實(shí)驗(yàn)一運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用(吳健雄)最終版

1、精品文檔實(shí)驗(yàn)一運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用、基本信息實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)：6+3學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：第4-5周完成，報(bào)告提交：第6周內(nèi)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)檢查：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告:、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 基本要求：內(nèi)容一：反相輸入比例運(yùn)算電路各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（預(yù)習(xí)時(shí)，查閱UA741運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè),自擬表格記錄相關(guān)的直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，解釋參數(shù)含義）。圖1.1中電源電壓±15V,Ri=10kQ,Rf=100kQ,Rl=100kRp=10k/100kQ按圖連接電路，輸入直流信號(hào)Ui分別為一2V、一0.5V、0.5V、2V,用萬用表測(cè)量對(duì)應(yīng)不同5時(shí)的Uo值，列表計(jì)算Au并和理論值相比較。其中Ui通過電阻分壓電路產(chǎn)

2、生。（2） Ui輸入0.2V（有效值）、1kHz的正弦交流信號(hào)，在雙蹤示波器上觀察并記錄輸入輸出波形，在輸出不失真的情況下測(cè)量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時(shí)不需要接電阻分壓電路。（3）輸入信號(hào)頻率為1kHz的正弦交流信號(hào)，增加輸入信號(hào)的幅度，測(cè)量最大不失真輸出電壓值。加重負(fù)載（減小負(fù)載電阻Rl）,使Rl=220Q,測(cè)量最大不失真輸出電壓，并和Rl=100kQ數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析數(shù)據(jù)不同的原因。（提示：考慮運(yùn)算放大器的最大輸出電流。）（4）用示波器X-Y方式，測(cè)量電路的傳輸特性曲線，計(jì)算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值。（5）電源電壓改為=d2V,重復(fù)（3）、（4）,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果進(jìn)行分析比較

3、。（6）保才IUi=0.1V不變，改變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的情況下，測(cè)出上限頻率fH并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)單分析。（7）將輸入正弦交流信號(hào)頻率調(diào)到前面測(cè)得的fH,逐步增加輸入信號(hào)幅度，觀察輸出波形，直到輸出波形開始變形（看起來不象正弦波了），記錄該點(diǎn)的輸入、輸出電壓值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析，并和手冊(cè)上的轉(zhuǎn)換速率值進(jìn)行比較。（8）輸入信號(hào)改為占空比為50%的雙極性方波信號(hào)，調(diào)整信號(hào)頻率和幅度，直至輸出波形正好變成三角波，記錄該點(diǎn)輸出電壓和頻率值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析（這是較常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換速率的方法）。（9）Rf改為10kQ,自己

4、計(jì)算Rp的阻值，重復(fù)（6）（7）。列表比較前后兩組數(shù)據(jù)的差另L從反相比例放大器增益計(jì)算、增益帶寬積等角度對(duì)之進(jìn)行分析。并總結(jié)在高頻應(yīng)用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率對(duì)電路性能的影響。內(nèi)容二：設(shè)計(jì)電路滿足運(yùn)算關(guān)系Uo=-2Ui+3U2（預(yù)習(xí)時(shí)設(shè)計(jì)好電路圖，并用Multisim軟件仿真）,Un接入方波信號(hào)，方波信號(hào)從示波器的校準(zhǔn)信號(hào)獲?。M示波器Ui1為1KH2S1V（峰峰值）的方波信號(hào)，數(shù)字示波器U1為1KHz、5V（峰峰值）的方波信號(hào)），Uh接入5kHz,0.1V（峰峰值）的正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫出波形圖并與理論值比較。實(shí)驗(yàn)中如波形不穩(wěn)定，可微調(diào)U2的頻率。2.

