实验三 基本模拟运算电路的测试
实验三 基本模拟运算电路的测试
1. 实验目的
(1) 研究由集成运算放大器741组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能；
(2) 学会上述电路的测试和分析方法。 2. 实验设备与器材
实验所用设备与器材见表3.1示。
表3.1 实验设备与器材
3. 实验电路与说明
集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级
放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。
基本运算电路
(1) 反相比例运算电路
电路如图2.1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的关系为
U 0=-
R f R 1
U i
为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R f 。 (2) 反相加法电路
电路如图2.2所示，输出电压与输入电压之间的关系为
U O =-(
R f R
U i1+f U i2) R 1R 2
R 3＝R 1 // R 2 // R f
图3.1 反相比例运算电路 图3.2 反相加法运算电路
(3) 同相比例运算电路k Ω
图3.3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为
U O =(1+
R f R 1
) U i
R 2＝R 1 // R f
当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图3.3(b)所示的电压跟随器。图中R 2＝R f ，用以减小漂移和起保护作用。一般R f 取10k Ω，R f 太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。
图3.3 同相比例运算电路
（4）差动放大电路（减法器） 减法运算电路如图3.4所示。
图3.4 减法运算电路图 图3.5
积分运算电路
对于图2.4所示的减法运算电路，当R 1＝R 2，R 3＝R f 时，有如下关系式
U 0=
R f R 1
(U i2-U i1)
(5) 积分运算电路
反相积分电路如图2.5所示。在理想化条件下，输出电压u O (t ) 等于
u O (t)=-
1t
u i dt+uC (0+) ⎰0R 1C
式中，u C (0+) 是t ＝0+时刻电容C 两端的电压值，即初始值。 如果u i (t ) 是幅值为E 的阶跃电压，并设u c (0+) ＝0，则
u O (t)=-
1R 1C
⎰
t o
Edt =-
E t R 1C
即输出电压 u o (t ) 随时间增长而线性下降。显然RC 的数值越大，达到给定的U o 值所需的时间就越长。积分输出电压所能达到
的最大值受集成运放最大输出范围的限值。 4. 实验内容与步骤
实验前要看清运放组件各管脚的位置；切忌正、负电源极性接反和输出端短路，否则将会损坏集成块。 （1）反相比例运算电路（必做）
① 按图3.1连接实验电路，接通±12V 电源，输入端对地短路，进行调零和消振。
② 输入f ＝100Hz ，U i ＝0.5V 的正弦交流信号，测量相应的U o ，并用示波器观察u o (t ) 和u i (t ) 的相位关系，记入表3.2中
表3.2 U i ＝0.5V ，f ＝100Hz
（2）同相比例运算电路（选作）
① 按图3.3(a)连接实验电路。实验步骤同内容1，将结果记入表3.3中。
② 将图3.3(a)中的R 1断开，得图3.9(b)电路重复内容①。
表3.3 U i ＝0.5V f ＝100Hz
（3） 反相加法运算电路（选作）
① 按图3.2连接实验电路。调零和消振。
② 输入信号U i1、U i2采用直流信号，图2.6所示电路为简易直流信号源，由实验者自行完成。实验时要注意选择合适的直流信号幅度以确保集成运放工作在线性区。用直流电压表测量输入电压U i1、U i2及输出电压U O ，记入表3.4中。
图3.12 简易可调直流信号源 表3.4 反相加法器测量数据
（4）减法运算电路（选作）
① 按图3.4连接实验电路。调零和消振。
② 采用直流输入信号，实验步骤同内容（3），记入表3.5中。
表3.5 减法器测量数据
（5）积分运算电路（必做） 实验电路如图3.5所示。 ① 对运放输出进行调零。
③ 预先调好方波输入电压U i ＝0.5V ，f ＝100Hz ，接入实验电路，然后用示波器测量输出电压U
O ，并观察记录输入输出波形，记入表3.6中。
表3.6 积分器测量数据
5. 实验总结与分析
(1) 整理实验数据，画出波形图（注意波形间的相位关系）。 (2) 将理论计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因。
(3) 分析讨论实验中出现的现象和问题。 (4) 回答以下问题： ① 在反相加法器中，如U i1 和U i2 均采用直流信号，并选定U i2＝－1V ，当考虑到运算放大器的最大输出幅度(±12V) 时，｜U i1｜的大小不应超过多少伏？
② 在积分电路中，如R 1＝100k Ω， C ＝4.7μF ，求时间常数。假设U i ＝0.5V ，问要使输出电压U O 达到5V ，需多长时间（设u C (o)＝0）？
(5) 心得体会与其他。