运算放大器在波形变换中的应用

1、运算放大器在波形变换中的应用一、实验目的1、给定一个电路，学会如何分析，并由此设计所需要的电路2、学会EDA仿真3、基于面包板的现实的电路调试，实际情况与EDA仿真结果比有一定出入4、学习运算放大器在三角波、方波等波形变换中的应用、实验原理及电路分析1、了解用途产生三角波和方波 VO1输出三角波 VO2输出方波2、找由通路从左到右3、化整为零-定性分析二极管和稳压管起限幅作用，稳压管使运放输出限制在稳压管工作电压，将二极管开路，等效电路为：分为：积分电路，两个比较电平的产生和比较器三部分电路所组成。4、分析功能a、图中，比较器输出端电压Vo与输入端电压满足以下关系：Vo=K(V+-V-)其中，K为开环放大倍数，通常大于10dB。当V+V-时，Vo0;当V+vV-时，Vov0。电路中输入+端接地，V+=0,所以V-0,Vov0;汇点为虚地点。可得：一？2?一?一?=能?=-?有?？?=?21?侏=?悯=:?/?.?1当Vi为常数时，12的2=-?-?+?/?)由此可见，Vo是时间的线性函数，当Vi为正电压时，Vo线性减小；当Vi为负电压时，VO线性增加。因此，如Vi为正负绝对值相等的矩形

2、波电压且维持时间t恰当（不至于使运算放大器输出饱和），积分电路输出波形为三角形电压。c、两个比较信号电平的确定VO1是积分电路输出的三角波形电压，VO2是第三个运算放大器输出的矩形波电压。当VO2施加不变的电压时，Voi施加的是线性变化的三角波电压。因此V-存在两个不同的过零电压。?1 ? ? + ?2? ?=, - _ _ _ _计算得：?+?考虑一般性，VO2输出的正电平为Vp,负电平为-VN,则V-过零时刻，VO1两个电平为:.?2?一V?i=-n？?？?i=+元？?？则，实验各点波形为:tn0?2 可？?7?“沪，两个比较电电平仍对应积分电路d、振荡频率和周期在tovtvti经过分压，积分电路的输入电压Vi为-“N（这里的a为分压比，调节W1电位器，可改变a）,两个比较电平对应积分电路中的初末电压。可得：?2也?3?=?-从而可得:?2，?=?+?）?同理，在tivtvt2时间内积分电路的输入电压Vi为中的初末电压。可得：?2 一 、?=可（?+ ?）?所以，Ti+M即为三角波的周期化简得：?(V?+?)2?3F?可得：1、若VP不等于VN,则T1不等于T2,VO1输出为锯齿波

3、，VO2输出为矩形波;2、若Vp等于Vn,则Ti等于T2,Voi输出为三角波，VO2输出为方波；? ? ?3、三角波和方波的周期为：T = 4竟三, 3_?4、当时=时，周期和频率为：T = 4?-,5、若输出电压 VO2被钳制在不同的正负电压值时， 齿波，而VO2将输出矩形波。.?f=4?1?可改变输出波形占空比，即Voi将输出锯5、通观整体积分电路一比较电平产生一比较电路电路设计指标三角波和方波的频率范围0.5KHz2KHz输出幅度为6VA、根据输出幅度要求D3、D4可取5V1稳压二极管；取R2=R3,使三角波输出最大电压为5.1V,最小电压为一5.1V;D1、D2可取快速二极管1N4148。一?B、根据频率范围要求f=7：；4?取a=1时f=2kHz,若C1取0.014则R1=12kQ当f=500Hz,G=0.01%FR=12ka时，a=0.25因此可选W134,R4=1kQ。选R2=R3=1kQ三、以A7411、特性短路电流保护电压调零能力大范围的差模和共模输入电压低电源消耗无闩锁效应2、最大额定值WA741CA741IA741M单位输入电压，VCC+182222V输入电压，V

4、CC-18-22-22V差动输入电压，VID士15士30士30V调零段到VCCW电压降士150.50.5V输出短路时间无限无限无限操作自然温度范围0至70-40至85-55至125C储存温度-65至150-65至150-65至150C工作60s后表囿温度FK装260C工作60s距离表面1.6mm导线温度J,JG或U封装600C工作10s距离表面1.6mm导线温度D,P或PW寸装260260C3、电气参数（除特别指由，均在在25C自然温度，VCCE15V（除特别指由，均在开环下，零共模输入）参数测试条件dA741C科A741C,科A741M单位最小标准取大最小标准取大输入偏移电压VIOVO=01615mV偏移电压调整范围VIOVO=0士15士15mV输入偏移电流IIOVO=02020020200nA输入基准电流IIBVO=08050080500nA共模输入电压范围VICR士12士13士12士13V取大峰值输出电压VOMRL=10KQ士1214士1214VRL10KQ士12士12RL=2KQ士10士13士10士13RL2KQ士10士10大信号差模输入RL2KQ2020050200V/mV电

