【2019年整理】實驗一運算放大器的基本應(yīng)用(吳健雄)最終版

1、實驗一運算放大器的根本應(yīng)用一、根本信息實驗時數(shù)：6+3學(xué)時實驗時間：第4-5周完成,報告提交：第6周內(nèi)提交實驗報告實驗檢查：實驗驗收,提交實驗報告二、實驗內(nèi)容1. 根本要求：內(nèi)容一：反相輸入比例運算電路各項參數(shù)測量實驗預(yù)習(xí)時,查閱UA741運放的數(shù)據(jù)手冊,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=100kQRl=100kQ,Rp=10k/100kQ按圖連接電路,輸入直流信號Ui分別為一2V、一0.5V、0.5V、2V,用萬用表測量對應(yīng)不同Ui時的Uo值,列表計算Au并和理論值相比擬.其中Ui通過電阻分壓電路產(chǎn)生.（

2、2） Ui輸入0.2V有效值、1kHz的正弦交流信號,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量交流電壓增益,并和理論值相比擬.注意此時不需要接電阻分壓電路.3輸入信號頻率為1kHz的正弦交流信號,增加輸入信號的幅度,測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,測量最大不失真輸出電壓,并和Rl=100kQ數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬,分析數(shù)據(jù)不同的原因.提示：考慮運算放大器的最大輸出電流.4用示波器X-Y方式,測量電路的傳輸特性曲線,計算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點值.5電源電壓改為=d2V,重復(fù)3、4,并對實驗結(jié)果結(jié)果進(jìn)行分析比擬.6保才IUi=0.1V不變,改變輸入

3、信號的頻率,在輸出不失真的情況下,測出上限頻率儲并記錄此時的輸入輸出波形,測量兩者的相位差,并做簡單分析.7將輸入正弦交流信號頻率調(diào)到前面測得的fH,逐步增加輸入信號幅度,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,記錄該點的輸入、輸出電壓值,根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進(jìn)行計算和分析,并和手冊上的轉(zhuǎn)換速率值進(jìn)行比擬.8輸入信號改為占空比為50%的雙極性方波信號,調(diào)整信號頻率和幅度,直至輸出波形正好變成三角波,記錄該點輸出電壓和頻率值,根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進(jìn)行計算和分析這是較常用的測量轉(zhuǎn)換速率的方法.（9） Rf改為10kQ,自己計算Rp的阻值,重復(fù)67.列表比擬前后兩組數(shù)據(jù)的差另L從反

4、相比例放大器增益計算、增益帶寬積等角度對之進(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)換速率對電路性能的影響.內(nèi)容二：設(shè)計電路滿足運算關(guān)系Uo=-2Ui+3U2預(yù)習(xí)時設(shè)計好電路圖,并用Multisim軟件仿真,Un接入方波信號,方波信號從示波器的校準(zhǔn)信號獲取模擬示波器Ui1為1KH辦1V峰峰值的方波信號,數(shù)字示波器Ui為1KHz、5V峰峰值的方波信號,也接入5kHz,0.1V峰峰值的正弦信號,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擬.實驗中如波形不穩(wěn)定,可微調(diào)U2的頻率.2. 提升要求：1duf10000dt設(shè)計一個比例-積分-微分運算電路.滿足運算公式1uo(t)

5、=-(1100u(t)dt100寫出具體的設(shè)計過程,比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同,請考慮不同的系數(shù)對設(shè)計輸出有何影響？3. 創(chuàng)新要求：運用放大器的線性特性自行設(shè)計一個有意義的電路.三、實驗要求1. 設(shè)計反向比例放大電路,計算電路中各元件參數(shù).2. 在Multisim軟件平臺中對所設(shè)計的電路作仿真,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)標(biāo)準(zhǔn).3. 在面包板上搭試、調(diào)試電路.4. 測量反向比例放大電路的各項參數(shù),包括增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、帶寬的測量方法.5. 用運算放大器設(shè)計反相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的方法及實驗測量技能.四、設(shè)計指導(dǎo)1. 電壓增益電壓

6、放大倍數(shù)Au測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.實驗中一般采用萬用表的直流檔測量直流電壓增益,測量時要注意表筆的正負(fù).交流電壓增益測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,再通過計算可得.測試框圖如圖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測量2. 用示波器測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.電壓傳輸特性在實驗中一般采用兩種

7、方法進(jìn)行測量.一種是手工逐點測量法,另一種是采用示波器X-Y方式進(jìn)行直接觀察.手工逐點測量法：可以在輸入端加一個輸入信號,逐步改變輸入端電壓,每改變一次記錄一個輸出電壓值,最后把所有測量所得數(shù)據(jù)記錄在坐標(biāo)紙上,所有的點連接起來就是電壓傳輸特性曲線.這種測量方式最大的優(yōu)點是設(shè)備簡單,只要有信號源和電壓表就可以了,缺點是繁瑣,同時由于是取有限的點進(jìn)行測量,有可能喪失比擬重要的信息點,所以測量精度有限.示波器X-Y方式直接觀察法：是把一個電壓隨時間變化的信號如：正弦波、三角波、鋸齒波在加到電路輸入端的同時加到示波器的X通道,電路的輸出信號加到示波器的Y通道,利用示波器X-Y圖示儀的功能,在屏幕上顯示

