模电实验教材

1、模拟电子技术实验模拟电子技术实验江江 苏苏 科科 技技 大大 学学电工电子实验中心电工电子实验中心目目 录录实验一实验一 常用电子仪器的使用常用电子仪器的使用.1实验二实验二 单级低频电压放大电路设计单级低频电压放大电路设计.4实验三实验三 场效应管放大器场效应管放大器.9实验四实验四 负反馈放大器设计负反馈放大器设计.13实验五实验五 差动放大器差动放大器.16实验六实验六 集成运放的基本应用（一）集成运放的基本应用（一）信号运算电路信号运算电路.19实验七实验七 集成运算放大器的基本应用（二）集成运算放大器的基本应用（二）波形产生电路波形产生电路.25实验八实验八 集成运算放大器的基本应用

2、（三）集成运算放大器的基本应用（三）有源滤波器有源滤波器.27实验九实验九 集成运算放大器的基本应用（四）集成运算放大器的基本应用（四）电压比较器电压比较器.38实验十实验十 集成功率放大器应用集成功率放大器应用.41实验十一实验十一 集成直流稳压电源集成直流稳压电源.46实验十二实验十二 模拟可编程器件应用及设计模拟可编程器件应用及设计.52实验十三实验十三 低频低频 PLL 锁相环应用电路锁相环应用电路.55实验十四实验十四 电压频率转换器设计电压频率转换器设计.66实验十五实验十五 精密整流电路精密整流电路.68实验十六实验十六 *精密函数波形发生器精密函数波形发生器.72附附 录录.7

3、5第一章第一章 常用元、器件的识别与测试常用元、器件的识别与测试.751-1 电阻、电容、电感的识别与简单测试.751-2 半导体二极管、三极管的识别与简单测试.851-3 集成电路的识别.90第二章第二章 常用电子仪器常用电子仪器.942-1 XJ4810 型半导体管特性图示仪.942-2 SX2172 型交流毫伏表 .992-3 双踪示波器.101第三章第三章 常用器件资料选编常用器件资料选编.1043-1 三极管.1043-2 集成运算放大器.105一、F741集成运算放大器.105二、F007集成运放.107三、F124/F224/F324集成运算放大器.1083-3 集成稳压电源.1

4、11一、LM78系列.111二、LM79系列.1113-4 集成函数发生器.112第四章第四章 可编程模拟电路（可编程模拟电路（PAC）的原理及应用）的原理及应用.114实验一实验一 常用电子仪器的使用常用电子仪器的使用一、实验目的：1、熟悉交流毫伏表、低频信号发生器、双踪示波器的主要技术性能和面板开关、旋钮的名称和作用。2、学会上述仪器的正确使用。3、初步掌握用示波器观察、测量信号波形参数及计算方法。二、实验原理： 在电子电路测试和实验中，常用的电子仪器有交流毫伏表，低频信号发生器，双踪示波器，直流稳压电源以及其它仪器，它们与被测(实验)电路的关系，如图 1-1 所示。双踪示波器直流稳压电源

5、被测(实验)电路交流毫伏表（SX2172） 失真度仪（BS1A）低频信号发生器*图 1-1 常用电子仪器接线框图1、 直流稳压电源 为电路提供直流工作电源。2、 低频信号发生器 为电路提供输入信号。它可以产生特定频率和特定大小的正弦波、方波和三角波电压信号，作为放大电路的输入信号。通过输出衰减开关和幅度旋钮，可使输出电压在毫伏级到伏级范围内连续调节。输出电压的频率可以通过波段开关和频率旋钮进行调节。直流稳压电源和信号发生器在使用过程中，要注意输出端不能短路。3、 交流毫伏表 用于测量正弦信号的有效值。由于交流毫伏表的灵敏度较高，为避免损坏，应在使用前将量程开关打到最大，然后在测量中逐档减小量程

6、，直到指针指在 1/3 量程到满量程之间。4、双踪示波器 用于观测被测信号的电压波形。它不仅能观测电路的动态过程，还可以测量电压信号的幅度、频率、周期、相位、脉冲宽度、上升和下降时间等参数。它的 X 轴为时间轴，Y 轴为电压轴。示波器使用方法简介：(1)调节基准扫描线。打开电源开关，将示波器 Y 轴方式置于“CH1”或“CH2” ，输入耦合方式置于“GND” ，开机预热 30 秒钟，若荧光屏上不出现光点或水平扫描基线，可进行如下操作。调节亮度旋钮到中间位置；触发方式开关置于“自动” ；调节垂直位移“”和水平位移“”旋钮到中间位置。(2)测量信号波形。将被测信号输入 Y 轴方式所选择的通道，输入

7、耦合方式开关置于“AC”或“DC” 。适当调节 X 轴和 Y 轴灵敏度旋钮，使得波形高度尽量高，但不超出屏幕；波形的长度为 13 个周期。对波形进行读数，可测量出波形的峰值和周期。)/(2)()(smssXTVOLTYUP轴灵敏度旋钮刻度波形长度周期格轴灵敏度旋钮刻度格波形高度峰值在对波形进行读数时，要注意必须将 X 轴和 Y 轴的“校准”旋钮置于“校准位置” ，否则测量出来的峰值和周期数值是不准确的。若波形不稳定，可进行如下调节：将扫描方式开关(SWEEP MODE)置于与 Y 轴方式一致的位置，即若被测信号从CH1 输入，则扫描方式置 CH1；调节触发电平(LEVEL)旋钮。(3)双踪示波

