正弦波电路的设计实验

1、正弦波发生电路的设计实验正弦波发生电路的设计实验集成运算放大器基集成运算放大器基本运算电路实验本运算电路实验集成运算放大器的选择集成运算放大器的选择 对对于性能指标没有特殊要求的一般交流放大，可选通于性能指标没有特殊要求的一般交流放大，可选通用型。如用型。如LM741LM741，LM324LM324，LM348LM348。 作为快速采集的信号放大器，由于采样时的数据为离散作为快速采集的信号放大器，由于采样时的数据为离散的阶跃信号，要求运放具有较高的工作速度，因此，必的阶跃信号，要求运放具有较高的工作速度，因此，必须选用高速型，如须选用高速型，如A715A715，A772. A772. 完成对弱

2、信号的放大，要满足误差小于完成对弱信号的放大，要满足误差小于1 V1 V的要求，的要求，可采用高精度型。如可采用高精度型。如A725A725，OP-27OP-27。 对频率范围很宽的信号放大，应选用宽带型。如对频率范围很宽的信号放大，应选用宽带型。如CF507CF507。 若要求运放输出信号幅值大，可选高压型，如若要求运放输出信号幅值大，可选高压型，如F143F143。 对高阻信号源的输出信号进行放大，可选对高阻信号源的输出信号进行放大，可选LF356LF356。 对于能源有要求的，可选用低功耗型，如对于能源有要求的，可选用低功耗型，如A253A253。 第二代集成运放第二代集成运放CF741

3、接线如图所示。双列直插式集接线如图所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：上逆时针方向排列。管脚功能如下： 集成运放的管脚顺序及功能集成运放的管脚顺序及功能CF741外接线图外接线图接正电源接正电源( (+5+18)V 接负电源（接负电源（-5-18）V为同相输入端为同相输入端（输出信号与输（输出信号与输入信号同相位）入信号同相位）为反相输入端（输出信为反相输入端（输出信号与输入信号反相位）号与输入信号反相位）为空脚为空脚为输出端为输出端脚脚1、4、5外外接调零电位器接调零电位器 LM

4、358 LM358 双运算放大器双运算放大器LM358OUT1 -IN1 +IN1 VeeVcc OUT2 -IN2 +IN21458调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源空脚调零输出正电源空脚OP07调零反相输入同相输入负电源调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源补偿调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源空脚LF351LF35612346578AD518调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源补偿AD545同相输入反相输入负电源调零正电源输出调零补偿LM318CA3140LM358正电源A输出A反相输入A同相输入B同相输入B反相输入C反相输入D反相输入D同相输入C同相输入C输出B输出D

5、输出负电源LM124/224/324 A7 4 1正电源B 输出B反相输入B同相输入A同相输入A反相输入负电源A输出 LM358 LM358 内部包括有两个独立的、高增内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大

6、器的场合。电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 LM358 的封装形式有塑封的封装形式有塑封8 8引线双列引线双列直插式和贴片式。直插式和贴片式。 特性特性(Features):(Features): 内部频率补偿内部频率补偿 直流电压增益高直流电压增益高( (约约100dB) 100dB) 单位增益频带宽单位增益频带宽( (约约1MHz) 1MHz) 电源电压范围宽：单电源电源电压范围宽：单电源(330V)(330V)；双电源；双电源( (1.5 1.5 一一15V) 15V) 低功耗电流，适合于电池供电低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流低输入偏流 低输入失调电压和失调电流低输入失

7、调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大输出电压摆幅大(0 (0 至至Vcc-1.5V) Vcc-1.5V) 一一 实验目的实验目的 通过实验掌握由运算放通过实验掌握由运算放大器构成基本运算电路及大器构成基本运算电路及正弦波振荡电路的原理与正弦波振荡电路的原理与设计方法。设计方法。 集成运放的几个重要参数：集成运放的几个重要参数：(1) (1) 增益带宽积（增益带宽积（GBW)GBW)GBW=GBW=Avd . fAvd . fH H其中，其中，AvdAvd为中频开环增益

8、，为中频开环增益，f fH H为开环上为开环上限截止频率。限截止频率。以以uA741uA741为例，为例，Avd=Avd=100dB100dB即即100000100000倍。倍。f fH H =10Hz ,=10Hz ,GBW=10GBW=10100000=1MHz 100000=1MHz 。即该运放的。即该运放的f fT T= =1MHz1MHz若运放在应用中接成闭环放大电路，若运放在应用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的上限频率其闭环放大电路的上限频率f fHFHF=GBW/A=GBW/AVFVF(2) (2) 压摆率（转换速率）压摆率（转换速率）SRSR 压摆率压摆率SRSR表示运放所

