電子技術(shù)綜合實驗（新）.doc

實驗一 基本放大電路的設(shè)計一、 晶體管放大電路基本參量的測試1. 自行搭接晶體管放大電路， 改變Rb(K)，其它參量不變，完成下表：輸入量測試參數(shù)計算與判定改變Rb(K)，其它量不變IB(A)IE(mA)Auri(K)ro(K)通頻帶帶寬BW(KHz)晶體管工作狀態(tài)及值1.確定Rb的范圍：2.確定晶體管在各個工作狀態(tài)下IB、IE、Rb的范圍：2.自行搭接晶體管放大電路， 改變Rc(K)，其它參量不變，完成下表：輸入量測試參數(shù)計算與判定改變Rc(K)，其它量不變IB(A)IE(mA)Auri(K)ro(K)通頻帶帶寬BW(KHz)晶體管工作狀態(tài)及值1.確定Rc的范圍：2.確定晶體管在各個工作狀態(tài)下IB、IE、Rc的范圍：3.自行搭接晶體管放大電路， 改變Re(K)，其它參量不變，完成下表：輸入量測試參數(shù)計算與判定改變Re(K)，其它量不變IB(A)IE(mA)AuRi(K)Ro(K)通頻帶帶寬BW(KHz)晶體管工作狀態(tài)及值1.確定Re的范圍：2.確定晶體管在各個工作狀態(tài)下IB、IE、Re的范圍：二、實驗數(shù)據(jù)處理1.根據(jù)上面幾個表格的數(shù)據(jù)，確定你所選的最佳的靜態(tài)工作點（Q點）。2.應(yīng)用同一型號、不同值的晶體管，測試值改變后，表格中有哪些參量發(fā)生改變？3.電壓放大倍數(shù)Au如何調(diào)整？通頻帶帶寬BW(KHz)如何調(diào)節(jié)？4.熟悉三極管的主要技術(shù)參數(shù)，了解三極管做開關(guān)、放大器、比較器等應(yīng)用時應(yīng)如何設(shè)置？5.以上測試先仿真，再在實驗室進行驗證。三、 實際電路設(shè)計晶體管放大器的設(shè)計與實際調(diào)試一、設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計并制作一個分立元件組成的放大器。主要技術(shù)指標為：電壓放大倍數(shù)Au=100；輸入阻抗Ri47K；帶寬BW=50Hz100KHz；已知：輸入信號電壓=20mV，f =1KHZ；負載電阻RL=5.1K；工作溫度范圍045。二、設(shè)計所需器材與設(shè)備（1）12V直流電源；（2）函數(shù)信號發(fā)生器；（3）雙蹤示波器；（4）交流毫伏表；（5）直流電壓表；（6）直流毫安表；（7）頻率計；（8）萬用電表；（9）器件：晶體三極管3DG61(50100)或90111、電阻器、電容器若干；其他工具：電烙鐵等電路裝配工具；（10）電腦；投影儀等。三、設(shè)計目的（1）能夠正確畫出典型共集電極放大電路和分壓偏置式典型共射極放大電路；（2）根據(jù)設(shè)計要求，確定工作電源VCC的大小、選擇晶體三極管；計算并選擇其他阻容元件；（3）測試元器件，安裝電路；并將電路的偏置進行調(diào)整至合適的工作狀態(tài)；（4）掌握晶體管放大電路參數(shù)的測量方法，并測量放大電路的輸入電阻、輸出電阻、放大倍數(shù)、最大不失真輸出電壓和頻帶寬度；（5）能夠?qū)痉糯箅娐返某Ｒ姽收线M行分析，并能夠排除一些基本的故障。四、設(shè)計思路（一） 總體設(shè)計（1）課題分析根據(jù)設(shè)計要求，要實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)Au=100；輸入阻抗Ri47K；采用單級雙極型三極管放大電路是無法實現(xiàn)的，就本題而言，系統(tǒng)可分為二級：輸入級和主放大級。總體結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。圖1-9 晶體管電壓放大器方框圖（2）方案討論輸入級：主要完成阻抗變換，實現(xiàn)輸入阻抗Ri47K的設(shè)計要求；主放大級：主要完成電壓放大作用，實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)Au=100的設(shè)計要求。（二） 主放大級電路設(shè)計（1）電路類型選擇：為了實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)Au=100的設(shè)計要求，主放大級宜采用固定分壓偏式共射大電路形式，工作穩(wěn)定性最好。（2）電路結(jié)構(gòu)：如右圖1-10所示。（3）元件選取與參數(shù)計算：選擇半導(dǎo)體三極管圖1-10 固定分壓偏置式放大電路從給出的技術(shù)要求可知，該電路工作在低頻小信號場合，工作溫度范圍又較寬，故可選擇熱穩(wěn)定性較好的低頻小功率三級管3DG6B，從手冊上查出它的主要參數(shù)是PCM=100mW，ICM=20mA，UCEO20V，對該管進行實測，假設(shè)=60。 )確定電源電壓VCC 為保證放大輸出信號幅度的動態(tài)范圍內(nèi)不會產(chǎn)生非線性失真，一般取VCC2+UE+2UCES由于輸入信號電壓幅值為則輸出信號電壓幅值為若取三極管館和壓降的臨界值UCES1V，則靜態(tài)集一射壓降設(shè)置在U CEQ+UCES=3.82V又由于這種典型放大單元靜點的工程(估算)條件是：I1I2IB和UBUBE一般取I1=I2=(5-10)IB和UB=(510)VBE。硅管UB=35V，鍺管UB=13V若近似取UB=4V，UE=UB-0.7=3.3V再按VCC2+UE+UCES=22.82+3.3+1=10V?？紤]留有余量取VCC=12V(標準等級電壓)。