实验13 集成运放组成的基本运算电路

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实验13集成运放组成的基本运算电路一、实验目的：1．掌握集成运放组成的比例、加法和积分等基本运算电路的功能。2．了解集成运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。3．掌握在放大电路中引入负反馈的方法。二、实验内容1．实现两个信号的反相加法运算。2．实现同相比例运算。3．用减法器实现两信号的减法运算。4．实现积分运算。5．用积分电路将方波转换为三角波。三、实验准备1．复习教材中有关集成运放的线性应用部分。2．拟定实验任务所要求的各个运算电路，列出各电路的运算表达式。3．拟定每项实验任务的测试步骤，选定输入测试信号υS的类型（直流或交流）、幅度和频率范围。4．拟定实验中所需仪器和元件。5．在图9.30所示积分运算电路中，当选择υI＝0.2V时，若用示波器观察υO（t）的变化轨迹，并假定扫速开关置于“1s/div”，Y轴灵敏度开关置于“2V/div”，光点一开始位于屏幕左上角，当开关S2由闭合转为打开后，电容即被充电。试分析并画出υO随时间变化的轨迹。四、实验原理与说明由集成运放、电阻和电容等器件可构成比例、加减、积分、微分等模拟运算电路。在这些应用中，须确保集成运放工作在线性放大区，分析时可将其视为理想器件，从而得出输入输出间的运算表达式。下面介绍几种常用的运算电路：1．反相加法运算电路如图9.27所示，其输入与输出之间的函数关系为：图9.27反相加法运算电路通过该电路可实现信号υI1和υI2的反相加法运算。为了消除运放输入偏置电流及其漂移造成的运算误差，须在运放同相端接入平衡电阻R3，其阻值应与运放反相端的外接等效电阻相等，即要求R3=Rl∥R2∥Rf。实验时应注意：（1）为了提高运算精度，首先应对输出直流电位进行调零，即保证在零输入时运放输出为零。（2）输入信号采用交流或直流均可，但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频率响应和输出幅度的限制。（3）为防止出现自激振荡，应用示波器监视输出电压波形。2．同相比例运算图9.28所示电路为同相比例运算电路，其特点是输入电阻比较大，输入与输出电压之间的函数关系为： 电阻R2的接入同样是为了消除运放输入偏置电流的影响，要求R2=R1∥Rf。实验注意事项同前。图9.28同相比例运输电路3．减法器（差分放大电路）图9.29所示电路为减法器电路。为了消除运放输入偏置电流的影响，要求R1=R2、Rf=R3。该电路输入与输出之间的函数关系为：实验注意事项同前。图9.29减法器4．积分运算电路积分运算电路如图9.30所示。在进行积分运算之前，首先应对运放输出调零。为了便于调节，将图中S1闭合，即通过电阻R2的负反馈作用实现调零。但在完成调零后，须将S1打开，以免因R2的接入而造成积分误差。S2的设置一方面为积分电容提供放电通路，将其闭合即可实现积分电容初始电压vC(0)=0；另一方面，可控制积分起始点，即在加入信号vI后，只要S2一打开，电容就被恒流充电，电路也就开始进行积分运算。图9.30积分运算电路由图可知：式中，。若输入0.2V的直流电压，则： 此时，电路输出vO与时间t成线性关系，vO随时间变化的轨迹可通过示波器直接观察。具体做法是先将光点移至屏幕左上角作为坐标原点，Ｙ轴输入耦合选用“直接耦合”，扫速开关和Y轴灵敏度开关均置于适当位置，触发方式采用“常态触发”。此时若将S2打开，即可看到光点随时间移动的轨迹，由此可分析vO与时间t的关系。5．用积分电路将方波转换为三角波电路如图9.31所示。图中，电阻R2的接入是为了抑制由IIO和VIO所造成的积分漂移，从而稳定运放的输出。图9.31将方波转换为三角波由电路可得下列运算关系：式中，。当t<<τ2时，有所以，在t<<τ2（τ2=R2C）的条件下，若vI为常数，则vO与t将近似成线性关系。因此，当vI为方波信号并满足Tp<<τ2时（Tp为方波高电平宽度），则vO为三角波，且方波的周期愈小，三角波的线性度愈好，但三角波的幅度将随之减小。实验时要求方波的周期可按TP≈τ2、TP<<τ2和TP>>τ2三种情况来选取，分别用示波器观察输出和输入电压波形，记录输出电压波形的幅度和线性情况。五、计算机辅助设计按下列要求设计运算电路，并对电路进行仿真分析。其中运放可选μA741。1．用运放实现反相加法运算，要求。输入信号如图9.32所示，仿真分析输出电压波形。其中三角波可采用分段线性信号源VPWL元件，VPWL元件在使用时只需设置信号转折点的时间和幅值即可；方波信号可以选择VPULSE元件，也可以选择VPWL元件。 图9.32加法器和减法器的输入信号2．用运放实现同相比例放大器，要求。在输入端加1V直流电压，设置瞬态分析，仿真分析输出电压波形。3．用运放实现减法器，要求。输入信号如图9.32所示，仿真分析输出电压波形。4．用运放实现积分器，要求。在输入端分别加直流信号（幅值为1V）、正弦信号（幅值为10V、频率为10Hz）和方波信号（峰峰值为10V、频率为10Hz），设置瞬态分析，仿真分析输出电压波形。5．仿真分析图9.31所示电路，将方波转换为三角波。要求按TP=τ2、TP=0.1τ2和TP=10τ2三种情况进行仿真分析，并观察输出电压波形的幅度和线性度。六、实验报告：1．整理实验数据和结果，画出波形图（注意画出波形间的相对关系、标明周期和幅度）。2．将实测数据与理论计算值相比较，并分析产生误差的原因。3．记录并分析实验过程中出现的问题和现象。4．问题讨论：（1）若输入信号与集成运放的同相端相连，当信号正向增大时，运放的输出是正还是负？若输入信号与运放的反相端相连，当信号负向增大时，运放的输出是正还是负？（2）集成运放组成的比例、加法和积分等基本运算电路，在没有输入信号时，输出端的静态电压应该是多少？（3）在图9.27所示反相加法运算电路中，如果υI1和υI2均采用直流信号，并且选定υI2＝－6V。当考虑到集成运放的最大输出幅度（设为±12V）时，则υI1的取值范围为多大？。（4）若要将方波变换成三角波，可选用哪一种运算电路？