实验八  集成运算放大器的应用——运算器

一、     实验目的

1.    熟悉集成运算放大器的性能和使用方法

2.    掌握集成运放构成基本的模拟信号运算电路

二、     实验原理

集成运算放大器是一种高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的直流放大器。若外加反馈网络，便可实现各种不同的电路功能。例如，施加线性负反馈网络，可以实现放大功能，以及加、减、微分、积分等模拟运算功能；施加非线性负反馈网络，可以实现乘、除、对数等模拟运算功能以及其他非线性变换功能。

1.    反相放大器：

在理想的条件下，反相放大器的闭环电压增益为：

2.    同相放大器：

在理想条件下，铜线放大器的闭环电压增益为：

3.电压跟随器：当R ₁ ∞时，A _VF 1，同相放大器就转变为电压跟随器。它是百分百串联负反馈电路，具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益接近于1的特点。

4.反相加法器：

在理想条件下，输出电压为：

5.减法器：

在理想条件下，若R₁=R₂,R_F=R₃时，输出电压为：，若R_F=R_1,,则V_O=V_I2­-V_I1,故此电路又称模拟减法器。

6.积分器：

7.微分器：

三、实验仪器

1.示波器一台

2.函数发生器一台

3.数字万用表一台

4.电子学实验箱一台

5.交流毫伏表一台

四、实验内容

1.反相放大器：

（1）按图2搭接电路，先测量R_F=99.13k，R₁=9.901k，则A_VF=10.01

（2）输入直流信号电压V_I1,用数字电压表DCV档分别测量V_I和V_O记入表，并计算电压放大倍数A_VF

（3）将输入信号改为频率1kHz的正弦波，当V_ip-p=1.5V时，用双踪示波器同时定量观察V_I和V_O，在同一时间坐标上划出输入输出波形。并计算A_VF

2.同相放大器：

（1）按上图搭接电路，测量R_F=97.13k，R₁=9.901k，=10.810

（2）输入直流信号电压V_I1,用数字电压表DCV档分别测量V_I和V_O记入表，并计算电压放大倍数A_VF

（3）将输入信号改为频率1kHz的正弦波，当V_ip-p=1.5V时，用双踪示波器同时定量观察V_I和V_O，在同一时间坐标上划出输入输出波形。并计算A_VF

3.加法器：

（1）根据上面的图，R₁=9.916K,R₂=9.918K,R₃=4.622K

（2）搭接电路；V_I1输入直流电压0.2V、V_I2输出交流电压V_I2P-P=400mV(f=1kHz)

（3）用数字表DCV、ACV分别测量V_O，并用双踪示波器观察并定量画出波形

4.减法器：

（1）根据上面的图，R₁=9.916K,R₂=9.918K,R₃=99.47k

（2）搭接电路；V_I1输入直流电压0.2V、V_I2输出交流电压V_I2P-P=400mV(f=1kHz)

（3）用数字表DCV、ACV分别测量V_O，并用双踪示波器观察并定量画出波形

5.积分器：

（1）按图搭接实验电路

（2）从信号发生器输出方波信号作V_i，频率f=1kHz，用双线示波器同时观察V_i和V_O的波形。

V_I=1.13V, T_I=1.0000m S           V_O=2.5V

 

第二篇：作业-实验报告范例-集成运算放大器的基本应用-光电

实验名称  集成运算放大器的基本应用

班级：光实1001   姓名：##      学号：##   时间：20##.4.26

组号：            教师[微软用户1] ：              成绩            [微软用户2] 

一.实验目的

1.掌握集成运算放大器的正确使用方法。

2.掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法。

3.学习正确使用示波器交流输入方式和直流输入方式观察波形的方法，重点掌握积分输入，输出波形的测量和描绘方法。

二.实验元器件

集成运算放大器       LM324        1片

电位器               1kΩ           1只

电阻                 100kΩ         2只；10kΩ   3只；5.1kΩ   1只；9kΩ    1只

电容                 0.01μf         1只

三、预习要求

1.复习由运算放大器组成的反相比例、反相加法、减法、比例积分运算电路的工作原理。

2.写出上述四种运算电路的vi、vo关系表达式。

3.实验前计算好实验内容中得有关理论值，以便与实验测量结果作比较。

4.自拟实验数据表格。

四.实验原理及参考电路

     本实验采用LM324集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。

1.  反向比例运算

  反向比例运算电路如图1所示，设组件LM324为理想器件，则

                

图1

其输入电阻，图中。

由上式可知，改变电阻和的比值，就改变了运算放大器的闭环增益。

在选择电路参数是应考虑：

1根据增益，确定与的比值，因为

                            

所以，在具体确定和的比值时应考虑；若太大，则亦大，这样容易引起较大的失调温漂；若太小，则亦小，输入电阻也小，可能满足不了高输入阻抗的要求，故一般取为几十千欧至几百千欧。

