物理电子技术实验模拟部分

表2.2
Ui(V)
Uo(V)
Ui波 形
Uo波 形
实测值
计算值
2．反相比例放大器 实验电路如图2-2所示。接好电路后，接12v的直流电源。
图2-2 反相比例放大器
（1）按表2.3内容实验并测量记录。 表2.3
直流输入电压 Ui（mV）
30 500 1000
理论估算 （mV）
输出电 实测值 压Uo （mV）
图3-2 基本微分电路 在这个电路中，同样存在虚地和虚断，因此可得
上式表明，输出电压vO与输入电压的微分
成正比。 当输入电压vS为阶跃信号时，考虑到信号源总存在内阻，在t=0
时，输出电压仍为一个有限值，随着电容器C的充电。输出电压vOo将逐 渐地衰减，最后趋近于零，如图2所示。
四、实验内容
1、积分电路 实验电路如图7-3
则有
且 u-=u+=ui，可得： 同相比例运算电路输入电阻为： 输出电阻： Rof=0 以上比例运算电路可以是交流运算，也可以是直流运算。输入信号如 果是直流，则需加调零电路。如果是交流信号输入，则输入、输出端要 加隔直电容，而调零电路可省略。 选择集成运算放大器时，首先应查阅手册，了解运放主要参数，一 般为了减小闭环增益误差，提高放大电路的工作稳定性，应尽量选用失 调温漂小，开环电压增益高，输入电阻高，输出电阻低的运算放大器。 特别是在交流放大时，为减小放大电路的频率失真和相位失真（动 态误差），集成运算放大器的增益——带宽积G·B和转换速度SR必须满 足以下关系： 式中fmax为输入信号最高工作频率，Uomax为最大输出电压幅值 对于同相比例电路运算电路，还要特别注意存在共模输入信号的问 题，也就是说，要求集成运算放大器允许的共模输入电压范围必须大于 实际的共模输入信号幅值。并要求有很高的共模抑制比。
。由于vI从同相输入且只有一个门限电压，故 称为同相输入单门限电压比较器。反之当vI从反相 端输入，VREF改接到同相端，则称为反相输入单 门限电压比较器。其相应传输特性如图10-1b中的 虚线所示。
2．过零比较器 对于图4-1a所示电路，当
，则输出电压
每次过零时，输出电压就产生跳变。这种比较
器称为过零比较器。
前，vO一直保持
不变。当vI增加到略大于
，则vO由VOH下跳到VOL，同时使vP下跳到
。vI再增加，vO保持
不变。 若减小vI，只要
，则vo将始终保持
不变，只有当
时， vo 才由 图4-4 跳到VOH。其传输特性如 图4-4b所示。
由以百度文库分析可以看出，迟滞比较器的门限电压 是随输出电压vo的变化而改变的。它的灵敏度低一 些，但抗干扰能力却大大提高了。
误差
（2）断开直流传号源，在输入端加人频率的正弦信号，用毫伏表 测量输出端的信号电压Vo并用示波器观察Vo,Vi的相位关系，记录于表
2.4中。
Ui(V)
表2.4
Uo(V)
Ui波形
Uo波 形
实测值 计算值
3．同相比例放大器 电路如图2-3所示。 （1）按表2.5实验测量并记录。
图2-3同相比例放大器
表2.5
直流输入电压 Ui（mV）
30
输出电 压Uo
理论估算 （mV）
实测值 （mV）
误差
500 1000
（2）断开直流信号源，在输人端加入频率的正弦信号，用毫伏表
测量输出端的信号电压Vo并用示波器观察Vo，Vi的相位关系，记录于
表2.6中。
表2.6
Ui(V)
Uo(V)
Ui波 形
Uo波 形
实测 计算 值值
二、预习要求
1．分析图3—3电路，若输入正弦波，与的相位差是多少?当输入信 号为100HZ有效值为2V时，＝?
2．分析图3—4电路，若输入方波，与的相位差是多少?当输入信号 为160Hz幅值为lV时，输出＝?
3．拟定实验步骤，做好记录表格。
三、实验原理及参考电路
1．基本积分电路 下图3-1所示为基本积分电路。其输出电压与输入电压成积分运算 关系。
3．记录实验过程中出现的故障或不正常现象，分桥原因，说明解 决的办法和过程。
4．分析实验结果与理论计算的误差原因。
六、思考题
1．若输入信号与放大器的同相端连接，当信号正向增大时，运算 放大器的输出是正还是负?