8、器的电压测量方式有“CH1”,“CH2”,“CH1+CH2”,“断续”和“交替”五种方式。其中“断续”和“交替”是双踪信号测量方式。 “断续”适用于频率较高的信号测量， “交替”用于频率较低的信号的测量。当被测信号频率较低时，波形会有些闪烁，但被测信号波形只要不左右移动，仍属于稳定显示。 在电子测量中，应特别注意各仪器的“共地”问题，即各台仪器与被测电路的“地”应可靠地连接在一起。合理的接地是抑制干扰的重要措施之一，否则，可能引入外来干扰，导致参数不稳定，测量误差增大。三、实验内容1、用交流毫伏表测量信号发生器的输出(衰减)电压。将信号发生器频率调节在1KHz。电压“输出衰减”开关分别置于不同

9、的衰减 db 位置上，调节信号发生器的“幅度”旋钮使电表指示在 4，用交流毫伏表测量其输出电压值。 表 1-1 = 1KHz 电表指示刻度 4信号发生器电压“输出衰减” （db）0204060信号发生器输出值（mV）交流毫伏表读数值（mV）电压衰减倍数2、用双踪示波器 Y 轴任一输入通道探头，测量示波器“校正电压”读出荧屏显示波形的 uP-P值和频率。3、用交流毫伏表及双踪示波器测量信号发生器的输出电压及周期的数值。记入表 1-2。 表 1-2 测量数据 输入信号测 量 项 目u1=0.15V1=500Hzu2=50mV2=1KHzu3=10mV3=2. 5KHzu4=1V4=7KHz低频信号

10、发生器电压衰减位置(db)示波器 Y 轴“VOLTS/DIV”位置(V / DIV)示波器荧光屏显示波形高度(DIV)示波器荧光屏上显示电压峰值(V)毫伏表测量指示值(V)示波器 X 轴“TIME/DIV”位置(ms / DIV)示波器荧光屏显示一个完整波形的长度(DIV)示波器荧光屏显示波形的周期时间(mS)* 非线性失真系数 (%)四、预习要求：1、认真预习交流毫伏表，低频信号发生器，双踪示波器及失真度仪的使用方法、技术性能及面板开关、旋钮的作用。2、什么是峰值？什么是有效值？分析示波器荧光屏和交流电压表的读数值有何区别，如何换算。五、思考题：1、示波器荧光屏上的波形不断移动不能稳定，试分

11、析其原因。调节哪些旋钮才能使波形稳定不变。2、在测量中交流毫伏表和示波器荧光屏测同一输入电压时，为什么数据不同?测量直流电压可否用交流毫伏表，为什么?六、实验仪器与器材双踪示波器 DS1000(YB40320) 1 台函数发生器 XD1B 1 台交流毫伏表 SX2172 型 1 台电子学综合实验装置 DZX-2 型 1 台实验二实验二 单级低频电压放大电路单级低频电压放大电路设计设计一、实验目的（1）了解低频单管电压放大器的设计步骤，学习放大器工程计算的方法；（2）掌握静态工作点的设定和减小输出电压非线性失真的方法；（3）通过对单级晶体管低频电压放大电路的工程估算、安装和调试，掌握放大器的主要

12、性能指标及其测试方法；（4）掌握晶体管特性图示仪的使用方法以及判别晶体管的好坏和参数测量的方法。二、实验原理放大器的基本任务是不失真地放大信号。由于它的性能与静态工作点的位置及其稳定性直接相关，所以设计单管电压放大电路的关键是设置合适的静态工作点。为了获得最大不失真的输出电压，静态工作点应该选在输出特性曲线上交流负载线中点的附近，如图 2-1 中的 Q 点。若工作点选得太高（如图 2-2 中的点）就会1Q出现饱和失真；若工作点选得太低（如图 2-2 中的点）就会产生截止失真。2Q图 2-1 具有最大动态范围的静态工作点对于小信号放大器而言，由于输出交流幅度很小，非线性失真不是主要问题，因而 Q

13、 点不一定要选在交流负载线的中点，可根据其他指标要求而定。例如在希望耗电小、噪声低、输入阻抗高时，Q 点就可选得低一些；图 2-2 静态工作点设置不合适输出波形产生失真三、实验内容1、用 XJ-4810 型图示仪测量三极管的、等参数，各旋钮开关的使用cesVceoBRV)(方法请参照附表 a；2、设计电路（1）已知条件：EC=12V； RL=2.7K；u i15mV；i=1KHz；（由测量得到）（2）要求指标：在 RL上获得 uop-p2.5V 的输出电压，输出电压波形无明显失真（*15%） 。3、连接电路按照所设计的电路结构和元、器件参数，选择元器件，清洁处理后在面包板上安装放大器。要求元器

14、件排列整齐，密度匀称，避免互相重叠，连接线应短并尽量避免交叉，对电解电容器应注意接入电路时的正、负极性；一个插孔内只允许插入一根接线。4、测量静态参数检查电路连接无误后接通 Ec12V 直流电源（注意稳压电源的输出电压应预先调到所需电压值，然后再接到实验电路中） ，测量放大电路的静态参数，自拟表格记录数据，并与理论计算值比较。5、测量动态参数调节信号发生器的输出，使其输出=1kHz，ui1 则。可见在深度反馈时，闭环放大器的增益由反馈网络AFufu1决定，而与开环放大器的增益无关。3) 负反馈改善了放大器的非线性失真；使输入阻抗增大，输出阻抗减小。表 4-1分类方法特 点对放大器性能的影响负反

15、馈反馈信号削弱放大器净输入信号放大倍数降低，,但能提高稳AFAAf1定性，减小非线性失真，扩展频带等。按反馈极性分正反馈反馈信号增强放大器净输入信号放大倍数提高，可产生自激振荡。电 流反 馈反馈信号取样于输出电流oi负反馈维持稳定，输出电阻增大，oioofrAFr 1按输出端取样状况分电 压反 馈反馈信号取样于输出电压 uo负反馈维持 uo稳定，输出电阻减小，AFrroof1串 联反 馈反馈信号与输入信号以电压加减形式出现负反馈使输入电阻增大，rrAFifi1按输入端联接方式分并 联反 馈反馈信号与输入信号以电流加减形式出现负反馈使输入电阻减小，rrAFifi1三、实验内容、设计电路(1)已知

