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实验一 集成运算放大器基本运算电路


实验一 实验一 集成运算放大器基本运算电路
一、实验目的 1、学习集成运算放大器的使用方法。 2、熟悉集成运算放大器组成的基本运算电路。 3、学会集成运放电路的测试方法。 二、实验仪器
1.ADCL-Ⅲ电子技术综合实验箱 3.V-252 日立示波器 5.MF50 万用表 2.DF1641D 函数发生器 4.DF2172B 交流毫伏表 6. 集成运算放大器应用模块

三、预习内容及思考问题 1、复习集成运算放大器组成比例、加法、减法、积分、微分等基本运算的 电路组成形式及原理。 2、明确集成运算放大器使用时的注意事项。 3、如何在理想条件下,分析各实验电路输入、输出之间运算关系。 四、实验原理说明 集成运算放大器是一种具有高电压放大 倍数的直接耦合多级放大电路。 当外部接入不 同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈 电路时,可以灵活地实现各种特定的函数关 系。在线性应用方面,可组成比例、加法、减 法、积分、微分、对数等模拟信号运算电路。 基本运算电路
Rf 100k R1

Ui

8

10k

UO

+
R2 9.1k

0

图 7-1 1、反相比例运算电路 电路如图 7-1 所示,对于理想运放,该电路的输 出 的信号电压 U O = ? 之间的关系为:
Rf

Rf R1

?U i

与输入 信号电压

Ui1 Ui2

R1 10k R2 10k

Rf 100k

8

+

UO

其中

R1

为比例系数, “-”号表示输出信号与输
R3 62k

入信号相位相反。

0

为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相端应接入“平衡电阻”
R2 = R1 // R f

2、反相加法电路 电路如图 7-2,输出电压与输入电压之间的关系为
Rf ? Rf ? U O = ?? ? R U i1 + R U i 2 ? ? 2 ? 1 ?

平衡电阻:
R 3 = R 1 // R 2 // R F

图 7-2

3、同相比例运算电路 同相比例运算电路图 7-3(a) ,它的输出电压与输入电压之间的关系为
Rf ? ? ?U i U O = ?1 + ? R1 ? ? ? ? Rf ? ?1 + ? ? ? 其中, ? R1 ? 为比例系数,Uo

与 Ui 同相位。电路中平衡电阻 R2 = R1 // R f 。

若 R1 → ∞ , U o

= Ui

,即得到如图 7-3 (b) 所示的电压跟随器, 平衡电阻 R2 = R f 。

用以减小漂移和起保护作用。一般 RF 取 10KΩ,RF 太小起不到保护作用,太大 则影响跟随性。

Rf Rf 10k 100k R1 10k

8

0

Ui

R2 9.1k

UO

-

Ui

R2 10k

UO

8

+
(a)

+

(b)

图 7-3
R1 10k R2 10k

Rf 100k

4、减法器电路 对于图 7-4 所示的减法运算电路,当
R1 = R 2 ,
R3 = R f

Ui1 Ui2

8

+
R3 100k

UO

时, 有如下关系式:
0

UO =

R3 (U i 2 ? U i1 ) R1

图 7-4

5、积分器电路 积分器可以实现对输入信号的积分运算。 图 7-5 是其原理电路。 根据反 相输入 端为“ 虚地” 的概念 ,有
i1 = ic = Ui R

因此

u o (t ) = ?

1 1 ic dt = ? u i (t )dt C∫ RC ∫ 0 0

t

t

图 7-5

显然,输出电压是输入电压的积分,其中积分时间常数: τ 当输入电压 u i (t ) 是对称 方波时,输出电压 u o (t ) 的波形应为三角波, 且输出电压的相位和输入电压的相位相反。 为了限制电路的低频增益,减少失调电压的 影响,可在图 7-6 所示电路中,与电容 C 并联一个 电阻 Rf,就得到一个实用的积分电路。如图 7-6 所示。其中平衡电阻 R P = R // R f 。 6、微分器电路 将积分器中的 R 与 C 的位置互换,就组成了最 简单的微分器,如图 7-7 所示。 因为根据反相端根据反相端为 “虚地” 的概念, 有:
ii = C dui dt

= RC 。

图 7-6

又∵ ∴

ii = i f = ?

