實驗報告
課程名稱：電路與模擬電子技術實驗指導老師：張冶沁成績
實驗名稱：基本運算電路設計實驗型別：電路實驗同組學生姓名
一、實驗目的和要求（必填
二、實驗內容和原理（必填）
三、主要儀器裝置（必填
四、操作方法和實驗步驟
五、實驗資料記錄和處理
六、實驗結果與分析（必填）
七、討論、心得
一、實驗目的和要求
1.掌握整合運放組成的比例、加法和積分等基本運算電路的設計。
2.掌握基本運算電路的除錯方法。
3.學習整合運算放大器的實際應用。
二、實驗內容和原理
1.實現反相加法運算電路
2.實現反相減法運算電路
3.用積分電路將方波轉換為三角波
4.同相比例運算電路的電壓傳輸特性（選做）
5.檢視積分電路的輸出軌跡（選做）
三、主要儀器裝置
hy3003d-3型可調式直流穩壓穩流電源
示波器、訊號發生器、萬用表
實驗箱lm358運放模組
四、操作方法和實驗步驟
1.兩個訊號的反相加法運算
1) 按設計的運算電路進行連線。
2) 靜態測試：將輸入接地，測試直流輸出電壓。保證零輸入時電路為零輸出。
3) 調出0.2v三角波和0.5v方波，送示波器驗證。
4) vs1輸入0.2v三角波，vs2輸入0.5v方波，用示波器雙蹤觀察輸入和輸出波形，確認電路功能正確。記錄示波器波形（座標對齊，註明幅值）。
2. 減法器（差分放大電路）
減法器電路，為了消除輸入偏置電流以及輸入共模成分的影響，要求r1=r2、rf=r3。
1) 按設計的運算電路進行連線。
2) 靜態測試：輸入接地，保證零輸入時為零輸出。
3) vs1和vs2輸入正弦波（頻率和幅值），用示波器觀察輸入和輸出波形，確認電路功能正確。
4)用示波器測量輸入和輸出訊號幅值，記到**中。
3. 用積分電路轉換方波為三角波
電路中電阻r2的接入是為了抑制由iio、vio所造成的積分漂移，從而穩定運放的輸出零點。
在t<<τ2（τ2=r2c）的條件下，若vs為常數，則vo與t將近似成線性關係。因此，當vs為方波訊號並滿足tp<<τ2時（tp為方波半個週期時間），則vo將轉變為三角波，且方波的週期越小，三角波的線性越好，但三角波的幅度將隨之減小。
1) 連線積分電路，加入方波訊號（幅度？）。
2) 選擇頻率，使tp <<τ2，用示波器觀察輸出和輸入波形，記錄線性情況和幅度。
3) 改變方波頻率，使tp ≈τ2，觀察並記錄輸出波形的線性情況和幅度的變化。
4) 改變方波頻率，使tp >>τ2，觀察並記錄輸出波形的線性情況和幅度的變化。
4. 同相比例運算電壓傳輸特性
同相比例運算電路同反相加法運算電路，其特點是輸入電阻比較大，電阻r』的接入同樣是為了消除平均偏置電流的影響，故要求r』=r1//rf。
1) 連線同相比例運算電路。
2) 靜態測試：輸入接地，保證零輸入時為零輸出。
3) 加入正弦波，用示波器觀察輸入和輸出波形，驗證電路功能。
4) 用示波器測出電壓傳輸特性：示波器選擇xy顯示模式，選擇適合的按鈕設定。
5) 適當增大輸入訊號，使示波器顯示整個電壓傳輸特性曲線（即包含線性放大區和飽和區）。
五、實驗資料記錄和處理
1.兩個訊號的反相加法運算
使用訊號發生器作為輸入，頻道1輸入0.2v三角波，頻道2輸入0.5v方波，示波器顯示如下：
雙蹤示波顯示三角波和方波方波和輸出訊號
三角波和輸出訊號用math按鈕直接疊加兩個訊號
2.減法器（差分放大電路）
頻道1輸入峰峰值0.4v正弦波，頻道2輸入峰峰值1v正弦波，頻率都是1khz，兩個訊號互為反相
雙蹤示波器顯示輸入波形vpp=0.4v正弦波和輸出訊號
vpp=1v正弦波和輸出訊號
3.用積分電路轉換方波為三角波
用訊號發生器產生方波，幅度值均為1v，取不同頻率的輸出效果：
方波頻率0.1khz方波頻率1khz
方波頻率10khz
4.同相比例運算電壓傳輸特性
用訊號發生器輸入頻率100hz的正弦波，示波器兩個頻道分別接收訊號發生器輸入訊號和運放輸出訊號，在示波器上選擇xy顯示模式，令正弦波的幅值在試驗中逐漸增大，直至出現飽和區如下：
線性放大區和飽和區同時出現
六、實驗結果與分析
1.兩個訊號的反相加法運算
由理論推導可知實驗中的運放電路放大倍數為10倍，且反相，示波器上得到的輸入訊號和輸出訊號符合預計結果，另外還可以使用示波器自帶的math通道，選擇「+」功能，可以在螢幕上除了ch1和ch2之外，再增加一條經過運算得出的曲線，這樣做可以更方便地驗證電路功能是否正確，但在本實驗中使用此法得到的曲線還需經過反相才和實際曲線相同
2.減法器（差分放大電路）
由減法器的電路構成可以計算得其輸出電壓滿足關係：
而我在試驗中所設引數整理為：
實際上因為我設定的兩個訊號相位相反，所以若定義vs2的幅值為正，計算中的vs2=0.2v, vs1=-0.5v，由此計算得vo=10×(0.
