加法器及差分放大器项目实验报告
一、项目内容和要求 (一)、加法器 1、任务目的:
(1)掌握运算放大器线性电路的设计方法; (2)理解运算放大器的工作原理;
(3)掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容:
2.1 设计一个反相加法器电路,技术指标如下:
(1)电路指标
运算关系:UO(5Ui12Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。
(2)设计条件
电源电压Ec=±5V; 负载阻抗RL5.1K
(3)测试项目
A:输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压;
B:输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号,测试两种输入组合情况下的输出电
压波形。
C:输入信号Ui10V,改变Ui2的幅度,测量该加法器的动态范围。
D:输入信号Ui10V,Ui2为正弦波,1V,改变正弦波的频率,从1kHz逐渐增加,步长为
2kHz,测量该加法器的幅频特性。
2.2 设计一个同相加法器电路,技术指标如下: (1)电路指标
运算关系:UOUi1Ui2。 (2)设计条件
电源电压Ec=±5V; 负载阻抗RL5.1K (3)测试项目
A:输入信号Ui11V,Ui21V,测试4种组合下的输出电压;
B:输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号,测试两种输入组合情况下的输出电压
波形。
(二)、差分放大器
1、任务目的:
(1)掌握运算放大器线性电路的设计方法; (2)理解运算放大器的工作原理;
(3)掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容
2.1 设计一个基本运放差分放大器电路,技术指标如下: (1)电路指标
运算关系:UO5(Ui1Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。 (2)设计条件
电源电压Ec=±5V; 负载阻抗RL5.1K (3)测试项目
A:输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压;
B:输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.5V信号,测试两种输入组合情况下的输出
电压波形。
二、设计及调试
(一)、电路设计 1、反相加法器
U0=-Rf*If
U0=-Rf*(Ui1/R1+Ui2/R2) 输出电压与输入电压反相
R3在电路中起平衡作用(R3=R1//R2//Rf) 2、同相加法器
U0=(1+Rf/R’)Ui
输出电压与输入电压同相
R在电路中起平衡作用(R3=R1//R2//Rf) 3、差分放大器
差分放大电路可以有效的抑制“零点漂移” U0=[(R1+Rf)/R1]*[R3/(R2+R3)]-(R2/R1)*U1 R1=R2,R3=Rf,U0=-(R2/R1)*(Ui1-Ui2)
(二)、电路仿真 1、加法器
1.1反相加法器
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据:
B.i1i2电压波形
仿真电路:
仿真测试波形:
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (蓝色波形) 输出: U0发生直流偏移,向下偏2.5V(红色波形)
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (蓝色波形) 输出: U0发生直流偏移,向上偏2.5V(红色波形)
C.输入信号Ui10V,改变Ui2的幅度,测量该加法器的动态范围 仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度0.1V正弦波(蓝色波形) 输出:U0=0.2V(最大值),频率1KHz正弦波(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度2V正弦波(蓝色波形)
输出:U0=3.998V,频率1KHz正弦波,顶部发生失真现象(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度2.5V正弦波(蓝色波形)
输出:U0=4.671V(最大值),频率1KHz正弦波,顶部和底部均发生失真现象
(红色波形)
动态范围:4.671V~3.746V
D.输入信号Ui10V,Ui2为正弦波,1V,改变正弦波的频率,从1kHz逐渐增加,步长
为2kHz,测量该加法器的幅频特性
仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为1KHz的正弦波(蓝色波形) 输出:U0=2V(最大值),频率为1KHz的正弦波(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为3KHz的正弦波(蓝色波形)
输出:U0=2V(最大值),频率为1KHz的正弦波(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为31KHz的正弦波(蓝色波形)
输出:U0=1.92V(最大值),频率为1KHz的正弦波,幅度开始减小(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为31KHz的正弦波(蓝色波形)
输出:U0=1.67V(最大值),频率为1KHz的正弦波,幅度减小(红色波形)
测试值及幅频特性曲线:
1.2同相加法器
A.输入信号Ui11V,Ui21V,测试4种组合下的输出电压 仿真电路:
仿真测试数据:
B.Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V形
仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(绿色波形)
输出:U0=0.999766V(有效值),频率1KHz的正弦波,向上偏移1V(红色波形)
输入:Ui1=-1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(绿色波形)
输出:U0=-0.999761V,频率1KHz的正弦波,向下偏移1V(红色波形)
2、差分放大器
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 仿真电路:
仿真测试数据:
B.i1i2电压波形
仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=-0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(红色波形) 输出:U0=2.163V,频率1KHz正弦波,顶部发生失真现象(黄色波形)
输入:Ui1=0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(红色波形)
输出:U0=-2.337V,频率1KHz正弦波,底部发生失真现象(黄色波形)
(三)、电路焊装和调试
1、元器件清单
1.2同相加法器
2、电路调试结果及结果分析 2.1反相加法器
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试结果:
结果分析:实际测量结果比仿真测量结果偏小,当两个输入信号均为0.5V时,理论输出
应该是-3.4V,而我们的测试值只有-2.98V,最后检查电路时发现由于我们在提供芯片的电压上串接了一个1K电阻和一个发光二级管,再加上电源输入端到4脚、
8脚的导线比较长(产生了1.46V的压降)所以芯片的工作电压其实并没有±5V,因此输出值会普遍偏小。
B.输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号,测试两种输入组合情况下的输出
压波形
硬件电路输出波形:
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (黄色波形)
输出: U0发生直流偏移,向下偏2.5V(绿色波形)
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (黄色波形)
输出: U0发生直流偏移,向上偏2.5V(绿色波形)
结果分析:在这个测试项目的进行下,我们发现硬件焊接的电路测试值很不稳定,总是
在0.6V之内上下波动,最后发现外界信号对电路输出只有很大的干扰,当我们把手放在输入端上,输出电压值都会发生跳动,经比较计算,我们的测试值在误差范围内是正确的
C.输入信号Ui10V,改变Ui2的幅度,测量该加法器的动态范围 硬件电路输出波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度1.29V正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.21V,频率1KHz正弦波,顶部发生失真现象(绿色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度1.41V正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.53V,频率1KHz正弦波,顶部和底部同时失真(绿色波形)
动态范围2.53V~2.21V
结果分析:在做仿真的时候,当Ui2=2.0V时,波形便发生失真,而在硬件电路的测试中,
Ui2=1.29V便出现顶部失真现象,由于我们电路的实际放大倍数为2.2,而仿真的是2,而且实际电路中导线的压降又不可避免(导线太长),因此,静态工作点会更加偏低,会在较小的输入电压情况下发生失真。
D.输入信号Ui10V,Ui2为正弦波,1V,改变正弦波的频率,从1kHz逐渐增加,步长为
2kHz,测量该加法器的幅频特性
硬件电路测试波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为1KHz的正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.08V,频率为1KHz的正弦波(绿色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为5KHz的正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.02V,频率为5KHz的正弦波,开始出现交越失真(绿色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为39KHz的正弦波(黄色波形)
输出:U0=0.70V,频率为5KHz的正弦波,幅度明显下降(绿色波形)
硬件电路测试数据:
结果分析:硬件电路测试值较仿真测试值曲线不够平滑,电路本身存在干扰,仪器仪表
又具有一定的误差范围,因此相对于仿真,实际电路与理论值会有一定大的误差。
2.2同相加法器
A.输入信号Ui11V,Ui21V,测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试值:
结果分析:硬件电路测试值与仿真电路测试值相比略微渐小,由于硬件电路的运放芯片
LM358工作电压经过导线送入,而导线上有压降,所以工作电压较理论值要小,所以输出会跟随被影响,也会减小。
B.输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号,测试两种输入组合情况下的输出电压
形
硬件电路输出波形:
输入:Ui1=1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(黄色波形)
输出:U0=0.925V,频率1KHz的正弦波,向上偏移1V(绿色波形)
输入:Ui1=1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(黄色波形) 输出:U0=-0.934V,频率1KHz的正弦波,向下偏移1V(绿色波形)
结果分析:硬件测试电路与仿真结果较为相似,但是波形不太稳定,在零点几V的范围
内来回跳动,后来在检查电路后发现是由于存在干扰信号,而且示波器工作也不太稳定。
2.3差分放大电路
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据:
B.i1i2出电压波形
硬件电路测试波形:
输入:Ui1=0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(黄色波形) 输出:U0=0.2V,频率1KHz正弦波,发生直流偏移,底部发生失真现象(绿色波
形)
输入:Ui1=-0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(黄色波形)
输出:U0=1.8V,频率1KHz正弦波,发生直流偏移,顶部发生失真现象(绿色波
形)
结果分析:偏移幅度不够大,由于放大倍数不同,且运放芯片性质决定可以放
大到的最大电压不能达到理论值。
三、小结
这个项目我们小组有以下不足:1.电路排版过于拥挤,导致板子背面焊锡大块出现;2.测试硬件路 仪表使用不够熟练。相对于其他组,我们组有以下优势:1.测试电路任务明确;2.测试值误差小。通过这次实验,对各个仪表又有了一个熟悉的过程,掌握了加法器和差分放大器的基本功能,能利用加法器和差分放大器设计出有一定倍数的正反向放大电路。