U o (t ) Rf
dui dt

图 7-7

u o (t ) = ?i f R f = ? R f C

负号表示 Uo 与 Ui 反相。 上式表明信号 Uo 与输入信号是 Ui 之间可实现 微

分运算,若输入电压为对称的三角波,则输出电压 为对称方波。 实用的微分电路如图 7-8 所示,图中串入了 小电阻 R,可以有效抑制高频噪声干扰。但 R 的值 不能过大,过大会引起微分运算误差。 五、实验内容及步骤 内容及步骤 1、反相比例运算关系测试 ① 按图 7-1 连接实验电路,仔细检查电路无误后,再接通 ± 12V 电源。 (注 意:实验前要看清运放组件各管脚的位置;切忌正、负电源极性接反和输出端短 路否则将会损坏集成运放。 ) ② 接通电源后,一般情况下应先对运算放大器“调零”(即 Ui=0 时,要 , 求 Uo=0) 。如发现有自激振荡还应“消振” ,之后才可进行测试。 ③ 当电路输入不同大小的直流电压时, 用万用表测出相应的直流输出电压 Uo 记入表 7-1 中。
表 7-1 图 7-8

原始测试数据 Ui Uo 0.2V 0.2V 0.5V 1V -0.2V -0.5V -1V

计算值( 计算值(比例系数 U o )
Ui

实测比例系数

理论比例系数

④当输入信号改换为 f=1KHz,Ui=0.5V 的正弦交流信号时。用交流毫伏表 测量相应的输出 Uo 的大小,用示波器观察输出电压 Uo 波形并比较 Ui 与 Uo 的 相位。将测试结果记入表 7-2 中。
表 7-2 原始测试结果 输入正弦信号 Ui 0.5V Ui 波形 输出正弦信号 Uo Uo 波形 测量 Au 值 计算值 理论 Au 值

2、同相比例运算关系测试 按图 7-3(a)连接实验电咱,给其输入 f=1KHz,Ui=0.5V 的正弦交流信号, 用交流毫伏表测量相应的输出电压 Uo 的大小, 用示波器观察输出电压 Uo 的波形

并比较 Ui 与 Uo 的相位。将测试结果记入表 7-3 中。
表 7-3 原始测试结果 输入正弦信号 Ui 0.5V Ui 波形 Uo 输出正弦信号 Uo 波形 计算值 测量 Au 值 理论 Au 值

3、反相加法器运算关系的测试 按图 7-2 连接实验电路。给输入端分别输入不同的直流电压信号时,用万 用表直流电压档分别测出相应的直流输出电压 Uo,并将测量结果与理论计算值 比较,记入表 7-4 中,
表 7-4 原始测试数据 Ui1 Ui2 Uo 0.3V 0.2V -0.3V 0.2V 0.3V 0.2V 理论估算值 -0.3V 0.2V

4、减法运算器运算关系的测试 按图 7-4 连接实验电路。给输入端分别输入不同的直流电压信号时,用万 用表测出相应的直流输出电压 Uo,将测量结果理论计算值进行比较,记入表 7-5 中,
表 7-5 原始测试数据 Ui1 Ui2 Uo 1V 0.5V 0.2V -0.2V -1V 0.5V 理论估算值 0.2V -0.2V

观察积分运算器运算关系 按 图 7-6 所 示 积 分 器 连 接 实 验 电 路 。 R=10K Ω ,Rf=100K Ω ,Rp=10K ( .给输入端输入 f=1KHz,峰峰值为 10V 的方波信号 Ui,用双踪示波器 Ω,C=0.1?F)

同时观测并画出 算关系。

uo



ui

的波形,记录

uo



ui

的相位关系。观察微分运算器的运

按图 7-8 所示微分器连接实验电路。给其输入端输入 f=1KHz,幅度为 2V 的 三角波信号 Ui,用双踪示波器同时观观测并画出 位关系。 六、实验报告 1、整理实验数据,将测试结果与理论估算结果进行比较。 2、用坐标画出比例运算器的特性曲线。 3、画出输入、输出电压波形图,根据波形比较 Ui 与 Uo 相位。 4、谈谈你对使用集成运放的体会。 uo 和 ui 的波形, 记录 uo 和 ui 的相


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