一、实验目的
●掌握集成运算放大器组成的比例、加减法和积分等基本运算电路的功能。
●理解在放大电路中引入负反馈的方法和负反馈对放大电路各项性能指标的影响。
●设计集成运算放大电路组成的各种运算电路。
●学习NI ELVIS虚拟函数发生器的使用方法。
●学习使用NI ELVIS虚拟示波器直接测量电压信号的方法。
二、实验原理
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。当外部接入不同的元器件组成负反馈电路时,可以实现比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算电路。
理想运算放大器是将集成运算放大器的各项技术指标理想化后的理想元器件。理想运算放大器满足下列条件：
(1)开环电压增益：Avd＝∞；
(2)输入阻抗：Ri＝∞；
(3)输出阻抗：Ro＝0；
(4)带宽：fbw＝∞；
(5)失调与漂移均为零等。
理想运算放大器在线性应用时存在两个重要特性：
(1)输出电压Uo与输入电压之间满足关系式：Uo＝Avd(U＋－U－),由于Avd＝∞,而Uo为有限值,因此,U＋－U－≈0。即U＋≈U－,称为“虚短”。
(2)由于Ri＝∞,故流进运算放大器两个输入端的电流可视为零,称为“虚断”。这说明运算放大器对其前级吸取电流较小。
上述两个特性是分析理想运算放大器应用电路的基本原则,可简化运算放大器电路的计算。
本实验采用OP07集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。运算放大器是具有高增益、高输入阻抗,外加反馈网络后,它可实现不同的电路功能。如果反馈网络为线性电路,运算放大器可实现加、减、微分、积分运算；如果反馈网络为非线性电路,则可实现对数、乘法、除法等运算；除此之外还可组成各种波形发生器,如正弦波、三角波、脉冲波发生器等。反向比例运算电路,如图4-30所示,根据理想运算放大器的特性可知,
。
同向比例运算电路,如图4-31所示,根据理想运算放大器的特性可知,Uo＝
。
图4-30 反向比例运算电路示意图
图4-31 同向比例运算电路示意图
减法运算电路,如图4-32所示,根据理想运算放大器的特性可知,Uo＝
。
积分运算电路,如图4-33所示,根据理想运算放大器的特性可知,
。
图4-32 减法运算电路示意图
图4-33 积分运算电路示意图
三、实验设备和器材
●NI ELVISⅡ＋实验平台 1套
●计算机 1台
(安装有NI ELVISmx Instrument Launcher及NI ELVIS驱动软件)
●运算放大器OP07 若干
●电阻3.9 kΩ 2个
●电阻10 kΩ 4个
●电阻100 kΩ 4个
●电容4.7μF/25 V 1个
四、实验内容及步骤
1.反向比例电路
(1)在NI ELVIS原型板上,根据图4-34所示完成实验电路搭建和接线,将端子A、B分别与原型板的GROUND、SUPPLY＋端相连,由NI ELVIS的可变电源为实验电路输入电压信号Ui；运算放大器OP07的引脚7、引脚4分别与原型板的＋15 V,－15 V端相连,由NI ELVIS的＋15 V,－15 V直流电源为其供电。原型板上所搭建实验电路实物如图4-35所示。
图4-34 反向比例实验电路
(2)调节可变电源,使Ui＝400 mV。
(3)将图中OP07引脚6、GROUND端分别与原型板BANANA A和BANANA B端相连,用虚拟数字万用表测量输出电压Uo,将数据填入表4-19。
图4-35 原型板上反向比例电路搭建实物
(4)再次调节可变电源,使Ui分别为＋800 mV,＋1200 mV,重复步骤(3)中电压测量过程,将数据填入表4-19。
表4-19 反向、正向比例电路实验数据
2.同向比例电路
(1)在NI ELVIS原型板上,根据图4-36所示完成实验电路搭建和接线,将端子A、B分别与原型板的SUPPLY＋、GROUND端相连,由NI ELVIS的可变电源为实验电路提供输入电压信号Ui；运算放大器OP07的供电接线与反向比例电路实验相同。原型板上所搭建实验电路实物如图4-37所示。
图4-36 同向比例实验电路
图4-37 原型板上同向比例电路搭建实物
(2)调节可变电源,使Ui分别为＋400 mV,＋800 mV,＋1200 mV,采用与上述反向比例电路实验中完全相同的方法,按照其步骤(2)～(4)测量输出电压Uo,将数据填入表4-19。
3.减法电路
(1)在NI ELVIS原型板上,根据图4-38所示完成实验电路搭建和接线,将端子A、B、C分别与原型板的SUPPLY＋,SUPPLY－,GROUND端相连,由NI ELVIS的可变电源为实验电路提供两路输入电压信号Ui2和Ui1；运算放大器OP07的供电接线与反向比例电路实验相同。原型板上所搭建实验电路实物如图4-39所示。
