集成运放组成的基本运算电路实验报告.docx
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集成运放组成的基本运算电路实验报告
实验报告
课程名称：
电路与模拟电子技术实验指导老师：
张冶沁成绩：
__________________
实验名称：
基本运算电路设计实验类型：
电路实验同组学生姓名：
__________
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求
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设计。
2.掌握基本运算电路的调试方法。
3.学习集成运算放大器的实际应用。
二、实验内容和原理
1.实现反相加法运算电路
2.实现反相减法运算电路
3.用积分电路将方波转换为三角波
4.同相比例运算电路的电压传输特性（选做）
5.查看积分电路的输出轨迹（选做）
三、主要仪器设备
HY3003D-3型可调式直流稳压稳流电源
示波器、信号发生器、万用表
实验箱LM358运放模块
四、操作方法和实验步骤
1.两个信号的反相加法运算
1）按设计的运算电路进行连接。
2）静态测试：
将输入接地，测试直流输出电压。
保证零输入时电路为零输出。
3）调出0.2V三角波和0.5V方波，送示波器验证。
4）VS1输入0.2V三角波，VS2输入0.5V方波，用示波器双踪观察输入和输出波形，确认电路功能正确。
记录示波器波形（坐标对齐，注明幅值）。
2.减法器（差分放大电路）
减法器电路，为了消除输入偏置电流以及输入共模成分的影响，要求R1=R2、RF=R3。
1）按设计的运算电路进行连接。
2）静态测试：
输入接地，保证零输入时为零输出。
3）VS1和VS2输入正弦波（频率和幅值），用示波器观察输入和输出波形，确认电路功能正确。
4）用示波器测量输入和输出信号幅值，记到表格中。
3.用积分电路转换方波为三角波
电路中电阻R2的接入是为了抑制由IIO、VIO所造成的积分漂移，从而稳定运放的输出零点。
在t<<τ2（τ2=R2C）的条件下，若VS为常数，则VO与t将近似成线性关系。
因此，当VS为方波信号并满足TP<<τ2时（TP为方波半个周期时间），则VO将转变为三角波，且方波的周期越小，三角波的线性越好，但三角波的幅度将随之减小。
1）连接积分电路，加入方波信号（幅度？
）。
2）选择频率，使TP<<τ2，用示波器观察输出和输入波形，记录线性情况和幅度。
3）改变方波频率，使TP≈τ2，观察并记录输出波形的线性情况和幅度的变化。
4）改变方波频率，使TP>>τ2，观察并记录输出波形的线性情况和幅度的变化。
4.同相比例运算电压传输特性
同相比例运算电路同反相加法运算电路，其特点是输入电阻比较大，电阻R’的接入同样是为了消除平均偏置电流的影响，故要求R’=R1//RF。
1）连接同相比例运算电路。
2）静态测试：
输入接地，保证零输入时为零输出。
3）加入正弦波，用示波器观察输入和输出波形，验证电路功能。
4）用示波器测出电压传输特性：
示波器选择XY显示模式，选择适合的按钮设置。
5）适当增大输入信号，使示波器显示整个电压传输特性曲线（即包含线性放大区和饱和区）。
五、实验数据记录和处理
1.两个信号的反相加法运算
使用信号发生器作为输入，频道1输入0.2V三角波，频道2输入0.5V方波，示波器显示如下：
双踪示波显示三角波和方波方波和输出信号
三角波和输出信号用math按钮直接叠加两个信号
2.减法器（差分放大电路）
频道1输入峰峰值0.4V正弦波，频道2输入峰峰值1V正弦波，频率都是1kHz，两个信号互为反相
双踪示波器显示输入波形VPP=0.4V正弦波和输出信号
VPP=1V正弦波和输出信号
3.用积分电路转换方波为三角波
用信号发生器产生方波，幅度值均为1V，取不同频率的输出效果：
方波频率0.1kHz方波频率1kHz
方波频率10kHz
4.同相比例运算电压传输特性
用信号发生器输入频率100Hz的正弦波，示波器两个频道分别接收信号发生器输入信号和运放输出信号，在示波器上选择XY显示模式，令正弦波的幅值在试验中逐渐增大，直至出现饱和区如下：
线性放大区和饱和区同时出现
六、实验结果与分析
1.两个信号的反相加法运算
由理论推导可知实验中的运放电路放大倍数为10倍，且反相，示波器上得到的输入信号和输出信号符合预计结果，另外还可以使用示波器自带的math通道，选择“+”功能，可以在屏幕上除了CH1和CH2之外，再增加一条经过运算得出的曲线，这样做可以更方便地验证电路功能是否正确，但在本实验中使用此法得到的曲线还需经过反相才和实际曲线相同
2.减法器（差分放大电路）
由减法器的电路构成可以计算得其输出电压满足关系：
而我在试验中所设参数整理为：
输入信号幅值VS1/V
输入信号幅值VS2/V
输出电压幅值VO/V
0.5
0.2
7
实际上因为我设置的两个信号相位相反，所以若定义VS2的幅值为正，计算中的VS2=0.2V,VS1=-0.5V，由此计算得VO=10×（0.2-（-0.5））=7V，示波器上的波形也符合理论预期