9、允许的输出表示运放所允许的输出电压电压VoVo对时间变化率的最大值。对时间变化率的最大值。对于对于uA741uA741，若将连接成电压跟随器电，若将连接成电压跟随器电路，若输入信号为路，若输入信号为Vin=2VVin=2V， f=f=100KHz100KHz的正弦信号，其输出波形如何？的正弦信号，其输出波形如何？为了要求输出不为了要求输出不失真，则要求输失真，则要求输入信号的应小于入信号的应小于0.8V0.8V。(3) (3) 共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信号）的抑制能力。定义号）的抑制能力。定义

10、Avd Avd 为开环差模增益，为开环差模增益，AvcAvc为开环共模增益。共模抑制为开环共模增益。共模抑制比这一指标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许比这一指标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许多实际场合，存在着共模干扰信号。假设某一放大器多实际场合，存在着共模干扰信号。假设某一放大器的差模输入信号的差模输入信号VidmVidm为为10uV10uV，而放大器的输入端存在，而放大器的输入端存在着着10V10V的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号（差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运（差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多大的

11、共模抑制比呢？放应有多大的共模抑制比呢？设该放大器的输出端的共模电压为设该放大器的输出端的共模电压为Vocm ,Vocm ,则则VocmVocm= =Vicm . AvcVicm . Avc集成运放的电源供给方式集成运放的电源供给方式 集成运放有两个电源接线端集成运放有两个电源接线端+V+VCCCC和和-V-VEEEE，但有，但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。方式，对输入信号的要求是不同的。（1 1）对称双电源供电方式）对称双电源供电方式 运算放大器多采用这种方式供电。相对于运算放大器多采用这种方式供电。相对于（地）

12、的正电源（地）的正电源（+E+E）与负电源（）与负电源（-E-E）分）分 别接于运放的别接于运放的+V+VCCCC和和-V-VEEEE管脚上。在这种管脚上。在这种 方式下，可把信号源直接接到运放的输入上，方式下，可把信号源直接接到运放的输入上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。（2 2）单电源供电方式）单电源供电方式单电源供电是将运放的单电源供电是将运放的-V-VEEEE管脚连接到地上。管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直静态工作点，在运放输入端一定要加入一直流

13、电位，如图流电位，如图1 1所示。此时运放的输出是在所示。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。对于某一直流电位基础上随输入信号变化。对于图图1 1交流放大器，静态时，运算放大器的输交流放大器，静态时，运算放大器的输出电压近似为出电压近似为V VCCCC/2/2，为了隔离掉输出中的，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容直流成分接入电容C C3 3。 运算放大器单电源供电电路运算放大器单电源供电电路VCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLE121212+-32674121212+-32674121212V0

14、V0+Vi+RRAR1C1VccC2VccR1+C1C2RRR2A1MViRf(a)(b)RfC3如何选用反相和同相放大器如何选用反相和同相放大器 反相放大器的优点是：运放不管有无输入信号，反相放大器的优点是：运放不管有无输入信号，其两输入端电位始终近似为零，两输入端之间其两输入端电位始终近似为零，两输入端之间仅有低于微伏级的差动信号（或亦称差模信仅有低于微伏级的差动信号（或亦称差模信号）。而同相输入放大器的两个输入端之间除号）。而同相输入放大器的两个输入端之间除有极小的差模信号外，同时还存在较大的共模有极小的差模信号外，同时还存在较大的共模电压。虽然运放有较大的共模抑制比，但多少电压。虽然运

15、放有较大的共模抑制比，但多少也会因共模电压带来一些误差。如果要求输出也会因共模电压带来一些误差。如果要求输出信号与输入信号反相，则采用反相放大器。信号与输入信号反相，则采用反相放大器。 同相放大器的优点是输入阻抗极高，因此输入同相放大器的优点是输入阻抗极高，因此输入电阻取大取小影响不大，而反相放大器的输入电阻取大取小影响不大，而反相放大器的输入阻抗与输入电阻大小有关。对于内阻较大的传阻抗与输入电阻大小有关。对于内阻较大的传感器则选用同相放大器更为合适。感器则选用同相放大器更为合适。1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈输

16、入信号和反馈信号加在输入信号和反馈信号加在同一输入端同一输入端并联反馈并联反馈反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈 因要求静态时因要求静态时u u+ +、 u u 对对地电阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 R R2 2 = = R R1 1 / / R RF F因因虚短虚短, , 所以所以u u= =u u+ += 0= 0，称反相输入端称反相输入端“虚虚地地” 反相输入的重要反相输入的重要特点特点当当R RF F=100K,R=100K,R1 1=10K=10K时时，iouu10 输入信号和反馈信号分别输入信号和反馈信号分别加两个输入端加两个输入端串联反