16、条件：工作电源 Ec = +12V；负载 RL=2.7K；输入电压 ui=5mV，=1KHz，信号来自一个内阻 RS=2K的电压源。(2)设计要求：闭环电压放大倍数60ufA输入电阻，输出电阻 Kri5 300or幅频特性:下限频率，上限频率HzfL200KHzfH5002、测试电路参数根据设计要求，自拟测试项目，设计表格，记录数据，验证是否达到设计要求。四、预习要求：1、复习负反馈的有关理论内容。熟悉负反馈电路的工作原理，以及各种负反馈对放大器性能的影响。2、按照设计要求设计电路，画出电路图。3、设计数据表格。4、考虑当实验电路工作时，如果产生自激应如何消除。五、思考题：1、负反馈对放大器性

17、能的改善程度取决于反馈深度，是否越大越好，1 AF1 AF为什么?六、实验器材双踪示波器 DS1000（YB43020） 1 台交流毫伏表 SX2172 1 台万用表 MF10 1 只电子学综合实验装置 DZX-2 1 台面包板1 块计算机（内装 Multisim 软件） 1 台（用做仿真实验）实验五实验五 差动放大器差动放大器一、实验目的1、学习差动放大器静态参数的测量方法2、掌握差动放大器动态参数(差模放大倍数 Aud，共模放大倍数 Auc，共模抑制比KCMR)的测试方法。1、 熟悉用示波器观察输出信号波形的相位关系2、 熟悉用 MULTISIM 对电路进行设计、仿真和测试的方法。二、实验

18、原理 差动放大器又称差分放大器，它是一种特殊的直接耦合放大电路。图 5-1 是一个带恒流源的差动放大电路，图中电路两边左右完全对称，T1、T2管型号性能参数相同。它具有静态工作点稳定，共模信号抑制能力强，对差模信号有一定放大能力的特点。根据电路结构，该电路可组成四种形式：单端输入单端输出；双端输入双端输出；双端输入单端输出，单端输入单端输出。图 5-1 带恒流源差动放大电路双端输出的差模放大倍数为：ARRrudLbbe 共模放大倍数为：Auc 0共模抑制比：KAACMRuduc 单端输出时，差模放大倍数为双端输出的一半，即AAARRrudududLbbe1222 ()而共模输出放大倍数 (Re

19、为恒流源等效电阻)ARRucce 2图 5-2 差动放大器实验电路三、实验内容：1、按照图 5-2 在面包板上安装差动放大器电路，检查接线无误后接通电源，将输入端接地，调节 Wo使 Io=1mA, 调节 W1使 uo=0；2、测量差放电路的静态参数，并记入表 5-1。表 5-1Ec(V) TT1T2T3T4EeVEui1VBui2VCuoVCE3、将电路接成双端输入、双端输出状态；在输入端分别输入直流差模信号电压0.08V、0.16V、0.28V、0.40V、0.52V 分别测量 uC1、uC2和 uO的变化值，并计算Aud，*绘制输入输出电压传输特性。4、在输入端分别输入直流共模信号1V，分

20、别测量 uC1、uC2和 uO的变化值，并计算Auc。5、计算共模抑制比 KCMR。6、将电路改接成单端输入双端输出，输入=1kHz，uid=0.5V(有效值)的正弦信号，测量 uc1、uc2和 uO的变化，画出输入输出(uid、uc1、uc2、uO)的对应波形。该实验也可以应用 MULTISIM 进行仿真实验。四、预习要求：1、双端输入、双端输出共模放大及单端输入双端输出差模放大时如何将输入信号与电路相连接，画出电路。2、在单端输入双端输出差模放大电路输入交流信号时，如何用 DS1000 示波器观察uid、uc1、uc2和 uO的波形。五、思考题：1、单端输入差动放大电路对共模信号有无抑制作

21、用，条件是什么?2、恒流源差动放大器和长尾差动放大电路相比较有何区别，它有什么优点？六、实验器材双踪示波器 DS1000(YB40320) 1 台交流毫伏表 SX2172 1 台电子学综合实验装置 DZX-2 1 台面包板1 块万用表 MF10 1 台3DG6（或 9013 2 只） 阻容元件若干计算机（内装 Multisim 软件） 一台（用做仿真实验）实验六实验六 集成运放的基本应用（一）集成运放的基本应用（一） 信号运算电路信号运算电路一、实验目的：1、熟悉用集成运算放大器构成基本运算电路的方法；2、学习设计比例放大，加法、减法、积分和微分运算等电路；3、掌握电流、电压转换电路的设计、调

22、试方法；4、学习双电源的连接方法。二、实验原理： 集成运算放大器具有增益范围大，通用性强，灵活性大，体积小，寿命长，耗电省，使用方便等特点，因此应用非常广泛，由运算放大器构成的数学运算电路是运放线性应用电路之一。1、反相比例运算： 在理想条件下，电路的闭环增益为： SfOfSOufURRURRUUA11， 上式可见为比例系数，若当时，则，故电路即变成了RRf1RRf1UUSO 反相器。用来减小输入偏置电流引起的误差。RRRf21/ /图 6-1 反相比例运算电路 图 6-2 反相加法运算电路2、反相加法运算 当运放反相输入端同时加入 23 个输入信号时，在理想条件下，输出电压 fSSSSfSf