計算和確定集電極電阻RC由放大電路的靜、動態(tài)分析可知，RC是決定靜態(tài)工作點和滿足電壓增益要求的一個關(guān)鍵元件。一般應(yīng)從輸入至輸出逐步推算。先確定輸入回路的動態(tài)范圍：基極信號電流的幅值為，取若=1K，則為了使輸入動態(tài)信號不出現(xiàn)非線性失真，即信號動態(tài)工作不進入輸入特性下面的彎曲部分，通常取最小基極電流 。則靜態(tài)基流 取IB=40A再在輸出回路進行靜態(tài)計算：管子的電流放大作用有 又由于，若取，則 取標稱值2.2K計算確定射極電阻Re 取標稱值1.5K計算確定由I1I2=(5-10)IB，取I1=I2=5IB=540=0.2mA再按 即為標稱值 取標稱值39K或43K實際電路中Rb1用一個固定電阻與一個可調(diào)電阻串聯(lián)來代替，方便工作點的調(diào)節(jié)。以上所確定的各電阻元件的阻值后，還要檢驗它們的額定功率，即 取1/8W RJ1.8K電阻 取1/8W RJ1.5K電阻 取1/16W RJ43K電阻 取1/16W RJ20K電阻確定耦合電容和射極旁路電容C1、C2和Ce工程計算式分別為：，式中下限頻率fL20HZ，信號源內(nèi)阻RS=幾歐幾十歐，輸入電阻Rirbe，輸出電阻RORC，為與CE構(gòu)成回路的等效電阻，且，。如放大電路是用于放大低頻信號(f=20HZ200KHZ)，則耦合電容和射極旁路電容的容量可不必按上式計算，可直接取經(jīng)驗標稱值：，校驗由于 符合指標要求。（三） 輸入級電路設(shè)計圖1-11共集電極電路（1）電路類型選擇：為實現(xiàn)輸入阻抗Ri47K的設(shè)計要求，根據(jù)模擬電路知識，輸入級宜選用共集電極電路（射極輸出器）。這種電路具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點。（2）電路結(jié)構(gòu)：射極跟隨器的原理圖如圖1-11所示。 它是一個電壓串聯(lián)負反饋放大電路，它具有輸入電阻高，輸出電阻低，電壓放大倍數(shù)接近于1，輸出電壓能夠在較大范圍內(nèi)跟隨輸入電壓作線性變化以及輸入、輸出信號同相等特點。（3）元件選取與參數(shù)計算：選擇半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管的選擇同任務(wù)二，但要注意，對于小信號輸入級，為降低熱噪聲，工作電流不宜過大，一般Ic1mA。)確定Rb一般，取，實際電路中可以用一個200K的固定電阻與一個470K的可調(diào)電阻串聯(lián)使用。計算Re對于射極輸出器，其輸入電阻Ri(1)(RERL)47K，即：(RERL) 0.77K其中RL是主放大電路的輸入電阻Ri，見任務(wù)二，Ri0.86K，求得Re7.36，取標稱值Re=7.5KC1、C2的選取同任務(wù)二。驗算輸入電阻RiRi(1)(RERL)=617.5K/0.86K=47.1K47K，滿足設(shè)計要求。（四） 晶體管放大器的組裝（1）元件測試：參看電子工藝實訓(xùn)教程/殷志堅。（2）根據(jù)你所設(shè)計的晶體管放大器電路在多功能面包板和相關(guān)的實驗箱上搭接元器件。 （五） 晶體管放大器的調(diào)試（1）測試儀器的準備、檢查與調(diào)試方案：準備以下儀器：12V直流電源、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、交流毫伏表、直流電壓表、直流毫安表、頻率計和萬用電表等。儀器檢查：檢查和校正交注毫伏表、頻率計、示波器、萬用表、直流電壓表的直流電流表；用萬表或電壓表將穩(wěn)壓電源調(diào)至+12V；用交流毫伏表、頻率計將函數(shù)信號發(fā)生器調(diào)至正弦波20mV/1KHz輸出。調(diào)試方案：在多級放大電路中，前后級電路相互影響，因此調(diào)試方法采用從后往前調(diào)。即先調(diào)主放大電路、再調(diào)輸入級電路。（2）主放大電路的調(diào)試1）靜態(tài)工作點的測量與調(diào)試：測量放大器的靜態(tài)工作點，應(yīng)在輸入信號ui0的情況下進行， 即將放大器輸入端與地端短接，然后選用量程合適的直流毫安表和直流電壓表，分別測量晶體管的集電極電流IC以及各電極對地的電位UB、UC和UE。一般實訓(xùn)中，為了避免斷開集電極，所以采用測量電壓UE或UC，然后算出IC的方法，例如，只要測出UE，即可用IE=UE/Re，IB=IE/（1+），IC=IB。同時也能算出UBEUBUE，UCEUCUE。為了減小誤差，提高測量精度，應(yīng)選用內(nèi)阻較高的直流電壓表。(a) (b)圖1-12 靜態(tài)工作點對uO波形的影響靜態(tài)工作點的調(diào)試：放大器靜態(tài)工作點的調(diào)試是指對管子集電極電流IC（或UCE）的調(diào)整與測試。靜態(tài)工作點是否合適，對放大器的性能和輸出波形都有很大影響。如工作點偏高，放大器在加入交流信號以后易產(chǎn)生飽和失真，此時uO的負半周將被削底，如下圖6-1(a)所示；如工作點偏低則易產(chǎn)生截止失真，即uO的正半周被縮頂，如圖1-12(b)所示。這些情況都不符合不失真放大的要求。所以在選定工作點以后還必須進行動態(tài)調(diào)試，即在放大器的輸入端加入一定的輸入電壓ui，檢查輸出電壓uO的大小和波形是否滿足要求。如不滿足，則應(yīng)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點的位置。