17、馈串联反馈反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈 1Fiof1RRuuAu 反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈uoRFuiR2R1+ 因要求静态时因要求静态时u u+ +、u u 对地电阻相同，对地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R R2 2= =R R1 1/R RF F当当R RF F=100K,R=100K,R1 1=10K=10K时时，iouu11_+ + uiuoiouuuu此电路是电压串联负反馈，输入电阻此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但

18、是电压跟随元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。性能好。 电压跟随器电压跟随器结构特点结构特点：输出电压全输出电压全部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。电压跟随器亦称缓冲器。因此它可用作缓电压跟随器亦称缓冲器。因此它可用作缓冲隔离级冲隔离级“插入插入”电路中，例如在某些振荡电路中，例如在某些振荡电路中，若将振荡电路直接接上负载，则会电路中，若将振荡电路直接接上负载，则会影响振荡器的输出特性，甚至使电路停振，影响振荡器的输出特性，甚至使电路停振，而在振荡器与负载之间插入缓冲器，则振

19、荡而在振荡器与负载之间插入缓冲器，则振荡器可稳定地工作。又例如，一些内阻高的传器可稳定地工作。又例如，一些内阻高的传感器，如压电式传感器，其输出信号非常弱，感器，如压电式传感器，其输出信号非常弱，而且内阻抗极高，若采用一般放大器与传感而且内阻抗极高，若采用一般放大器与传感器直接连接，则会产生较大的测量误差。在器直接连接，则会产生较大的测量误差。在放大器与传感器之间插入缓冲器，通过缓冲放大器与传感器之间插入缓冲器，通过缓冲器的阻抗变换作用，可大大提高测量精度。器的阻抗变换作用，可大大提高测量精度。0uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+ R2R11

20、ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。节方便。R R2 2=100K,R=100K,R1111=R=R1212=10=10K K时时，)(1021iiouuu_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出解出：差动运算关系差动运算关系当当R R1 1=10K,R=10K,R2 2=100K=100K时时，)(1012iiouuui1iFtui0Ruii1tuCioFddtuRC

21、uiod1tuo0输入方波，输出是输入方波，输出是三角波。三角波。ui-+RR2Cuo积分运算关系积分运算关系应用举例应用举例1 1： uiVo10KuiAC微分电路微分电路10KVo10KRp=100k,积分电路积分电路10KACVo电压跟随器电压跟随器-15V31+15V8A24RfRfRfRfRp=Rf/R1=10k/100KKf=V0/VI=-Rf/RiRp=Rf/R1/ R2 =10k/10K /100K100K10KViR1R1R210K10K100KVoVoVoVoVo=-Rf/R1(Vi1+Vi2)Vi2反向放大器反向放大器反向加法反向加法Vi2Vi110K10K100KRp=

22、RiVo=Rf/Ri(Vi2-Vi1)100K同相比例同相比例ViRiRpKf=V0/VI=1+Rf/Ri1+Rf/Ri)V0=(10K注注:如果如果Rf选选100k, Vi要要1V=10K/100k减法器（差动）减法器（差动）AAAAVi1100K“+15v”“+15v”“-15v”“-15v”数电箱可调直流信号源加衰减地地接电路输入端接电路输入端接可调直流接可调直流信号源信号源10k数电箱直流信号源为数电箱直流信号源为1.3v-15v1.3v-15v可调，如果低于可调，如果低于1.3v1.3v，需加一衰减电路需加一衰减电路（用（用数电箱下方数电箱下方10k10k电位器）：电位器）： 单电源

23、供电交流放大器单电源供电交流放大器 在仅须放大交流信号时，若用运算放大器作放大，在仅须放大交流信号时，若用运算放大器作放大，为减少一个电源，运算放大器常常采用单电源为减少一个电源，运算放大器常常采用单电源( (正电源正电源或负电源或负电源) )供电。其方法是以电阻分压方式将同相端偏供电。其方法是以电阻分压方式将同相端偏置在置在Vcc/2(Vcc/2(或负电源或负电源V VEEEE/2)/2)附近。为了保证运算放大器附近。为了保证运算放大器两个输入端有相同的直流电压，分压电阻应取相同阻值。两个输入端有相同的直流电压，分压电阻应取相同阻值。但这种电路需要在输入、输出端加交流耦合电容。下图但这种电路