2-(-0.5))=7v，示波器上的波形也符合理論預期
3.用積分電路轉換方波為三角波
積分電路轉換三角波的原理是取rc電路充放電曲線的近似線性部分，來逼近理想的三角波，實驗中rc迴路的時間常數為τ=100kω×0.01μf=1ms，對應的頻率為1khz，於是測量了三種頻率方波的轉換效果：
可見週期越小，轉換的三角波效果越好，但相應的，輸出電壓幅度值會減小，這也是因為週期變短時電容充電時間變短，所以電位峰值會變小。理論上求解電路輸出電壓可得：
若t<即vo與vs成近似線性關係的條件便是訊號週期遠小於時間常數，於是實驗結果很好地符合了這一結論
實驗所得**中，值得注意的是當vs週期變為0.1ms時，輸出電壓理應有很好的線性，但是在峰值處波形出現了尖端，理論上不該出現，究其原因，有可能是訊號發生器輸出的方波並非理想方波，在階躍點上的上公升和下降存在乙個很短的過程，但當週期本身已經很小的情況下，這個過程所需的時間難以忽略，其變化過程中電壓有可能快速達到了乙個較大的值，在短時間的積分過程中體現在了輸出波形上，類似於衝激訊號的原理
4.同相比例運算電壓傳輸特性
實驗中設定訊號頻率為較低頻率，用峰值超出線性放大區輸入電壓的正弦波對運放掃瞄，在螢幕上觀察到了輸出電壓逐漸由線性區進入飽和區的過程，符合理論預期
七、討論、心得
本次實驗中學習了很多新的知識，理論課上關於運放的內容較為抽象，為何要採取不同的輸入方式一度給我造成了困擾，本次實驗後為了解釋相關的現象我也翻看了很多資料，對運放的應用有了更多的了解。另一方面體會到了**的便捷性，例如測量同比例運算電壓傳輸特性時，在實驗室中要進行直流掃瞄，需要通過降低交流訊號頻率，再試探性設定正弦波形幅值來掃瞄，但**則可以方便地使用引數掃瞄來得到電路的效能分析圖。思考題又再一次讓我體會到了運放引入負反饋的重要意義，增強了我的實驗查錯能力
（1）什麼是整合運算放大器的電壓傳輸特性？輸入方式的改變將如何影響電壓傳輸特性？
答：整合運放輸入電壓和輸出電壓之間的關係即為電壓傳輸特性。整合運放主要有三種輸入方式：
差動輸入，反相輸入和同相輸入；差動輸入可以有效抑制零漂，得到穩定的輸出，反相輸入和同相輸入是輸入端電壓相對於輸出端電壓的相位關係不同，輸出端分別得到與輸入反相和同相的放大訊號
（2）整合運算放大器的輸入輸出成線性關係，輸出電壓將會無限增大，這話對嗎？為什麼？
答：不對，運放只有工作**性放大區時，輸入輸出才成線性關係，當輸入電壓大到一定程度時，輸出電壓到達飽和區，將基本保持不變
（3）實驗中訊號的頻率不一樣是否對實驗的結果有影響？
答：在前兩個實驗中，即使訊號頻率不同波形同樣可以疊加，只不過不易於觀察，本質上不會影響實驗結果；而方波轉換三角波實驗中訊號頻率本身作為乙個變數，觀察同相比例運算電路電壓傳輸特性要求在低頻條件下，因此訊號頻率存在影響
（4）基本運算電路，沒有輸出訊號，輸出端電壓接近飽和，為什麼？怎樣處理？
答：有可能是運放放大倍數過高，直接導致電壓飽和，此時可以加入深度負反饋達到控制增益的效果。另一種可能是運放損壞，需要更換元器件
（5）在積分運算電路中，當選擇vs＝0.2v時，若用示波器觀察vo（t）的變化軌跡，並假定掃速開關置於「1s/div」，y軸靈敏度開關置於「2v/div」，光點一開始位於螢幕左上角，當開關k2由閉合轉為開啟後，電容即被充電。試分析並畫出vo隨時間變化的軌跡。
若採用電解電容時，電解電容的正負極該如何接？
答：題目所說電路如右，由描述知，k2開啟前電容c未積累電荷，
當k2被開啟，電容開始被充電，電位也逐漸上公升，但是因為輸出電壓相位
與輸入相反（公式已在方波轉換三角波分析給出），波形首先會往負軸走，
且電解電容左端為正極，右端為負極，因此移動軌跡大約為：
（6）為防止出現自激振盪和飽和失真，應用什麼儀器監視輸出電壓波形。
答：使用示波器監視零輸入時的輸出波形是否接近於0，飽和失真可通過將輸出波形與輸入波形對比判斷
（7）在基本運算電路中，當輸入訊號為正弦波、方波或直流訊號等不同形式時，應分別選擇什麼儀器來測量其幅度
答：三種訊號都可以用示波器的「measure」功能對其幅度或有效值進行測量，萬用表也可以測量直流訊號和允許頻率範圍內的交流訊號，但有了示波器已經足夠
（8）實驗中，若測得運放靜態輸出電壓為+14v（或不為0），其根本原因是什麼？應如何進一步除錯
答：很可能是電路中缺少負反饋，應該檢查負反饋電阻是否正確接入了電路，重新接線，直到零輸入時得到零輸出
按老師要求，此處附上手工繪製的三角波、方波的反相疊加圖：
pspice**
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