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1、實驗九 集成運算放大器在信號運算方面的應用(二) 求和、積分與微分電路,,一、實驗目的 二、預習要求 三、基本原理 四、實驗內(nèi)容 五、實驗設備與器材 六、實驗報告要求 七、思考題,主菜單,一、實驗目的,1熟悉加法、減法、積分、微分電路的基本工作原理和電路組成形式。 2掌握運算電路的設計與實際測量方法。 3學會測試各運算電路和工作波形。,二、預習要求,1.預習集成運算放大器有關模擬運算應用方面的知識，了解各電路的工作原理。 2.設計一模擬運算電路，滿足關系式。 3.畫出各實驗電路，擬出實驗數(shù)據(jù)表，計算有關實驗內(nèi)容理論值，熟悉實驗中所用儀器的使用方法，了解各種信號獲得的方法。 4.學習提高運算精度
2、的方法。,三、實驗原理,1加法器 加法器的輸出量反映出多個模擬輸入量相加的結果。用運算放大器實現(xiàn)加法運算時，可以采用反相輸入方式，也可以采用同相輸入方式。 如圖所示的反相輸入加法器，是將兩個電壓和加在集成運算放大器的反相輸入端，顯然，它屬于多端輸入的電壓并聯(lián)負反饋電路。在理想情況下，利用虛地的概念，可得到輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：,,反相加法器,,（3-9-1） 式中負號是由于反相輸入所引起的。若，則上式可變?yōu)? （3-9-2） 如果在輸出端再接一級反相器，則可消去式(3-9-2)中的負號，這樣就可以完全符合常規(guī)的算術加法運算。,為了提高運算精度，如圖3-9-1所示的
3、電路中，同相輸入端電阻 應滿足 。 圖3-9-1所示的電路可以擴展到多個輸入電壓相加的情況，若有幾個輸入電壓相加，則輸出電壓與輸入電壓之間的關系為： 而 擴展后的加法器稱為比例加法器，如果電路中取 則有,,2減法運算電路,上圖用來實現(xiàn)兩個電壓 、 相減的電路圖。從結構上看，它是一個反相輸入和同相輸入相結合的放大器，信號電壓 、 分別通過電阻 、 加在運算放大器的反相和同相輸入端， 和 構成反饋網(wǎng)絡。當電路參數(shù)一定時，由于集成運算放大器的開環(huán)電壓增益 很大，不論 的大小、極性如何，都將引入很強的負反饋，使 。也就是說，電路中也存在“虛短”現(xiàn)象，同時兩輸入端引入
4、共模電壓， 。由于 及 ，由電路圖可列出下列方程：,,,,差動減法電路,,例 1. 差分運算電路的設計,條件：,Rf = 10 k,要求：,uo = uI1 2uI2,R1 = 5 k,,,R2 = 2R3,= 5//10,,R2= 10 k,,R3= 5 k,,而可得輸出電壓 當電阻值滿足 的關系時，輸出電壓可簡化為： （3-9-3） 輸出電壓與兩個 輸入電壓之差 成比例。當取 時， ，可實現(xiàn)減法運算。,這種電路常用于將差動輸入轉換為單端輸出，廣泛地用于放大具有強烈共模干擾的微弱信號。要提高運算精度，一方面要嚴格選配
5、 ，另一方面要采用高共模抑制比 的集成運算放大器,3積分器,積分電路是模擬計算機中的基本單元，利用它可以實現(xiàn)微分方程的模擬，它同時也是控制和測量系統(tǒng)中的重要單元，利用它的充放電過程可以實現(xiàn)延時、定時，以及產(chǎn)生各種波形。 采用集成運算放大器的基本積分電路如下圖所示。它和反相比例放大器的不同之處在于它是用電容C來代替反饋電阻 。利用集成運算放大器，在電容兩端電壓增長時流過它的電流基本維持穩(wěn)定，從而可以實現(xiàn)比較理想的積分運算。,,,積分電路,在理想情況下，利用虛地的概念，可以得到 （3-9-4） 上式表明輸出電壓與輸入電壓成積分關系，式中負號表示它們在相位上是反相的。 圖中，
6、RF是分流電阻，用于穩(wěn)定直流增益，以避免直流失調(diào)電壓在積分周期內(nèi),積累導致運算放大器飽和。一般取RF=10R1，由于RF的作用，只有頻率大于 的輸入信號積分才有效，而對于頻率小于 的輸入信號，圖所示的電路近似為反相放大器。 當輸入信號 是幅值為 的階躍電壓時，在它的作用下，電容將以恒流方式進行充電，輸出電壓 與時間 成近似線性關系，這時 （3-9-5） 若是方波，則輸出電壓為鋸齒波，且二者相位相反。,4微分器,微分運算是積分運算的逆運算。從電路形式上看，將積分電路圖中電阻 與電容 的位置對調(diào)一下，即可得到如下圖所示的微分電路。在這個電路中，同樣存在虛地，在理想情況
7、下。經(jīng)過簡單推導，可得： 即輸出電壓是輸入電壓的微分，從而可實現(xiàn)微分運算。 利用微分電路可以實現(xiàn)波形變換，如將矩形波變換為尖脈沖。 接下來圖為積分、微分電路,,微分電路,積分-微分電路,四、實驗內(nèi)容,1加法器 2. 減法器 3. 積分器 4. 微分器 5. 積分微分器 分別按各電路圖接好電路，進行測試所得數(shù)據(jù)分別填入各自的 數(shù)據(jù)表中。,,反相加法器測量數(shù)據(jù)表,,,減法電路測量數(shù)據(jù)表,,積分器測量數(shù)據(jù)表,,,微分器波型表,五、實驗設備,1雙蹤示波器(YB4320A)l臺 2信號發(fā)生器(DFl64lD)1臺 3低頻毫伏表(YB2172)1臺 4模擬電路實驗箱(DM992A)1個 5LM324運算放大器1只,六、實驗報告要求,1列出加法、減法運算的實驗數(shù)據(jù)，與理論值相比較，分析其誤差產(chǎn)生的原因 2畫出積分與微分運算時輸入輸出信號電壓波形，并分析之。 3畫出積分一微分運算時各級輸入、輸出信號電壓波形，并分析之。 4畫出實驗電路，寫出主要測試步驟。,七、思考題,1在積分電路中，跨接的電阻 起什么作用? 2在反相加法器輸出電壓算式中，各相加項的比例系數(shù)僅 與和輸入電路的輸入電之比有關，而與其他輸入電路的電阻及運算放大器的參數(shù)無關，以上結論在什么條件下才成立?為什么? 3如果實際運算放大器不符合理想運算放大器條件，會出現(xiàn)什么問題?,
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