运算放大器在波形变换中的应用

1、运算放大器在波形变换中的应用一、实验目的1、给定一个电路，学会如何分析，并由此设计所需要的电路2、学会EDA仿真3、基于面包板的现实的电路调试，实际情况与EDA仿真结果比有一定出入4、学习运算放大器在三角波、方波等波形变换中的应用二、实验原理及电路分析1、了解用途产生三角波和方波·VO1输出三角波·VO2输出方波2、找出通路从左到右3、化整为零-定性分析二极管和稳压管起限幅作用，稳压管使运放输出限制在稳压管工作电压，将二极管开路，等效电路为：分为：积分电路，两个比较电平的产生和比较器三部分电路所组成。4、分析功能a、比较电路图中，比较器输出端电压VO与输入端电压满足以下关系

2、：VO=K（V+-V-）其中，K为开环放大倍数，通常大于10dB。当V+V-时，VO0；当V+V-时，VO0。电路中输入+端接地，V+=0，所以V-0，VO0；V-0，VO0。因此，当V-在V+附近波动时，输出电压VO将在正负电源电压间跳变。b、积分电路点为虚地点。可得：IR=ViR IC=-CdVOdt IR=ICVO末=VO初=1-RCt1t2Vidt当Vi为常数时，VOt2=-1RCVit2-t1+VO(t1)由此可见，VO是时间的线性函数，当Vi为正电压时，Vo线性减小；当Vi为负电压时，VO线性增加。因此，如Vi为正负绝对值相等的矩形波电压且维持时间t恰当（不至于使运算放大器输出饱和

3、），积分电路输出波形为三角形电压。c、两个比较信号电平的确定（VO1经R2，VO2经R3）VO1是积分电路输出的三角波形电压，VO2是第三个运算放大器输出的矩形波电压。当VO2施加不变的电压时，VO1施加的是线性变化的三角波电压。因此V-存在两个不同的过零电压。计算得：V-=VO1*R3+VO2*R2R2+R3考虑一般性，VO2输出的正电平为Vp，负电平为-VN，则V-过零时刻，VO1两个电平为：Vo1=-R2R3VP VO1=+R2R3VN则，实验各点波形为：d、振荡频率和周期在t0tt1经过分压，积分电路的输入电压Vi为-VN（这里的为分压比，调节W1电位器，可改变），两个比较电平对应积分

4、电路中的初末电压。可得：R2R3VN=R1C1VNT1-R2R3VP从而可得：T1=R2R3（VP+VN）R1C1VN同理，在t1tt2时间内积分电路的输入电压Vi为VP，两个比较电电平仍对应积分电路中的初末电压。可得：T2=R2R3（VP+VN）R1C1VP所以，T1+T2即为三角波的周期化简得：R2R3R1C1(VP+VN)2VNVP可得：1、若VP不等于VN，则T1不等于T2，VO1输出为锯齿波，VO2输出为矩形波；2、若VP等于VN，则T1等于T2，VO1输出为三角波，VO2输出为方波；3、三角波和方波的周期为：T=4R2R3R1C14、当R2=R3时，周期和频率为：T=4R1C1，f

5、=4R1C15、若输出电压VO2被钳制在不同的正负电压值时，可改变输出波形占空比，即VO1将输出锯齿波，而VO2将输出矩形波。5、通观整体积分电路比较电平产生电路比较电路6、性能估算·设计指标 三角波和方波的频率范围0.5KHz2KHz 输出幅度为±6VA、根据输出幅度要求D3、D4可取5V1稳压二极管；取R2=R3，使三角波输出最大电压为5.1V，最小电压为5.1V；D1、D2可取快速二极管1N4148。B、根据频率范围要求f=4R1C1取=1时f=2kHz,若C1取0.01F，则R1=12k；当f=500Hz，C1=0.01F，R1=12k时，=0.25；因此可选W1&

6、gt;3k，R4=1k。选R2=R3=1k三、A7411、特性·短路电流保护·电压调零能力·大范围的差模和共模输入电压·低电源消耗·无闩锁效应2、最大额定值A741CA741IA741M单位输入电压，VCC+182222V输入电压，VCC-18-22-22V差动输入电压，VID±15±30±30V调零段到VCC-的电压降±15±0.5±0.5V输出短路时间无限无限无限操作自然温度范围0至70-40至85-55至125°C储存温度-65至150-65至150-65至150

7、76;C工作60s后表面温度FK封装260°C工作60s距离表面1.6mm导线温度J，JG或U封装600°C工作10s距离表面1.6mm导线温度D，P或PW封装260260°C3、电气参数（除特别指出，均在在25°C自然温度，VCC=±15V）（除特别指出，均在开环下，零共模输入）参数 测试条件 A741CA741C,A741M单位最小标准最大最小标准最大输入偏移电压VIOVO=01615mV偏移电压调整范围VIOVO=0±15±15mV输入偏移电流IIOVO=02020020200nA输入基准电流IIBVO=0805008

