运算放大器在波形变换中的应用.docx
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运算放大器在波形变换中的应用
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
二、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、找出通路
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、比较电路
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,VO>0;当V+<V-时,VO<0。
电路中输入+端接地,V+=0,所以V->0,VO<0;V-<0,VO>0。
因此,当V-在V+附近波动时,输出电压VO将在正负电源电压间跳变。
b、积分电路
∑点为虚地点。
可得:
当Vi为常数时,
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、两个比较信号电平确实定
〔VO1经R2,VO2经R3〕
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,VO1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。
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:
则,实验各点波形为:
d、振荡频率和周期
在t0<t<t1经过分压,积分电路的输入电压Vi为-αVN〔这里的α为分压比,调节W1电位器,可改变α〕,两个比较电平对应积分电路中的初末电压。
可得:
从而可得:
同理,在t1<t<t2时间内积分电路的输入电压Vi为αVP,两个比较电电平仍对应积分电路中的初末电压。
可得:
所以,T1+T2即为三角波的周期化简得:
可得:
1、假设VP不等于VN,则T1不等于T2,VO1输出为锯齿波,VO2输出为矩形波;
2、假设VP等于VN,则T1等于T2,VO1输出为三角波,VO2输出为方波;
3、三角波和方波的周期为:
4、当R2=R3时,周期和频率为:
,f=
5、假设输出电压VO2被钳制在不同的正负电压值时,可改变输出波形占空比,即VO1将输出锯齿波,而VO2将输出矩形波。
5、通观整体
积分电路
→
比较电平产生电路
→
比较电路
6、性能估算
·设计指标
三角波和方波的频率范围KHz—2KHz
输出幅度为±6V
A、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-V;
D1、D2可取快速二极管1N4148。
B、根据频率范围要求f=
取α=1时f=2kHz,假设C1取μF,则R1=12kΩ;
当f=500Hz,C1,R1=12kΩ时,;
因此可选W1>3kΩ,R4=1kΩ。
选R2=R3=1kΩ
三、μA741
1、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
μA741C
μA741I
μA741M
单位
输入电压,VCC+
18
22
22
V
输入电压,VCC-
-18
-22
-22
V
差动输入电压,VID
±15
±30
±30
V
调零段到VCC-的电压降
±15
V
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125
°C
储存温度
-65至150
-65至150
-65至150
°C
工作60s后外表温度
FK封装
260
°C
工作60s距离外表
J,JG或U封装
600
°C
工作10s距离外表
D,P或PW封装
260
260
°C
3、电气参数〔除特别指出,均在在25°C自然温度,VCC=±15V〕〔除特别指出,均在开环下,零共模输入〕
参数
测试条件
μA741C
μA741C,μA741M
单位
最小
标准
最大
最小
标准
最大
输入偏移电压VIO
VO=0
1
6
1
5
mV
偏移电压调整范围△VIO
VO=0
±15
±15
mV
输入偏移电流IIO
VO=0
20
200
20
200
nA
输入基准电流IIB
VO=0
80
500
80
500
nA
共模输入电压范围VICR
±12
±13
±12
±13
V
最大峰值输出电压VOM
RL=10KΩ
±12
±14
±12
±14
V
RL≥10KΩ
±12
±12
RL=2KΩ
±10
±13
±10
±13
RL≥2KΩ
±10
±10
大信号差模输入电压震荡AVD
RL≥2KΩ
20
200
50
200
V/mV
VO=±10V
15
25
输入电阻ri
2
2
MΩ
输出电阻ro
VO=0
75
75
Ω
输入电容Ci
VIC=VICRmin
pF
共模抑制比CMRR
VCC=±9V至±15V
70
90
70
90
dB
短路输出电流IOS
±25
±40
±25
±40
mA
源电流ICC
VO=0,无负载
mA
总功率消耗PD
VO=0,无负载
50
85
50
85
mW
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〔μA741〕的温度,如果有发烫,则断电检查线路
4、假设器件工作正常,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Hz到kHz之间。
三角波的最小值为-6V,最大值为;方波电压的最小值为V,最大值为V。
基本符合设计的要求。
记录了几个典型波形如图:
稳压管的稳压值为V,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V。
到达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到达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VP,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,来到达不同的VP和VN的值,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21Ic网。
原理如图:
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=12KΩ,所以仍然通过一个12KΩ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,到达改变占空比的目的。
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:
仅改变R5比例后的示波器图形:
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。
而想使波频率可以到达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,所以当频率到达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kΩ,C1=1nF,但是仍没有得到200kHZ,得到了135kHz的方波。
最后找到了LT1395CS5,kΩ,C1=1nF得到了较为完美的200kHz的方波。
波形如图:
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- 运算放大器 波形 变换 中的 应用