改變電路參數(shù)UCC、RC、RB（RB1、RB2）都會引起靜態(tài)工作點的變化。但通常多采用調(diào)節(jié)偏置電阻RB2的方法來改變靜態(tài)工作點，如減小RB2，則可使靜態(tài)工作點提高等。為了滿足較大信號幅度的要求，靜態(tài)工作點最好盡量靠近交流負載線的中點。2）放大器動態(tài)指標測試放大器動態(tài)指標包括電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、最大不失真輸出電壓（動態(tài)范圍）等。電壓放大倍數(shù)Au的測量調(diào)整放大器到合適的靜態(tài)工作點，然后加入輸入電壓ui，在輸出電壓uO不失真的情況下，用交流毫伏表測出ui和uo的有效值Ui和UO，則Au=Uo/Ui。輸入電阻Ri的測量為了測量放大器的輸入電阻，按圖6-2電路在被測放大器的輸入端與信號源之間串入一已知電阻R，在放大器正常工作的情況下， 用交流毫伏表測出US和Ui，則根據(jù)輸入電阻的定義可得 ，通常取R與Ri為同一數(shù)量級為好，本實訓(xùn)可取R12K。輸出電阻R0的測量按圖1-13電路，在放大器正常工作條件下，測出輸出端不接負載 RL的輸出電壓UO和接入負載后的輸出電壓UL，根據(jù)，圖1-13輸入、輸出電阻測量電路即可求出：在測試中應(yīng)注意，必須保持RL接入前后輸入信號的大小不變。最大不失真輸出電壓UOPP的測量（最大動態(tài)范圍）圖1-14 靜態(tài)工作點正常，輸入信號太大引起的失真如上所述，為了得到最大動態(tài)范圍，應(yīng)將靜態(tài)工作點調(diào)在交流負載線的中點。為此在放大器正常工作情況下，逐步增大輸入信號的幅度，并同時調(diào)節(jié)RW（改變靜態(tài)工作點），用示波器觀察uO，當輸出波形同時出現(xiàn)削底和縮頂現(xiàn)象（如圖1-14）時，說明靜態(tài)工作點已調(diào)在交流負載線的中點。然后反復(fù)調(diào)整輸入信號，使波形輸出幅度最大，且無明顯失真時，用交流毫伏表測出UO（有效值），則動態(tài)范圍等于。或用示波器直接讀出UOPP來。3）放大電路頻率特性測量（測量帶寬BW）將放大器負載斷開，先將輸人信號頻率調(diào)到1KHZ，幅度調(diào)到使輸出幅度最大而不失真。保持輸人信號幅度不變，改變頻率，按表3-2測量并記錄。接上負載、重復(fù)上述實驗。 F(HZ)501002505001k2.5k5k10k25k50k100k200kuoRL=RL=5.1K（3）輸入電路的調(diào)試1）靜態(tài)工作點的測量與調(diào)試：測量方法與主放大電路相同。但在多級放大電路中，輸入級通常要求高輸入阻抗，低輸出阻抗，低噪音。因此輸入級的集電極電流不宜過大，這里可以將輸入級的集電極電流調(diào)至0.50.8mA左右。2）放大器動態(tài)指標測試動態(tài)指標的測量可以仿照主放大電路的方法做。（4）總調(diào)將調(diào)試好的輸入電路與主放大電路連接好，測量晶體管放大器的總體性能指標。測量方法與主放大電路類同。并將測量結(jié)果記錄下來。（自己設(shè)計記錄表格）（1）如果要求放大器的輸出阻抗低于50；該放大電路如何設(shè)計；（2）如果要進一步展寬頻帶至20500KHz該放大電路如何設(shè)計。實驗二 集成運算放大器參數(shù)測試一、實驗?zāi)康模?通過對集成運算放大器A741參數(shù)的測試，了解集成運算放大器組件主要參數(shù)的定義和表示方法。2掌握運算放大器主要參數(shù)的測試方法。二、實驗原理：集成運算放大器是一種使用廣泛的線性集成電路器件，和其它電子器件一樣，其特性是通過性能參數(shù)來表示的。集成電路生產(chǎn)廠家為描述其生產(chǎn)的集成電路器件的特性，通過大量的測試，為各種型號的集成電路制定了性能指標。符合指標的就是合格產(chǎn)品，否則就是不合格產(chǎn)品。要能夠正確使用集成電路器件，就必須了解集成電路各項參數(shù)的含義及數(shù)值范圍。集成電路的性能指標可以從產(chǎn)品說明書或器件手冊查到，因此，我們必須學會看產(chǎn)品說明書和查閱器件手冊。由于集成電路是半導(dǎo)體器件，而半導(dǎo)體器件的性能參數(shù)常常有較大的離散性，因此，我們還必須掌握各項參數(shù)的測試方法，這樣才能保證在電路中使用的器件是合格產(chǎn)品，滿足電路設(shè)計的需要。運算放大器的性能參數(shù)可以使用專用的測試儀器進行測試（“運算放大器性能參數(shù)測試儀”），也可以根據(jù)參數(shù)的定義，采用一些簡易的方法進行測試。本次實驗是學習使用常規(guī)儀表，對運算放大器的一些重要參數(shù)進行簡易測試的方法。實驗中采用的集成運算放大器型號為A741（同類產(chǎn)品有LM741，CF741，F(xiàn)007等），是一種第二代通用運算放大器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可參看教材P238 圖3-26F007的電路原理圖，其引腳排列如圖2.1所示。它是一種八腳雙列直插式器件，其引腳定義如下：圖 2.1 A741引腳、 調(diào)零端； 反相輸入端； 同相輸入端； 電源負極； 輸出端； 電源正極； 空腳。以下為主要參數(shù)的測試方法：1輸入失調(diào)電壓：理想運算放大器，當輸入信號為零時其輸出也為零。但在真實的集成電路器件中，由于輸入級的差動放大電路總會存在一些不對稱的現(xiàn)象（由晶體管組成的差動輸入級，不對稱的主要原因是兩個差放管的UBE不相等），使得輸入為零時，輸出不為零。