【2019年整理】实验一运算放大器的基本应用(吴健雄)最终版

1、实验一运算放大器的根本应用一、根本信息实验时数：6+3学时实验时间：第4-5周完成,报告提交：第6周内提交实验报告实验检查：实验验收,提交实验报告二、实验内容1. 根本要求：内容一：反相输入比例运算电路各项参数测量实验预习时,查阅UA741运放的数据手册,自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数,解释参数含义.图1.1中电源电压±15V,Ri=10kQ,Rf=100kQRl=100kQ,Rp=10k/100kQ按图连接电路,输入直流信号Ui分别为一2V、一0.5V、0.5V、2V,用万用表测量对应不同Ui时的Uo值,列表计算Au并和理论值相比拟.其中Ui通过电阻分压电路产生.（

2、2） Ui输入0.2V有效值、1kHz的正弦交流信号,在双踪示波器上观察并记录输入输出波形,在输出不失真的情况下测量交流电压增益,并和理论值相比拟.注意此时不需要接电阻分压电路.3输入信号频率为1kHz的正弦交流信号,增加输入信号的幅度,测量最大不失真输出电压值.加重负载减小负载电阻Rl,使Rl=220Q,测量最大不失真输出电压,并和Rl=100kQ数据进行比拟,分析数据不同的原因.提示：考虑运算放大器的最大输出电流.4用示波器X-Y方式,测量电路的传输特性曲线,计算传输特性的斜率和转折点值.5电源电压改为=d2V,重复3、4,并对实验结果结果进行分析比拟.6保才IUi=0.1V不变,改变输入

3、信号的频率,在输出不失真的情况下,测出上限频率储并记录此时的输入输出波形,测量两者的相位差,并做简单分析.7将输入正弦交流信号频率调到前面测得的fH,逐步增加输入信号幅度,观察输出波形,直到输出波形开始变形看起来不象正弦波了,记录该点的输入、输出电压值,根据转换速率的定义对此进行计算和分析,并和手册上的转换速率值进行比拟.8输入信号改为占空比为50%的双极性方波信号,调整信号频率和幅度,直至输出波形正好变成三角波,记录该点输出电压和频率值,根据转换速率的定义对此进行计算和分析这是较常用的测量转换速率的方法.（9） Rf改为10kQ,自己计算Rp的阻值,重复67.列表比拟前后两组数据的差另L从反

4、相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之进行分析.并总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响.内容二：设计电路满足运算关系Uo=-2Ui+3U2预习时设计好电路图,并用Multisim软件仿真,Un接入方波信号,方波信号从示波器的校准信号获取模拟示波器Ui1为1KH办1V峰峰值的方波信号,数字示波器Ui为1KHz、5V峰峰值的方波信号,也接入5kHz,0.1V峰峰值的正弦信号,用示波器观察输出电压Uo的波形,画出波形图并与理论值比拟.实验中如波形不稳定,可微调U2的频率.2. 提升要求：1duf10000dt设计一个比例-积分-微分运算电路.满足运算公式1uo(t)

5、=-(1100u(t)dt100写出具体的设计过程,比例、积分、微分的系数可以有所不同,请考虑不同的系数对设计输出有何影响？3. 创新要求：运用放大器的线性特性自行设计一个有意义的电路.三、实验要求1. 设计反向比例放大电路,计算电路中各元件参数.2. 在Multisim软件平台中对所设计的电路作仿真,调整参数.其中阻容元件参数必须符合电阻、电容参数标准.3. 在面包板上搭试、调试电路.4. 测量反向比例放大电路的各项参数,包括增益、幅频特性、传输特性曲线、带宽的测量方法.5. 用运算放大器设计反相比例、同相比例、加法、减法、积分、微分等电路的方法及实验测量技能.四、设计指导1. 电压增益电压

