可达104~106，这时普通的LC电路无法相比的。④石英晶体的电抗性石英晶体的频率特性曲线如图3-30（b）所示，由图可知，当f＞fp时，石英晶体呈容性；当fs<f<fp时，石英晶体呈感性；并且C