   若对放大器输入电阻有要求，则可根据先确定，再求。

2运算放大器同相输入端外接电阻是直流补偿电阻，可减小运算放大器偏置电流产生的不良影响，一般取，由于反向比例运算电路属于电压并联负反馈，其输入、输出阻抗均较低。

  本次试验中所选用电阻在电路图中已给出。

2.  反向比例加法运算

  反向比例加法运算电路如图2所示，当运算放大器开环增益足够大时，其输入端为“虚地”，和均可通过、转换成电流，实现代数相加，其输出电压

                            

当时

                            

为保证运算精度，除尽量选用精度高的集成运算放大器外，还应精心挑选精度高、稳定性好的电阻。与R的取值范围可参照反比例运算电路的选取范围。

  同理，图中的。

                             图2           

                                   

3.  减法运算

减法运算电路如图3，当时，输出电压

                         

在电阻值严格匹配情况下，本电路具有较高的共模抑制能力。

 

                         图3

                           图4

4.  积分运算电路

如图4，当运算放大器开环电压增益足够大，且开路时，可人认为，其中      

将代入，并设电容两端初始电压为零，则

                          

当输入信号为幅度的直流电压时，

          

此时输出电压的波形是随时间线性下降的，如图5。当输入信号为正方波时，输出电压的稳态波形如图6所示[微软用户3] 。

   实际电路中，通常在积分电容两端并联反馈电阻，用于直流负反馈，其目的是减小集成运算放大器输出端的电流漂移，其阻值必须取得大些，否则电路将变成一阶低通滤波器。同时的加入将对电容C产生分流作用，从而导致积分误差。为克服误差，一般需满足。C太小，会加剧积分漂移，但C增大，电容漏电流也会随之加大。通常取。

5.  集成运算放大器LM324

集成运算放大器LM324的内部电路结构和引脚排列如图7所示。

五．硬件实验内容

1.反相比例运算

      1设计并安装反向比例运算电路，要求输入阻抗。

      2在该放大器输入端加入的正弦电压，峰峰值500mv，测量放大器的输出电压，电压增益。

2.反相比例加减法

     1输入1kHz正弦波，峰峰值为500mv，调节产生

     2测量输出电压V

电路如下图

                   

            加减法运算电路

3.反向比例积分电路

     1输入，峰峰值为1V的正方波（调节offset使其为正方波）

     2用DC挡测试，画出其波形，标出其幅值和周期

       获得如下波形

六、实验结果及分析

1.  反相比例运算

结果：波形图

分析：可明显观察到ch1与chi2反相，且有放大，实验结果与理论结果相差较小，在误差允许范围之内。

2.  反相比例加减法

结果：

加法

结果：

减法

分析：由结果计算出相对误差，实验结果在误差允许范围内，实验结果有效

3.反向比例积分电路

结果：波形图

分析：实验结果有效

七、思考题

1.在反相比例加法运算电路中（开关S置A点）。R'值应怎样确定？若R1=R2=10kΩ，R'=5.1kΩ，试问：取R1=10kΩ和R1=100kΩ两种情况下，哪一种运算精度高？为什么？对照实验结果分析。

答：①，②R1=100kΩ精度高，因为当R1越小，信号的放大越明显，则精度越高。

2.若输入信号与放大器的同相端相连，当信号正向增大时，运算放大器的输出时正还是负？

答：因为放大器同相端与输出端同相，所以输出应为正

3.若输入信号与放大器的同相端相连，当信号反向增大时，运算放大器的输出时正还是负？

答：放大器反相端与输出端反相，当信号负向增大，输出应为正

八、 小结

这次实验是对我们动手能力的一次考验，更是对我们关于运算放大器的知识的一次实践，完成实验需要对各个原理掌握清楚，对接线有清晰的思路，更要对仪器熟练的使用。在这次实验过程中，我收集了一些常见的问题，小结如下：

1.实验过程中有同学的正负电源接反，导致IC被烧坏，我在做实验的过程中，电源线的不同端使用了不同颜色的导线以示区别。

2.有的同学波形不断变换或者出现不了预期的波形，我认为可以按以下步骤检验：a.可以先按autoset，我认为这个按钮十分有效，有时候在电路接线有改动时，可能示波器的波形没有明显变化，此时按autoset很有效，b.检查电路以后发现仍然有问题，可以测试一些特殊点的电位或者波形来分析。

3.很多同学得到了正确波形，却同时发现波形比较不“美观”，“毛糙”，这个一般是接地线没有接好的原因。可以将部分接地线更换位置，可以很有效的解决这个问题。

4.我做第三个实验的时候，做了很久，实验线路重新连了三四次才得出结果，问题有如下几种：a.电位器无法使用，这告诉我们有时候一些元器件可能会或多或少存在问题，在反复检查电路接线之后可以考虑测量元器件的电位判断元器件是否正常工作，b.面包板上部分插孔可能无法使用，确定线路及元器件均正常后，可以更换各元器件的布局。另外，布线越简明越有利于对电路的分析