6、放大倍数Au测量方法电压增益是电路的输出电压和输入电压的比值,包括直流电压增益和交流电压增益.实验中一般采用万用表的直流档测量直流电压增益,测量时要注意表笔的正负.交流电压增益测量要在输出波形不失真的条件下,用交流毫伏表或示波器测量输入电压Ui有效值或Uim峰值或Uip-p峰-峰值与输出电压Uo有效彳1或Uom峰值或Uop-p峰-峰值,再通过计算可得.测试框图如图1.2所示,其中示波器起到了监视输出波形是否失真的作用.图1.2电压增益电压放大倍数Au测量2. 用示波器测量电压传输特性曲线的方法双端口网络的输出电压值随输入电压值的变化而变化的特性叫做电压传输特性.电压传输特性在实验中一般采用两种

7、方法进行测量.一种是手工逐点测量法,另一种是采用示波器X-Y方式进行直接观察.手工逐点测量法：可以在输入端加一个输入信号,逐步改变输入端电压,每改变一次记录一个输出电压值,最后把所有测量所得数据记录在坐标纸上,所有的点连接起来就是电压传输特性曲线.这种测量方式最大的优点是设备简单,只要有信号源和电压表就可以了,缺点是繁琐,同时由于是取有限的点进行测量,有可能丧失比拟重要的信息点,所以测量精度有限.示波器X-Y方式直接观察法：是把一个电压随时间变化的信号如：正弦波、三角波、锯齿波在加到电路输入端的同时加到示波器的X通道,电路的输出信号加到示波器的Y通道,利用示波器X-Y图示仪的功能,在屏幕上显示

8、完整的电压传输特性曲线,同时还可以测量相关参数.测量方法如图1.3所示.图1.3电压传输特性曲线测量具体测量步骤如下：(1)选择合理的输入信号电压,一般与电路实际的输入动态范围相同,太大除了会影响测量结果以外还可能会损坏器件；太小不能完全反响电路的传输特性.(2)选择合理的输入信号频率,频率太高会引起电路的各种高频效应,太低那么使显示的波形闪烁,都会影响观察和读数.一般取50500Hz即可.(3)选择示波器输入耦合方式,一般要将输入耦合方式设定为DC比拟容易无视的是在X-Y方式下,X通道的耦合方式是通过触发耦合按钮来设定的,同样也要设成DG(4)选择示波器显示方式,示波器设成X-Y方式,对于模

9、拟示波器,将扫描速率旋钮逆时针旋到底就是X-Y方式；对于数字示波器,按下“Display按钮,在菜单项中选择X-Y.(5) 进行原点校准,对于模拟示波器,可把两个通道都接地,此时应该能看到一个光点,调节相应位移旋钮,使光点处于坐标原点；对于数字示波器,先将CH1通道接地,此时显示一条竖线,调节相应位移旋钮,将其调到和Y轴重合,然后将CH1改成直流耦合,CH2接地,此时显示一条水平线,调节相应位移旋钮,将其调到和X轴重合.3. 参数定义(1)开环带宽BW集成运放的开环电压增益下降3dB(或直流增益的0.707倍)时所对应的信号频率称为开环带宽.(2)单位增益带宽GW集成运放在闭环增益为1倍状态下

10、,当用正弦小信号驱动时,其闭环增益下降至0.707倍时的频率.当集成运放的频率特性具有单极点响应时,其单位增益带宽可表示为GW=Auf式中,Au是当信号频率为f时集成运放的实际差模开环电压增益值.(3)转换速率(或电压摆率)SR在额定的负载条件下,当输入阶跃大信号时,集成运放输出电压的最大变化率称为转换速率.通常,集成运放手册中所给出的转换速率均指闭环增益为1倍时的值.实际集般集成运放反相和同相应用时的转换速率是不成运放的转换速率与其闭环增益无关,一样的.全功率带宽BWP在额定负载条件下,集成运放闭环增益为1倍时,当输入正弦大信号后,使集成运放输出电压幅度到达最大时的信号频率,即为功率带宽.此

