资源描述
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模拟电子技术基础实验
实验报告
一、共射放大电路
1.实验目的
(1)掌握用Multisim 13仿真软件分析单极放大电路主要性能指标的方法。
(2)熟悉常用电子仪器的使用方法，熟悉基本电子元器件的作用。
(3)学会并熟悉“先静态后动态”的电子线路的基本调试方法。
(4)分析静态工作点对放大器性能的影响，学会调试放大器的静态工作点。
(5)掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
(6)测量放大电路的频率特性。
2.实验内容
(1)电路仿真
1.1 静态工作点选择
根据XSC1的显示，按如下方法进行操作：
现象
出现截止失真
出现饱和失真
操作
减小R7
增大R7
当滑动变阻器R7设置为11%时，有最大不失真电压。
1.2 静态工作点测量
将交流电源置零，用万用表测量静态工作点。
理论估算值
实际测量值
3.98V
6.03V
3.28V
2.75V
2.98mA
3.904V
6.253V
3.186V
3.067V
2.873mA
1.3 电压放大倍数测量
加入1kHz，100mV正弦波信号。测量= ∞ 时输入输出电压有效值大小。
测量= 2kΩ时输入输出电压有效值大小。
1.4输入输出电阻测量
输入电阻测量。
根据可计算得到输入电阻。
输出电阻测量。
根据可得到输出电阻。
1.5动态参数结果汇总
实际测量值
参数
开路
70.707mV
1.277V
18.06
2.769kΩ
=2kΩ
70.707mV
640.333mV
9.056
2.769kΩ
2.065kΩ
(2)实验室实测
2.1 静态工作点实测
理论估算值
实际测量值
3.98V
6.03V
3.28V
2.75V
2.98mA
3.86V
6.24V
3.18V
3.06V
2.87mA
2.2 动态参数实测
实际测量值
参数
开路
70.7mV
1.1V
15.56
2.468kΩ
=2kΩ
70.7mV
620.5mV
8.776
2.468kΩ
2.432kΩ
3.总结与讨论
(1)共射组态放大器会使输入输出电压反相。
(2)会影响输出电阻、放大倍数。
二、集成运算放大器
1.实验目的
(1)加深对集成运算放大器的基本应用电路和性能参数的理解。
(2)了解集成运算放大器的特点，掌握集成运算放大器的正确使用方法和基本应用电路。
(3) 掌握由运算放大器组成的比例、加法、减法、积分和微分等基本运算电路的功能。
(4)进一步熟悉仿真软件的使用。
2.实验内容
(1)电路仿真
集成运放是一种具有高电压放大倍数的直接耦合器件。当外部接入有不同的线性或非线性元器件组成的输入负反馈电路时，可以灵活的实现各种函数关系 ，在线性应用方面，可组成加法、减法、比例。积分、微分、对数等模拟运算电路。
在大多数情况下，将运放视为理想的，即在一般讨论中，以下三条基本结论是普遍使用的：
开环电压增益
运放的两个输入端电压近似相等，即，称为“虚短”。
运放的同相和反相两个输入端的电流可视为零，即，称为“虚断”。
应用理想运放的三条基本原则，可简化运放电路计算，得出本次实验结论。
1.1反相比例电路
显然，输入电压与输出电压反相，且满足
1.2同相比例电路
显然，输入电压与输出电压同相，且满足
1.3同相加法电路
显然，输入电压与输出电压同相，且满足如下关系式：
1.4反相加法电路
考核内容：搭建电路一满足关系
显然，输入电压与输出电压反相，且满足如下关系式：
1.5减法电路
1.6反相积分电路
显然，输入电压与输出电压反相，且满足如下关系式：
(2) 实验室实测
3.总结与讨论
(1)误差分析：本次试验结果接近理论值，误差很小，主要由于仿真计算和电阻的误差所致，可以较好地完成实验。
(2)接线时注意集成块的针脚位置与方向，注意电流大小，防止烧坏运放。
三、RC正弦波振荡器
1.实验目的
(1)学习RC正弦波振荡器的组成及其振荡条件和原理。
(2)学会使用、调试振荡器。
2.实验内容
(1)电路仿真
考核内容：搭建一RC振荡电路。
RC桥式振荡电路是一种较好的正弦波产生电路，适用于产生频率小于1MHz，频率范围宽，波形较好的低频振荡信号。
因为没有输入信号，为了产生正弦波，必须在电路里加入正反馈。下图是用运算放大器组成的电路，图中,构成负反馈支路，，，，的串并联选频网络构成正反馈支路并兼作选频网络，二极管构成稳幅电路。调节电位器可以改变负反馈的深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。二极管，要求温度稳定性好且特性匹配，这样才能保证输出波形正负半周对称，同时接入以消除二极管的非线性影响。
电路起振后，由于元件参数的不稳定性，如果电路增益增大，输出幅度将越来越大，最后由于二极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果增益不足，则输出幅度减小，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。图中两个二极管主要是利用二极管的正向电阻随所加电压而改变的特性，来自动调节负反馈深度。
可见，产生了相当稳定的正弦波信号。
(2) 实验室实测
调整示波器到有正弦输出
3.总结与讨论
可以通过调节滑动变阻器来控制振荡器的起振与输出正弦波的幅度。
四、方波发生器
1、实验目的
1.了解电压比较器的工作原理并熟悉迟滞比较器的原理和功能。
2.学习用集成运算放大器组成矩形波发生器方法。