23、SfORRURURUURRURRURRU3322113322113、差分运算： 在运放的反相端和同相端同时分别输入 US1和 US2信号；在理想条件下 12123111232311.SSfOfSfSfOUURRURRRRURRURRRRRRU时，若令 故此电路又称减法器。 图 6-3 差分运算电路 图 6-4 基本积分运算电路4、基本积分运算： 将积分信号输入到运放的反相端，在理想条件下，如果电容的初始电压为零则： ，式中要求 RC,T 为输入信号的周期。tRCUdtURCUSSO12TSU 在积分电路中，为了限制失调电压给电容充电，可以接入直流反馈电阻。如果运算放大器的失调电压很小，那么不接

24、直流反馈电阻也能正常工作。5、基本微分运算： 如果将反馈元件换为电阻，而输入端电阻换为电容，即积分电路的电阻、电容互换位置，就构成了微分电路，输出电压与输入电压之间的微分关系为： ，式中要求 RC，T 为输入信号的周期。OUdtdURCS2TSU 这种微分器有两个缺点：一是高频时易于自激，这是因为放大倍数随着角频率的上升，增益越来越大。二是输入电阻随着的不断上升而越来越小，因而增大了信号源的负担。解决的办法是在输入端串联一个电阻。做此实验特别要注意消除高频自激。图 6-5 基本微分运算电路6、电压/电流转换电路当长距离传送模拟电压信号时，由于通常存在信号源内阻、传送电缆电阻及受信端输入阻抗，它

25、们对于信号源电压的分压效应，会使受信端电压误差增大。为了高精度地传送电压信号，通常会将电压信号先变换为电流信号，即变换为恒流源进行传送，由于此时电路中传送的电流相等，故不会在线路阻抗上产生误差电压。基本电压、电流转换电路有以下两种：(1)反相型电压/电流转换电路（图 6-6）图 6-6 反相型电压/电流转换电路图 6-7 反相型电压/电流转换电路的转换特性待转换的信号电压 US经过电阻 R1接到运放的反相端，负载 RL接在运放的输出端与反相端之间。由于运放的反相输入端存在“虚地”及净输入端存在“虚断” ，故IL=I1=。1RUS可见，负载 RL上的电流 IL正比于输入电压 US。同时，这一转换

26、电路属于电流并联负反馈电路，其闭环跨导放大倍数 1/ R1即为转换电路的转换系数。这一电路的转换特性如图 6-7 所示。必须指出，为实现线性电压/电流转换，应满足ILIoM 及UO= ILRLVoM 即US1RRVLoM(2)同相型电压/电流转换电路（图 6-8）图 6-8 同相型电压/电流转换电路图 6-9 同相型电压/电流转换电路的转换特性由“虚短”和“虚断”原理知IL =1RUS其转换特性见图 6-9。该电路属于电流串联负反馈电路，电路的输入电阻极高，其闭环跨导增益 1/ R1即为转换电路的转换系数。同样，为实现线性电压/电流转换，必须满足ILIoM 及UO= IL(RLR1)VoM6、

27、电流/电压转换电路当使用电流电压变换型传感器（如硅光电池）的场合，将传感器输出的信号（电流的变化）转换成电压信号来处理是极为方便的。这一类电路就是电流/电压转换电路（如图 6-10） 。显然，转换输出电压为UO= IoRf它正比于信号电流 Io，当需要将微小的电流（如 uA 级）转换为电压时，必须选用具有极小输入偏置电流、极小输入失调电流及极高输入阻抗的运放（如 MOSFET或 JFET 输入型的运放） ，同时，在实际电路装配中，必须采取措施，尽量减小运放输入端的吧漏电流。 图 6-10三、实验内容：1、按图 6-11 安装运放调零电路，在输入端接地时调节 W 使 uO=0。图图 6-11 调

28、零电路调零电路2、按下列表达式设计计算电路元件参数：1 反相比例运算： 在 US=0.2V 直流信号时，比例系数分别为 2、3、10。 反相加法运算： 直流信号。，VUVUVUUUUUSSSSSSO0 . 15 . 02 . 0321321321 减法运算：123SSOUUU 输入直流信号可在加法运算三组信号中任取二组。 积分运算： 的正弦和KHzfVUdtERCUdtURCUSiOSO1,5 . 011），（矩形波信号。 微分运算： ， ，1的正弦和矩形信号。OUdtdURCSSU5 . 0VfZKH3、利用运放电源12V，设计符合比例，加、减法运算的直流信号源。4、在实验板上分别安装调试比

29、例、加、减运算电路，并将求取的运算结果与设计数值进行比较。5、用示波器观测积分运算、微分运算的输入、输出波形，绘制幅值、相位对应关系图。6、用 LM741 组成一个同相型电压/电流转换电路，并完成表 6-1 中所列数据的测量。推荐实验电路如图 6-12 所示。表 6-1电压/电流转换数据图 6-12实验参考图四、预习要求：1、了解 F741 运算放大器的性能参数，设计比例、加、减、积分运算及微分运算电路，计算电路的元件参数值和输出电压 UO的数值。2、当用示波器观察积分输入、输出信号时，会发现波形不稳定，怎样才能使波形稳定下来。五、思考题：1、分析基本运算电路输出电压的误差产生的原因，如何减小

30、误差。2、在分析加法、减法、微分、积分运算电路时，所依据地基本概念是什么？基尔霍夫电流定律（KCL）是否得到应用？如何导出输入与输出之间的关系？六、实验器材电子学综合实验装置 DZX-2 型 1 台面包板1 块万用表 MF10 型1 只交流毫伏表SX2172 型1 只双踪示波器DS1000(YB40320)型1 台集成运算放大器7412 只USRLIL(测量值)IL(计算值)1K10K0.5V30K1K10K1.0V30K1K10K3.0V30K实验七实验七 集成运算放大器的基本应用（集成运算放大器的基本应用（二）二） 波形产生电路波形产生电路一、实验目的：1、了解集成运算放大器在信号产生方面