5、压震荡AVDVO=10V1525输入电阻ri0.320.32MQ输出电阻roVO=07575Q输入电容CiVIC=VICRmin1.41.4PF共模抑制比CMRRVCC=9V至土15V70907090dB短路输出电流IOS25402540mA源电流ICCVO=0,无负载1.72.81.72.8mA总功率消耗PDVO=0,无负载50855085mW四、实验步骤1、在面包板上按实验原理图，连接电源和信号路线（器件要平铺在面包板上，不能立交状）2、不带电测试：利用万能表二极管档位，测试全线路的通断状况3、接通电源，手感应关键器件（A741的温度，如果有发烫，则断电检查线路4、若器件工作正常，则用万用表测量电源和典型节点的电压5、接通示波器，观察输出波形，记录数据五、实验结果与数据分析这次试验较为顺利，在连接好电路之后，经过不带电测试和手感应温度测试，期间均工作正常、接通示波器后，屏幕上出现理想的三角波和方波波形。通过调整电位器的分压比，观察三角波和方波的极限工作范围。经测试，波形的频率在458.7Hz至ij1.96kHz之间。三角波的最小值为-6V,最大值为6.6V;方波电压的最小值为-5.

6、8V,最大值为6.2V。基本符合设计的要求。记录了几个典型波形如图：J稳压管的稳压值为5.1V,但是稳压管正向导通的时候也存在一定的压降，所以方波电压的峰峰值略大于5.1V。达到6V左右。而三角波电压在与方波电压进行比较的时候，由于集成运放作为比较器使用的时候，需要有一定的压降，所以三角波形的峰峰值略大于方波电压的峰峰值。而通过调节电位器所能达到的频率值也基本与计算值相同，符合预期。六、实验结论与体会集成运放在输出三角波和方波的方面性能比较好，波形稳定，通过选取不同的稳压管，电阻和电容，可以将输出电压钳制在一定范围内；可以改变时间常数来改变三角波和方波的周期；可以通过改变方波正向和反向不同的时间常数改变占空比；可以通过串联不同的稳压管改变幅值，同时间接改变占空比。原理简单，电路清楚，扩展广泛，是一个很好的选择。七、作业题分析、设计电路并EDA仿真：1、使得V02的输出电压幅值可变（VP和Vn分别可变）2、使得电路的占空比可变3、频率范围提高到200kHz答：VO2的输出电压值V巳VN简单的方法是可以选用不同稳压值的稳压管，通过不同的连接方式配合单刀多掷开关，来达到不同的VP和VN的值，

7、但是此种方法得到的值固定不连续，且需要很多的稳压管。所以选择了另外一种方法，通过两个二极管来筛选出方波的正负两个幅值，输入到正向可调比例的运放中。正向可调比例的运放电路借鉴于211c网。原理如图：c其中，Ui为输入信号，经过R1和RP连接地，在运放的正段得到第一次的缩小信号，之后经过R和RF同向比例放大电路，得到放大的信号UO,经过比例均可调的一次缩小和一次放大，最终信号的缩小和放大均可达成。Multisim模拟中，将R1和Rp；R和Rf由电位器替代，只需调整两个电位器的比例值，即可得到各种比例。两个幅值各接到一个可调比例正向运放电路中，通过两个电阻使信号不直接短路，接到原电路的位置。这一过程由于经过两个电阻，信号有一定的缩小，三角波的电压幅值，也与方波幅值的比例发生一定的变化，不再满足原来的关系式。同时，通过前边对振荡周期的讨论，VP和VN的不同时改变也会间接改变占空比。但想要得到占空比可变的电路，显然是不能通过此实现的，应该通过改变方波正反向电压的时间常数实现。所以在积分电路的输入端，仍然通过两个二极管，来筛选出方波的正负幅值，原电路的RC中，R=12,所以仍然通过一个12KQ的电位器，连接筛选出的正负幅值后，输入到积分器内，这样，在不改变周期的基础下，改变正负不同电压的时间常数，达到改变占空比的目的。实际电路如图：U1,U2,U3为原电路的三个运放，U4,U5为改变方波幅值的两个同向可改变比例运放电路,D5,D6以及电位器R5起到改变波形占空比的作用。此时，示波器波形如图：仅调整U4连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最高电压）仅调整U5连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最低电压）这些改变可以同时发生。满足了作业中1和2的条件。而想使波频率可以达到200kHz,在调整RC的值时，由于方波的上升和下降均需要一定的时间，所以当频率达到5kHz时，方波有很明显的失真，同时频率也存在一定的上限，大概在10kHz左右。所以需要选用频率更高的运放和二极管等。但是在选用了LM318JB时，情况仍没有很好的改变。通过查找，又找到了更高速的运放，LF356AH,将R=1.2kQ,C1=1nF,但是仍没有得到200kHZ,得到了135kHz的方波。最后找到了LT1395CS5,R=1.2kQC1=1nF得到了较为完美的200kHz的方波。波形如图：

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