2.实验内容
输出高电平时间：
输出低电平时间：
振荡频率：
占空比：
可见调节电位器改变的大小，即可调节输出脉冲的宽度。
(1)电路仿真
考核内容：搭建一方波发生器电路。
显然，产生了占空比可调的方波信号。
(2) 实验室实测
五、多级负反馈放大电路
1、实验目的
1.掌握Multisim 13仿真研究多级负反馈放大电路。
2.学习集成运算放大器的应用，掌握多级集成运放电路的工作特点。
3.研究负反馈对放大器性能的影响，掌握负反馈放大器的性能工作指标的测试方法。
4.测试开闭环的电压放大倍数，输入电阻，输出电阻，反馈网络的电压反馈系数和通频带。
5.比较电压放大倍数在开闭环的差别。
6.观察负反馈对非线性失真的改善作用。
2、实验内容
在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流）的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响其输入量（放大电路的输入电压或输入电流）的措施称为反馈。
若反馈的结果使净输入量减小，则称之为负反馈；反之，称之为正反馈。若反馈存在于直流通路，则称为直流反馈；若反馈存在于交流通路，则称为交流反馈。
交流负反馈有四种组态：电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。若反馈量取自输出电压，则称之为电压反馈；若反馈量取自输出电流，则称之为电流反馈。
输入量、反馈量和净输入量以电压形式相叠加，称为串联反馈；以电流形式相叠加，称为并联反馈。
(1)电路仿真
1.1 测试电路的开环基本特性
调节J1，使开关A端与B端相连。
将信号发生器输出调为1kHz、20mV（峰峰值）正弦波，然后接入放大器的输入端到网络的波特图仪。
保持输入信号不变，用示波器观察输入和输出的波形。
接入负载RL，用示波器分别测出Vi、VN、Vf、Vo。
将负载RL开路，保持输入电压Vi的大小不变，用示波器测出输出电压Vo’。
1.2 测试电路的闭环基本特性
调节J1，使开关A端与P端相连。
将信号发生器输入调为1kHz、20mV（峰峰值）正弦波，接入放大器的输入端，得到网络的波特图。
接入负载RL，逐渐增大输入信号Vi，使输入电压Vo达到开环时的测量值，然后用示波器分别测出Vi、VN和Vf的值。
将负载RL开路，保持输入电压Vi的大小不变，用示波器分别测出Vo’的值。
闭环式放大器的频率特性测试同开环时的测试。
Vi/mV
VN/mV
Vf/mV
V’0/V
V0/V
A’v
Av
Ri/Ω
RO/Ω
FV
Fl/Hz
Fh/kHz
开环测试
9.993
0.871
21.087
1.990
1.648
199.1
164.9
11K
975
0.012
1.525
41.246
理论计算
-------
------
------
-----
-----
58.7
55.3
32.7K
287
------
0.512
122.86
闭环测试
33.487
21.700
22.460
1.749
1.655
52.2
49.4
28.4K
267
0.013
0.549
151.18
开环通频带BW=41.25kHz2，闭环通频带理论值BWF=122.86kHz，闭环通频带实际测量BW=151.18kHz
3.总结与讨论
(1)引入负反馈明显展宽了通频带，但降低了放大倍数。
(2)引入电压串联负反馈增大了输入电阻，减小了输出电阻。
六、有源滤波器
1、实验目的
(1)熟悉RC有源滤波器的设计方法。
(2)掌握滤波器上下限频率的测试方法，了解滤波器在实际中的应用。
2、实验内容
由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定范围内的频率通过，抑制或者急剧衰减频率范围以外的信号。因受到运算放大器带宽的限制，这类滤波器仅适用于低频范围。根据频率范围可分为低通、高通、带通和带阻四种滤波器。
(1)电路仿真
1.1低通滤波器
=1.00v时的仿真数据
输入频率/Hz
100
150
200
250
300
400
600
800
1000
Vo/v
1.58
1.57
1.55
1.55
1.51
1.31
0.92
0.57
0.38
Av
1.58
1.57
1.55
1.55
1.51
1.31
0.92
0.57
0.38
Av/dB
3.929
3.895
3.803
3.799
3.584
2.341
-0.801
-4.884
-8.468
1.2高通滤波器
显然，只有高频信号才有较大增益。
1.3带通滤波器
显然，只有特定频率信号才有增益。
1.4带阻滤波器
显然，只有一小段特定频率段的信号增益极小，无法通过。
(2) 实验室实测
1.1低通滤波器
=1.00v时的实测数据
输入频率/Hz
100
150
200
250
300
400
600
800
1000
Vo/v
1.68
1.70
1.70
1.68
1.68
1.54
1.05
0.69
0.475
Av
1.68
1.70
1.70
1.68
1.68
1.4
1.05
0.69
0.475
Av/dB
4.51
4.61
4.61
4.51
4.51
2.92
0.42
-3.223
-6.47
3.总结与讨论
七、用运算放大器组成万用表的设计
1.实验目的
(1)综合利用所学知识，根据设计要求设计由运算放大器、二极管整流电路及电流表组成的万用表电路图，搭出实际电路并组装调试，提高实验综合能力和实际动手能力。
(2)熟悉万用表各常见功能的测试电路原理和方法。