31、的广泛应用。2、掌握由集成运算放大器构成的正弦波发生器、方波三角波发生器、锯齿波发生器的电路组成及工作原理。3、掌握上述波形产生电路的设计和调试方法以及振荡频率和输出幅度的测量方法。二、实验原理： 集成运算放大器是高增益的直流放大器。在它的输入和输出之间施加线性和非线性正反馈或正负反馈结合，不需要外加输入信号而自行产生各种不同的信号输出，如正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波、阶梯波等。三、电路设计要求、设计一种用集成运算放大器组成的文氏电桥正弦波发生器实验电路。已知电源电压为12，振荡频率o=3KHz。设计、计算、选择器件型号和参数，画出完整、正确的实验电路图。、设计一种用集成运放等器件组成

32、的方波和三角波发生器实验电路。已知运放电源为12，振荡频率为 100500Hz 可调，方波和三角波输出幅度分别为6，3，误差均为10。设计、计算、选择器件型号和参数，画出完整、正确的实验电路。四、实验内容1、正弦波发生器实验电路的调试(1)设计计算o=3KHz 的 RC 文氏电桥正弦振荡器；(2)根据设计的 RC 文氏电桥正弦振荡电路及其元器件数值在实验板上安装电路，调节RP使振荡器工作，用示波器测量在 uo不失真的情况下，测量输出电压 uo和频率o，并与设计计算数值进行比较，分析产生误差的主要原因。(3)测画出正弦波，并标注周期和正负幅值。2、方波和三角波发生器实验电路的调试(1)正确组装所

33、设计的方法和三角波发生器的实验电路；(2)排除实验故障，使电路振荡输出方波和三角波，并调节 RP使波形周期为 5ms ；(3)测画出方波和三角波，并标注周期和各自的正负幅值；(4)调节 RP，测出 Tmax和 Tmin的值，并计算出max=和min=的值，然后与理min1Tmax1T论值进行比较，分析产生误差的主要原因。五、预习要求：1、预习正弦波、方波和三角波发生器的工作原理。2、根据设计要求，完成正弦波、方波和三角波实验电路的设计。六、思考题：、若用李萨育图形法测量 RC 文氏电桥正弦振荡器振荡O，如何将示波器和实验电路相连接，画出接线图。、在方波、三角波发生器实验中，要求保持原来所设计的

34、频率不变，现需将三角波的输出幅值由原来的 3V 降为 2.5V，最简单的方法是什么？七、实验器材电子学综合实验装置 DZX-2 型 1 台面包板1 块万用表 MF10 型1 只交流毫伏表SX2172 型1 只双踪示波器DS1000(YB40320)型1 台集成运算放大器7411 只电阻、电容若干实验八实验八 集成运算放大器的基本应用（三）集成运算放大器的基本应用（三） 有源滤波器有源滤波器一、 实验目的（1）进一步理解由运放组成的有 RC 有源滤波器的工作原理；（2）熟练掌握二阶 RC 有源滤波器的工程设计方法；（3）掌握滤波器基本参数的测量方法；（4）进一步熟悉 Multisim 高级分析命

35、令的使用方法。二、实验原理在电子系统中，输入信号往往包含有一些不需要的信号成分，如果欲将不需要的信号衰减到足够小的程度，而将需要的信号挑选出来可采用滤波器的方法。滤波器实际上是一种选频电路，它是一种使有效频率信号通过，而同时抑制(衰减)无用频率信号的电子电路。由运算放大器和 R、C 组成的有源滤波器，其频率将受运放带宽的影响。滤波器根据幅频特性或相频特性的不同可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。其各自的幅频特性如图 8-1 所示，其中为最大通带增益。vpA图 8-1 各类滤波器幅频特性1、 二阶低通有源滤波器（1）简单二阶低通有源滤波器 图 8-2 所示为一简单的二阶低通有源

36、波器的电路，其主要性能如下：图 8-2 简单二阶低通有源滤波器 通带电压放大倍数二阶 LPE 的通带电压放大倍数就是频率时的输出电压与输入电压之比，因0f此也就是同相比例放大器的增益 fFofRRA1 传递函数 20)(31)()()(sCRsCRAsVsVsAio 通带截止频率 RCfp237. 0 幅频特性图 8-3 为图 8-2 所示电路的幅频特性，从图可看出，二阶在时衰LPF0ff 减的斜率为倍频。10/40dB图 8-3 简单二阶低通有源滤波器的幅频特性（2）单端正反馈型二阶低通滤波器（Sallen-Key LPF）简单二阶 LPF 虽然在时其幅频特性的衰减斜率较大，但在附近的幅0f

37、f 0f频特性和理想的 LPF 特性差别较大，即在附近，幅频特性曲线已经开始下降，0ff 而在处它的下降斜率还不够大。单端正反馈型二阶低通滤波器可以克服这个缺点。0f图 8-4 为典型的单端正反馈低通滤波器电路，图中将接地端改接到输出端形成反馈1C以改善在附近的滤波器的性能。因为在且接近于 1 的范围内，和1010oV相位差小于 90，起正反馈作用，因而有利于提高这段范围内的输出幅度，而iV1C在此频带外，即时，和基本反相，起着促进带外衰减的作用。当10oViV1C,时，其主要电路性能如下：RRR21CCC21RCf1200 通带电压放大倍数 ;fFofRRA1 传递函数 200)()3(1)

