东南大学实验模拟运算放大电路(二).doc

东南大学电工电子实验中心
实验报告

课程名称：模拟电子电路实验

第 一 次

实验名称：模拟运算放大电路（二）
院（系）：仪器科学与工程学院 专业：测控技术与仪器
姓名：宋柯 学号：22012234
实验室：104 实验组别：15
同组人员： 实验时间 ：2014.4.9
评定成绩： 审阅老师：

实验目的：
1、 了解运放在信号积分和电流、电压转换方面的应用电路及参数的影响。
2、 掌握积分电路和电流、电压转换电路的设计、调试方法。
3、 了解精密半波整流电路及精密全波整流电路的电路组成、工作原理及参数估算
4、 学会设计、调试精密全波整流电路，观测输出、输入电压波形及电压传输特性。

实验原理：
1、积分电路：运用下图所示电路，可构成运放积分电路，R2为分流电阻，用于稳定直流增益，以避免直流失调电压在积分周期内的积累导致运放饱和，一般取R2=10R1.输出电压与输入电压呈积分关系。

2、同相型电压/电流转换电路：利用如下图所示电路，可以构成电压/电流转换电路。由“虚短”“虚断”原理知，IL=Vi/R1，该电路属于电流串联负反馈电路，电路的输入电阻极高，其闭环跨导增益1/R1即为电路的转换系数。电路可实现线性的电压/电流转换。

3、精密整流电路：利用二极管的单向导电性，可以组成半波及全波整流电路。但由于二极管存在正向导通压降、死去压降、非线性伏安特性及其温度漂移，故当用于对弱信号进行整流时，必将引起明显的误差，甚至无法正常整流。如果将二极管与运放结合起来，将二极管至于运放的负反馈回路中，则可将上述二极管的非线性及其温漂等影响降低至可以忽略的程度，从而实现对弱小信号的精密整流或线性整流。
实验内容：
1、 积分电路
用741设计一个满足下列要求的基本积分电路：输入Vip-p=1V、f=10kHz的方波。设计R、C值，测量积分输出电压波形；改变f值观察v0波形变化，并找出当f接近什么值的时候，电路近似一个反响比例运算电路。
2、同相输入比例运算电路
用741组成一个同向型电压/电流转换电路，并完成表中所列数据的测量。
3 精密半波整流电路：
（1）、依照10-1连接电路，原件参数：R1=R2=10KΩ，同时在电位器和±15V电源之间接入510Ω限流电阻。
（2）、Vi输入一个频率为100Hz的正弦交流信号，有效值分别为5V、1V、10mV，用示波器观察输入输出信号波形，对结果进行分析比较。
（3）、用示波器的X-Y显示方式测试该电路的电压传输特新，调节Vi幅度，找出输出的最大值Vomax。

4、精密全波整流电路
（1）、图10-2的精密全波整流电路如下图。R=10KΩ，电源电压±10V，二极管为1N4148。
（2）、搭接电路，重复半波整流电路（2）（3）的内容。

1、积分电路设计实验
实验设计的电路图如图所示：

输出信号所得波形如图所示：

有图中可知，当输入信号为10KHz时，输出波形与输入波形之间呈积分关系。
R取值为2kΩ、Rf=20kΩ、C=0.1ųF，则fc=1/2πRfC≈79.58Hz。
当频率取接近于fc=1/2πRfC≈79.58Hz的100Hz时，波形如图所示：

由于函数发生器的原因输入波形不为完全的方波形式，输出波形不为积分形式，也不为输入波形经过反向比例运算电路后的形式。
当亲率取远小于fc=1/2πRfC≈79.58Hz的10Hz时，波形如图所示：

由于函数发生器的原因输入波形不为方波形式，但输出波形可知基本与输入信号经过反向比例放大电路后的形式相同。
因为当输出频率过低时，经观察知函数发生器无法产生方波形式的信号，所以将输入信号改为正弦信号，得到的结果如下图所示：

由图中知，输出信号的形式为输入信号经过反向比例放大电路后的信号形式，且放大倍数为-10.
所以知电路设计符合要求，当输入信号频率远大于fc=1/2πRfC时，输出信号与输入信号呈积分关系；当输入信号频率远小于fc=1/2πRfC时，输出信号与输入信号之间关系呈反向放大关系。