2．若输入信号与放大器的反相端连接，当信号负向增大时，运算 放大器的输出是正还是负?
七、实验元件与仪器
模拟电子线路实验箱 一台
双踪示波器 一台
万用表
一台
连线 若干
其中，模拟电子线路实验箱用到信号发生器、直流稳压电源模块，
元器件模组以及“微分积分电路”模板。
实验四 电压比较器
一、实验目的
1．掌握比较器的电路构成及特点。 2．学会测试比较器的方法。
二、预习要求
1．复习单门限电压比较器的电路组成及工作原 理。
三、实验原理及参考电路
（一）、比例运算电路
1．工作原理
比例运算（反相比例运算与同相比例运算）是应用最广泛的一种基
本运算电路。
a．反相比例运算，如下图所示。
输入电压经电阻R1加到集成运放的反相输入端，其同相输入端经电
阻R2接地。输出电压经RF接回到反相输入端。通常有： R2=R1//RF
由于虚断，有 I+=0 ，则u+=-I+R2=0。又因虚短，可得：u-=u+=0
（1）输入正弦波信号f=160Hz有效值为1v。用示波器观察Vi和V。
波形，并测量输出电压。 （2）改变正弦波频率(20Hz～400Hz)，观察Vi 和V。的相位，幅值
变化情况并记录。 （3）输入方波f=200Hz,V=±5v,用示波器观察V。波形，按上述步骤
重复实验。 3、积分—微分电路 电路如图3-5所示
4．反相求和放大电路 实验电路如图2-4所示。 按表2.7内容进行实验测量，并与预习计算比较。
表2.7 Vi1（V）
Vi1（V）
Vo（V）
图2-4反相求和放大电路
5．双端输入求和放大电路 实验电路如图2-5所示。 按表2.8要求实验并测量记录。
Vi1（V） Vi1（V） Vo（V）
表2.8
图2-5 双端输入求和电路
2．掌握单限比较器、迟滞比较器VL、VH、 △V、Vomax、Vomin参数的估算方法。
3．电压比较器中的运放通常工作在什么状态 （负反馈、正反馈或开环）？一般它的输出电压是 否只有高电平和低电平两个稳定状态？
三、实验原理
1．单门限电压比较器 电压比较器是用来比较两个输 入电压的大小，据此 决定其输出是高电平还是低电平。以图4-1所示的 同相电压比较器电路为例，参考电压VREF加于运 放的反相端，VREF可以是正值或负值。而输入信 号vI加于运放的同相端。
，即
。由此可求出图1a电路的电压传输特性，如图 4-1b所示。当vI由低变高经过VREF时，vo由VOL变 为VOH；反之，当vI由高变低经过VREF时，vo 由VOH变为VOL。我们把比较器输出电压vo从一个 电平跳变到另一个电平时相应的输入电压vI值称为 门限电压或阈值电压Vth，对于图4-1a所示电路，
或
（1） 设运放是理想的并利用叠加原理，则有
（2） 根据输出电压vO的不同值（VOH或VOL），可求出 上门限电压VT+和下门限电压VT–分别为
（3）
（4） 门限宽度或回差电压为
（5） 设电路参数如图4-4a所示，且 ，则由式(3) (5)可求得 ， 和 。 设从 ，
和
开始讨论。 当vI由零向正方向增加到接近
由于I-=0，则有i1=if，可得：
由此可求得反相比例运算电路的电压放大倍数为：
反相比
例运算电路的输出电阻为：Rof=0 输入电阻为：Rif=R1 b．同相比例运算 输入电压接至同相输入端，输出电压通过电阻RF仍接到反相输入
端。R2的阻值应为R2=R1//RF。 根据虚短和虚断的特点，可知I-=I+=0,
图3-3 积分电路 （1）取Vi＝－１v,断开开关K，用示波器观察V。变化 （2）测量饱和输出电压及有效积分时间 （3）把图六中的积分电容该为0.1uF，断开K，Vi分别输入100Hz 幅值为２V的方波和正弦信号，观察Vi和V。大小及相位关系，并记录 波形
2、微分电路 实验电路如图3-4
图3-4：微分电路
图4-3 图4-4 迟滞比较器 迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较 器。以图4-4a所示为反相输入迟滞比较器原理电 路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引 入了正反馈网络，其传输特性如图2b所示。如将vI 与VREF位置互换，就可组成同相输入迟滞比较 器。 以反相输入迟滞比较器原理电路为例，由于比 较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一 般情况下，输出电压vO与输入电压vI不成线性关 系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个 输入端之间的电压才可近似认为等于零，即