38、(sCRsCRAAsA上式表明，该电路的放大倍数应该小于 3，否则将有极点处于右半平面或虚轴上，电路不能稳定工作。 品质因数当时，电压放大倍数的模和通带放大倍数的比称为滤波器的品质因数，0ff 记作 Q。对于图 8-4 所示电路而言，其值是 031AQ电路的幅频特性曲线如图 8-5 所示，不同 Q 值将使幅频特性具有不同的特点。图 8-4 单端正反馈型低通滤波器电路图 8-5 单端正反馈型低通滤波器幅频特性2、高通有源滤波器将二阶低通滤波电路中的 R 和 C 的位置互换，就构成了如图 8-6 所示的典型的单端正反馈型二阶高通滤波电路。当，时，其主要电路性能RRR21CCC21如下：（1）通带电

39、压放大倍数同二阶 LPF，即fFfRRA10（2）传递函数202)()3(1)()(sCRsCRAsCRsA（3）品质因数031AQ 电路的幅频特性曲线如图 8-7 所示，不同 Q 值将使幅频特性具有不同的特点。图 8-6 单端正反馈型高通滤波器电路图 8-7 单端正反馈型高通滤波器幅频特性3、二阶带通滤波器只要将二阶 LPF 中的一阶 RC 电路改为高通接法，就构成了二阶 BPF。如图 8-8所示电路就是典型的单端正反馈型二阶带通滤波电路。当，RRRR221，时，其主要电路性能如下：CCC21RCf1200图 8-8 二阶带通滤波器电路（1）传递函数 fofAsCRsCRAsCRsA02)(

40、)3(1)(其中为同相比例放大电路的电压放大倍数。fFfRRA10（2）中心频率和通带放大倍数 RCf210 ffAAA0003（3）通带截止频率和通带宽度 )3(4)3(2)3(4)3(20200202001ffpffpAAffAAff )2()3(0012fFfppRRfAffBW可见，改变电阻或就可以改变通带宽度，但并不影响中心频率。FRfR（4）品质因数 QBPF 的 Q 值是中心频率与通带宽度之比，为： fAQ031电路和幅频特性曲线如图 8-9 所示，不同 Q 值将使幅频特性具有不同的特点，Q 值越大，通带宽度越窄，选择性也越好。图 8-9 二阶带通滤波器幅频特性4、带阻滤波电路如

41、图 8-10 所示电路就是典型的单端正反馈型二阶带阻滤波电路。当，时，主要电路性能如下：RRR21CCC21RCf1200图 8-10 二阶带阻滤波器电路（1）通带电压放大倍数 fFRRA10（2）传递函数 022)()2(211)(AsCRsCRAsCRsAo（3）中心频率 RCf210（4）通带截止频率和阻带宽度 0020200201)2(1)2()2(1)2(fAAffAAfpp 0012)2(2fAffBWpp（5）品质因数 QQ 值是中心频率与阻带宽度之比，为)2(210AQ电路的幅频特性曲线如图 8-11 所示。图 8-11 二阶带阻滤波器幅频特性5、LPF 设计实例要求设计一个

42、LPF，其截止频率为 1KHz，Q 值为 0.7，处的衰减速率不0ff 低于倍频。10/30dB首先，因为要求处的衰减速率不低于倍频。确定滤波器的阶0ff 10/30dB数为 2；然后根据的值选择电容 C 的值，一般来讲，滤波器中电容的容量要小于0f，电阻的值至少要求级。假设取F，则根据F1k1 . 0CRCf210即 KHzRf1101 . 02160可求得1592R最后再根据 Q 值求和，因为，即，又fRFR7 . 0Q7 . 0310 A57. 10A因为集成运放要求两个输入端的外接电阻对称，可得 RRRRRRRfFfF2/57. 11求得 ：，。kRf547.17kRF10三、实验内容

43、1、低通滤波器（1）自行设计一低通滤波器，截止频率，处的衰减速kHzf30, 7 . 0Q0ff 率不低于倍频。10/30 dB（2）根据设计元件值，在 Multisim 中画出电路，其中运算放大器采用 741，该运算放大器存放在模拟器件库(Analog)中。选择 Analog 库中的第一个 OPAMP 标签，弹出如图 8-12 所示界面。在左侧 Component Name List 中选择 741。该运放的电源电压可以由电池组来提供，我们在实验中选用的电源电压。V12图 8-12 运算放大器型号选择窗口（3）频率特性分析选择 Simulate 菜单下 Analyses 菜单项下的 AC A

44、nalysis 子菜单，弹出如图 8-13 所示窗口。将 Start frequency 设为 1Hz，Stop frequency 设为 10kHz,Sweep type 设为Decade（即幅频特性的横坐标是对数坐标） ，Number of points 设为 1000（即电路仿真时每 10 倍频取 1000 个采样点） ，Vertical scale 设为 Decibel（即幅频特性的纵坐标是dB） ，将电路输出端的节点号加到 Node for analysis 中。点击 Simulate 按钮进行频率特性分析。图 8-13 AC Frequency Analysis 参数设置窗口（4）

45、从分析所得的幅频特性曲线中找出截止频率，检查是否符合设计指标要求，若不满足要求，调整元器件的值，直到满足要求为止。（5）在幅频特性曲线上读出 4kHz 和 8kHz 所对应的分贝数，检查是否满足处的衰减速率不低于 30 dB/10 倍频的要求。0ff （6）将电路中的由输出端改为接地，重复前面的分析，比较两者的区别，并进行1C分析讨论。（7）观察 Q 值变化对幅频特性的影响，将反馈电阻改为，重复前面的分FFRR2析，描下波形，观察两者的区别，并进行分析讨论。（8）观察 R、C 值变化的影响，改变、的电阻值使，测量的变化1R2R1 . 0RR0f是否符合。RRff002、高通滤波器设计一个高通滤