8、0500nA共模输入电压范围VICR±12±13±12±13V最大峰值输出电压VOMRL=10K±12±14±12±14VRL10K±12±12RL=2K±10±13±10±13RL2K±10±10大信号差模输入电压震荡AVDRL2K2020050200V/mVVO=±10V1525输入电阻ri0.320.32M输出电阻roVO=07575输入电容CiVIC=VICRmin1.41.4pF共模抑制比CMRRVCC=±

9、9V至±15V70907090dB短路输出电流IOS±25±40±25±40mA源电流ICCVO=0，无负载1.72.81.72.8mA总功率消耗PDVO=0，无负载50855085mW四、实验步骤1、在面包板上按实验原理图，连接电源和信号路线（器件要平铺在面包板上，不能立交状）2、不带电测试：利用万能表二极管档位，测试全线路的通断状况3、接通电源，手感应关键器件（A741）的温度，如果有发烫，则断电检查线路4、若器件工作正常，则用万用表测量电源和典型节点的电压5、接通示波器，观察输出波形，记录数据五、实验结果与数据分析这次试验较为顺利，在连接

10、好电路之后，经过不带电测试和手感应温度测试，期间均工作正常、接通示波器后，屏幕上出现理想的三角波和方波波形。通过调整电位器的分压比，观察三角波和方波的极限工作范围。经测试，波形的频率在458.7Hz到1.96kHz之间。三角波的最小值为-6V，最大值为6.6V；方波电压的最小值为-5.8V，最大值为6.2V。基本符合设计的要求。记录了几个典型波形如图： 稳压管的稳压值为5.1V，但是稳压管正向导通的时候也存在一定的压降，所以方波电压的峰峰值略大于5.1V。达到6V左右。而三角波电压在与方波电压进行比较的时候，由于集成运放作为比较器使用的时候，需要有一定的压降，所以三角波形的峰峰值略大于方波电压

11、的峰峰值。而通过调节电位器所能达到的频率值也基本与计算值相同，符合预期。六、实验结论与体会集成运放在输出三角波和方波的方面性能比较好，波形稳定，通过选取不同的稳压管，电阻和电容，可以将输出电压钳制在一定范围内；可以改变时间常数来改变三角波和方波的周期；可以通过改变方波正向和反向不同的时间常数改变占空比；可以通过串联不同的稳压管改变幅值，同时间接改变占空比。原理简单，电路清楚，扩展广泛，是一个很好的选择。七、作业题分析、设计电路并EDA仿真：1、使得V02的输出电压幅值可变（VP和VN分别可变）2、使得电路的占空比可变3、频率范围提高到200kHz答：VO2的输出电压值VP，VN简单的方法是可以

12、选用不同稳压值的稳压管，通过不同的连接方式配合单刀多掷开关，来达到不同的VP和VN的值，但是此种方法得到的值固定不连续，且需要很多的稳压管。所以选择了另外一种方法，通过两个二极管来筛选出方波的正负两个幅值，输入到正向可调比例的运放中。正向可调比例的运放电路借鉴于21Ic网。原理如图：其中，Ui为输入信号，经过R1和RP连接地，在运放的正段得到第一次的缩小信号，之后经过R和RF同向比例放大电路，得到放大的信号UO，经过比例均可调的一次缩小和一次放大，最终信号的缩小和放大均可达成。Multisim模拟中，将R1和Rp；R和Rf由电位器替代，只需调整两个电位器的比例值，即可得到各种比例。两个幅值各接

13、到一个可调比例正向运放电路中，通过两个电阻使信号不直接短路，接到原电路的位置。这一过程由于经过两个电阻，信号有一定的缩小，三角波的电压幅值，也与方波幅值的比例发生一定的变化，不再满足原来的关系式。同时，通过前边对振荡周期的讨论，VP和VN的不同时改变也会间接改变占空比。但想要得到占空比可变的电路，显然是不能通过此实现的，应该通过改变方波正反向电压的时间常数实现。所以在积分电路的输入端，仍然通过两个二极管，来筛选出方波的正负幅值，原电路的RC中，R=12K，所以仍然通过一个12K的电位器，连接筛选出的正负幅值后，输入到积分器内，这样，在不改变周期的基础下，改变正负不同电压的时间常数，达到改变占空比的目的。实际电路如图：U1,U2,U3为原电路的三个运放，U4,U5为改变方波幅值的两个同向可改变比例运放电路，D5，D6以及电位器R5起到改变波形占空比的作用。此时，示波器波形如图：仅改变R5比例后的示波器图形：仅调整U4连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最高电压）：仅调整U5连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最低电压）：这些改变可以同时发生。满足了作业中1和2的条件。而想使波频率可以达到200kHz，在调整RC的值时，由于方波的上升和下降均需