這種輸入為零而輸出不為零的現(xiàn)象稱為“失調(diào)”。為討論方便，人們將由于器件內(nèi)部的不對稱所造成的失調(diào)現(xiàn)象，看成是由于外部存在一個誤差電壓而造成，這個外部的誤差電壓叫做“輸入失調(diào)電壓”，記作UIO或VOS（在童詩白主編模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)一書中使用符號UIO，而在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程一書中使用符號VOS。下文中的類似情況不再說明）。輸入失調(diào)電壓在數(shù)值上等于輸入為零時的輸出電壓除以運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)：式中：UIO 輸入失調(diào)電壓 UOO 輸入為零時的輸出電壓值A(chǔ)OD 運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)圖2.2 UIO，IIO測試電路本次實驗采用的失調(diào)電壓測試電路如圖2.2所示。閉合開關(guān)K1及K2，使電阻RB短接，測量此時的輸出電壓UO1即為輸出失調(diào)電壓，則輸入失調(diào)電壓 實際測出的UO1可能為正，也可能為負，高質(zhì)量的運算放大器UIO一般在1mV以下。測試中應(yīng)注意： 將運放調(diào)零端開路（即不接入調(diào)零電路）； 要求電阻R1和R2，R3和RF的阻值精確配對。2輸入失調(diào)電流IIO當輸入信號為的零時，運放兩個輸入端的輸入偏置電流之差稱為輸入失調(diào)電流，記為IIO（有的資料中使用符號IOS）。式中：IB1，IB2分別是運算放大器兩個輸入端的輸入偏置電流。輸入失調(diào)電流的大小反映了運放內(nèi)部差動輸入級的兩個晶體管的失配度，由于IB1，IB2本身的數(shù)值已很?。ˋ或nA級），因此它們的差值通常不是直接測量的，測試電路如圖4.2所示，測試分兩步進行：1）閉合開關(guān)K1及K2，將兩個RB短路。在低輸入電阻下，測出輸出電壓UO1，如前所述，這是輸入失調(diào)電壓UIO所引起的輸出電壓。2）斷開K1及K2,將輸入電阻RB接入兩個輸入端的輸入電路中，由于RB阻值較大，流經(jīng)它們的輸入電流的差異，將變成輸入電壓的差異，因此，也會影響輸出電壓的大小，因此，測出兩個電阻RB接入時的輸出電壓UO2，從中扣除輸入失調(diào)電壓UIO的影響（即UO1），則輸入失調(diào)電流IIO為：一般，IIO在100nA以下。測試中應(yīng)注意：將運放調(diào)零端開路。 兩端輸入電阻RB應(yīng)精確配對。3開環(huán)差模放大倍數(shù)Aod集成運放在沒有外部反饋時的直流差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，用Aod 表示。它定義為開環(huán)輸出電壓UO與兩個差分輸入端之間所加差模輸入信號Uid 之比：或 （dB）按定義Aod應(yīng)是信號頻率為零時的直流放大倍數(shù)，但為了測試方便，通常采用低頻（幾十赫茲以下）正弦交流信號進行測量。由于集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，而且在開環(huán)情況下UO的漂移量太大，難以直接進行測量，故一般采用閉環(huán)測量方法。Aod的測試方法很多，現(xiàn)采用交、直流同時閉環(huán)的測試方法，如圖2.3所示。圖2.3 Aod的測試電路被測運放一方面通過RF、R1、R2完成直流閉環(huán)，以抑制輸出電壓漂移；另一方面通過RF和RS實現(xiàn)交流閉環(huán)，外加信號US經(jīng)R1、R2分壓，使Uid足夠小，以保證運放工作在線性區(qū)，同相輸入端電阻R3應(yīng)與反相輸入端電阻R2相匹配，以減小輸入偏置電流影響，電容C為隔直電容。被測運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為：Aod一般約為105（100dB）左右。測試中應(yīng)注意：測試前電路應(yīng)首先消振及調(diào)零。被測運放要工作在線性狀態(tài)。輸入信號頻率應(yīng)較低，一般用50100HZ，輸出信號幅度應(yīng)較小，而且無明顯失真。4共模抑制比KCMR集成運放的差模電壓放大倍數(shù)Aod與共模電壓放大倍數(shù)Aoc之比稱為共模抑制比，記為KCMR（或CMRR）?；驁D2.4 KCMR測試電路式中：Aod差模電壓放大倍數(shù)；Aoc共模電壓放大倍數(shù)。共模信號是指加在運算放大器兩個輸入端上幅值、相位都相等的輸入信號，是一種無用的信號（常因電路結(jié)構(gòu)、干擾和溫漂造成）。理想運算放大器的輸入級是完全對稱的，其共模電壓放大倍數(shù)為零，所以當只輸入共模信號時，理想運放的輸出信號為零；當輸入信號中包含差模信號與共模信號兩種成份時，理想運放輸出信號中的共模成份為零。但在實際的集成運算放大器中，因為電路結(jié)構(gòu)不可能完全對稱，所以其共模電壓放大倍數(shù)不可能為零，當輸入信號中含有共模信號時，其輸出信號中必然含有共模信號的成分。輸出端共模信號愈小，說明電路對稱性愈好，也就是說運放對共模干擾信號的抑制能力愈強。人們用共模抑制比KCMR來衡量集成運算放大器對共模信號的抑制能力。