正弦波電路的設(shè)計實驗

正弦波發(fā)生電路的設(shè)計實驗集成運算放大器基本運算電路實驗集成運算放大器的選擇對于性能指標沒有特殊要求的一般交流放大，可選通用型。如LM741，LM324，LM348。作為快速采集的信號放大器，由于采樣時的數(shù)據(jù)為離散的階躍信號，要求運放具有較高的工作速度，因此，必須選用高速型，如μA715，μA772.完成對弱信號的放大，要滿足誤差小于1μV的要求，可采用高精度型。如μA725，OP-27。對頻率范圍很寬的信號放大，應(yīng)選用寬帶型。如CF507。若要求運放輸出信號幅值大，可選高壓型，如F143。對高阻信號源的輸出信號進行放大，可選LF356。

對于能源有要求的，可選用低功耗型，如μA253。第二代集成運放CF741接線如圖所示。雙列直插式集成運放的管腳順序是，管腳向下，標志于左，序號自下而上逆時針方向排列。管腳功能如下：

集成運放的管腳順序及功能CF741外接線圖接正電源(+5~+18)V接負電源（-5~-18）V為同相輸入端（輸出信號與輸入信號同相位）為反相輸入端（輸出信號與輸入信號反相位）為空腳為輸出端腳1、4、5外接調(diào)零電位器

LM358雙運算放大器LM358OUT1-IN1+IN1VeeVcc

OUT2-IN2+IN21458

LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。

特性(Features):

內(nèi)部頻率補償·直流電壓增益高(約100dB)·單位增益頻帶寬(約1MHz)·電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)；雙電源(±1.5一±15V)·低功耗電流，適合于電池供電·低輸入偏流·低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流·共模輸入電壓范圍寬，包括接地·差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍·輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)一實驗?zāi)康?/p>

通過實驗掌握由運算放大器構(gòu)成基本運算電路及正弦波振蕩電路的原理與設(shè)計方法。

集成運放的幾個重要參數(shù)：(1)增益帶寬積（GBW)GBW=Avd.fH其中，Avd為中頻開環(huán)增益，fH為開環(huán)上限截止頻率。以uA741為例，Avd=100dB即100000倍。fH

=10Hz,GBW=10×100000=1MHz。即該運放的fT=1MHz若運放在應(yīng)用中接成閉環(huán)放大電路，其閉環(huán)放大電路的上限頻率fHF=GBW/AVF(2)壓擺率（轉(zhuǎn)換速率）SR

壓擺率SR表示運放所允許的輸出電壓Vo對時間變化率的最大值。對于uA741，若將連接成電壓跟隨器電路，若輸入信號為Vin=2V，f=100KHz的正弦信號，其輸出波形如何？為了要求輸出不失真，則要求輸入信號的應(yīng)小于0.8V。(3)共模抑制比CMRR該項指標表示了集成運放對共模信號（通常是干擾信號）的抑制能力。定義Avd

為開環(huán)差模增益，Avc為開環(huán)共模增益。共模抑制比這一指標在微弱信號放大場合非常重要，以為在許多實際場合，存在著共模干擾信號。假設(shè)某一放大器的差模輸入信號Vidm為10uV，而放大器的輸入端存在著10V的共模干擾信號。為了使輸出信號的有用信號（差模分量）能明顯的大于干擾信號，這時要求該運放應(yīng)有多大的共模抑制比呢？設(shè)該放大器的輸出端的共模電壓為Vocm,則Vocm=Vicm.Avc集成運放的電源供給方式集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式，對輸入信號的要求是不同的。（1）對稱雙電源供電方式運算放大器多采用這種方式供電。相對于（地）的正電源（+E）與負電源（-E）分別接于運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號源直接接到運放的輸入上，而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。（2）單電源供電方式單電源供電是將運放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點，在運放輸入端一定要加入一直流電位，如圖1所示。此時運放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號變化。對于圖1交流放大器，靜態(tài)時，運算放大器的輸出電壓近似為VCC/2，為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。

運算放大器單電源供電電路如何選用反相和同相放大器反相放大器的優(yōu)點是：運放不管有無輸入信號，其兩輸入端電位始終近似為零，兩輸入端之間僅有低于微伏級的差動信號（或亦稱差模信號）。而同相輸入放大器的兩個輸入端之間除有極小的差模信號外，同時還存在較大的共模電壓。雖然運放有較大的共模抑制比，但多少也會因共模電壓帶來一些誤差。如果要求輸出信號與輸入信號反相，則采用反相放大器。同相放大器的優(yōu)點是輸入阻抗極高，因此輸入電阻取大取小影響不大，而反相放大器的輸入阻抗與輸入電阻大小有關(guān)。對于內(nèi)阻較大的傳感器則選用同相放大器更為合適。

反相比例運算uoRFuiR2R1++––++

–

－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號和反饋信號加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋

因要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點當RF=100K,R1=10KΩ時，

同相比例運算電壓串聯(lián)負反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋uoRFuiR2R1++––++

–

因要求靜態(tài)時u+、u

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF當RF=100K,R1=10KΩ時，_+

+

uiuo此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。

電壓跟隨器結(jié)構(gòu)特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。電壓跟隨器亦稱緩沖器。因此它可用作緩沖隔離級“插入”電路中，例如在某些振蕩電路中，若將振蕩電路直接接上負載，則會影響振蕩器的輸出特性，甚至使電路停振，而在振蕩器與負載之間插入緩沖器，則振蕩器可穩(wěn)定地工作。又例如，一些內(nèi)阻高的傳感器，如壓電式傳感器，其輸出信號非常弱，而且內(nèi)阻抗極高，若采用一般放大器與傳感器直接連接，則會產(chǎn)生較大的測量誤差。在放大器與傳感器之間插入緩沖器，通過緩沖器的阻抗變換作用，可大大提高測量精度。i12iFi11R12_++

