实验3.8 集成运算放大器基本运算电路

一、实验目的

（1）掌握由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等模拟运算电路功能。

（2）熟悉运算放大器在模拟运算中的应用。

二、实验设备及材料

函数信号发生器、双踪示波器、交流毫伏表、数字万用表、直流稳压电源、实验电路板。

三、实验原理

集成运算放大器在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。

1、反相比例运算电路  

反相比例运算电路如图3.8.1所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：

                   （3-8-1）

为减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R´=R1||Rf。实验中采用10 kΩ和100 kΩ两个电阻并联。

2、同相比例运算电路     

图3.8.2是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为

                    （3-8-2）

当R1→∞时，Uo=Ui，即为电压跟随器。

3、反相加法电路

反相加法电路电路如图3.8.3所示，输出电压与输入电压之间的关系为

         （3-8-3）  

        R´ = R1 || R2 || Rf  

4、同相加法电路

同相加法电路电路如图3.8.4所示，输出电压与输入电压之间的关系为：

    （3-8-4）                             

5、减法运算电路（差动放大器）

减法运算电路如图3.8.5所示，输出电压与输入电压之间的关系为：                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

当R1 = R2，R´ = Rf时，图3.8.5电路为差动放大器，输出电压为：

             （3-8-5）

6、积分运算电路

反相积分电路如图3.8.6所示，其中Rf是为低频增益、减小失调电压的影响而增加的。在理想化条件下，输出电压Uo等于：

                            （3-8-6）

式中UC（0）是t = 0时刻电容C两端的电压值，即初始值。

如果Ui（t）是幅值为E的阶跃电压，并设UC（0）= 0，则 

                         （3-8-7）

此时显然RC的数值越大，达到给定的Uo值所需的时间就越长，改变R或C的值，积分波形也不同。一般方波变换为三角波，正弦波则产生相移。

7、微分运算电路

实用微分运算电路如图3.8.7所示，其中R1是为抑制高频噪声干扰而增加的，而Cf可起改善微分波形的作用，通常称之为加速电容。

微分电路的输出电压正比于输入电压对时间的微分，一般表达式为：  

         （3-8-8）

利用微分电路可实现对波形的变换，输入矩形波时变换为尖脉冲，输入为对称三角波时变换为方波。

四、实验内容

注意正、负电源的接法，并切忌将输出端短路，否则将会损坏集成块。信号输入时先按实验所给的值调好信号源再加入运放输入端。

1、反相比例运算电路测量（验证性实验）

如图3.8.1所示连接实验电路，检查连线正确无误后方可接通电源。

分别输入f =1kHz、Ui =50 mV、100 mV、150 mV（有效值）的正弦波信号，用毫伏表测量Ui、Uo值，用示波器观察并记录其中一组Ui和Uo的波形，记入表3-8-1。

表3-8-1  反相比例运算电路测量数据记录                 f =1kHz

Ui

按图3.8.2连接实验电路。实验步骤同上，将结果记入表3-8-2。

表3-8-2  同相比例运算电路测量数据记录                      f =1kHz

Ui

按图3.8.3正确连接实验电路。输入信号采用图3.8.8所示电路获得的直流信号源UA、UB。注意实验中必须使   |UA+UB| < 1V（UA、UB可为不同数值，不同极性）。               

用数字万用表测量输入电压UA、UB及输出电压Uo，记入表3-8-3，注意输出与输入电压波形的相位关系。

表3-8-3  反相加法运算电路测量数据记录

按图3.8.5正确连接实验电路。采用直流输入信号，要求同实验内容3，记入表3-8-4。

    表3-8-4  减法运算电路测量数据记录

按图3.8.6所示，正确连接积分电路。分别取f =1kHz，峰值为2V的方波作为输入信号Ui，双踪示波器同时观察输入、输出信号波形及相位关系，记录波形及参数。

6、微分运算电路测量（验证性实验）

按如图3.8.7所示，正确连接微分电路。分别取f =1kHz，峰值为0.5V的方波作为输入信号Ui，双踪示波器同时观察输入、输出信号波形，记录波形及参数。

五、预习要求

1、复习集成运算放大器线性应用电路的工作原理和电路分析方法。

2、熟悉实验内容，推导实验中各电路输出电压的计算公式。

3、确定综合应用实验（实验内容7）设计方案。

六、实验报告

1、画出实验电路图，整理实验数据及波形图。

2、如果实验结果与理论值有较大偏差，试分析其可能的原因。

七、思考题

1、在集成运算放大器线性应用电路实验中，要求Ui 或 |UA+UB| < 1V，为什么？

2、在积分电路（图3.8.6）中，输入信号频率有什么要求？说明电路中Rf的作用。

3、在微分电路（图3.8.7）中，输入信号频率有什么要求？说明电路中Cf的作用。