KCMR愈大，對共模信號的抑制能力越強，抗共模干擾的能力越強。KCMR的測試電路如圖2.4所示。為了便于測試，采用閉環(huán)方式。集成運放工作在閉環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)，根據(jù)使用的電阻值，用下面公式計算：使用圖2.4的電路可測得共模輸入信號Uic和共模輸出信號Uoc，根據(jù)測得的Uic、Uoc值用下式計算出共模電壓放大倍數(shù)：由Ad和Ac計算得共模抑制比：測試中應(yīng)注意：圖2.5 UICM測試電路 消振與調(diào)零； R1與R2、R3與RF之間阻值嚴格對稱。輸入信號Uic幅度必須小于集成運放的最大共模輸入電壓范圍UICM5共模輸入電壓范圍UICM集成運放所能承受的最大共模電壓稱為共模輸入電壓范圍，超出這個范圍，運放的KCMR會大大下降，輸出波形產(chǎn)生失真，有些運放還會出現(xiàn)“自鎖”現(xiàn)象以及永久性的損壞。(A)UICM的測試電路如圖2.5所示。圖2.6 UOPP測試電路被測運放接成電壓跟隨器形式，輸出端接示波器，觀察最大不失真輸出波形，從而確定UICM值。6最大輸出電壓UOPP集成運放的最大輸出電壓又稱輸出電壓動態(tài)范圍，記為UOPP，該參數(shù)與電源電壓、外接負載及信號源頻率有關(guān)。測試電路如圖2.6所示。改變US幅度，觀察UO削波頂失真開始時刻，從而確定UO的不失真范圍，這就是運放在某一定電源電壓下可能輸出的電壓峰峰值UOPP。集成運算放大器在使用時應(yīng)考慮的一些問題1）輸入信號選用交、直流量均可，但在選取信號的頻率和幅度時應(yīng)考慮運放的頻響特性和輸出幅度的限制。圖2.7 調(diào)零電路2）調(diào)零。為提高運算精度，在運算前，應(yīng)首先對直流輸出電位進行調(diào)零，即保證輸入為零時，輸出也為零。當運放有外接調(diào)零端子時（如A741的、腳），可按組件要求接入調(diào)零電位器RW，調(diào)零時，將運放輸入端接地，用直流電壓表測量輸出電壓UO，細心調(diào)節(jié)RW，使UO為零（即失調(diào)電壓為零）。如運放沒有調(diào)零端子，可按圖2.7所示電路設(shè)置調(diào)零電路。一個運放如不能調(diào)零，大致有如下原因： 組件正常，接線有錯誤。 組件正常，但負反饋不夠強（RF / R1太大），為此可將RF短路，觀察是否能調(diào)零。 組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復(fù)正常，則屬于這種情況。 組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進行消振。 組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換的集成塊。3）消振。一個集成運放自激時，表現(xiàn)為即使輸入信號為零，亦會有輸出，使各種運算功能無法實現(xiàn)，嚴重時還會損壞器件。在實驗中，可用示波器監(jiān)視輸出波形。為的消除運放自激，常采用如下措施 若運放有相位補償端子，可利用外接RC補償電路，產(chǎn)品手冊中有補償電路及元件參數(shù)提供。 電路布線，元、器件布局應(yīng)盡量減少分布電容。 在正、負電源進線與地之間接上幾十F 的電解電容和0.010.1 F的陶瓷電容相并聯(lián)，以減小電源引入的影響。注：自激消除方法請參考模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)有關(guān)章節(jié)。 三、實驗設(shè)備與元件1模擬電路實驗箱（型號：THM-1） 2信號發(fā)生器（型號：XD22）3雙蹤示波器（型號：XJ4241） 4交流毫伏表（型號：GB-9）5數(shù)字萬用表（型號：DT890） 6.集成運算放大器 F74117. 電阻器 512 ，51K2, 1K2 2K2, 10K2，100K28電解電容器 100F1四、實驗內(nèi)容本實驗在THM-1型“模擬電路實驗箱”上進行。（一）THM-1型模擬電路實驗箱面板結(jié)構(gòu)與使用方法：1大園孔是供插入連接導(dǎo)線插頭使用，小園孔和集成電路插座用來插入元件。仔細觀察大園孔和小園孔的連接關(guān)系，以便正確連線。有些大園孔內(nèi)部已經(jīng)連接了元件，并在面板上用元件符號標出，為使用提供了方便。與本次實驗無關(guān)的元件大園孔中不要插入連接導(dǎo)線，以免加錯電壓，損壞實驗箱中的元件。2面板的左上角“POWER”是總電源開關(guān)，左下角方框“DC SOURCE”中是直流組合電源，本次實驗中使用的電源VCC (12V)和VEE（12V）由此處供給。3面板中部下邊有4個電位器，其中1K、100和10K三個電位器是多圈電位器，使用時應(yīng)注意旋轉(zhuǎn)動作輕柔，不要使勁硬扭，以免損壞。4連接導(dǎo)線容易在與插頭連接處內(nèi)部折斷，所以在拔插導(dǎo)線時，不準直接拉扯導(dǎo)線，而應(yīng)捏緊插頭，左右微微轉(zhuǎn)動，就勢拔出或插入插頭。（二）應(yīng)正確使用集成運算放大器，使用前，首先必須看清運放管腳排列及外接電源極性和電壓值，切忌正、負電源接反，若電源接反，則將燒毀集成運算放大器。（三）實驗步驟：1 測量輸入失調(diào)電壓UIO按圖2.2連接實驗電路，閉合開關(guān)K1、K2，用直流電壓表測量輸出電壓UO1，并計算UIO 。記入表2-1. 