(2)调节可变电源,使Ui2＝＋5 V,Ui1＝－1 V。(www.xing528.com)
(3)用虚拟数字万用表测量输出电压Uo,记录数据。
(4)验证测量值是否满足
。
图4-38 减法实验电路
4.积分电路
(1)在NI ELVIS原型板上,根据图4-40所示完成实验电路搭建和接线,将端子A、B分别与原型板的GROUND、FGEN端相连,由NI ELVIS的函数发生器为实验电路提供输入信号ui；运算放大器OP07的供电接线与反向比例电路实验相同；将OP07引脚6、端子A分别与原型板的BNC 1＋、BNC 1－端相连,将端子B、A分别与原型板的BNC 2＋、BNC 2－端相连,用虚拟示波器(Scope)分别观测输出、输入信号uo和ui。原型板上所搭建实验电路实物如图4-41所示。
图4-39 原型板上减法电路搭建实物
图4-40 积分实验电路
图4-41 原型板上积分电路搭建实物
(2)调节函数发生器,使ui为频率f＝10 Hz、占空比为50%、幅值Vpp＝10 V的方波信号。
(3)通过虚拟双踪示波器同时观察uo和ui波形,验证积分电路有效性,并记录实验波形。
五、NI ELVIS实验操作
1.可变电源设置
(1)单击“开始”菜单→“所有程序”→“National Instruments”→“NI ELVISmx for NI ELVIS＆NI my DAQ”→“NI ELVISmx Instrument Launcher”,启动虚拟仪器软面板,如图4-4所示。
单击“Variable Power Supplies”,打开图4-42所示可变电源软面板。
图4-42 可变电源软面板
(2)根据图4-42所示设置可变电源的相关参数：
①Supply＋(正电压输出模式)：自动(不勾选“Manual”选项)；
Voltage(电压幅值)：按照实验要求输入。
②Supply－(负电压输出模式)：自动(不勾选“Manual”选项)；
Voltage(电压幅值)：按照实验要求输入(见实验3)。
完成这些选项的配置后,单击下方绿色箭头“Run”按钮,保持可变电源为输出状态。
2.数字万用表直流电压测量
实验操作参照4.2节内容。
3.函数发生器设置
(1)单击“开始”菜单→“所有程序”→“National Instruments”→“NI ELVISmx for NI ELVIS＆NI my DAQ”→“NI ELVISmx Instrument Launcher”,启动虚拟仪器软面板,如前文图4-4所示。
单击“Function Generator”,打开图4-43所示函数发生器软面板。
图4-43 函数发生器软面板
(2)根据图4-43所示设置函数发生器的相关参数：①Waveform Settings(波形设置)：Square；
②Frequency(频率)：10 Hz；
③Amplitude(峰值)：10Vpp。
完成这些选项的配置后,单击下方绿色箭头“Run”按钮,保持当前状态为输出状态。
4.虚拟示波器设置
(1)NI ELVIS平台接口连线
在原型板上分别完成上述各项实验电路所有连线后,在NI ELVIS工作台和原型板之间完成以下接口连线：
●工作台SCOPE CH0 BNC→原型板BNC1
●工作台SCOPE CH1 BNC→原型板BNC2
(2)单击“开始”菜单→“所有程序”→“National Instruments”→“NI ELVISmx for NI ELVIS＆NI my DAQ”→“NI ELVISmx Instrument Launcher”,启动虚拟仪器软面板,如图4-4所示。
单击“Oscilloscope”,打开图4-44所示虚拟示波器软面板。
(3)根据图4-44所示设置虚拟示波器的相关参数：
①Channal 0 Source(信号源)：SCOPE CH0,
图4-44 虚拟示波器软面板
Channal 0 Enabled(复选框)：勾选；
②Channal 1 Source(信号源)：SCOPE CH1,
Channal 1 Enabled(复选框)：勾选；
③Channal 0 Scale VoltsDiv：适当设置使波形能完全呈现；
④Channal 1 Scale VoltsDiv：适当设置使波形能完全呈现；
⑤Timebase Time/Div：适当调节使波形能够清晰显示；
⑥Display Measurements：CH0复选框-勾选,
CH1复选框-勾选。
完成这些选项的配置后,单击下方绿色箭头“Run”按钮,在虚拟示波器上观察输入和输出信号波形。
六、实验思考与拓展
(1)集成运算放大器电路能放大直流信号吗?为什么?
(2)理想运算放大器有哪些特点?
(3)设计一个级联运算电路,使其同时具备加法运算和同相比例放大的功能,先进行加法运算,后进行同相比例放大。
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