運算放大器在波形變換中的應(yīng)用

1、運算放大器在波形變換中的應(yīng)用一、實驗?zāi)康?、給定一個電路，學(xué)會如何分析，并由此設(shè)計所需要的電路2、學(xué)會EDA仿真3、基于面包板的現(xiàn)實的電路調(diào)試，實際情況與EDA仿真結(jié)果比有一定出入4、學(xué)習(xí)運算放大器在三角波、方波等波形變換中的應(yīng)用二、實驗原理及電路分析1、了解用途產(chǎn)生三角波和方波·VO1輸出三角波·VO2輸出方波2、找出通路從左到右3、化整為零-定性分析二極管和穩(wěn)壓管起限幅作用，穩(wěn)壓管使運放輸出限制在穩(wěn)壓管工作電壓，將二極管開路，等效電路為：分為：積分電路，兩個比較電平的產(chǎn)生和比較器三部分電路所組成。4、分析功能a、比較電路圖中，比較器輸出端電壓VO與輸入端電壓滿足以下關(guān)系

2、：VO=K（V+-V-）其中，K為開環(huán)放大倍數(shù)，通常大于10dB。當(dāng)V+V-時，VO0；當(dāng)V+V-時，VO0。電路中輸入+端接地，V+=0，所以V-0，VO0；V-0，VO0。因此，當(dāng)V-在V+附近波動時，輸出電壓VO將在正負電源電壓間跳變。b、積分電路點為虛地點。可得：IR=ViR IC=-CdVOdt IR=ICVO末=VO初=1-RCt1t2Vidt當(dāng)Vi為常數(shù)時，VOt2=-1RCVit2-t1+VO(t1)由此可見，VO是時間的線性函數(shù)，當(dāng)Vi為正電壓時，Vo線性減??；當(dāng)Vi為負電壓時，VO線性增加。因此，如Vi為正負絕對值相等的矩形波電壓且維持時間t恰當(dāng)（不至于使運算放大器輸出飽和

3、），積分電路輸出波形為三角形電壓。c、兩個比較信號電平的確定（VO1經(jīng)R2，VO2經(jīng)R3）VO1是積分電路輸出的三角波形電壓，VO2是第三個運算放大器輸出的矩形波電壓。當(dāng)VO2施加不變的電壓時，VO1施加的是線性變化的三角波電壓。因此V-存在兩個不同的過零電壓。計算得：V-=VO1*R3+VO2*R2R2+R3考慮一般性，VO2輸出的正電平為Vp，負電平為-VN，則V-過零時刻，VO1兩個電平為：Vo1=-R2R3VP VO1=+R2R3VN則，實驗各點波形為：d、振蕩頻率和周期在t0tt1經(jīng)過分壓，積分電路的輸入電壓Vi為-VN（這里的為分壓比，調(diào)節(jié)W1電位器，可改變），兩個比較電平對應(yīng)積分

4、電路中的初末電壓?？傻茫篟2R3VN=R1C1VNT1-R2R3VP從而可得：T1=R2R3（VP+VN）R1C1VN同理，在t1tt2時間內(nèi)積分電路的輸入電壓Vi為VP，兩個比較電電平仍對應(yīng)積分電路中的初末電壓?？傻茫篢2=R2R3（VP+VN）R1C1VP所以，T1+T2即為三角波的周期化簡得：R2R3R1C1(VP+VN)2VNVP可得：1、若VP不等于VN，則T1不等于T2，VO1輸出為鋸齒波，VO2輸出為矩形波；2、若VP等于VN，則T1等于T2，VO1輸出為三角波，VO2輸出為方波；3、三角波和方波的周期為：T=4R2R3R1C14、當(dāng)R2=R3時，周期和頻率為：T=4R1C1，f