表2-1UIO（mV）IIO(nA)Aod(db)CMRR(db)實測值典型值實測值典型值實測值典型值實測值典型值2. 測量輸入失調(diào)電流IIO實驗電路如圖2-2,打開K1，K2，用直流電壓表測量UO2,計算IIO。記入表4-1。3. 測量開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod按圖2-3連接實驗電路，運放輸入端加頻率100HZ , 大小約為30mV50mV正弦信號作為Ui，用示波器監(jiān)視輸出波形。用交流毫伏表測量Uo和Ui,并計算Aod。 記入表2-1。4. 測量共模抑制比KCMR 按圖2-4連接實驗電路，運放輸入端加 f = 100Hz , Uic = 12V正弦信號，監(jiān)視輸出波形。測量Uoc 和 Uic,計算Ad 、AC 及 KCMR ,記入表2-1。五、實驗報告1. 將所有測得的數(shù)據(jù)與典型值進行比較。2. 對實驗結(jié)果及實驗中碰到的問題進行分析、討論。六、預(yù)習要求1查閱集成運算放大器 A741 典型指標數(shù)據(jù)及管腳功能。2根據(jù)查閱的典型數(shù)據(jù)，計算可能的數(shù)據(jù)值（如Uo1,Uo2等），以供實驗時參考。3. 測量輸入失調(diào)參數(shù)時，為什么運放反相端及同相輸入端的電阻要精選，以保證嚴格對稱?4. 測量輸入失調(diào)參數(shù)時，為什么要將調(diào)零端開路，而在進行其它測試時，則要求對輸出電壓進行調(diào)零?5. 測試信號的頻率選取的原則是什么？ 集成運算放大器的運用項目“方波、三角波發(fā)生器的應(yīng)用測試”2.1.1項目說明1項目目標1）了解電路的基本功能原理，學會用集成運算放大器組成方波、三角波發(fā)生器；2）學會方波、三角波發(fā)生器的調(diào)試與測量方法；3）能按要求正確畫出電路接線工藝圖；4）能正確焊裝、檢測、調(diào)試電路。2項目原理（1）方波發(fā)生器圖2-1-1 基本方波發(fā)生器電路基本方波發(fā)生器如圖2-1-1電路（R1 = 100kW，C = 0.01mF，R2 = 100kW，R3 = 86kW）所示。其中電阻R2 與R3 組成正反饋支路；電阻R1 與電容C 組成的充放電回路是運算放大器的負反饋支路。運算放大器反相輸入端的電壓，同相輸入端的電壓 。輸出電壓uo的極性由與比較的結(jié)果來決定：若，則為負；若，則為正。在接通電源的瞬間，為負或為正純屬偶然，假設(shè)一接上電源時，輸出電壓為正值，（飽和壓降），則同相輸入端的電壓為：接著輸出電壓經(jīng)過電阻R1向電容C充電，按指數(shù)規(guī)律增長。當時，輸出電壓開始翻轉(zhuǎn)，R2、R3支路的正反饋作用使翻轉(zhuǎn)過程在極短的時間內(nèi)完成，輸出電壓由躍變?yōu)椋⑼ㄟ^正反饋使輸出電壓保持為。此時變?yōu)椋和瑫r，電容器C通過電阻R1放電，下降。當下降到等于u+ 時，輸出電壓再一次翻轉(zhuǎn)， 使。如此周而復(fù)始， 則輸出電壓為周期性的方波，如圖2-1-2所示。圖 2-1-2 uC與uO的波形方波的上升沿和下降沿與集成電路的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，方波的幅值由運放的飽和壓降 決定，限制在之間。由于電容C的充放電都是經(jīng)過R1進行的，充放電的時間常數(shù)相等，因此可得到對稱的方波。其周期為：方波的頻率為：當選擇R3 = 0.86R2時，由于：故方波的頻率可由下式求得： （2-1-1）由式2-1-1可知，改變R1或C的值，就可以改變方波的頻率。 為了防止放大器輸出電流太大而過載，往往在放大器的輸出端串聯(lián)一個限流電阻R0。另外為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，可在方波發(fā)生器的輸出端加上由穩(wěn)壓管組成的限幅器。如圖2-1-3所示。圖2-1-3 方波發(fā)生器電路圖中：R1 = 100kW，R0 = 3.9kW，R2 = 100kW， R3 = 86kW，C = 0.01mF。D1和D2采用穩(wěn)壓管1N5229，其穩(wěn)壓值為4.3V，正向壓降為0.7V。此時，方波的幅度完全由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定。 （2） 三角波與方波發(fā)生器方波與三角波發(fā)生器由電壓比較器加積分器組成。如圖 2-1-4所示。圖2-1-4 方波與三角波發(fā)生器圖中：R1 = 6.8kW，R2 = 10kW，R3 = 30kW，R0 = 3.9kW，R4 = 20kW，R5 = 20kW，C = 0.1mF，D1和D2采用穩(wěn)壓管1N5229。若a點斷開，運算放大器A1與R1、R2、R3及R0、D1、D2組成電壓比較器。運算放大器的反相端接基準電壓，同相端接輸入電壓，R1為平衡電阻。比較器輸出的高電平等于，低電平等于，當比較器的時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出電壓從高電平跳到低電平或從低電平跳到高電平）。設(shè)= ，則有 (2-1-2)將上式整理，得到比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位為： (2-1-3)若Uo1 = UZ，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位為： (2-1-4)比較器的門限寬度為： (2-1-5)由式（2-1-2）（2-1-5），可得到比較器的電壓傳輸特性，如圖 2-1-5 所示。