实验七    集成运放基本运算电路

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、实验原理

　　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、对数等模拟运算电路。

理想运算放大器特性

在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。

开环电压增益　A_ud=∞

输入阻抗　　　r_i=∞

输出阻抗　　　r_o=0

带宽          f_BW=∞

失调与漂移均为零等。

理想运放在线性应用时的两个重要特性：

（1）输出电压U_O与输入电压之间满足关系式

U_O＝A_ud（U₊－U_－）

由于A_ud=∞，而U_O为有限值，因此，U₊－U_－≈0。即U₊≈U_－，称为“虚短”。

　　（2）由于r_i=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I_IB＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

基本运算电路

1.加法器是指输出信号为几个输入信号之和的放大器。用数学式子表示为：

y = x₁+ x₂+ …… + x_n

i₁+ i₂+ i₃ +…… + i_n  = i_f

= i_f

于是有V₀ =  (V_i1 +V_i2 +V_i3 +……+V_in)

    如果各电阻的阻值不同，则可作为比例加法器，则有 

2、减法器是指输出信号为两个输入信号之差的放大器。用数学关系表示时，可写为：y = x₁ - x₂

 下图为减法器的基本结构图。

由于  V_A = V_B 

                  （已知R₃ = R_f）

所以    

                                                                     

3、积分器是指输出信号为输入信号积分后的结果，用数学关系表示为：

           

右图是最基本的积分器的结构图。这里反馈网络的一个部分用电容来代替电阻，则有：

      

上式表示了输出信号是输入信号积分的结果。   

4、微分器。微分是积分的反运算，微分器是指输出信号为输入信号微分运算的结果。用数学式子表示为：          

下图示出微分器的基本原理图，利用“虚断”和和“虚短”的概念，可以建立以下关系式：

三、实验设计要求

要求根据实验原理设计反相加法运算电路、减法运算电路、积分运算电路，并设计数据记录表格。

1、整理实验数据，画出波形图（注意波形间的相位关系）。

　　2、将理论计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因。

    3、分析讨论实验中出现的现象和问题。

实验提示：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，否则将会损坏集成块。

四、实验参考方案

1. 反相比例放大电路

2. 反相加法运算电路

1)  按下图连接实验电路。

2)  调节信号源的输出。用交流毫伏表或示波器测量输入电压V_i及A、B点电压V_A和V_B，及输出电压V_O，数据记入表5－2。

　　

3. 减法运算电路

表5-1

表5-2

表5－3

六、思考题

为了不损坏集成块，实验中应注意什么问题？

答；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，否则将会损坏集成块。

    误差分析

1.  在测定时，我们只测量了一次，没有多次测量取平均值。可能会给实验带来一定的误差。

2.  由于实验器材的限制，手动调节，存在较大误差，

3. 本次试验使用了示波器，实验仪器自身会产生误差；

4.   实验电路板使用次数较多，电阻值、电容值会有误差； 

 

第二篇：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： 电路与电子技术实验             指导老师：          成绩：                 

实验名称： 集成运放组成的基本运算电路实验 实验类型：                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. 研究集成运放组成的比例、加法和积分等基本运算电路的功能；

2. 掌握集成运算放大电路的三种输入方式。

3. 了解集成运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题；

4. 理解在放大电路中引入负反馈的方法和负反馈对放大电路各项性能指标的影响；

5. 学会用集成运算放大器实现波形变换

二、实验内容和原理

1. 实现两个信号的反相加法运算

2. 输入正弦波，示波器观察输入和输出波形，毫伏表测量有效值

3. 实现单一信号同相比例运算(选做)

4. 输入正弦波，示波器观察输入和输出波形，毫伏表测量有效值，测量闭环传输特性：Vo = f (Vs)

5. 实现两个信号的减法(差分)运算

6. 输入正弦波，示波器观察输入和输出波形，毫伏表测量有效值

7. 实现积分运算(选做)