8、完整的電壓傳輸特性曲線,同時還可以測量相關(guān)參數(shù).測量方法如圖1.3所示.圖1.3電壓傳輸特性曲線測量具體測量步驟如下：(1)選擇合理的輸入信號電壓,一般與電路實際的輸入動態(tài)范圍相同,太大除了會影響測量結(jié)果以外還可能會損壞器件；太小不能完全反響電路的傳輸特性.(2)選擇合理的輸入信號頻率,頻率太高會引起電路的各種高頻效應(yīng),太低那么使顯示的波形閃爍,都會影響觀察和讀數(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DC比擬容易無視的是在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,對于模

9、擬示波器,將掃描速率旋鈕逆時針旋到底就是X-Y方式；對于數(shù)字示波器,按下“Display按鈕,在菜單項中選擇X-Y.(5) 進(jìn)行原點校準(zhǔn),對于模擬示波器,可把兩個通道都接地,此時應(yīng)該能看到一個光點,調(diào)節(jié)相應(yīng)位移旋鈕,使光點處于坐標(biāo)原點；對于數(shù)字示波器,先將CH1通道接地,此時顯示一條豎線,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集成運放的開環(huán)電壓增益下降3dB(或直流增益的0.707倍)時所對應(yīng)的信號頻率稱為開環(huán)帶寬.(2)單位增益帶寬GW集成運放在閉環(huán)增益為1倍狀態(tài)下

10、,當(dāng)用正弦小信號驅(qū)動時,其閉環(huán)增益下降至0.707倍時的頻率.當(dāng)集成運放的頻率特性具有單極點響應(yīng)時,其單位增益帶寬可表示為GW=Auf式中,Au是當(dāng)信號頻率為f時集成運放的實際差模開環(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)輸入階躍大信號時,集成運放輸出電壓的最大變化率稱為轉(zhuǎn)換速率.通常,集成運放手冊中所給出的轉(zhuǎn)換速率均指閉環(huán)增益為1倍時的值.實際集般集成運放反相和同相應(yīng)用時的轉(zhuǎn)換速率是不成運放的轉(zhuǎn)換速率與其閉環(huán)增益無關(guān),一樣的.全功率帶寬BWP在額定負(fù)載條件下,集成運放閉環(huán)增益為1倍時,當(dāng)輸入正弦大信號后,使集成運放輸出電壓幅度到達(dá)最大時的信號頻率,即為功率帶寬.此

11、頻率將受到集成運放轉(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)2二Uop式中UOP是集成運放輸出的峰值電壓.4. 比例、積分、微分電路在工程中的應(yīng)用在實驗內(nèi)容提升要求中,僅僅是完成了一個含有比例、積分、微分的運算電路,但在實際工程應(yīng)用中,特別是閉環(huán)限制系統(tǒng)中,比例、積分、微分電路各自承當(dāng)不同的用運算表達(dá)式表示圖1.4為：u(t)=Kpe(t)+Je(t)dt+TD史&)pTiodt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)：即時成比例地反響限制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產(chǎn)生,調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生限制作用以減小偏

12、差.積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差,提升系統(tǒng)的誤差度,積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù).Ti越大,積分作用越弱,反之那么越強.微分環(huán)節(jié)：能反響偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號的值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減小調(diào)節(jié)時間.可以通過設(shè)計、Ti、Td值滿足不同限制對象的需要.五、報告要求1 .實驗工程名稱.2 .實驗內(nèi)容及要求分析工程的功能與性能指標(biāo).3 .電路設(shè)計,包括：(1)電路設(shè)計思想,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

13、.5 .制定實驗測量方案.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)測試的數(shù)據(jù)和波形并與設(shè)計結(jié)果比擬分析.1. )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)計中遇到的問題、原因分析及解決方法.(2)總結(jié)設(shè)計電路和方案的優(yōu)缺點.(3)指出課題的核心及實用價值,提出改良意見和展望.(4)實驗的收獲和體會.7. 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)電路仿真運行結(jié)果.(3)硬件電路功能與指標(biāo),測試數(shù)據(jù)與誤差分析.(4)實驗報告.2 .實驗結(jié)束需要提交的材料：(1)仿真電路圖(2)硬件

14、實物(3)實驗報告七、考前須知：1 .要注意運放器件的管腳順序和電解電容的極性.2 .使用運算放大器時要注意不能超過各項參數(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驗電路中,同時請注意正負(fù)電源的接法.3 .局部實驗需要輸入可調(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現(xiàn),串接固定電阻的目的是限流,防止燒壞器件和電源.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,會直接影響測量精度,甚至影響到測量結(jié)果的正確與否.在實驗中直流穩(wěn)壓電源的“地、示波器的“地、函數(shù)信號發(fā)生器、交流毫伏表的“地都必

15、須和電路的“地連接在一起,否那么會導(dǎo)致信號不正確.5 .運算放大器電路的調(diào)試方法(1)在調(diào)試UA741應(yīng)用電路時,一般采用以下步驟(2)檢查集成電路插接方向是否正確；(3)測量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；(4)根據(jù)電路特性,測量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,那么有可能是反響電阻沒有接好或運算放大器損壞；(5)用萬用表測量運放的好壞.主要測正負(fù)電源端與其它各引腳之間是否短路,假設(shè)無短路那么正確；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.測試時注意,不用小電阻檔(如“X1檔),以免測試電流過大；也不要用大電阻檔(如“X10K檔),以免電壓過高損壞運放.對于完好的UA741,測試結(jié)果應(yīng)該如表1.1所示,如果測得阻值與表中值相差太多,說明運放的差動