(3)进一步体会运算放大器的应用，了解其优势。
2.设计指标与要求
直流电压表 满量程 +30V
直流电流表 满量程 50mA
交流电压表 满量程 30V,50Hz~1KHz
交流电流表 满量程 50mA
欧姆表 满量程分别为 1kΩ，10kΩ，100kΩ
3.基本原理
1.1 运算放大器的工作原理
运算放大器具有两个输入端和一个输出端，如图1所示，其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端)，另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端，如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号：输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入端的信号反相。
图1 运算放大器的电路符号
运算放大器所接的电源可以是单电源的，也可以是双电源的。运算放大器有一些非常有意思的特性，灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途，总的来说，这些特性可以综合为两条：
运算放大器的放大倍数为无穷大。
运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零。
首先，运算放大器的放大倍数为无穷大，所以只要它的输入端的输入电压不为零，输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压本来应该是无穷高的输出电压，但受到电源电压的限制。准确地说，如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高，哪怕只高极小的一点，运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压；反之，如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高，运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压(如果运算放大器用的是单电源，则输出电压为零)。
其次，由于放大倍数为无穷大，所以不能将运算放大器直接用来做放大器用，必须要将输出的信号反馈到反相输入端(称为负反馈)来降低它的放大倍数。如图2中左图所示，的作用就是将输出的信号返回到运算放大器的反相输入端，由于反相输入端与输出的电压是相反的，所以会减小电路的放大倍数，是一个负反馈电路，电阻也叫做负反馈电阻。
图2 运算放大器的反馈电阻接法
还有，由于运算放大器的输入电阻为无穷大，所以运算放大器的输入端是没有电流输入的——它只接受电压。同样，如果我们想象在运算放大器的同相输入端与反相输入端之间是一只无穷大的电阻，那么加在这个电阻两端的电压是不能形成电流的，没有电流，根据欧姆定律，电阻两端就不会有电压，所以我们又可以认为在运算放大器的两个输人端电压是相同的。
1.2运算放大器调零电路原理
由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。“调零”技术是使用运放时必须掌握的。特别是在作直流放大器用时，由于输入失调电压和失调电流的影响，当运放的输入为零时，输出不为零，将影响运算放大器的精度，严重时使运算放大器不能正常工作。调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可，例如本实验所用到的HA17741。
下面以HA17741为例，图1给出了常用外部调零电路。它的调零电路由-12V电源、50kΩ的电阻和调零电位器组成。调零时应将电路接成闭环，将两个输入端接“地”，调节调零电位器，使输出电压为零。
图1 调零电路
1.3万用表工作原理及参考电路
直流电压表
图1为同相端输入，高精度直流电压表电原理图。
图1 直流电压表
表头电流I与被测电压Ui的关系为:
应当指出：图1适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。此外，当被测电压较高时，在运放的输入端应设置衰减器。
直流电流表
图2是浮地直流电流表的电原理图。在电流测量中，浮地电流的测量是普遍存在的，例如：若被测电流无接地点，就属于这种情况。为此，应把运算放大器的电源也对地浮动，按此种方式构成的电流表就可象常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。
表头电流I与被测电流I1间关系为:
可见，改变电阻比（R1／R2），可调节流过电流表的电流，以提高灵敏度。如果被测电流较大时，应给电流表表头并联分流电阻。
图2 直流电流表
交流电压表
由运算放大器、 二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表如图3所示。被测交流电压Ui加到运算放大器的同相端，故有很高的输入阻抗，又因为负反馈能减小反馈回路中的非线性影响，故把二极管桥路和表头置于运算放大器的反馈回路中，以减小二极管本身非线性的影响。
图3 交流电压表
表头电流I与被测电压Ui的关系为
电流I全部流过桥路，其值仅与Ui／R1有关， 与桥路和表头参数（如二极管的死区等非线性参数）无关。表头中电流与被测电压ui的全波整流平均值成正比，若ui为正弦波，则表头可按有效值来刻度。被测电压的上限频率决定于运算放大器的频带和上升速率。
交流电流表