圖 2-1-5 比較器電壓傳輸特性a點斷開后，運算放大器A2與R4、C及R5組成反向積分器，該反向積分器的輸入信號為方波 ，積分器的輸出電壓為：當時： 當時：因此，當積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖 2-1-6 所示。圖 2-1-6 三角波、方波發(fā)生電路的輸出波形當a點閉合時，比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，能自動產(chǎn)生方波與三角波。三角波的幅度為：因從0上升到所需時間為四分之一周期T，故： (2-1-6)所以，三角波（或方波）的頻率為： (2-1-7)式（2-1-6）和（2-1-7）表明，若要維持三角波的幅值不變，則R2、R3的比值應(yīng)固定，調(diào)節(jié)R4或C的值可以改變?nèi)遣ǖ念l率。2.1.2 學生本課程需完成的項目內(nèi)容1、設(shè)計一個用集成運算放大器構(gòu)成的常見的方波三角波產(chǎn)生電路。指標要求如下：方波 輸出頻率：300HZ-10KHZ可調(diào) 脈沖幅度：（500mV6V）三角波 輸出頻率：300HZ-10KHZ可調(diào) 脈沖幅度：300mv 3 V輸出阻抗不大于100歐2、要求（1）根據(jù)設(shè)計要求和已知的條件，確定電路的方案，計算并選取各單元電路的元件參數(shù)。（2）測量方波產(chǎn)生電路輸出方波的幅度和頻率，使之滿足設(shè)計要求。（3）測量三角波產(chǎn)生電路輸出三角波的幅度和頻率，使之滿足設(shè)計要求。2.1.3學生本課程需完成的具體的內(nèi)容1電路安裝1）認真檢測電路元件；2）繪制元件裝配圖，有能力的學生可以嘗試繪制印制板圖；3）元件成形、焊裝； 4）通電檢測調(diào)試。2安裝工藝要求 接線工藝圖繪制完成后，對照電路原理圖認真檢查無誤，再在實驗板上進行電路焊裝，要求：1）嚴格按照圖紙進行電路安裝； 2）所有元件焊裝前必須按要求先成型； 3）元件布置必須美觀、整潔、合理； 4）所有焊點必須光亮、圓潤、無毛刺、無虛焊、錯焊和漏焊 ； 5）連接導(dǎo)線應(yīng)正確、無交叉，走線美觀簡捷； 6）電路通電應(yīng)正常工作。 3方波發(fā)生器的測試觀察并定量繪出輸出電壓和電容上的電壓的波形，用示波器測出方波的周期和峰峰值及的峰峰值，將測量結(jié)果填入表2-1 中，根據(jù)測出的周期T，算出方波的頻率。并與理論值相比較。表2-1 電路測量值測量值理論值參數(shù)T ( ms )f ( Hz )Uop-p（V）Ucp-p (V)fo( Hz )圖4-1-1 電路圖4-1-3 電路4方波與三角波發(fā)生器的測試用示波器測出三角波（或方波）的周期T，方波的峰峰值Uop-p1和三角波的峰峰值Uop-p2。將測量結(jié)果填入表2-2中，根據(jù)測出的周期T，算出三角波（或方波）的頻率。并與理論值相比較。表2-2電路測量值測量值理論值參數(shù)T ( ms )f ( Hz )Uop-p1 (V)Uop-p2 (V)fo ( Hz )圖2-1-4電路5項目報告書要求按要求完成項目報告書。6創(chuàng)新設(shè)計與探索 根據(jù)自己對上述報警電路的制作安裝情況，設(shè)計一個實用的信號發(fā)生器電路，如鋸齒波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器等，可畫出電路設(shè)計草圖，也可制作成實物，能工作、有效果給予分數(shù)獎勵。 7主要元件、材料及工具 1）電路所需電子元件，焊錫絲、軟導(dǎo)線若干； 2）實驗板1塊； 3）電烙鐵、架1套，鑷子1把；4）萬用表1塊；5）直流穩(wěn)壓電源1臺；6）示波器1臺；7）晶體管毫伏表2臺。2.1.3 成果形式1）實物作品。2）項目報告書。2.1.4 評分標準表2-13 評分標準項目內(nèi)容配分評 分 標 準項目報告書40報告內(nèi)容完整、工整、數(shù)據(jù)真實（抄襲扣 10 分） 元件布局10元件布局美觀、合理、簡捷。 元件焊裝工藝20元件成型及各焊點均符合工藝要求，元件無錯焊、漏焊。 通電效果15通電后，電路按設(shè)計要求正常工作，不正常的，能排除故障，每次扣 5 分，不能排除的，扣 15 分。 創(chuàng)意、創(chuàng)新設(shè)計15創(chuàng)新設(shè)計有一定效果或能繪出設(shè)計草圖及做出演示樣品 實驗三 數(shù)字電路綜合設(shè)計實驗數(shù)字鐘1、 實驗?zāi)康模?）學習數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計方法、裝調(diào)技術(shù)及數(shù)字鐘功能擴展電路的設(shè)計。（2）從實際電路角度出發(fā)，建立系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)學生設(shè)計思想，動手能力，培養(yǎng)綜合運用數(shù)字電路的能力。2、預(yù)習要求（1）預(yù)習石英晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器的工作原理，了解所給芯片的使用方法，掌握常用器件的外圍電路，掌握60，24進制的電路接法。（2）根據(jù)指導(dǎo)書所示原理框圖，在給定的元器件范圍內(nèi)，設(shè)計數(shù)字鐘電路圖，并標出集成芯片的型號和引腳號碼（便于安裝、調(diào)試）。