8. 设置输出初态电压等于零；输入接固定直流电压，断开K₂，进入积分；用示波器观察输出变化(如何设定X轴,Y轴和触发方式)

9. 波形转换—方波转换成三角波

10. 设：Tp为方波半个周期时间；τ=R₂C

11. 在Tp<<τ、Tp ≈τ 、Tp>>τ三种情况下加入方波信号，用示波器观察输出和输入波形，记录线性情况和幅度的变化。

三、主要仪器设备

1. 集成运算电路实验板；通用运算放大器μA741、电阻电容等元器件；

2. MS8200G型数字多用表；XJ4318型双踪示波器；XJ1631数字函数信号发生器；DF2172B型交流电压表；HY3003D-3型可调式直流稳压稳流电源 。

四、实验内容、数据记录及处理分析

1. 读取几个元器件的标称，并用万用表测量其真实值

2. 实现两个信号的反相加法运算

    

   实验仿真电路图如下

  

实验数据记录

测量输入和输出信号的幅值，并用示波器观察输入和输出信号波形，将实验结果记录在下述表格中：

 根据公式                       ，由两个Vs，计算Vo

得到 Vo=—（10*72.12mV+10*72.12mV） = 1.4424V  与实验所得数据1.7V相差不大，可以接受，会产生此误差，可能因为电阻等元件存在误差，也可能运算放大器本身在无信号输入时就已经有输出。

3. 实现单一信号同相比例运算

   实验步骤：

测量输入和输出信号幅值，验证电路功能。

测出电压传输特性，并记录曲线。

   电压传输特性是表征输入输出之间的关系曲线，即 v_o= f (v_s) 。电压传输特性曲线可用示波器来观察。

电路图如下

仿真结果如下

实验数据记录

   测量输入和输出信号的幅值，并用示波器观察输入和输出信号波形，将实验结果记录在下述表格中：

根据公式                       ，由Vs，计算Vo

得到 Vo=（1+10）*74.35m  = 817.85mV  与实验所得数据841.1mV基本相同，实验成功。

4. 实现两个信号的减法(差分)运算

实验步骤：

测量输入和输出信号幅值，验证电路功能。

电路图如下

仿真结果如下

实验数据记录

   测量输入和输出信号的幅值，并用示波器观察输入和输出信号波形，将实验结果记录在下述表格中：

 根据公式                       ，由两个Vs，计算Vo

得到 Vo= 10*7.053V—10*7.053V = 0V  与实验所得数据0.21529V相差不大，可以接受，会产生此误差，可能因为电阻等元件存在误差，也可能运算放大器本身在无信号输入时就已经有输出。

5. 积分运算电路

电路图如下

仿真结果如下

6. 波形转换—方波转换成三角波

电路仿真如下

A  T=0.1ms时

 

B   T=100ms时

C   T=1s时

数据记录：

      接三种情况加入方波信号，用示波器观察输出和输入波形，记录线性情况和幅度的变化。

1、Tp<<τ  2、Tp ≈τ   3、Tp>>τ

1、T=100us

2、T=99.9ms

3、T=998ms

根据公式 ，由Vs，计算Vo

1、当T=100us时

得到 ,与实验所得的20.5mV接近，可以接受

2、当T=99.9ms时

得到 ,与实验所得的4.68V有较大差距，存在的误差有可能是人为或者系统本身的误差

3、当T=998us时

得到 ,与实验所得的10V相差甚远，此时观察波形，可以看到积分段早已经呈现平直线，可见时间常数比方波周期小得多，早已经充电完毕。

五、讨论、心得

              （1）做运算放大器电路的实验需要谨慎连接电路，连接好以后最好再检查一下电路，以免电路连接不慎导致运放芯片被烧掉

              （2）运算放大器在使用前必须仔细阅读运算放大器的使用手册和注意事项

集成运放使用注意事项

查阅手册了解引脚的排列及功能；

检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电源短路；

输入信号应远小于 V_IdM 和V_ICM，以防阻塞或损坏器件；

电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；

输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流放大需调零