集成运放基础应用：模拟运算电路实验

一、实验目的

① 掌握运算放大器的正确使用方法。

② 熟悉运算放大器线性应用电路的运算关系及其测试方法。

③ 研究运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

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，当外接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、减法等模拟运算电路。

（1）反相比例运算电路

电路如图1.14.1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

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R2=R1∥Rf。

（2）反相加法器

电路如图1.14.2所示，输出电压与输入电压之间的关系为

图1.14.1 反相比例运算电路

图1.14.2 反相加法运算电路

（3）同相比例运算电路

图1.14.3（a）所示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

当R1→∞时，uo=ui，即得到如图1.14.3（b）所示的电压跟随器。图中R2=Rf，用以减小漂移和起保护作用。一般Rf取10 kΩ，Rf太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。

图1.14.3 同相比例运算电路

图1.14.4 减法运算电路

（4）差动放大电路（减法器）

对于图1.14.4所示减法运算电路，当R1=R2，R3=Rf时，有如下关系：

（5）积分运算电路

反相积分电路如图1.14.5所示。在理想的条件下，输出电压uo为

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ui(t)是幅值为E的阶跃电压，并设u C(0)=0，则

即输出电压uo(t)随时间增长而呈线性下降。显然RC的数值越大，达到给定的uo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制。

在进行积分运算之前，首先应对运放调零。为了便于调节，将图中S1闭合，即通过电阻R2的负反馈作用帮助实现调零。但在完成调零后，应将S1打开，以免因R2的接入造成积分误差。S2的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可实现积分电容初始电压u C(0)=0；另一方面，可控制积分起点，即在加入信号ui后，只要S2一打开，电容就被恒流充电，电路也就开始积分运算。

三、实验设备与器件

±12 V直流电源；函数信号发生器；交流毫伏表；直流电压表；集成运算放大器μA741×1，电阻、电容若干。

四、实验内容

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

① 按图1.14.1迮接实验电路，接通±12 V电源。

图1.14.5 积分运算电路

图1.14.6 简易可调直流信号源(www.xing528.com)

② 输入f=100 Hz，ui=40～50 mV的正弦交流信号，测量相应的uo，并用示波器观察uo和ui的相位关系，记入表1.14.1中。

表1.14.1 反相比例测试数据

2．同相比例运算电路

① 按图1.14.3（a）连接实验电路。实验步骤同上，将结果记入表1.14.2中。

② 将图1.14.3（a）中的R1断开，得图1.14.3（b）电路，重复内容①。

3．反相加法运算电路

① 按图1.14.2连接实验电路。

表1.14.2 同相比例测试数据

② 输入信号采用直流信号，图1.14.6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中运放工作在线性区。用直流电压表测量输入电压Ui1，Ui2及输出电压Uo，记入表1.14.3中。

表1.14.3 反相加法运算测试数据

4．减法运算电路

① 按图1.14.4连接实验电路。

② 采用直流输入信号，实验步骤同内容3，测试数据记入表1.14.4中。

1.14.4 减法运算测试数据

5．积分运算电路

按图1.14.5连接实验电路。

① 打开S2，闭合S1。

② 再打开S1，闭合S2，使u C(0)=0。

③ 先调好直流输入电压Ui=0.5 V，接入实验电路，再打开S2，然后用直流电压表测量输出电压Uo，每隔5秒读一次Uo，记入表1.14.5中，直到Uo不继续明显增大为止。

表1.14.5 积分运算测试数据

五、预习要求

① 复习集成运放线性应用部分内容，并根据实验电路参数计算各电路输出电压的理论值。

② 在反相加法器中，如Ui1和Ui2均采用直流信号，并选定Ui2=-1 V，当考虑运算放大器 的最大输出幅度（±12 V）时，Ui1不应超过多少？

③ 在积分电路中，如R1=100 kΩ，C = 4.7 μF，求时间常数。假设Ui= 0.5 V，要使输出电压Uo达到5 V，需多长时间（设u C(0)=0）?

④ 为了不损坏集成块，实验中应注意什么问题？

六、思考题

① 在比例、加法运算中，其输出电压Uo为什么与理论计算值有一定误差？如何减少这些误差？

② 在比例运算中，当Ui达到一定数值后，Uo不再按线性关系增大，这是何种原因造成的？与元件的哪项技术指标参数有关？

七、实验报告要求

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问题。