5、=4R1C15、若輸出電壓VO2被鉗制在不同的正負電壓值時，可改變輸出波形占空比，即VO1將輸出鋸齒波，而VO2將輸出矩形波。5、通觀整體積分電路比較電平產(chǎn)生電路比較電路6、性能估算·設(shè)計指標(biāo) 三角波和方波的頻率范圍0.5KHz2KHz 輸出幅度為±6VA、根據(jù)輸出幅度要求D3、D4可取5V1穩(wěn)壓二極管；取R2=R3，使三角波輸出最大電壓為5.1V，最小電壓為5.1V；D1、D2可取快速二極管1N4148。B、根據(jù)頻率范圍要求f=4R1C1取=1時f=2kHz,若C1取0.01F，則R1=12k；當(dāng)f=500Hz，C1=0.01F，R1=12k時，=0.25；因此可選W1&

6、gt;3k，R4=1k。選R2=R3=1k三、A7411、特性·短路電流保護·電壓調(diào)零能力·大范圍的差模和共模輸入電壓·低電源消耗·無閂鎖效應(yīng)2、最大額定值A(chǔ)741CA741IA741M單位輸入電壓，VCC+182222V輸入電壓，VCC-18-22-22V差動輸入電壓，VID±15±30±30V調(diào)零段到VCC-的電壓降±15±0.5±0.5V輸出短路時間無限無限無限操作自然溫度范圍0至70-40至85-55至125°C儲存溫度-65至150-65至150-65至150

7、76;C工作60s后表面溫度FK封裝260°C工作60s距離表面1.6mm導(dǎo)線溫度J，JG或U封裝600°C工作10s距離表面1.6mm導(dǎo)線溫度D，P或PW封裝260260°C3、電氣參數(shù)（除特別指出，均在在25°C自然溫度，VCC=±15V）（除特別指出，均在開環(huán)下，零共模輸入）參數(shù) 測試條件 A741CA741C,A741M單位最小標(biāo)準(zhǔn)最大最小標(biāo)準(zhǔn)最大輸入偏移電壓VIOVO=01615mV偏移電壓調(diào)整范圍VIOVO=0±15±15mV輸入偏移電流IIOVO=02020020200nA輸入基準(zhǔn)電流IIBVO=0805008

8、0500nA共模輸入電壓范圍VICR±12±13±12±13V最大峰值輸出電壓VOMRL=10K±12±14±12±14VRL10K±12±12RL=2K±10±13±10±13RL2K±10±10大信號差模輸入電壓震蕩AVDRL2K2020050200V/mVVO=±10V1525輸入電阻ri0.320.32M輸出電阻roVO=07575輸入電容CiVIC=VICRmin1.41.4pF共模抑制比CMRRVCC=±

9、9V至±15V70907090dB短路輸出電流IOS±25±40±25±40mA源電流ICCVO=0，無負載1.72.81.72.8mA總功率消耗PDVO=0，無負載50855085mW四、實驗步驟1、在面包板上按實驗原理圖，連接電源和信號路線（器件要平鋪在面包板上，不能立交狀）2、不帶電測試：利用萬能表二極管檔位，測試全線路的通斷狀況3、接通電源，手感應(yīng)關(guān)鍵器件（A741）的溫度，如果有發(fā)燙，則斷電檢查線路4、若器件工作正常，則用萬用表測量電源和典型節(jié)點的電壓5、接通示波器，觀察輸出波形，記錄數(shù)據(jù)五、實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析這次試驗較為順利，在連接

10、好電路之后，經(jīng)過不帶電測試和手感應(yīng)溫度測試，期間均工作正常、接通示波器后，屏幕上出現(xiàn)理想的三角波和方波波形。通過調(diào)整電位器的分壓比，觀察三角波和方波的極限工作范圍。經(jīng)測試，波形的頻率在458.7Hz到1.96kHz之間。三角波的最小值為-6V，最大值為6.6V；方波電壓的最小值為-5.8V，最大值為6.2V。基本符合設(shè)計的要求。記錄了幾個典型波形如圖： 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為5.1V，但是穩(wěn)壓管正向?qū)ǖ臅r候也存在一定的壓降，所以方波電壓的峰峰值略大于5.1V。達到6V左右。而三角波電壓在與方波電壓進行比較的時候，由于集成運放作為比較器使用的時候，需要有一定的壓降，所以三角波形的峰峰值略大于方波電壓

