集成运算放大器实验报告

集成运算放大器实验报告

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

（2）实验备用器件

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 1

f o i i R A R υυυυ==-

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1f R R =时，o i υυ=-，电路成为反相器。合理选择1f R R 、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1i R R =，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，R R +-=,图2.4.3（a ）中，应为1//P f R R R =，

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 1

(1)f o i i R A R υυυυ==+

2.4.2

由该式知，当0f R =时，o i υυ=，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1//P f R R R =。

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

121

2

(

)f f o i i R R R R υυυ=-+

2.4.3

当满足12R R R ==时，输出电压为 12()f o i i R R

υυυ=-

+ 2.4.4

实现比例求和功能。当满足12f R R R ==时，，输出电压为

12()o i i υυυ=-+ 2.4.5

实现了两个信号的相加运算。电路同样要求12////P f R R R R =。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12////f R R R R =的条件下，可以得到输出电压为

121

2

f f o i i R R R R υυυ=

+

2.4.6

当12f R R R ==时

12o i i υυυ=+ 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12////f R R R R =时，可以求得

121

2

f f o i i R R R R υυυ=-

+

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12f R R R ==时

21o i i υυυ=- 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12o i i υυυ=-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；

2、设计一个放大倍数为11的同相比例放大电路；

3、设计一个反相求和电路，实现1210()o υυυ=-+功能；

4、设计一个求和电路，完成1210()o υυυ=+；

5、设计一个求和电路，要求124o υυυ=-；

6、设计能够实现0.5o i υυ=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。

用虚拟仪器测量：输入电压、输出电压的幅值，填入自行设计的表格内。验证上述理论设计的正确性，并与理论计算结果进行比较。

（3）测试方案的设计 自拟实验步骤、方法。

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；

V2

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。

（2）分析误差产生的原因。

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？

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？

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。

七、实验报告要求

1、画出实验电路，整理实验数据；

2、将实验结果与理论计算值比较，分析产生误差的原因。

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

（2）实验备用器件

三、电路原理

积分运算的典型形式为 o i

K

dt υυ=? 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

1(0)t

o i o dt RC υυυ=-+? 2.4.11

式中(0)o υ为0t =时电容上的初始电压。根据式（2.4.11）知，当i υ为不同形式的信号时，就会得到不同形式的输出电压o υ。

如：当输入信号i V υ=，即为直流恒压的情况下，输出电压为

1

o V t RC

υ=-

? 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i υ是幅度为V 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om V 。

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

i

o d RC

dt

υυ=-

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2

T RC

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R 1，在R 支路两端并接一个电容C 1。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，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。

A ）当输入信号的幅度为2V 、频率为500Hz 且正负半周对称的方波的情况下，用虚拟示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。

B ）当输入信号的峰峰值为4V 、频率分别为200Hz 、500Hz 、1000Hz 正弦波的情况下，用虚拟示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。

C ）当输入信号的幅度为5V 、频率为200Hz 矩形波的情况下，用虚拟示波器观察微分运算电路输入、输出信号

波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。

D）当输入信号的幅度为5V、频率分别为100Hz、200Hz、500Hz正弦波的情况下，用虚拟示波器观察微分运算电路输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。

（3）测试方案的设计

自拟实验步骤、方法及测试表格。

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，完成下述实验任务：【加入表格】

A）当输入信号的幅度为2V、频率为500Hz且正负半周对称的方波的情况下，用示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。

B）当输入信号的峰峰值为4V、频率分别为200Hz、500Hz、1000Hz正弦波的情况下，用示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。

C）当输入信号的幅度为5V、频率为200Hz矩形波的情况下，用示波器观察微分运算电路输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。

D）当输入信号的幅度为5V、频率分别为100Hz、200Hz、500Hz正弦波的情况下，用示波器观察微分运算电路输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。

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。

（2）分析误差产生的原因。

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？

七、实验报告要求

1. 画出自行设计的实验电路，整理实验数据；

2. 将实验结果与理论计算值比较，分析产生误差的原因。

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

（2）实验备用器件

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 1

2

22ln(1)R T RC R =+

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D 3、D 4和电位器R W 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W R 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

1

2

2()ln(1)H a R T R R C R =++ 2.4.14 矩形波的低电平持续时间为 1

2

2()ln(1)L b R T R R C R =++ 2.4.15 其中 W a b R R R =+

矩形波的周期为 1

2

2(2)ln(1)H L W R T T T R R C R =+=++

2.4.16 占空比 001002a H W

R R T D T R R +=

=?+ 2.4.17 3、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A 2、RC 构成反相积分器，将滞回电压比较器A 1

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Z V ，且其正向导通压降为()0D on V =，则当A 1的输出01υ为高电平Z V 时，电容C 将被充电，输出电压o υ下降。此时A 1同相输入端的电压为

12

11212

Z o R R V V R R R R υ+=

+++ 2.4.18

当输出电压o υ下降到使A 1的同相端电压10V +=，即

112Z R V R R + 2

12

0o R R R υ+=+时，A 1的输出01υ反转为低

电平Z V -，电容C 将被反向充电，输出电压o υ增大，A 1同相输入端的电压为

1112Z R V V R R +=-

+2

12

o R R R υ++ 2.4.19

当输出电压o υ增大到使10V +=，即12

1212

0Z o R R V R R R R υ-

+=++时，A 1的输出01υ再次反转为高电平Z V 。以

上过程周而复始，得到方波01υ和三角波o υ，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

1

2

om

Z R V V R = 2.4.20 据此可以推得方波、三角波的周期T 为 1

2

4R T RC

R = 2.4.21 4、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 1

2

2()a R T R R C R ↑=+ 2.4.22 下降时间为

1

2

4()b R T R R C

R ↓=+ 2.4.23 波形周期为

1

2

2(2)W R T T T R R C

R ↑↓=+=+ 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500Hz～1kHz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500Hz～1kHz范围内可调；

输出电压幅值为6V；占空比D在(40～80)％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500Hz～1kHz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500Hz～1kHz范围内可调；

占空比D在(40～80)％之间可调；

输出锯齿波电压的幅值调节范围2～4V；

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，计算出电路中各个元件的参数。

XSC1

（2）用Multisim仿真软件进行仿真。

用Multisim仿真软件进行以上自行设计的各种非正弦波发生器的瞬态分析，调试并测试频率、占空比和输出幅度，使它们满足设计要求，并将结果记录在自行设计的表格内。

包括自拟实验步骤、方法和测试表格。

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，完成各信号发生器的调试和测试（频率、幅度、高、低电平、占空比等），

并将结果记录入自行设计的表格内，并与仿真结果、计算结果进行比较。

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。 （2）分析误差产生的原因。

五、、思考题

1、方波和锯齿波的差异是什么？它们的周期是如何计算的。 电路差异主要在:锯齿波电路通过增加二极管，改变了电容充放电时间，其余的部分与方波三角波发生器相似。。 周期根据前面部分提供的公式计算。

2、方波、三角波，如果改变方波的频率时，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？

方波三角波发生器方波与三角波频率相同，所以改变方波频率，三角波频率也会改变，同时，三角波峰值

又与阻值大小有关。根据公式：

输出三角波电压的幅值：

1

2om Z R V V R =

方波、三角波的周期T 为 1

2

4R T RC

R = 可以知道，频率变大,周期减小，三角波峰峰值不会减小，或不变，或增大。 改变方波的峰值，亦即改变了V

Z

，三角波峰值也会相应改变。