R2R11ui2uoRPui1調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。R2=100K,R11=R12=10K時，_+

+

R2R1R1ui2uoR2ui1解出：差動運算關(guān)系當R1=10K,R2=100KΩ時，i1iFtui0tuo0輸入方波，輸出是三角波。ui-++RR2Cuo積分運算關(guān)系應(yīng)用舉例1：

uiVo10KuiAC微分電路10KVo10KRp=－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－100k,積分電路10KACVo電壓跟隨器-15V31+15V8A24

RfRfRfRfRp=Rf//R1=10k//100KKf=V0/VI=-Rf/RiRp=Rf//R1//R2

=10k//10K//100K100K10KViR1R1R210K10K100KVoVoVoVoVo=-Rf/R1(Vi1+Vi2)Vi2反向放大器反向加法Vi2Vi110K10K100KRp=RiVo=Rf/Ri(Vi2-Vi1)100K同相比例ViRiRpKf=V0/VI=1+Rf/Ri1+Rf/Ri)V0=(10K注:如果Rf選100k,Vi要≦1V=10K//100k減法器（差動）AAAAVi1100K“+15v”“-15v”數(shù)電箱可調(diào)直流信號源加衰減地接電路輸入端接可調(diào)直流信號源10k數(shù)電箱直流信號源為1.3v-15v可調(diào)，如果低于1.3v，需加一衰減電路（用數(shù)電箱下方10k電位器）：單電源供電交流放大器

在僅須放大交流信號時，若用運算放大器作放大，為減少一個電源，運算放大器常常采用單電源(正電源或負電源)供電。其方法是以電阻分壓方式將同相端偏置在Vcc/2(或負電源VEE/2)附近。為了保證運算放大器兩個輸入端有相同的直流電壓，分壓電阻應(yīng)取相同阻值。但這種電路需要在輸入、輸出端加交流耦合電容。下圖所示為一單電源供電的反相比例放大電路。RLCp30

RC文氏電橋振蕩器產(chǎn)生正弦波，方波-三角波產(chǎn)生電路可正弦波振蕩器采用波形變換電路,通過遲滯比較器變換為方波,經(jīng)積分器獲得三角波輸出。此電路的輸出頻率就是就是RC文氏電橋振蕩器的振蕩頻率.函數(shù)信號發(fā)生器電路設(shè)計參考方案RC正弦波振蕩器遲滯比較器積分器正弦波uo1方波uo2三角波uo3用遲滯比較器與反相積分器首尾相串聯(lián)構(gòu)成方波-三角波產(chǎn)生電路，然后，采用差分放大器，作為三角波—正弦波變換電路利用差分對管的飽和與截止特性進行變換，此電路的輸出頻率就是就是方波-三角波產(chǎn)生電路的頻率.遲滯比較器積分器正弦波uoz方波uof三角波uo3差分放大器過壓二實驗原理1．函數(shù)信號產(chǎn)生方案對于函數(shù)信號產(chǎn)生電路，有多種實現(xiàn)方案，如模擬電路實現(xiàn)方案、數(shù)字電路實現(xiàn)方案(如DDS方式)、模數(shù)結(jié)合的實現(xiàn)方案等。模擬電路的實現(xiàn)方案：是指全部采用模擬電路的方式，以實現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的所有功能，本實驗的函數(shù)信號產(chǎn)生電路采用全模擬電路的實現(xiàn)方案。對于波形產(chǎn)生電路的模擬電路的實現(xiàn)方案，也有幾種電路方式可供選擇。本實驗選用最常用的，線路比較簡單的電路加以分析。如用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過積分電路產(chǎn)生三角波，其電路框圖如圖1所示。圖1模擬電路實現(xiàn)方案框圖

2．RC橋式正弦振蕩電路

RC橋式正弦振蕩電路如圖2所示。其中R1、C1和R2、C2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運算放大器的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。

R3、RW及R4組成負反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)RW可改變負反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。圖2RC橋式正弦振蕩電路

為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負反饋回路里加入非線性元件來自動調(diào)整負反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。圖中的兩個二極管D1，D2便是穩(wěn)幅元件。當輸出電壓的幅度較小時，電阻R4兩端的電壓低，二極管D1、D2截止，負反饋系數(shù)由R3、RW及R4決定；當輸出電壓的幅度增加到一定程度時，二極管D1、D2在正負半周輪流工作，其動態(tài)電阻與R4并聯(lián)，使負反饋系數(shù)加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動態(tài)電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。圖2RC橋式正弦振蕩電路

圖2RC橋式正弦振蕩電路

當：R1=R2=R，C1=C2=C時電路的振蕩頻率：起振的幅值條件：

為了維持振蕩輸出，必須讓

為了保證電路起振，調(diào)整電阻RW

（即改變了反饋Rf

），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋太強，應(yīng)適當加大Rf

，如波形失真嚴重，則應(yīng)適當減少Rf。改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換（粗調(diào)），而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細調(diào)。圖2RC橋式正弦振蕩電路

*電路調(diào)整的關(guān)鍵是：負反饋電路中的電位器RW的細心調(diào)節(jié)，RW過大：輸出方波！

RW過?。弘娐凡黄鹫?！三實驗設(shè)備與器件

1.直流電源：±12V；

2.雙蹤示波器；

3.交流毫伏表；

4.數(shù)字萬用表

5.集成運算放大器：LM741；

6.電阻器、電容器、二極管若干只。四.實驗題目

設(shè)