四、仪器设备清单
A3组:XXX XX XX XXXX年XX月XX日
加法器及差分放大器项目实验报告
一、项目内容和要求 (一)、加法器 1、任务目的:
(1)掌握运算放大器线性电路的设计方法; (2)理解运算放大器的工作原理;
(3)掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容:
2.1 设计一个反相加法器电路,技术指标如下:
(1)电路指标
运算关系:UO(5Ui12Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。
(2)设计条件
电源电压Ec=±5V; 负载阻抗RL5.1K
(3)测试项目
A:输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压;
B:输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号,测试两种输入组合情况下的输出电
压波形。
C:输入信号Ui10V,改变Ui2的幅度,测量该加法器的动态范围。
D:输入信号Ui10V,Ui2为正弦波,1V,改变正弦波的频率,从1kHz逐渐增加,步长为
2kHz,测量该加法器的幅频特性。
2.2 设计一个同相加法器电路,技术指标如下: (1)电路指标
运算关系:UOUi1Ui2。 (2)设计条件
电源电压Ec=±5V; 负载阻抗RL5.1K (3)测试项目
A:输入信号Ui11V,Ui21V,测试4种组合下的输出电压;
B:输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号,测试两种输入组合情况下的输出电压
波形。
(二)、差分放大器
1、任务目的:
(1)掌握运算放大器线性电路的设计方法; (2)理解运算放大器的工作原理;
(3)掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容
2.1 设计一个基本运放差分放大器电路,技术指标如下: (1)电路指标
运算关系:UO5(Ui1Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。 (2)设计条件
电源电压Ec=±5V; 负载阻抗RL5.1K (3)测试项目
A:输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压;
B:输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.5V信号,测试两种输入组合情况下的输出
电压波形。
二、设计及调试
(一)、电路设计 1、反相加法器
U0=-Rf*If
U0=-Rf*(Ui1/R1+Ui2/R2) 输出电压与输入电压反相
R3在电路中起平衡作用(R3=R1//R2//Rf) 2、同相加法器
U0=(1+Rf/R’)Ui
输出电压与输入电压同相
R在电路中起平衡作用(R3=R1//R2//Rf) 3、差分放大器
差分放大电路可以有效的抑制“零点漂移” U0=[(R1+Rf)/R1]*[R3/(R2+R3)]-(R2/R1)*U1 R1=R2,R3=Rf,U0=-(R2/R1)*(Ui1-Ui2)
(二)、电路仿真 1、加法器
1.1反相加法器
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据:
B.i1i2电压波形
仿真电路:
仿真测试波形:
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (蓝色波形) 输出: U0发生直流偏移,向下偏2.5V(红色波形)
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (蓝色波形) 输出: U0发生直流偏移,向上偏2.5V(红色波形)
C.输入信号Ui10V,改变Ui2的幅度,测量该加法器的动态范围 仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度0.1V正弦波(蓝色波形) 输出:U0=0.2V(最大值),频率1KHz正弦波(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度2V正弦波(蓝色波形)
输出:U0=3.998V,频率1KHz正弦波,顶部发生失真现象(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度2.5V正弦波(蓝色波形)
输出:U0=4.671V(最大值),频率1KHz正弦波,顶部和底部均发生失真现象
(红色波形)
动态范围:4.671V~3.746V
D.输入信号Ui10V,Ui2为正弦波,1V,改变正弦波的频率,从1kHz逐渐增加,步长
为2kHz,测量该加法器的幅频特性
仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为1KHz的正弦波(蓝色波形) 输出:U0=2V(最大值),频率为1KHz的正弦波(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为3KHz的正弦波(蓝色波形)
输出:U0=2V(最大值),频率为1KHz的正弦波(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为31KHz的正弦波(蓝色波形)
输出:U0=1.92V(最大值),频率为1KHz的正弦波,幅度开始减小(红色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为31KHz的正弦波(蓝色波形)
输出:U0=1.67V(最大值),频率为1KHz的正弦波,幅度减小(红色波形)
测试值及幅频特性曲线:
1.2同相加法器
A.输入信号Ui11V,Ui21V,测试4种组合下的输出电压 仿真电路:
仿真测试数据:
B.Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V形
仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(绿色波形)
输出:U0=0.999766V(有效值),频率1KHz的正弦波,向上偏移1V(红色波形)
输入:Ui1=-1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(绿色波形)
输出:U0=-0.999761V,频率1KHz的正弦波,向下偏移1V(红色波形)
2、差分放大器
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 仿真电路:
仿真测试数据:
B.i1i2电压波形