11、的峰峰值。而通過調(diào)節(jié)電位器所能達到的頻率值也基本與計算值相同，符合預(yù)期。六、實驗結(jié)論與體會集成運放在輸出三角波和方波的方面性能比較好，波形穩(wěn)定，通過選取不同的穩(wěn)壓管，電阻和電容，可以將輸出電壓鉗制在一定范圍內(nèi)；可以改變時間常數(shù)來改變?nèi)遣ê头讲ǖ闹芷?；可以通過改變方波正向和反向不同的時間常數(shù)改變占空比；可以通過串聯(lián)不同的穩(wěn)壓管改變幅值，同時間接改變占空比。原理簡單，電路清楚，擴展廣泛，是一個很好的選擇。七、作業(yè)題分析、設(shè)計電路并EDA仿真：1、使得V02的輸出電壓幅值可變（VP和VN分別可變）2、使得電路的占空比可變3、頻率范圍提高到200kHz答：VO2的輸出電壓值VP，VN簡單的方法是可以

12、選用不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管，通過不同的連接方式配合單刀多擲開關(guān)，來達到不同的VP和VN的值，但是此種方法得到的值固定不連續(xù)，且需要很多的穩(wěn)壓管。所以選擇了另外一種方法，通過兩個二極管來篩選出方波的正負兩個幅值，輸入到正向可調(diào)比例的運放中。正向可調(diào)比例的運放電路借鑒于21Ic網(wǎng)。原理如圖：其中，Ui為輸入信號，經(jīng)過R1和RP連接地，在運放的正段得到第一次的縮小信號，之后經(jīng)過R和RF同向比例放大電路，得到放大的信號UO，經(jīng)過比例均可調(diào)的一次縮小和一次放大，最終信號的縮小和放大均可達成。Multisim模擬中，將R1和Rp；R和Rf由電位器替代，只需調(diào)整兩個電位器的比例值，即可得到各種比例。兩個幅值各接

13、到一個可調(diào)比例正向運放電路中，通過兩個電阻使信號不直接短路，接到原電路的位置。這一過程由于經(jīng)過兩個電阻，信號有一定的縮小，三角波的電壓幅值，也與方波幅值的比例發(fā)生一定的變化，不再滿足原來的關(guān)系式。同時，通過前邊對振蕩周期的討論，VP和VN的不同時改變也會間接改變占空比。但想要得到占空比可變的電路，顯然是不能通過此實現(xiàn)的，應(yīng)該通過改變方波正反向電壓的時間常數(shù)實現(xiàn)。所以在積分電路的輸入端，仍然通過兩個二極管，來篩選出方波的正負幅值，原電路的RC中，R=12K，所以仍然通過一個12K的電位器，連接篩選出的正負幅值后，輸入到積分器內(nèi)，這樣，在不改變周期的基礎(chǔ)下，改變正負不同電壓的時間常數(shù)，達到改變占空比的目的。實際電路如圖：U1,U2,U3為原電路的三個運放，U4,U5為改變方波幅值的兩個同向可改變比例運放電路，D5，D6以及電位器R5起到改變波形占空比的作用。此時，示波器波形如圖：僅改變R5比例后的示波器圖形：僅調(diào)整U4連接的電位器阻值比值后的波形（改變方波最高電壓）：僅調(diào)整U5連接的電位器阻值比值后的波形（改變方波最低電壓）：這些改變可以同時發(fā)生。滿足了作業(yè)中1和2的條件。而想使波頻率可以達到200kHz，在調(diào)整RC的值時，由于方波的上升和下降均需