5、提高要求：設(shè)計(jì)一個(gè)比例-積分-微分運(yùn)算電路。滿足運(yùn)算公式Uo(t)-(11100100 ui(t)dt110000dUi(t)dt寫出具體的設(shè)計(jì)過程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請(qǐng)考慮不同的系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)輸出有何影響？3. 創(chuàng)新要求：運(yùn)用放大器的線性特性自行設(shè)計(jì)一個(gè)有意義的電路。三、實(shí)驗(yàn)要求1. 設(shè)計(jì)反向比例放大電路，計(jì)算電路中各元件參數(shù)。2. 在Multisim軟件平臺(tái)中對(duì)所設(shè)計(jì)的電路作仿真，調(diào)整參數(shù)。其中阻容元件參數(shù)必須符合電阻、電容參數(shù)規(guī)范。3. 在面包板上搭試、調(diào)試電路。4. 測(cè)量反向比例放大電路的各項(xiàng)參數(shù)，包括增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、帶寬的測(cè)量方法。5. 用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)反

6、相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的方法及實(shí)驗(yàn)測(cè)量技能。四、設(shè)計(jì)指導(dǎo)1. 電壓增益（電壓放大倍數(shù)Au）測(cè)量方法電壓增益是電路的輸出電壓和輸入電壓的比值，包括直流電壓增益和交流電壓增益。實(shí)驗(yàn)中一般采用萬用表的直流檔測(cè)量直流電壓增益，測(cè)量時(shí)要注意表筆的正負(fù)。交流電壓增益測(cè)量要在輸出波形不失真的條件下，用交流毫伏表或示波器測(cè)量輸入電壓Ui（有效值）或Uim（峰值）或Uip-p（峰-峰值）與輸出電壓Uo（有效彳1）或Uom（峰值）或Uop-p（峰-峰值），再通過計(jì)算可得。測(cè)試框圖如圖1.2所示，其中示波器起到了監(jiān)視輸出波形是否失真的作用。圖1.2電壓增益（電壓放大倍數(shù)Au）測(cè)量2. 用示波

7、器測(cè)量電壓傳輸特性曲線的方法雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓值隨輸入電壓值的變化而變化的特性叫做電壓傳輸特性。電壓傳輸特性在實(shí)驗(yàn)中一般采用兩種方法進(jìn)行測(cè)量。一種是手工逐點(diǎn)測(cè)量法，另一種是采用示波器X-Y方式進(jìn)行直接觀察。手工逐點(diǎn)測(cè)量法：可以在輸入端加一個(gè)輸入信號(hào)，逐步改變輸入端電壓，每改變一次記錄一個(gè)輸出電壓值，最后把所有測(cè)量所得數(shù)據(jù)記錄在坐標(biāo)紙上，所有的點(diǎn)連接起來就是電壓傳輸特性曲線。這種測(cè)量方式最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，只要有信號(hào)源和電壓表就可以了，缺點(diǎn)是繁瑣，同時(shí)由于是取有限的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，有可能丟失比較重要的信息點(diǎn)，所以測(cè)量精度有限。示波器X-Y方式直接觀察法：是把一個(gè)電壓隨時(shí)間變化的信號(hào)（如：正弦波、

8、三角波、鋸齒波）在加到電路輸入端的同時(shí)加到示波器的X通道，電路的輸出信號(hào)加到示波器的Y通道，利用示波器X-Y圖示儀的功能，在屏幕上顯示完整的電壓傳輸特性曲線，同時(shí)還可以測(cè)量相關(guān)參數(shù)。測(cè)量方法如圖1.3所示。圖1.3電壓傳輸特性曲線測(cè)量具體測(cè)量步驟如下：（1）選擇合理的輸入信號(hào)電壓，一般與電路實(shí)際的輸入動(dòng)態(tài)范圍相同，太大除了會(huì)影響測(cè)量結(jié)果以外還可能會(huì)損壞器件；太小不能完全反應(yīng)電路的傳輸特性。（2）選擇合理的輸入信號(hào)頻率，頻率太高會(huì)引起電路的各種高頻效應(yīng)，太低則使顯示的波形閃爍，都會(huì)影響觀察和讀數(shù)。一般取50500Hz即可。(3)選擇示波器輸入耦合方式，一般要將輸入耦合方式設(shè)定為DQ比較容易忽視的

