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1、运算放大器在波形变换中的应用一、实验目的1、给定一个电路，学会如何分析，并由此设计所需要的电路2、学会 EDA仿真3、基于面包板的现实的电路调试，实际情况与EDA仿真结果比有一定出入4、学习运算放大器在三角波、方波等波形变换中的应用二、实验原理及电路分析1、了解用途产生三角波和方波VO1 输出三角波VO2 输出方波2、找出通路从左到右3、化整为零 -定性分析二极管和稳压管起限幅作用，稳压管使运放输出限制在稳压管工作电压，将二极管开路， 等效电路为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 10 页分为：积分电路，两个比较电平的产生
2、和比较器三部分电路所组成。4、分析功能a、比较电路图中，比较器输出端电压VO与输入端电压满足以下关系：VO=KV+-V-其中， K为开环放大倍数，通常大于10dB。当 V+V-时，VO0；当 V+ V-时，VO0。电路中输入 +端接地， V+=0，所以 V-0，VO0；V-0，VO0。因此，当V-在 V+附近波动时，输出电压VO将在正负电源电压间跳变。b、积分电路点为虚地点。可得：?=?= -?= ? 末= ? 初=1-? ?2?1?当 Vi为常数时，?(?2) = -1?(?2-?1) + ?(?1)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第
3、 2 页，共 10 页由此可见， VO是时间的线性函数，当Vi 为正电压时， Vo 线性减小；当Vi 为负电压时，VO线性增加。因此，如Vi 为正负绝对值相等的矩形波电压且维持时间t 恰当不至于使运算放大器输出饱和 ，积分电路输出波形为三角形电压。c、两个比较信号电平确实定VO1经 R2，VO2经 R3VO1是积分电路输出的三角波形电压，VO2是第三个运算放大器输出的矩形波电压。当 VO2施加不变的电压时，VO1施加的是线性变化的三角波电压。因此V-存在两个不同的过零电压。计算得：?-=?1? ?3+ ?2? ?2?2+ ?3考虑一般性， VO2输出的正电平为Vp，负电平为 -VN，则 V-过
4、零时刻， VO1两个电平为：V?1= -?2?3?1= +?2?3?则，实验各点波形为：d、振荡频率和周期在 t0tt1经过分压，积分电路的输入电压Vi 为- VN这里的为分压比，调节W1 电位器，可改变 ，两个比较电平对应积分电路中的初末电压。可得：?2?3?=?1?1?1-?2?3?从而可得：?1=?2?3（?+ ?）?1?1?同理，在t1tt2时间内积分电路的输入电压Vi 为 VP，两个比较电电平仍对应积分电路中的初末电压。可得：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 10 页?2=?2?3（?+ ?）?1?1?所以， T
5、1+T2即为三角波的周期化简得：?2?3?1?1(V?+ ?)2?可得：1、假设 VP不等于 VN，则 T1不等于 T2，VO1输出为锯齿波，VO2输出为矩形波；2、假设 VP等于 VN，则 T1等于 T2，VO1输出为三角波，VO2输出为方波；3、三角波和方波的周期为：T = 4?2?3?1?1?4、当 R2=R3时，周期和频率为：T = 4?1?1?，f=?4?1?15、假设输出电压VO2被钳制在不同的正负电压值时，可改变输出波形占空比，即 VO1将输出锯齿波，而VO2将输出矩形波。5、通观整体积分电路比较电平产生电路比较电路6、性能估算设计指标三角波和方波的频率范围KHz 2KHz输出幅
6、度为 6VA、根据输出幅度要求D3、D4 可取 5V1 稳压二极管；取 R2=R3 ，使三角波输出最大电压为5.1V，最小电压为V；D1、D2 可取快速二极管1N4148。B、根据频率范围要求f=?4?1?1取 =1 时 f=2kHz,假设 C1取 F ，则 R1=12k ；当 f=500Hz，C1，R1=12k 时， ；因此可选W13k ，R4=1k 。选 R2=R3=1k三、 A7411、特性短路电流保护精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 10 页电压调零能力大范围的差模和共模输入电压低电源消耗无 闩锁效应2、最大额定值
7、A741C A741I A741M 单位输入电压， VCC+ 18 22 22 V 输入电压， VCC- -18 -22 -22 V 差动输入电压，VID 15 30 30 V 调零段到 VCC-的电压降15 V 输出短路时间无限无限无限操作自然温度范围0 至 70 -40 至85 -55 至125 C 储存温度-65 至150 -65 至150 -65 至150 C 工作 60s 后外表温度FK封装260 C 工作 60s 距离外表J，JG或 U封装600 C 工作 10s 距离外表D，P或 PW封装260 260 C 3、 电气参数除特别指出， 均在在 25C自然温度，VCC= 15V 除
8、特别指出，均在开环下，零共模输入参数测试条件A741CA741C,A741M单位最小标准最大最小标准最大输 入 偏 移 电 压VIOVO=01615mV偏移电压调整范围 VIOVO=01515mV输 入 偏 移 电 流IIOVO=02020020200nA输 入 基 准 电 流IIBVO=08050080500nA共模输入电压范围 VICR12131213V最大峰值输出电压 VOMRL=10K 12141214VRL 10K1212RL=2K 10131013精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页RL 2K1010大信