11、频率将受到集成运放转换速率的限制.一般可用近似公示估算SR和BWP之间的关系SRBWP)2二Uop式中UOP是集成运放输出的峰值电压.4. 比例、积分、微分电路在工程中的应用在实验内容提升要求中,仅仅是完成了一个含有比例、积分、微分的运算电路,但在实际工程应用中,特别是闭环限制系统中,比例、积分、微分电路各自承当不同的用运算表达式表示图1.4为：u(t)=Kpe(t)+Je(t)dt+TD史&)pTiodt式中K»Ti、Td分别为比例、积分、微分系数,e(t)=r(t)-c(t)比例环节：即时成比例地反响限制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,调节器立即产生限制作用以减小偏

12、差.积分环节：主要用于消除静差,提升系统的误差度,积分作用的强弱取决于积分时间常数.Ti越大,积分作用越弱,反之那么越强.微分环节：能反响偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间.可以通过设计、Ti、Td值满足不同限制对象的需要.五、报告要求1 .实验工程名称.2 .实验内容及要求分析工程的功能与性能指标.3 .电路设计,包括：(1)电路设计思想,电路结构框图与系统工作原理.(2)各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明.(3)电路的仿真与优化.4 .画出完整的电路图,并说明电路的工作原理

13、.5 .制定实验测量方案.6 .安装调试,包括：(1)使用的主要仪器和仪表.(2)调试电路的方法和技巧.(3)测试的数据和波形并与设计结果比拟分析.1. )调试中出现的故障、原因及排除方法.6. 总结(1)阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法.(2)总结设计电路和方案的优缺点.(3)指出课题的核心及实用价值,提出改良意见和展望.(4)实验的收获和体会.7. 列出系统需要的元器件清单.8. 参考文献.六、考核要求1 .考察内容：(1)电路图与原理分析.(2)电路仿真运行结果.(3)硬件电路功能与指标,测试数据与误差分析.(4)实验报告.2 .实验结束需要提交的材料：(1)仿真电路图(2)硬件

14、实物(3)实验报告七、考前须知：1 .要注意运放器件的管脚顺序和电解电容的极性.2 .使用运算放大器时要注意不能超过各项参数的极限值,如最大电源电压、最大输入电压、最大输出电流等.电源电压应预先调到所需的电压值后再接入到实验电路中,同时请注意正负电源的接法.3 .局部实验需要输入可调的直流电压,这可通过由电位器串接电阻组成分压电路来实现,串接固定电阻的目的是限流,防止烧坏器件和电源.4 .仪器和电路的接地：在电路的调试过程中,如果仪器的接地端连接不正确,或者接触不良,会直接影响测量精度,甚至影响到测量结果的正确与否.在实验中直流稳压电源的“地、示波器的“地、函数信号发生器、交流毫伏表的“地都必

15、须和电路的“地连接在一起,否那么会导致信号不正确.5 .运算放大器电路的调试方法(1)在调试UA741应用电路时,一般采用以下步骤(2)检查集成电路插接方向是否正确；(3)测量7脚的电压是否为正电源电压值,4脚的电压是否为负电源电压值；(4)根据电路特性,测量2脚和3脚电压值是否符合理论值.以反相放大器为例,电路中2脚=3脚=0M如果3脚电压不等于0V,一般是同相端外接电路开路,如果2脚和3脚不等,那么有可能是反响电阻没有接好或运算放大器损坏；(5)用万用表测量运放的好坏.主要测正负电源端与其它各引脚之间是否短路,假设无短路那么正确；电路中主要晶体管的PN结电阻值是否正确,应该正向电阻小,反向电阻大.测试时注意,不用小电阻档(如“X1档),以免测试电流过大；也不要用大电阻档(如“X10K档),以免电压过高损坏运放.对于完好的UA741,测试结果应该如表1.1所示,如果测得阻值与表中值相差太多,说明运放的差动