9、是在X-Y方式下，X通道的耦合方式是通過觸發(fā)耦合按鈕來設(shè)定的，同樣也要設(shè)成DG(4)選擇示波器顯示方式，示波器設(shè)成X-Y方式，對(duì)于模擬示波器，將掃描速率旋鈕逆時(shí)針旋到底就是X-Y方式；對(duì)于數(shù)字示波器，按下“Display”按鈕，在菜單項(xiàng)中選擇X-Y。(5)進(jìn)行原點(diǎn)校準(zhǔn)，對(duì)于模擬示波器，可把兩個(gè)通道都接地，此時(shí)應(yīng)該能看到一個(gè)光點(diǎn)，調(diào)節(jié)相應(yīng)位移旋鈕，使光點(diǎn)處于坐標(biāo)原點(diǎn)；對(duì)于數(shù)字示波器，先將CH1通道接地,此時(shí)顯示一條豎線，調(diào)節(jié)相應(yīng)位移旋鈕，將其調(diào)到和Y軸重合，然后將CH1改成直流耦合，CH2接地，此時(shí)顯示一條水平線，調(diào)節(jié)相應(yīng)位移旋鈕，將其調(diào)到和X軸重合。3. 參數(shù)定義(1)開環(huán)帶寬BW集成運(yùn)放的開

10、環(huán)電壓增益下降3dB(或直流增益的0.707倍)時(shí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率稱為開環(huán)帶寬。(2)單位增益帶寬GW集成運(yùn)放在閉環(huán)增益為1倍狀態(tài)下，當(dāng)用正弦小信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其閉環(huán)增益下降至0.707倍時(shí)的頻率。當(dāng)集成運(yùn)放的頻率特性具有單極點(diǎn)響應(yīng)時(shí)，其單位增益帶寬可表示為GW=AJ式中，Au是當(dāng)信號(hào)頻率為f時(shí)集成運(yùn)放的實(shí)際差模開環(huán)電壓增益值。(3)轉(zhuǎn)換速率(或電壓擺率)SR在額定的負(fù)載條件下，當(dāng)輸入階躍大信號(hào)時(shí)，集成運(yùn)放輸出電壓的最大變化率稱為轉(zhuǎn)換速率。通常，集成運(yùn)放手冊(cè)中所給出的轉(zhuǎn)換速率均指閉環(huán)增益為1倍時(shí)的值。實(shí)際集成運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率與其閉環(huán)增益無關(guān)，一般集成運(yùn)放反相和同相應(yīng)用時(shí)的轉(zhuǎn)換速率是不一樣的。全功率帶

11、寬BWp在額定負(fù)載條件下，集成運(yùn)放閉環(huán)增益為1倍時(shí)，當(dāng)輸入正弦大信號(hào)后，使集成運(yùn)放輸出電壓幅度達(dá)到最大時(shí)的信號(hào)頻率，即為功率帶寬。此頻率將受到集成運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率的限制。一般可用近似公示估算SR和BWP之間的關(guān)系SrBWp二一R2二Uop式中Uop是集成運(yùn)放輸出的峰值電壓。4. 比例、積分、微分電路在工程中的應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提高要求中，僅僅是完成了一個(gè)含有比例、積分、微分的運(yùn)算電路，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，特別是閉環(huán)控制系統(tǒng)中，比例、積分、微分電路各自承擔(dān)不同的角色功能。圖1.3中是一個(gè)典型的比例積分微分閉環(huán)控制系統(tǒng)，俗稱PID控制系統(tǒng)。圖1.4PID控制系統(tǒng)原理框圖用運(yùn)算表達(dá)式表示圖1.4為：u(t)

12、=Kpe(t)+1-fe(t)dt+TD史的Tiodt式中K、Ti、Td分別為比例、積分、微分系數(shù)，e(t)=r(t)-c(t)比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t),偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的誤差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)。Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間?？梢酝ㄟ^設(shè)計(jì)K、Ti、Td值滿足不同控制對(duì)象的需要。五、報(bào)告要求1 .實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱。2 .實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及