9、号差模输入电压震荡AVDRL 2K2020050200V/mVVO=10V1525输入电阻ri22M输出电阻roVO=07575输入电容CiVIC=VICRminpF共 模 抑 制 比CMRRVCC= 9V 至 15V70907090dB短 路 输 出 电 流IOS254025 40mA源电流 ICCVO=0，无负载mA总功率消耗PDVO=0，无负载50855085mW四、实验步骤1、在面包板上按实验原理图，连接电源和信号路线器件要平铺在面包板上，不能立交状2、不带电测试：利用万能表二极管档位，测试全线路的通断状况3、接通电源，手感应关键器件 A741 的温度，如果有发烫，则断电检查线路4、假
10、设器件工作正常，则用万用表测量电源和典型节点的电压5、接通示波器，观察输出波形，记录数据五、实验结果与数据分析这次试验较为顺利，在连接好电路之后，经过不带电测试和手感应温度测试，期间均工作正常、接通示波器后，屏幕上出现理想的三角波和方波波形。通过调整电位器的分压比，观察三角波和方波的极限工作范围。经测试，波形的频率在Hz 到 kHz 之间。三角波的最小值为 -6V，最大值为；方波电压的最小值为V，最大值为V。基本符合设计的要求。记录了几个典型波形如图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页稳压管的稳压值为V，但是稳压管
11、正向导通的时候也存在一定的压降，所以方波电压的峰峰值略大于V。到达 6V 左右。而三角波电压在与方波电压进行比较的时候，由于集成运放作为比较器使用的时候，需要有一定的压降，所以三角波形的峰峰值略大于方波电压的峰峰值。而通过调节电位器所能到达的频率值也基本与计算值相同，符合预期。六、实验结论与体会集成运放在输出三角波和方波的方面性能比较好，波形稳定，通过选取不同的稳压管，电阻和电容， 可以将输出电压钳制在一定范围内；可以改变时间常数来改变三角波和方波的周期；可以通过改变方波正向和反向不同的时间常数改变占空比；可以通过串联不同的稳压管改变幅值，同时间接改变占空比。原理简单，电路清楚，扩展广泛，是一
12、个很好的选择。七、作业题分析、设计电路并EDA仿真：1、使得 V02的输出电压幅值可变VP和 VN分别可变2、使得电路的占空比可变3、频率范围提高到200kHz答： VO2的输出电压值VP，VN 简单的方法是可以选用不同稳压值的稳压管，通过不同的连接方式配合单刀多掷开关，来到达不同的VP 和 VN 的值，但是此种方法得到的值固定不连续，且需要很多的稳压管。所以选择了另外一种方法，通过两个二极管来筛选出方波的正负两个幅值，输入到正向可调比例的运放中。正向可调比例的运放电路借鉴于21Ic 网。原理如图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7
13、 页，共 10 页其中， Ui 为输入信号，经过R1 和 RP 连接地，在运放的正段得到第一次的缩小信号，之后经过R 和 RF同向比例放大电路，得到放大的信号UO，经过比例均可调的一次缩小和一次放大，最终信号的缩小和放大均可达成。Multisim 模拟中，将R1 和 Rp；R和 Rf 由电位器替代，只需调整两个电位器的比例值，即可得到各种比例。两个幅值各接到一个可调比例正向运放电路中，通过两个电阻使信号不直接短路，接到原电路的位置。 这一过程由于经过两个电阻，信号有一定的缩小，三角波的电压幅值，也与方波幅值的比例发生一定的变化，不再满足原来的关系式。同时，通过前边对振荡周期的讨论，VP和 VN
14、 的不同时改变也会间接改变占空比。但想要得到占空比可变的电路，显然是不能通过此实现的， 应该通过改变方波正反向电压的时间常数实现。所以在积分电路的输入端，仍然通过两个二极管，来筛选出方波的正负幅值，原电路的RC中， R=12K ，所以仍然通过一个 12K 的电位器，连接筛选出的正负幅值后，输入到积分器内，这样，在不改变周期的基础下，改变正负不同电压的时间常数，到达改变占空比的目的。实际电路如图：U1,U2,U3 为原电路的三个运放，U4,U5 为改变方波幅值的两个同向可改变比例运放电路，D5，D6 以及电位器R5 起到改变波形占空比的作用。此时，示波器波形如图：精选学习资料 - - - - -
15、 - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页仅改变 R5比例后的示波器图形：仅调整 U4 连接的电位器阻值比值后的波形改变方波最高电压：仅调整 U5 连接的电位器阻值比值后的波形改变方波最低电压：这些改变可以同时发生。满足了作业中1 和 2 的条件。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 10 页而想使波频率可以到达200kHz，在调整 RC的值时， 由于方波的上升和下降均需要一定的时间，所以当频率到达5kHz 时，方波有很明显的失真，同时频率也存在一定的上限，大概在 10kHz 左右。所以需要选用频率更高的运放和二极管等。但是在选用了LM318JB 时，情况仍没有很好的改变。通过查找，又找到了更高速的运放，LF356AH ，将 k ，C1=1nF ，但是仍没有得到200kHZ，得到了135kHz 的方波。最后找到了LT1395CS5, k ，C1=1nF得到了较为完美的200kHz 的方波。波形如图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 10 页