2、 同相型电压/电流转换电路。
3、 电路设计如实验参考电路。
±Vcc=±15V时电压/电流转换数据：
Vi
RL
IL测量值/mA
IL计算值/mA

0.5V
1kΩ
0.5
0.5
10 kΩ
0.5
0.5
20 kΩ
0.5
0.5
27 kΩ
0.5
0.5
33 kΩ
0.43
0.5

1.0V
470Ω
1
1
1 kΩ
1
1
3.3 kΩ
1
1
4.7 kΩ
1
1
10 kΩ
1
1
12 kΩ
1
1

3.0V
470Ω
3
3
1 kΩ
3
3
3.3 kΩ
3
3
4 kΩ
2.82
3
±Vcc=±6V时电压/电流转换数据：
Vi
RL
IL测量值/mA
IL计算值/mA

0.5V
1kΩ
0.5
0.5
10 kΩ
0.49
0.5
20 kΩ
0.27
0.5
27 kΩ
0.19
0.5
33 kΩ
0.16
0.5

1.0V
470Ω
1
1
1 kΩ
1
1
3.3 kΩ
1
1
4.7 kΩ
0.95
1
10 kΩ
0.53
1
12 kΩ
0.42
1

3.0V
470Ω
3
3
1 kΩ
2.02
3
3.3 kΩ
1.22
3
4 kΩ
1.08
3
因为最大输出电压为VoM≈Vcc，则应满足RL<=Vcc/IL-R1时输出信号测量值与计算值相符，当RL大于Vcc/IL-R1时，测量值小于计算值。
由上两表中的数据知，对于一定的Vcc值、一定的输入信号值Vi，RL值小于一定值时，计算值与测量值相符合，当超过该值时，输出信号值的测量值小于计算值。当其他条件一定时，Vcc值越小，测量值开始小于计算值的RL越小；其他条件一定时，Vi越大，测量值开始小于计算值的RL越小；其他条件一定时，当RL值超过一定值后RL值越大，输出电流值越小。由运算放大器的特性知，当R1固定时，RL值越大，运算放大器允许输出的电流值越小，当允许输出的电流值小于，Vi/R1时，测量值就会小于计算值。

3、精密半波整流电路：
电路图设计如图所示：

电路输出信号如图所示：

由图中知，当输入信号分别为5V、1V、10mV时，输出信号幅度依次减小，但输出信号与输入信号的峰值幅度相同。
调节Vi幅度使输出信号具有不同的值时，检测输出信号的截止幅度。
当输入信号为Vi=7V时，输出波形如图所示：

当输入信号为Vi=7.1V时，输出波形如图所示：

知，当输入信号有效值为7V时，无截止现象，当输入信号为7.1V出现截止信号。所以知，输出最大值为Vomax约为7V。
4、精密全波整流电路：
电路图设计如图所示：

电路输出信号如图所示：

由图中知，当输入信号分别为5V、1V、10mV时，输出信号幅度依次减小，但输出信号与输入信号的峰值幅度大致相同。
当输入信号为5V时，输出信号如图所示：可以知信号出现失真。

调节Vi幅度使输出信号具有不同的值时，检测输出信号的截止幅度。
当输入信号为Vi=2.8V时，输出波形如图所示：

当输入信号为Vi=2.9V时，输出波形如图所示：

知，当输入信号有效值为2.8V时，无截止现象，当输入信号为2.9V出现截止信号。所以知，输出最大值为Vomax约为2.8V。

思考题：
1、在基本积分电路中，为了减小积分误差，对运放的开环增益、输入电阻、输入偏置电流及输入失调电流有什么要求？
答：要保证运算放大器不偏离“虚短”“虚断”，所以开环增益要尽量大，以至于无穷大。输入电阻无限大、输出电阻无限大、输入偏置电流为零，输入失调电流应尽量大。
2、根据什么判断图6-1电路属于积分电路还是反响比例运算电路？
答：当输入信号频率远大于fc=1/2πRfC时，为积分放大电路；当输入信号频率远小于fc=1/2πRfC时，为反响比例运算电路。
3、在图6-9所示电压/电流转换电路中，设VoM≈Vcc=6V，且Vi=1V、R1=1kΩ，试求满足线性转换所允许的RLmax小于等于多少？
答：由于要求RL<=Vcc/IL-R1，所以RLmax= Vcc/IL-R1=6V/（1V/1kΩ）-1 kΩ=5 kΩ，所以允许的RLmax小于等于5 kΩ。
4、若将图10-1电路中的两个二极管均反接，试问：电路的工作波形及电压传输特性将会如何变化
答：工作波形变为将输入波形负向部分滤去，将正向部分反向后输出。电压传输特性曲线变为第四象限中斜率为-1的直线，第一、二、三象限中没有曲线。
5、精密整流电路中运放工作在线性区还是非线性区？为什么？
答：工作在线性区，因为要保证运放的“虚短”“虚断”条件存在，则应使运放工作在线性区。
6、图10-2所示电路为什么具有很高的输入电阻？
答：防止输入信号到输出信号中的信号幅值衰减。
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