13、要求分析項(xiàng)目的功能與性能指標(biāo)。3 .電路設(shè)計(jì)，包括：(1)電路設(shè)計(jì)思想，電路結(jié)構(gòu)框圖與系統(tǒng)工作原理。(2)各單元電路結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)計(jì)算和元器件選擇說明。(3)電路的仿真與優(yōu)化。4 .畫出完整的電路圖，并說明電路的工作原理。5 .制定實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案。6 .安裝調(diào)試，包括：(1) 使用的主要儀器和儀表。(2) 調(diào)試電路的方法和技巧。(3) 測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形并與設(shè)計(jì)結(jié)果比較分析。(4) 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法。6. 總結(jié)(1) 闡述設(shè)計(jì)中遇到的問題、原因分析及解決方法。(2) 總結(jié)設(shè)計(jì)電路和方案的優(yōu)缺點(diǎn)。(3) 指出課題的核心及實(shí)用價(jià)值，提出改進(jìn)意見和展望。(4) 實(shí)驗(yàn)的收獲和體會(huì)。7

14、. 列出系統(tǒng)需要的元器件清單。8. 參考文獻(xiàn)。六、考核要求1. 考察內(nèi)容：(1) 電路圖與原理分析。(2) 電路仿真運(yùn)行結(jié)果。(3) 硬件電路功能與指標(biāo)，測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差分析。(4) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束需要提交的材料：(1) 仿真電路圖(2) 硬件實(shí)物(3) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告七、注意事項(xiàng)：1. 要注意運(yùn)放器件的管腳順序和電解電容的極性。2. 使用運(yùn)算放大器時(shí)要注意不能超過各項(xiàng)參數(shù)的極限值，如最大電源電壓、最大輸入電壓、最大輸出電流等。電源電壓應(yīng)預(yù)先調(diào)到所需的電壓值后再接入到實(shí)驗(yàn)電路中，同時(shí)請(qǐng)注意正負(fù)電源的接法。3. 部分實(shí)驗(yàn)需要輸入可調(diào)的直流電壓，這可通過由電位器串接電阻組成分壓電路來實(shí)現(xiàn)，串接固

15、定電阻的目的是限流，避免燒壞器件和電源。4. 儀器和電路的接地：在電路的調(diào)試過程中，如果儀器的接地端連接不正確，或者接觸不良，會(huì)直接影響測(cè)量精度，甚至影響到測(cè)量結(jié)果的正確與否。在實(shí)驗(yàn)中直流穩(wěn)壓電源的“地”、示波器的“地”、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、交流毫伏表的“地”都必須和電路的“地”連接在一起，否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)不正確。5. 運(yùn)算放大器電路的調(diào)試方法(1)在調(diào)試UA741應(yīng)用電路時(shí)，一般采用以下步驟(2)檢查集成電路插接方向是否正確；(3)(4)測(cè)量7腳的電壓是否為正電源電壓值，4腳的電壓是否為負(fù)電源電壓值；(5)根據(jù)電路特性，測(cè)量2腳和3腳電壓值是否符合理論值。以反相放大器為例，電路中2腳=3腳=0M如果3腳電壓不等于0V,一般是同相端外接電路開路，如果2腳和3腳不等，則有可能是反饋電阻沒有接好或運(yùn)算放大器損壞；(6)(7)用萬用表測(cè)量運(yùn)放的好壞。主要測(cè)正負(fù)電源端與其它各引腳之間是否短路，若無短路則正確；電路中主要晶體管的PN結(jié)電阻值是否正確，應(yīng)該正向電阻小，反向電阻大。測(cè)試時(shí)注意，不用小電阻檔(如“X1”檔)，以免測(cè)試電流過大；也不要用大電阻檔(如“X10K”檔)，以免電壓過高損壞運(yùn)放。對(duì)于完好的uA741,測(cè)試結(jié)果應(yīng)該如表1.1所示，如果測(cè)得阻值與表中值相差太多，說明運(yùn)放的