3.用积分电路转换方波为三角波
积分电路转换三角波的原理是取RC电路充放电曲线的近似线性部分，来逼近理想的三角波，实验中RC回路的时间常数为τ=100kΩ×0.01μF=1ms，对应的频率为1kHz，于是测量了三种频率方波的转换效果：
VS周期
VS幅度值
VO线性情况
VO幅度值
10ms
1V
畸变
6.62V
1ms
1V
较差
5.40V
0.1ms
1V
很好
1.40V
可见周期越小，转换的三角波效果越好，但相应的，输出电压幅度值会减小，这也是因为周期变短时电容充电时间变短，所以电位峰值会变小。
理论上求解电路输出电压可得：
若t<即VO与VS成近似线性关系的条件便是信号周期远小于时间常数，于是实验结果很好地符合了这一结论
实验所得图片中，值得注意的是当VS周期变为0.1ms时，输出电压理应有很好的线性，但是在峰值处波形出现了尖端，理论上不该出现，究其原因，有可能是信号发生器输出的方波并非理想方波，在阶跃点上的上升和下降存在一个很短的过程，但当周期本身已经很小的情况下，这个过程所需的时间难以忽略，其变化过程中电压有可能快速达到了一个较大的值，在短时间的积分过程中体现在了输出波形上，类似于冲激信号的原理
4.同相比例运算电压传输特性
实验中设置信号频率为较低频率，用峰值超出线性放大区输入电压的正弦波对运放扫描，在屏幕上观察到了输出电压逐渐由线性区进入饱和区的过程，符合理论预期
七、讨论、心得
本次实验中学习了很多新的知识，理论课上关于运放的内容较为抽象，为何要采取不同的输入方式一度给我造成了困扰，本次实验后为了解释相关的现象我也翻看了很多资料，对运放的应用有了更多的了解。
另一方面体会到了仿真的便捷性，例如测量同比例运算电压传输特性时，在实验室中要进行直流扫描，需要通过降低交流信号频率，再试探性设置正弦波形幅值来扫描，但仿真则可以方便地使用参数扫描来得到电路的性能分析图。
思考题又再一次让我体会到了运放引入负反馈的重要意义，增强了我的实验查错能力
（1）什么是集成运算放大器的电压传输特性？
输入方式的改变将如何影响电压传输特性？
答：
集成运放输入电压和输出电压之间的关系即为电压传输特性。
集成运放主要有三种输入方式：
差动输入，反相输入和同相输入；差动输入可以有效抑制零漂，得到稳定的输出，反相输入和同相输入是输入端电压相对于输出端电压的相位关系不同，输出端分别得到与输入反相和同相的放大信号
（2）集成运算放大器的输入输出成线性关系，输出电压将会无限增大，这话对吗？
为什么？
答：
不对，运放只有工作在线性放大区时，输入输出才成线性关系，当输入电压大到一定程度时，输出电压到达饱和区，将基本保持不变
（3）实验中信号的频率不一样是否对实验的结果有影响？
答：
在前两个实验中，即使信号频率不同波形同样可以叠加，只不过不易于观察，本质上不会影响实验结果；而方波转换三角波实验中信号频率本身作为一个变量，观察同相比例运算电路电压传输特性要求在低频条件下，因此信号频率存在影响
（4）基本运算电路，没有输出信号，输出端电压接近饱和，为什么？
怎样处理？
答：
有可能是运放放大倍数过高，直接导致电压饱和，此时可以加入深度负反馈达到控制增益的效果。
另一种可能是运放损坏，需要更换元器件
（5）
在积分运算电路中，当选择Vs＝0.2V时，若用示波器观察Vo（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K2由闭合转为打开后，电容即被充电。
试分析并画出Vo随时间变化的轨迹。
若采用电解电容时，电解电容的正负极该如何接？
答：
题目所说电路如右，由描述知，K2打开前电容C未积累电荷，
当K2被打开，电容开始被充电，电位也逐渐上升，但是因为输出电压相位
与输入相反（公式已在方波转换三角波分析给出），波形首先会往负轴走，
且电解电容左端为正极，右端为负极，因此移动轨迹大约为：
（6）为防止出现自激振荡和饱和失真，应用什么仪器监视输出电压波形。
答：
使用示波器监视零输入时的输出波形是否接近于0，饱和失真可通过将输出波形与输入波形对比判断
（7）在基本运算电路中，当输入信号为正弦波、方波或直流信号等不同形式时，应分别选择什么仪器来测量其幅度
答：
三种信号都可以用示波器的“measure”功能对其幅度或有效值进行测量，万用表也可以测量直流信号和允许频率范围内的交流信号，但有了示波器已经足够
（8）实验中，若测得运放静态输出电压为+14V（或不为0），其根本原因是什么？
应如何进一步调试
答：
很可能是电路中缺少负反馈，应该检查负反馈电阻是否正确接入了电路，重新接线，直到零输入时得到零输出
按老师要求，此处附上手工绘制的三角波、方波的反相叠加图：
Pspice仿真
1.两个信号的反相加法运算
2.减法器（差分放大电路）
3.积分电路转换方波为三角波
方波频率0.1kHz：
方波频率1kHz：
方波频率10kHz：
4.同相比例运算电压传输特性
增大输入信号，输出信号由线性区进入饱和区：
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