图4为浮地交流电流表，表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值I1AV决定，即
图4 交流电流表
如果被测电流I1为正弦电流，即，则上式可写为：
则表头可按有效值来刻度。
欧姆表
图5为多量程的欧姆表。
图5 欧姆表
在此电路中，运算放大器改用单电源供电，被测电阻RX跨接在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压UREF。
∵ UP＝UN＝UREF
I1＝IX
即
流经表头的电流：
由上两式消去(UO－UREF) 可得：
可见，电流I与被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变R1值，可改变欧姆表的量程。这种欧姆表能自动调零，当RX＝0时，电路变成电压跟随器，UO＝UREF，故表头电流为零，从而实现了自动调零。
二极管D起保护电表的作用，如果没有D，当RX超量程时，特别是当RX→∞，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载。有了D 就可使输出钳位，防止表头过载。调整R2，可实现满量程调节。
1.4总电路图
如图，为设计的总电路图。
电路说明：黑框以外部位是万用表的内部结构，黑框以内是四种可能的待测元件。四种
功能的切换是以开关S1、S3、S4、S6的控制完成的，其中在图示初始状态下，开关S1赋予控制键A，其余三个的控制键是B，这就能有四种组合方式，从而达到四种电表的测量功能。
A
B
电表类型
1
0
直流电流
0
1
交流电压
1
1
直流电压
0
0
交流电流
其中1表示对应键在初始态下按下，0表示初态。
黑框中以类似的方式快速切换，便于仿真的进行。
4.测试
1.1直流电流的测量结果(A=1,B=0)
测量电流是根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转化为相应的待测电压，再进行测量。
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电流
4mA
3.9992mA
0.0008mA
0.020%
6mA
5.9992mA
0.0008mA
0.013%
8mA
7.9992mA
0.0008mA
0.010%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
R2
2.5KΩ
电表选用量程
0 —— 60 mA
1.2交流电流的测量结果(A=0,B=0)
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电流
4.235mA
0.235mA
5.875%
6.357mA
0.357mA
5.950%
8.475mA
0.475mA
5.935%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
R2
2.5KΩ
电表选用量程
0 —— 60 mA
1.3直流电压的测量结果(A=1,B=1)
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电压
6V
6.0025V
0.0025V
0.042%
8V
8.0015V
0.0015V
0.019%
10V
10.003V
0.003V
0.03%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
电表选用量程
0 —— 60 mA
1.4交流电压的测量结果(A=0,B=1)
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电压
5.040V
0.599V
9.98%
7.2015V
0.7985V
9.98%
9.0020V
0.9980V
9.98%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
电表选用量程
0 —— 60 mA
1.5欧姆表的测量结果
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电阻
600Ω
601.8Ω
1.8Ω
0.31%
9KΩ
9.02KΩ
0.02KΩ
0.22%
80KΩ
80.35KΩ
0.35KΩ
0.44%
电阻
R1
1KΩ
R2
2.9KΩ
电表选用量程
0 —— 1mA（忽略了Rm的影响）
5.总结及经验体会
作为一名学生，我想学习的目的不在于通过结业考试，而是为了获取知识，获取工作技能。换句话说，在学校学习是为了能够适应 社会的需要，通过学习保证能够完成将来的工作，为社会作出贡献。然而步出象牙塔步入社会是有很大落差的，能够以进入公司实习来作为缓冲，对我而言是一件幸事，通过实习工作了解到工作的实际需要，使得学习的目的性更明确，得到的效果也相应的更好通过对万用表电路的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。对此课程的设计，我不但深入学习了理论知识，最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛，也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的。
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