图4-2 过零比较器 如果希望减小比较器的输出电压幅值，可外加 双向稳压管Dz，如图4-2所示。这时，输出电压的 幅值受Dz的稳压值VZ限制，电路的正向输出幅度 与负向输出幅度基本相等。
或
。电阻R起限流作用，保护稳压管。 3．迟滞比较器 单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高
等特点，但其抗干扰能力差。例如，在单门限电压 比较器输入vI中含有噪声或干扰电压时，其输入和 输出电压波形如图4-3所示，由于在vI=Vth=VREF附 近出现干扰，vO将时而为VOH，时而为VOL，导致 比较器输出不稳定。如果用这个输出电压vO去控制 电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许 的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较 器。
图3-5：微分—积分电路 （1）在Vi输入f=200Hz，V=±6v的方波信号，用示波器观察Vi 、V １和V。的波形并记录。 （2）将f改为500Hz重复上述实验
五、实验报告要求
1．实验前必须按预习要求，理论计算出实验中各种运算关系的Vo 值，以及描绘出积分器和 的大致波形。
2．记录和整理实验所得数据和波形，并与理论值相比较；然后总 结微分，积分电路的特点。
七、实验仪器
模拟电子线路实验箱 一台
双踪示波器 一台
万用表
一台
连线 若干
其中，模拟电子线路实验箱用到信号发生器、直流稳压电源模块， 元器件模组以及“比例求和运算电路”模板。
实验三 微分积分电路
一、实验目的
1．学会用运算放大器组成积分微分电路。 2．学会分析积分微分电路的特点及其性能。 3．掌握运算放大电路的工作原理。
图4-1 单门限电压比较器 由于比较器的开环电压增益很大，当输入信号 vI小于参考电压VREF，即
时，运放处于负饱和状态；vo为低电平VOL；
反之，当vI升高到略大于VREF，即
时，vo转入正饱和状态，vo为高电平VOH。 以图4-1所示的同相电压比较器电路为例分析
可知，比较器输出vo的临界转换条件是集成运放的 差动输入电压
五、实验报告要求
1．总结本实验中5种运算电路的特点及性能。 2．分析理论计算与实验结果误差的原因。
六、思考题
1．运算放大器在同相放大和反相放大时，在接法上有什么异同点？同 相放大器若把反馈电路也接到同相端行不行？为什么？
2．（设计）用反相比例运算电路实现 Uo= -4Ui,Rif=10kΩ 3．用同相比例运算电路实现Uo=5Ui 4．实现Uo=Auf(Ui2-Ui1)电路。要求 Auf=4 ,Rif=10k 以上输入信号大小，交、直流自定。
实验二 比例求和运算电路
一、实验目的
1．掌握用集成运算放大器组成比例、求和电路。 2．掌握比例、求和运算电路的特点及性能。 3．学会上述电路的测试和分析方法。 4．掌握各电路的工作原理。
二、预习要求
1．计算表2.1中的Vo和Af。 2．估算表2.3中的理论值。 3．估算表2.4中的理论值。 4．计算表2.6中的值。 5．计算表2.7中的值。
图3-1 基本积分电路 利用虚地的概念：vI=0，iI=0，则有
即是电容C 的充电电流， 即
则
式中vo(t1)为t1时刻电容两端的电压值，即初始值。 积分运算电路的输出-输入关系也常用传递函数表示为
假设输入信号vs是阶跃信号，且电容C 初始电压为零，则当t≥0时
2．基本微分电路 微分是积分的逆运算，将基本积分电路中的电阻和电容元件位置互 换，便得到 下图3-2所示的微分电路。
（二）求和运算电路
1．反相求和 基本电路如下图所示 根据“虚短”、“虚断”的概念
当R1=R2=R，则 2．同相求和 由读者自己分析。
四、实验内容
1．电压跟随器 实验电路如图2-1所示，接好线之后，接12V的直流电源。
图2-1 电压跟随器
（1）按表2.1内容实验并测量记录。
表2.1
0
= 5.1KΩ
（2）断开直流信号源，在输人端加入频率的正弦信号，用毫伏表 测量输出端的信号电压并用示波器观察、的相位关系，记录于表2.2 中。