46、波器，要求，且的幅度衰减不低于03fKHz05 . 0ff 12dB，这可重复低通滤波器的有关内容。3、带通滤波器（1）按图 8-8 的电路图所示，在 Multisim 中画出带通滤波器电路。（2）测量其频率特性曲线，定出中心频率、上限频率、下限频率、带宽和 Q 值，并和理论值相比较。（3）将 RF值改为 43k、51k，分别测量其带宽变化情况。4、二阶带阻滤波器实验内容和带通滤波器相同。该实验也可以采用面包板连接电路的方法来完成，若用此方法，可选做其中的两项内容来完成。四、预习要求（1）复习电子线路课中有关有源波器的内容，掌握实验电路的基本工作原理。（2）根据实验内容要求，事先设计好各个滤波

47、电路，计算出 R、C 的值，并拟定调整步骤。（3）根据图 8-8 和图 8-10 计算出带通、带阻滤波器的中心频率、上限频率、下限频率、带宽和 Q 值，以供和实验值相比较之用。（4）复习 Multisim 软件的有关内容。五、实验报告要求（1）画出实验内容中各滤波器的设计电路图，并标出元件值。（2）记录仿真结果，比较实测值和理论值，并加以分析讨论。六、思考题（1）试分析集成运放有限的输入阻抗对滤波器性能是否有影响？（2）BEF 和 BPF 是否像 LPF 一样具有对偶关系？若将 BPF 中起滤波作用的电阻与电容的位置互换，能得到 BEF 吗？（3）传感器加到精密放大电路的信号频率范围是 400

48、Hz10Hz，经放大后发现输出波形含有一定程度的噪声和 50Hz 的干扰。试问：应引入什么形式的滤波电路以改善信噪比，并画出相应的电路原理图。七、实验仪器与器材计算机（内装 Multisim 软件） 1 台交流毫伏表SX2172 型1 只双踪示波器DS1000(YB40320)型1 台集成运算放大器7411 只面包板1 块电阻、电容若干实验九实验九 集成运算放大器的基本应用（四）集成运算放大器的基本应用（四） 电压比较器电压比较器一、实验目的：1、学习过零比较器和滞回比较器的特点；2、掌握不同比较器的应用及门槛电平（阈值）的计算方法；3、学习具有特定门槛电平的比较器的设计方法。二、实验原理：

49、电压比较器是一种能进行电压幅度比较和幅度鉴别的电路，当它的输入电压变化经过某一个或二个比较电平时，其输出电压将发生由一个状态翻转到另一种状态的突变。因此，输出电压状态可标志其输入电压是否经过比较电平。图 9-1 过零比较器 图 9-2 迟滞比较器 输出电压的两种状态分别称：输出高电平(UOH)和输出低电平(UOL)。电压比较器有二个输入端，一般情况下一个输入端输入被比较的模拟信号 Ui，另一个输入端加的是比较电平 UR。 过零比较器如图 9-1 所示，由于其比较电压等于零，即将参考电压的端点接地(U+=0)，当 Ui信号的变化经过零时，(即 U-=0)输出电压从一个电平跳到另一个电平。因此，称

50、过零比较器。 迟滞比较器如图 9-2 所示。电路中 R2与 R构成正反馈网络，R2数值越大，R越小正反馈越强。由于正反馈存在，比较电压不仅取决于 UR，而是由 UR和 UO共同形成比较电压 UP： OfRffPURRRURRRU222故输出电压 UO的两个可能值为：UUUUOPZD式中 UZ为一个稳压管的稳压值，UD为另一稳压管的正向压降。故 UURRUUORfZD12可见迟滞比较器有二个输出电压和二个比较电压。二个输出电压：UURRUUOHRfZD12 UURRUUOLRfZD12二个比较电压：UURRUUHTRfZD2 UURRUULTRfZD2式中 UHT称上比较电压，ULT称下比较电压

51、。二个比较电压之差称迟滞电压，用 UH表示，UH=UHT-ULT。 图 9-3 过零比较器电路 图 9-4 迟滞比较器电路三、实验内容：1、将过零比较器电路安装在实验板上，接通12V 电源，将 Ui=3V，=1KHz 的正弦信号接入输入端，用示波器同时观测 Ui和 UO的波形，绘制幅值相位关系图。2、设计一个电压比较器电路，其 UHT10V，ULT6V；3、选择合适的正弦输入电压，加至所设计的比较器电路的输入端，测量并绘制输入、输出电压波形及电压传输特性。四、预习要求：1、复习电压比较器的电路结构、工作原理及电压传输特性；2、设计满足实验要求的控制电路、选择元件参数，拟定实验方案及步骤。五、思

52、考题：1、试推导具有滞回特性的同相输入电压比较器的 UHT、ULT的计算公式。六、实验器材电子学综合实验装置 DZX-2 型 1 台面包板1 块万用表 MF10 型1 只交流毫伏表SX2172 型1 只双踪示波器DS1000(YB40320)型1 台实验十实验十 集成功率放大集成功率放大器应用器应用一、实验目的（1）通过对低频集成电路放大器电路设计、安装和调试，掌握 OTL 功率放大器的工作原理；（2）掌握低频线性集成组件的正确选用和外围电路元件参数的选择方法；（3）掌握集成低频功率放大器特性指标的测量方法。二、实验原理在一个多级放大电路中通常包括输入放大器、电压放大器和输出放大器三部分。输入