3、實驗任務(wù) （1）給定的主要器件如下：CD4060 、74LS74、74LS153、74LS90、74LS390、CD4511、74LS85、74LS00、74LS08、74LS32、74LS04、74LS02、按鍵、電阻（也可以選擇功能類似的CD 40xx，45xx芯片） （2）功能要求： 基本功能：以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間，小時的計時要求為“24翻1”，分和秒的計時要求為60進位，校時功能，正點報時； 擴展功能：鬧時功能；根據(jù)本實驗指導(dǎo)，學生從上述芯片中自行選擇來完成數(shù)字鐘電路的設(shè)計與裝調(diào)。4、實驗電路的原理與設(shè)計（1）數(shù)字鐘電路的組成數(shù)字鐘的原理組成框圖如圖1所示。報時電路校時電路秒脈沖發(fā)生器秒計數(shù)器60進制秒譯碼器秒顯示器分計數(shù)器60進制分譯碼器分顯示器時計數(shù)器24進制時譯碼器時顯示器圖1 數(shù)字鐘原理框圖在圖1中，秒脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心，它產(chǎn)生的秒信號輸入秒計數(shù)器進行計數(shù)，當達到59時產(chǎn)生進位信號給分計數(shù)器，秒計數(shù)器復(fù)位的同時分計數(shù)器開始計時。當分計數(shù)器達到59時產(chǎn)生進位信號給時計數(shù)器，分計數(shù)器復(fù)位的同時時計數(shù)器開始計數(shù)。（2）數(shù)字鐘主體電路的設(shè)計秒脈沖產(chǎn)生電路秒脈沖產(chǎn)生電路可由555電路產(chǎn)生，也可由石英晶體振蕩電路產(chǎn)生。石英晶體振蕩電路產(chǎn)生的頻率精確度高，故在本實驗中可選用14級二進制串行計數(shù)/分頻器CD4060得到精確頻率。欲得到1秒信號，還需要加入分頻電路。14級二進制串行計數(shù)/分頻器1HZ分頻電路圖2 秒脈沖產(chǎn)生電路計數(shù)器電路可用于計數(shù)的芯片很多，比如可預(yù)置的 4 位二進制同步計數(shù)器(74LS161)，可二/五分頻十進制計數(shù)器(74LS90)，可預(yù)置BCD雙時鐘可逆計數(shù)器(74LS192)，雙十進制計數(shù)器（74LS390）等，本實驗中可選用上述芯片來進行計數(shù)。利用其典型應(yīng)用電路即可。譯碼顯示電路通過計數(shù)器所得的秒脈沖的個數(shù)為二進制代碼，只有通過譯碼才能轉(zhuǎn)化為十進制，才能通過LED數(shù)碼管來進行直觀觀察。常用的譯碼芯片有BCD 碼七段碼譯碼器（CD4511），BCD-7段譯碼器/內(nèi)部上拉輸出驅(qū)動芯片(74LS48)。譯碼顯示部分采用常用譯碼芯片構(gòu)成典型應(yīng)用電路即可。仿廣播電臺正點報時電路仿廣播電臺正點報時電路的功能要求是每當數(shù)字鐘計時快到正點時發(fā)出聲響，通常按照4低音1高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時刻為正點時刻。要求4聲低音（500HZ）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒、57秒，最后一聲高音（1KHZ）發(fā)生在59分59秒，它們的持續(xù)時間均為1秒。分個位秒十位分十位門電路門電路驅(qū)動蜂鳴器報時信號門電路秒個位500HZ1KHZ 圖3 報時電路框圖分析蜂鳴器電路工作時的分、秒位數(shù)值，利用相關(guān)門電路完成正點報時功能。 校時電路 由于數(shù)字鐘接通電源或者計時可能出現(xiàn)誤差，這就需要校正時間。二種思路可供參考： I通過改變計數(shù)頻率來校時。利用多路數(shù)據(jù)選擇器，加上頻率選擇電路來控制計數(shù)器計數(shù)的頻率，從而達到校時的目的。校時結(jié)束時，通過數(shù)據(jù)選擇器選中1HZ頻率，計數(shù)器正常工作。數(shù)據(jù)選擇器多路頻率信號頻率選擇電路計數(shù)器電路圖4 校時電路一 II秒計數(shù)頻率不改變，仍為1HZ計數(shù)。改變時、分的計數(shù)頻率，校時脈沖采用1HZ脈沖，利用與非門組成的基本RS觸發(fā)電路來防止按鍵抖動。RS觸發(fā)器校時脈沖控制電路進位脈沖至計數(shù)器電路 圖5 校時電路二（3）數(shù)字鐘的擴展功能 鬧時功能通過按鍵輸入鬧時時間，到達該時間時驅(qū)動音響電路“鬧時”。利用按鍵通過雙四位二進制計數(shù)器輸入鬧時時間，設(shè)定的時間信號輸入數(shù)據(jù)比較器和正常走時的時間進行比較，當正常走時到達定時時間，比較器輸出電平驅(qū)動音響電路工作。設(shè)定鬧時預(yù)置時間代 碼產(chǎn) 生電 路數(shù)據(jù)比較器電路驅(qū)動蜂鳴器計數(shù)器輸出定時時間當前時間圖6 鬧時電路框圖5、數(shù)字鐘電路的安裝與調(diào)試（1）數(shù)字鐘電路的仿真 根據(jù)所給芯片，擬定設(shè)計方案。用Proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對所設(shè)計的電路進行仿真實驗。（2）數(shù)字鐘電路安裝按照實驗前預(yù)先設(shè)計好的電路圖連接電路，并檢查接線是否正確。（3）數(shù)字鐘電路的調(diào)試各部分功能調(diào)