求和積分與微分電路

實驗九集成運算放大器在信號運算方面的應用(二)—求和、積分與微分電路一、實驗目的二、預習要求三、基本原理四、實驗內容五、實驗設備與器材六、實驗報告要求七、思考題主菜單一、實驗目的

1．熟悉加法、減法、積分、微分電路的基本工作原理和電路組成形式。2．掌握運算電路的設計與實際測量方法。3．學會測試各運算電路和工作波形。二、預習要求

1.預習集成運算放大器有關模擬運算應用方面的知識，了解各電路的工作原理。2.設計一模擬運算電路，滿足關系式。3.畫出各實驗電路，擬出實驗數(shù)據表，計算有關實驗內容理論值，熟悉實驗中所用儀器的使用方法，了解各種信號獲得的方法。4.學習提高運算精度的方法。

三、實驗原理

1．加法器加法器的輸出量反映出多個模擬輸入量相加的結果。用運算放大器實現(xiàn)加法運算時，可以采用反相輸入方式，也可以采用同相輸入方式。如圖所示的反相輸入加法器，是將兩個電壓和加在集成運算放大器的反相輸入端，顯然，它屬于多端輸入的電壓并聯(lián)負反饋電路。在理想情況下，利用虛地的概念，可得到輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：

反相加法器

（3-9-1）式中負號是由于反相輸入所引起的。若，則上式可變?yōu)椋?-9-2）如果在輸出端再接一級反相器，則可消去式(3-9-2)中的負號，這樣就可以完全符合常規(guī)的算術加法運算。為了提高運算精度，如圖3-9-1所示的電路中，同相輸入端電阻應滿足。圖3-9-1所示的電路可以擴展到多個輸入電壓相加的情況，若有幾個輸入電壓相加，則輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：

而擴展后的加法器稱為比例加法器，如果電路中取則有2．減法運算電路

上圖用來實現(xiàn)兩個電壓、相減的電路圖。從結構上看，它是一個反相輸入和同相輸入相結合的放大器，信號電壓、分別通過電阻、加在運算放大器的反相和同相輸入端，和構成反饋網絡。當電路參數(shù)一定時，由于集成運算放大器的開環(huán)電壓增益很大，不論的大小、極性如何，都將引入很強的負反饋，使。也就是說，電路中也存在“虛短”現(xiàn)象，同時兩輸入端引入共模電壓，。由于及，由電路圖可列出下列方程：

差動減法電路例1.

差分運算電路的設計條件：Rf=10k

要求：uo=uI1

2uI2R1=5k

R2=2R3R2//R3=R1//Rf

=5//10R2=10k

R3=5k

而可得輸出電壓

當電阻值滿足的關系時，輸出電壓可簡化為：（3-9-3）輸出電壓與兩個輸入電壓之差成比例。當取時，，可實現(xiàn)減法運算。這種電路常用于將差動輸入轉換為單端輸出，廣泛地用于放大具有強烈共模干擾的微弱信號。要提高運算精度，一方面要嚴格選配，另一方面要采用高共模抑制比的集成運算放大器3．積分器

積分電路是模擬計算機中的基本單元，利用它可以實現(xiàn)微分方程的模擬，它同時也是控制和測量系統(tǒng)中的重要單元，利用它的充放電過程可以實現(xiàn)延時、定時，以及產生各種波形。采用集成運算放大器的基本積分電路如下圖所示。它和反相比例放大器的不同之處在于它是用電容C來代替反饋電阻。利用集成運算放大器，在電容兩端電壓增長時流過它的電流基本維持穩(wěn)定，從而可以實現(xiàn)比較理想的積分運算。

積分電路

在理想情況下，利用虛地的概念，可以得到（3-9-4）上式表明輸出電壓與輸入電壓成積分關系，式中負號表示它們在相位上是反相的。圖中，RF是分流電阻，用于穩(wěn)定直流增益，以避免直流失調電壓在積分周期內

積累導致運算放大器飽和。一般取RF=10R1，由于RF的作用，只有頻率大于的輸入信號積分才有效，而對于頻率小于的輸入信號，圖所示的電路近似為反相放大器。當輸入信號是幅值為的階躍電壓時，在它的作用下，電容將以恒流方式進行充電，輸出電壓與時間成近似線性關系，這時（3-9-5）若是方波，則輸出電壓為鋸齒波，且二者相位相反。

4．微分器

微分運算是積分運算的逆運算。從電路形式上看，將積分電路圖中電阻與電容的位置對調一下，即可得到如下圖所示的微分電路。在這個電路中，同樣存在虛地，在理想情況下。經過簡單推導，可得：即輸出電壓是輸入電壓的微分，從而可實現(xiàn)微分運算。利用微分電路可以實現(xiàn)波形變換，如將矩形波變換為尖脈沖。接下來圖為積分、微分電路

微分電路

積分-微分電路

四、實驗內容

1．加法器2.減法器3.積分器4.微分器5.積分－微分器分別按各電路圖接好電路，進行測試所得數(shù)據分別填入各自的數(shù)據表中。

反相加法器測量數(shù)據表

減法電路測量數(shù)據表

積分器測量數(shù)據表Ui(p-p)=1.5vf(kHz)

Uo(v)輸出波型

測量值

計算值

微分器波型表

五、實驗設備

1．雙蹤示波器(YB4320A)l臺2．信號發(fā)生器(DFl64lD)1臺3．低頻毫伏表(YB2172)1臺4．模擬電路實驗箱(DM99—2A)1個5．LM324運算放大器1只六、實驗報告要求

1．列出加法、減法運算的實驗數(shù)據，與理論值相比較，分析其誤差產生的原因2．畫出積分與微分運算時輸入輸出信號電壓波形，并分析之。3．畫出積分一微分運算時各級輸入、輸出信號電壓波形，并分析之。4．畫出實驗電路，寫出主要測試步驟。七、思考