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文檔簡介
1、運算放大器在波形變換中的應用一、實驗目的1、給定一個電路,學會如何分析,并由此設計所需要的電路2、學會EDA仿真3、基于面包板的現實的電路調試,實際情況與EDA仿真結果比有一定出入4、學習運算放大器在三角波、方波等波形變換中的應用二、實驗原理及電路分析1、了解用途產生三角波和方波·VO1輸出三角波·VO2輸出方波2、找出通路從左到右3、化整為零-定性分析二極管和穩壓管起限幅作用,穩壓管使運放輸出限制在穩壓管工作電壓,將二極管開路,等效電路為:分為:積分電路,兩個比較電平的產生和比較器三部分電路所組成。4、分析功能a、比較電路圖中,比較器輸出端電壓VO與輸入端電壓滿足以下關系
2、:VO=K(V+-V-)其中,K為開環放大倍數,通常大于10dB。當V+V-時,VO0;當V+V-時,VO0。電路中輸入+端接地,V+=0,所以V-0,VO0;V-0,VO0。因此,當V-在V+附近波動時,輸出電壓VO將在正負電源電壓間跳變。b、積分電路點為虛地點。可得:IR=ViR IC=-CdVOdt IR=ICVO末=VO初=1-RCt1t2Vidt當Vi為常數時,VOt2=-1RCVit2-t1+VO(t1)由此可見,VO是時間的線性函數,當Vi為正電壓時,Vo線性減小;當Vi為負電壓時,VO線性增加。因此,如Vi為正負絕對值相等的矩形波電壓且維持時間t恰當(不至于使運算放大器輸出飽和
3、),積分電路輸出波形為三角形電壓。c、兩個比較信號電平的確定(VO1經R2,VO2經R3)VO1是積分電路輸出的三角波形電壓,VO2是第三個運算放大器輸出的矩形波電壓。當VO2施加不變的電壓時,VO1施加的是線性變化的三角波電壓。因此V-存在兩個不同的過零電壓。計算得:V-=VO1*R3+VO2*R2R2+R3考慮一般性,VO2輸出的正電平為Vp,負電平為-VN,則V-過零時刻,VO1兩個電平為:Vo1=-R2R3VP VO1=+R2R3VN則,實驗各點波形為:d、振蕩頻率和周期在t0tt1經過分壓,積分電路的輸入電壓Vi為-VN(這里的為分壓比,調節W1電位器,可改變),兩個比較電平對應積分
4、電路中的初末電壓。可得:R2R3VN=R1C1VNT1-R2R3VP從而可得:T1=R2R3(VP+VN)R1C1VN同理,在t1tt2時間內積分電路的輸入電壓Vi為VP,兩個比較電電平仍對應積分電路中的初末電壓。可得:T2=R2R3(VP+VN)R1C1VP所以,T1+T2即為三角波的周期化簡得:R2R3R1C1(VP+VN)2VNVP可得:1、若VP不等于VN,則T1不等于T2,VO1輸出為鋸齒波,VO2輸出為矩形波;2、若VP等于VN,則T1等于T2,VO1輸出為三角波,VO2輸出為方波;3、三角波和方波的周期為:T=4R2R3R1C14、當R2=R3時,周期和頻率為:T=4R1C1,f
5、=4R1C15、若輸出電壓VO2被鉗制在不同的正負電壓值時,可改變輸出波形占空比,即VO1將輸出鋸齒波,而VO2將輸出矩形波。5、通觀整體積分電路比較電平產生電路比較電路6、性能估算·設計指標 三角波和方波的頻率范圍0.5KHz2KHz 輸出幅度為±6VA、根據輸出幅度要求D3、D4可取5V1穩壓二極管;取R2=R3,使三角波輸出最大電壓為5.1V,最小電壓為5.1V;D1、D2可取快速二極管1N4148。B、根據頻率范圍要求f=4R1C1取=1時f=2kHz,若C1取0.01F,則R1=12k;當f=500Hz,C1=0.01F,R1=12k時,=0.25;因此可選W1&
6、gt;3k,R4=1k。選R2=R3=1k三、A7411、特性·短路電流保護·電壓調零能力·大范圍的差模和共模輸入電壓·低電源消耗·無閂鎖效應2、最大額定值A741CA741IA741M單位輸入電壓,VCC+182222V輸入電壓,VCC-18-22-22V差動輸入電壓,VID±15±30±30V調零段到VCC-的電壓降±15±0.5±0.5V輸出短路時間無限無限無限操作自然溫度范圍0至70-40至85-55至125°C儲存溫度-65至150-65至150-65至150
7、76;C工作60s后表面溫度FK封裝260°C工作60s距離表面1.6mm導線溫度J,JG或U封裝600°C工作10s距離表面1.6mm導線溫度D,P或PW封裝260260°C3、電氣參數(除特別指出,均在在25°C自然溫度,VCC=±15V)(除特別指出,均在開環下,零共模輸入)參數 測試條件 A741CA741C,A741M單位最小標準最大最小標準最大輸入偏移電壓VIOVO=01615mV偏移電壓調整范圍VIOVO=0±15±15mV輸入偏移電流IIOVO=02020020200nA輸入基準電流IIBVO=0805008