仿真电路:
仿真测试波形:
输入:Ui1=-0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(红色波形) 输出:U0=2.163V,频率1KHz正弦波,顶部发生失真现象(黄色波形)
输入:Ui1=0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(红色波形)
输出:U0=-2.337V,频率1KHz正弦波,底部发生失真现象(黄色波形)
(三)、电路焊装和调试
1、元器件清单
1.2同相加法器
2、电路调试结果及结果分析 2.1反相加法器
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试结果:
结果分析:实际测量结果比仿真测量结果偏小,当两个输入信号均为0.5V时,理论输出
应该是-3.4V,而我们的测试值只有-2.98V,最后检查电路时发现由于我们在提供芯片的电压上串接了一个1K电阻和一个发光二级管,再加上电源输入端到4脚、
8脚的导线比较长(产生了1.46V的压降)所以芯片的工作电压其实并没有±5V,因此输出值会普遍偏小。
B.输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号,测试两种输入组合情况下的输出
压波形
硬件电路输出波形:
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (黄色波形)
输出: U0发生直流偏移,向下偏2.5V(绿色波形)
输入: Ui1=0.5V,Ui2为频率1KHz,幅度为0.1V的正弦波信号 (黄色波形)
输出: U0发生直流偏移,向上偏2.5V(绿色波形)
结果分析:在这个测试项目的进行下,我们发现硬件焊接的电路测试值很不稳定,总是
在0.6V之内上下波动,最后发现外界信号对电路输出只有很大的干扰,当我们把手放在输入端上,输出电压值都会发生跳动,经比较计算,我们的测试值在误差范围内是正确的
C.输入信号Ui10V,改变Ui2的幅度,测量该加法器的动态范围 硬件电路输出波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度1.29V正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.21V,频率1KHz正弦波,顶部发生失真现象(绿色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为频率1KHz,幅度1.41V正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.53V,频率1KHz正弦波,顶部和底部同时失真(绿色波形)
动态范围2.53V~2.21V
结果分析:在做仿真的时候,当Ui2=2.0V时,波形便发生失真,而在硬件电路的测试中,
Ui2=1.29V便出现顶部失真现象,由于我们电路的实际放大倍数为2.2,而仿真的是2,而且实际电路中导线的压降又不可避免(导线太长),因此,静态工作点会更加偏低,会在较小的输入电压情况下发生失真。
D.输入信号Ui10V,Ui2为正弦波,1V,改变正弦波的频率,从1kHz逐渐增加,步长为
2kHz,测量该加法器的幅频特性
硬件电路测试波形:
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为1KHz的正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.08V,频率为1KHz的正弦波(绿色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为5KHz的正弦波(黄色波形) 输出:U0=2.02V,频率为5KHz的正弦波,开始出现交越失真(绿色波形)
输入:Ui1=0V,Ui2为幅度为1V,频率为39KHz的正弦波(黄色波形)
输出:U0=0.70V,频率为5KHz的正弦波,幅度明显下降(绿色波形)
硬件电路测试数据:
结果分析:硬件电路测试值较仿真测试值曲线不够平滑,电路本身存在干扰,仪器仪表
又具有一定的误差范围,因此相对于仿真,实际电路与理论值会有一定大的误差。
2.2同相加法器
A.输入信号Ui11V,Ui21V,测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试值:
结果分析:硬件电路测试值与仿真电路测试值相比略微渐小,由于硬件电路的运放芯片
LM358工作电压经过导线送入,而导线上有压降,所以工作电压较理论值要小,所以输出会跟随被影响,也会减小。
B.输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号,测试两种输入组合情况下的输出电压
形
硬件电路输出波形:
输入:Ui1=1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(黄色波形)
输出:U0=0.925V,频率1KHz的正弦波,向上偏移1V(绿色波形)
输入:Ui1=1V,Ui2为频率1KHz,幅度1V的正弦波(黄色波形) 输出:U0=-0.934V,频率1KHz的正弦波,向下偏移1V(绿色波形)
结果分析:硬件测试电路与仿真结果较为相似,但是波形不太稳定,在零点几V的范围
内来回跳动,后来在检查电路后发现是由于存在干扰信号,而且示波器工作也不太稳定。
2.3差分放大电路
A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V,测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据:
B.i1i2出电压波形
硬件电路测试波形:
输入:Ui1=0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(黄色波形) 输出:U0=0.2V,频率1KHz正弦波,发生直流偏移,底部发生失真现象(绿色波
形)
输入:Ui1=-0.5V,ui2为频率1KHz,幅度0.5V的正弦波(黄色波形)
输出:U0=1.8V,频率1KHz正弦波,发生直流偏移,顶部发生失真现象(绿色波
形)
结果分析:偏移幅度不够大,由于放大倍数不同,且运放芯片性质决定可以放
大到的最大电压不能达到理论值。
三、小结
这个项目我们小组有以下不足:1.电路排版过于拥挤,导致板子背面焊锡大块出现;2.测试硬件路 仪表使用不够熟练。相对于其他组,我们组有以下优势:1.测试电路任务明确;2.测试值误差小。通过这次实验,对各个仪表又有了一个熟悉的过程,掌握了加法器和差分放大器的基本功能,能利用加法器和差分放大器设计出有一定倍数的正反向放大电路。
四、仪器设备清单
A3组:XXX XX XX XXXX年XX月XX日