53、放大器的主要任务是接受传感器输出的小信号，通常要求输入放大器在具有电压放大能力的同时还具有高输入电阻、高抗干扰能力和低噪声。电压放大器的主要任务是不失真地增大输入电压的幅度。输出放大器的主要任务是驱动末级负载。负载是多种多样的，负载电阻的阻值越小，负载越重，例如，扬声器等。这就要求放大器能输出一定的信号功率，通常称这样的输出放大器为功率放大器。功率放大器的主要任务是在信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，主要技术指标是输出输出功率、效率、非线性失真等。所以在应用功率放大器，选取外围器件参数时，应主要考虑以下几个问题：（1）输入功率尽可能地大；（2）效率要高，功放管一般工作在甲乙类或乙类工作

54、状态；（3）非线性失真要小，应根据工程上不同的应用场合满足不同的要求；（4）热稳定性好，即解决好管子或组件的散热问题。LM386 为单直流电源供电的普通音频功率放大器，常用于袖珍式收音机、磁带收音机，其等效原理示意图如图 10-1 所示。等效原理示意图并不是真实的电路图，而是为了使用者了解集成电路的原理，从而正确地设计外围电路而画出的等效原理电路。LM386 由输入级、中间级和输出级三部分组成。三极管 Q1Q4 构成复合管差动输入级，Q5，Q6 构成的镜像电流源作为差动放大器的集电极有源负载。输入级的单端输出信号由 Q4 的集电极传送至由 Q7 组成的中间级，该级是以恒流源为集电极负载的共射级

55、放大器。Q8，Q9，Q10 和 D1，D2 组成通常的甲乙类互补对称输出级。Q9，Q10 等效于一个 PNP 型管，这是考虑到集成电路中的 PNP 管的电流放大系数较低，故用复合管提高电流放大系数。D1，D2 为输出级提供适当的偏压，以克服交越失真，保证电路工作在甲乙类工作状态。差动输入级的静态工作电流，分别由输出端经 R3和电源正端通过电阻 R7和 R6来供给。 “6”端为直流偏置电压 VCC端， “5”端为输出端，其静态电压为 VCC/2，Q3发射极静态电流与 Q4 发射极静态电流相等，差动输入级电路左右对称。所以，差动输入级有较高的 CMRR。图 10-1 LM386 等效原理示意图通常

56、，功率放大器的信号源内阻并不大，所以在差动输入级的两个输入端对地接了 50k电阻，以减小输入电阻，这对输入信号的衰减可忽略，但可减少接收高内阻共模干扰，从而减少输出端的共模干扰。输入级和中间级因为用恒流源做集电极负载，所以具有很高的电压放大倍数，因此可引入级间负反馈，以大大改善电路的性能。反馈支路由 R3和 R4，R5组成。若将差动输入级用一对称轴（虚线）划分两半，则阻值 R=(R4+R5)/2=750处为等效差模交流地电位点。用瞬时极性法可以判断，所引入的是电压串联负反馈，其反馈系数为：FV =R / (R3+R)。这样就能维持电压放大倍数恒定。输入信号可以从两端输入，也可以从单端输入。若电

57、路“3”端为输入， “4”端接地，则 LM386 的电压放大关系可等效为图 10-2，为同相输入电压放大器。若“1” ， “8”端交流开路，其交流放大倍数约为21113RRFAvv若“1” ， “8”端接 10F 电容，可近似“1” ， “8”端短路，其电压放大倍数约为20121152RRFAvv对图 10-3 中的电容 C3的作用表述如下。若不接 C3，对于交流信号，在图 10-1中， “6”端接 VCC，VCC内阻通常小于 1，因此可近似认为交流信号从 Q3发射极经R6，R7两个 15k电阻到地；输出负载通常为几至几十，因此可近似认为交流信号从 Q4发射极经 R3一个 15k电阻到地；所以

58、差动输入级对于交流信号是严重不平衡的。C3后，对于直流没有作用，对于交流使 Q3，Q4到地的电阻值近似相等，从而使差动输入级能正常放大差模信号和抑制共模干扰。图 10-2 LM386 等效放大电路图 10-3 集成功率放大电路三、实验内容：实验电路如图 10-3 所示。注意，为保护集成块，减少损坏，输入电压有效值不得超过 100mV。（1）按图 10-3 连接电路。电源电压 VCC12V，输入信号有效值 Vi50mV，开关 K 断开，不接负载，改变输入信号的频率，测量功放的幅频特性，自拟表格记录数据，并绘制幅频特性曲线。（2）接上负载 RL8的喇叭，重复（1）中的实验步骤。将（1） 、 （2）

59、中得到的幅频特性曲线绘制在同一张图上。（3）VCC12V，f1kHz，开关 K 断开，不接负载，改变输入电压（特别注意，输入电压不得超过 100mV，否则可能损坏 LM386） ，测量功放的输入输出特性曲线。建议按表 10-1 测量。(4)接负载 RL8的喇叭，重复（3）中的实验步骤。将（3）和（4）中得到的输入输出特性曲线绘制在同一张图上。建议按表 10-1 进行测量。表 10-1 测量输入输出特性曲线输入 Vi10mV20mV30 mV 40 mV 50 mV 60 mV 70 mV 80 mV 90 mV空载输出（V）接载输出（V）（5）取 VCC5V，9V，12V，f1kHz，有效值

60、Vi50mV，测量并估算功放的输出交流功率 P，直流电源消耗功率 PV（忽略 LM386 中电压放大电路的功耗，仅计及功率放大电路的功耗）和效率。对于正弦信号，在正半周 Q8导通，Q9，Q10组成的复合管截止，Q8集电极上的功耗为)(22108tdRvvVPLooCCQLomomCCtdRtVtVV0)(sinsin221)(sinsin22102tdtRVtRVVLomLomCC4212omomCCLVVVR在负半周 Q8截止，Q9，Q10组成的复合管导通，复合管等效集电极上的功耗。负载在一个周期中得到的功率为8109QQPPLormsLomoRVRVP222其中 Vom为正弦信号的幅值，V