运算放大器在波形变换中的应用

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：VO=K（V+-V-）其中，K为开环放大倍数，通常大于10dB。当V+＞V-时，VO＞0；当V+＜V-时，VO＜0。电路中输入+端接地，V+=0，所以V-＞0，VO＜0；V-＜0，VO＞0。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=ViV当Vi为常数时，V·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μA741CμA741IμA741M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°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μA741CμA741C,μA741M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=08050080500nA共模输入电压范围VICR±12±13±12±13V最大峰值输出电压VOMRL=10KΩ±12±14±12±14VRL≥10KΩ±12±12RL=2KΩ±10±13±10±13RL≥2KΩ±10±10大信号差模输入电压震荡AVDRL≥2KΩ2020050200V/mVVO=±10V1525输入电阻ri0.320.32MΩ输出电阻roVO=07575Ω输入电容CiVIC=VICRmin1.41.4pF共模抑制比CMRRVCC=±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（μA741）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=12KΩ，所以仍然通过一个12KΩ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要一定的时间，所以当频率达到5kHz时，方波有很明显的失真，同时频率也存在一定的上限，大概在10kHz左右。所以需要选用频率更高的