24、需要在输入、输出端加交流耦合电容。下图所示为一单电源供电的反相比例放大电路。所示为一单电源供电的反相比例放大电路。RLCp30 正弦波正弦波uo1方波方波uo2二二 实验原理实验原理1 1函数信号产生方案函数信号产生方案对于函数信号产生电路，有多种实现方案，如对于函数信号产生电路，有多种实现方案，如模拟电路实现方案、模拟电路实现方案、数字电路实现方案数字电路实现方案(如如DDS方式方式)、模数结合的实现方案、模数结合的实现方案等。等。 模拟电路的实现方案：模拟电路的实现方案： 是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能，本实验的是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有

25、功能，本实验的函数信号产生电路采用全模拟电路的实现方案。对于波形产生电路的模拟电路的函数信号产生电路采用全模拟电路的实现方案。对于波形产生电路的模拟电路的实现方案，也有几种电路方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的实现方案，也有几种电路方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的电路加以分析。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，电路加以分析。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图1所示。所示。图1模拟电路实现方案框图 2R C桥式正弦振荡电路桥式正弦振荡电路

26、RC桥式正弦振荡电路如桥式正弦振荡电路如图图2所示。其中所示。其中R1、C1和和R2、C2为串、并联选频网络，接为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。以产生正弦自激振荡。 R3、RW及及R4组成负反馈组成负反馈网络，调节网络，调节RW可改变负反馈可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。益满足振荡的幅度条件。图2 R C桥式正弦振荡电路 为了使振荡幅度稳定，通常在放为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回

27、路里加入非线性大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管定。图中的两个二极管D1，D2便是便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻时，电阻R4两端的电压低，二极管两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由截止，负反馈系数由R3、RW及及R4决定；当输出电压的幅度增决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管加到一定程度时，二极管D1、D2在在正负半周轮流工作，其动态电阻与正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，

28、电压并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。稳定。图2 R C桥式正弦振荡电路 313RRf313RRf)/(4DWfrRRRRCf2123RRf图2 R C桥式正弦振荡电路 当：当：R1=R2=R，C1=C2=C时时电路的振荡频率电路的振荡频率 ：起振的幅值条件起振的幅值条件 ： 为了维持振荡输出，必须让为了维持振荡输出，必须让 为了保证电路起振，为了保证电路起振， 调整电阻调整电阻R RW W （即改（即改变了反馈变了

29、反馈R Rf f ），使电路起），使电路起振，且波形失真最小。如不振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，能起振，则说明负反馈太强，应适当加大应适当加大R Rf f ，如波形失，如波形失真严重，则应适当减少真严重，则应适当减少R Rf f。 改变选频网络的参改变选频网络的参数数C C或或R R，即可调节振荡频率。，即可调节振荡频率。一般采用改变电容一般采用改变电容C C 作频率作频率量程切换（粗调），而调节量程切换（粗调），而调节R R作量程内的频率细调。作量程内的频率细调。图2 R C桥式正弦振荡电路 三三 实验设备与器件实验设备与器件 1.直流电源：直流电源：12V12V； 2.

30、双踪示波器；双踪示波器； 3.交流毫伏表；交流毫伏表； 4.数字万用表数字万用表 5.集成运算放大器：集成运算放大器：LM741LM741； 6.电阻器、电容器、二极管若干只。电阻器、电容器、二极管若干只。 四四.实验题目实验题目 设计一个振荡频率为设计一个振荡频率为1000Hz1000Hz的的RCRC正弦波振荡电路，自选正弦波振荡电路，自选集成运算放大器。集成运算放大器。 五五.实验内容和要求实验内容和要求 写出设计报告，提出元器件清单。写出设计报告，提出元器件清单。 组装、调整组装、调整RCRC正弦波振荡电路，使正弦波振荡电路，使电路产生振荡输出。电路产生振荡输出。 当输出波形稳定且不失真

31、时，测量当输出波形稳定且不失真时，测量输出电压的频率和幅值。检验电路是否输出电压的频率和幅值。检验电路是否满足设计指标，若不满足，需调整设计满足设计指标，若不满足，需调整设计参数，直至达到设计要求为止。参数，直至达到设计要求为止。 改变有关元件，使振荡频率发生变改变有关元件，使振荡频率发生变化。记录改变后的元件值，测量输出电化。记录改变后的元件值，测量输出电压的频率。压的频率。 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路六六 预习要求及思考题预习要求及思考题 1 1复习有关复习有关RCRC正弦波振荡器工作原理。正弦波振荡器工作原理。 2 2设计实验表格设计实验表格 3 3理解电路振荡的条件？理解电路振荡的条件？思考题思