电工实验指导2012(3)

实验三 集成运算放大器的基本应用

—— 模拟运算电路

一、实验目的

1. 研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2. 了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

二、实验仪器

1．双踪示波器 2．万用表

3．交流毫伏表

三、实验原理

在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。

1）反相比例运算电路

电路如图11-1所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为

UO??RFUi （11-1） R1

图11-1 反相比例运算电路

为减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1∥RF。 2）反相加法电路

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图11-2 反相加法运算电路

电路如图11-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为

UO??(RFRUi1?FUi2) R3=R1∥R2∥RF （11-2） R1R23）同相比例运算电路

图11-3（a）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 UO?(1?RF)Ui R2=R1∥RF （11-3） R1当R1→∞时，UO=Ui，即得到如图11-3（b）所示的电压跟随器。图中R2=RF，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。

图11-3 同相比例运算电路

4）差动放大电路(减法器)

对于图11-4所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=RF时，有如下关系式：

U0?RF(Ui2?Ui1) （11-4） R1

图11-4 减法运算电路

5）积分运算电路

反相积分电路如图11-5所示。在理想化条件下，输出电压U0等于

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1 U0(t)??RC?Udt?U0itC(0) （11-5）

式中UC(0)是t=0时刻电容C两端的电压值，即初始值。

图11-5 积分运算电路

如果Ui(t)是幅值为E的阶跃电压，并设UC(0)=0，则 U0(t)??

1RC?t0Edt??Et （11-6） RC此时显然RC的数值越大，达到给定的U0值所需的时间就越长，改变R或C的值积分波形也不同。一般方波变换为三角波，正弦波移相。 6）微分运算电路

微分电路的输出电压正比于输入电压对时间的微分，一般表达式为：

U?=?RCduIdt （11-7）

利用微分电路可实现对波形的变换，矩形波变换为尖脉冲，正弦波移相，三角波变换为方波。

图11-6 微分运算电路

7）对数运算电路

对数电路的输出电压与输入电压的对数成正比，其一般表达式为：

u0=KlnuI （11-8） 利用集成运放和二极管组成如图11-8基本对数电路。K为负系数。

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8）指数运算电路

指数电路的输出电压与输入电压的指数成正比，其一般表达式为：

u0?KeuI （11-9）

利用集成运放和二极管组成如图11-9基本指数电路。K为负系数。

四、实验内容

1．反相比例运算电路 1）先把运放调零（方法见实验十步骤3说明），然后在此运放处按图11-1正确连线。 2）输入f=1000Hz，Ui=100mV（有效值）的正弦交流信号，打开交流开关，用毫伏表测量Ui、U0值（用表测量的都为有效值），并用示波器观察U0和Ui的相位关系，记入表11-1。

表11-1 Ui=100mV（有效值），f=1000Hz Ui(V) U0(V) Ui波形 Av U0波形 实测值 计算值 2．同相比例运算电路 1）按图11-3(a)连接实验电路。实验步骤同上，将结果记入表11-2。 2）将图11-3(a)改为11-3(b)电路重复内容1)。

表11-2 Ui=100mV（有效值），f=1000Hz Ui(V) U0(V) Ui波形 Av U0波形 实测值 计算值 3．反相加法运算电路 1）先把运放调零，然后在此运放处按图11-2正确连接实验电路。 2）输入信号采用直流信号源(参照附录一附录图1-1插孔图和采用连接方法1) ，图11-7

所示电路为简易直流信号源Ui1、Ui2：

图11-7 简易可调直流信号源

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用万用表测量输入电压Ui1、Ui2(且要求均大于零小于0.5V)及输出电压U0，记入表11-3。 表11-3 Ui1(V) Ui2(V) U0(V) 4．减法运算电路 1）先把运放调零，然后在此运放处按图11-4正确连接实验电路。 2）采用直流输入信号，实验步骤同内容3，记入表11-4。 表11-4 Ui1(V) Ui2(V) U0(V) 5．积分运算电路

1）先把运放调零，然后在此运放处按积分电路如图11-5所示（5000P由0.01uF串连组成）正确连接。

2）取频率约为5KHz，峰峰值为20伏的方波（参照实验一内容，跳线取PS2、PS4连接）作为输入信号Ui，打开交流开关，输出端接示波器，可观察到三角波波形输出，若有很大的削底失真则增加Ui峰峰值；若有很大的顶端失真则减小Ui峰峰值，调节一失真很小的三角波波形并记录之。 6．微分运算电路

1）先把运放调零，然后在此运放处微分电路如图11-6所示（5000P由0.01uF串连组成）正确连接。

2）取频率约为5KHz，峰峰值为20伏的三角波（参照实验一内容，跳线取PS2、PS5连接）作为输入信号Ui，打开交流开关，输出端接示波器，可观察到方波波形。 7．对数运算电路

图11-8对数运算电路

先把运放调零，实验电路如图11-8所示正确连接，D为普通二极管，取频率为400—1000Hz，峰峰值为500mV的三角波（参照实验一内容，跳线取PS1、PS5连接）作为输入信号Ui，打开交流开关，输入和输出端接双踪示波器，调节三角波的幅度，观察输入和输出波形如下所示：

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