8、0500nA共模輸入電壓范圍VICR±12±13±12±13V最大峰值輸出電壓VOMRL=10K±12±14±12±14VRL10K±12±12RL=2K±10±13±10±13RL2K±10±10大信號差模輸入電壓震蕩AVDRL2K2020050200V/mVVO=±10V1525輸入電阻ri0.320.32M輸出電阻roVO=07575輸入電容CiVIC=VICRmin1.41.4pF共模抑制比CMRRVCC=±
9、9V至±15V70907090dB短路輸出電流IOS±25±40±25±40mA源電流ICCVO=0,無負載1.72.81.72.8mA總功率消耗PDVO=0,無負載50855085mW四、實驗步驟1、在面包板上按實驗原理圖,連接電源和信號路線(器件要平鋪在面包板上,不能立交狀)2、不帶電測試:利用萬能表二極管檔位,測試全線路的通斷狀況3、接通電源,手感應關鍵器件(A741)的溫度,如果有發燙,則斷電檢查線路4、若器件工作正常,則用萬用表測量電源和典型節點的電壓5、接通示波器,觀察輸出波形,記錄數據五、實驗結果與數據分析這次試驗較為順利,在連接
10、好電路之后,經過不帶電測試和手感應溫度測試,期間均工作正常、接通示波器后,屏幕上出現理想的三角波和方波波形。通過調整電位器的分壓比,觀察三角波和方波的極限工作范圍。經測試,波形的頻率在458.7Hz到1.96kHz之間。三角波的最小值為-6V,最大值為6.6V;方波電壓的最小值為-5.8V,最大值為6.2V。基本符合設計的要求。記錄了幾個典型波形如圖: 穩壓管的穩壓值為5.1V,但是穩壓管正向導通的時候也存在一定的壓降,所以方波電壓的峰峰值略大于5.1V。達到6V左右。而三角波電壓在與方波電壓進行比較的時候,由于集成運放作為比較器使用的時候,需要有一定的壓降,所以三角波形的峰峰值略大于方波電壓
11、的峰峰值。而通過調節電位器所能達到的頻率值也基本與計算值相同,符合預期。六、實驗結論與體會集成運放在輸出三角波和方波的方面性能比較好,波形穩定,通過選取不同的穩壓管,電阻和電容,可以將輸出電壓鉗制在一定范圍內;可以改變時間常數來改變三角波和方波的周期;可以通過改變方波正向和反向不同的時間常數改變占空比;可以通過串聯不同的穩壓管改變幅值,同時間接改變占空比。原理簡單,電路清楚,擴展廣泛,是一個很好的選擇。七、作業題分析、設計電路并EDA仿真:1、使得V02的輸出電壓幅值可變(VP和VN分別可變)2、使得電路的占空比可變3、頻率范圍提高到200kHz答:VO2的輸出電壓值VP,VN簡單的方法是可以
12、選用不同穩壓值的穩壓管,通過不同的連接方式配合單刀多擲開關,來達到不同的VP和VN的值,但是此種方法得到的值固定不連續,且需要很多的穩壓管。所以選擇了另外一種方法,通過兩個二極管來篩選出方波的正負兩個幅值,輸入到正向可調比例的運放中。正向可調比例的運放電路借鑒于21Ic網。原理如圖:其中,Ui為輸入信號,經過R1和RP連接地,在運放的正段得到第一次的縮小信號,之后經過R和RF同向比例放大電路,得到放大的信號UO,經過比例均可調的一次縮小和一次放大,最終信號的縮小和放大均可達成。Multisim模擬中,將R1和Rp;R和Rf由電位器替代,只需調整兩個電位器的比例值,即可得到各種比例。兩個幅值各接
13、到一個可調比例正向運放電路中,通過兩個電阻使信號不直接短路,接到原電路的位置。這一過程由于經過兩個電阻,信號有一定的縮小,三角波的電壓幅值,也與方波幅值的比例發生一定的變化,不再滿足原來的關系式。同時,通過前邊對振蕩周期的討論,VP和VN的不同時改變也會間接改變占空比。但想要得到占空比可變的電路,顯然是不能通過此實現的,應該通過改變方波正反向電壓的時間常數實現。所以在積分電路的輸入端,仍然通過兩個二極管,來篩選出方波的正負幅值,原電路的RC中,R=12K,所以仍然通過一個12K的電位器,連接篩選出的正負幅值后,輸入到積分器內,這樣,在不改變周期的基礎下,改變正負不同電壓的時間常數,達到改變占空比的目的。實際電路如圖:U1,U2,U3為原電路的三個運放,U4,U5為改變方波幅值的兩個同向可改變比例運放電路,D5,D6以及電位器R5起到改變波形占空比的作用。此時,示波器波形如圖:僅改變R5比例后的示波器圖形:僅調整U4連接的電位器阻值比值后的波形(改變方波最高電壓):僅調整U5連接的電位器阻值比值后的波形(改變方波最低電壓):這些改變可以同時發生。滿足了作業中1和2的條件。而想使波頻率可以達到200kHz,在調整RC的值時,由于方波的上升和下降均需
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