西北工業(yè)大學模擬電子技術基礎實驗報告.doc

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模擬電子技術基礎實驗 實驗報告 一、共射放大電路 1.實驗目的 (1)掌握用Multisim 13仿真軟件分析單極放大電路主要性能指標的方法。 (2)熟悉常用電子儀器的使用方法，熟悉基本電子元器件的作用。 (3)學會并熟悉“先靜態(tài)后動態(tài)”的電子線路的基本調試方法。 (4)分析靜態(tài)工作點對放大器性能的影響，學會調試放大器的靜態(tài)工作點。 (5)掌握放大器電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及最大不失真輸出電壓的測試方法。 (6)測量放大電路的頻率特性。 2.實驗內容 (1)電路仿真 1.1 靜態(tài)工作點選擇 ①根據XSC1的顯示，按如下方法進行操作： 現(xiàn)象 出現(xiàn)截止失真 出現(xiàn)飽和失真 操作 減小R7 增大R7 ②當滑動變阻器R7設置為11%時，有最大不失真電壓。 1.2 靜態(tài)工作點測量 ①將交流電源置零，用萬用表測量靜態(tài)工作點。 理論估算值 實際測量值 3.98V 6.03V 3.28V 2.75V 2.98mA 3.904V 6.253V 3.186V 3.067V 2.873mA 1.3 電壓放大倍數(shù)測量 ①加入1kHz，100mV正弦波信號。測量= ∞ 時輸入輸出電壓有效值大小。 ② 測量= 2kΩ時輸入輸出電壓有效值大小。 1.4輸入輸出電阻測量 ①輸入電阻測量。 根據可計算得到輸入電阻。 ②輸出電阻測量。 根據可得到輸出電阻。 1.5動態(tài)參數(shù)結果匯總 實際測量值 參數(shù) 開路 70.707mV 1.277V 18.06 2.769kΩ =2kΩ 70.707mV 640.333mV 9.056 2.769kΩ 2.065kΩ (2)實驗室實測 2.1 靜態(tài)工作點實測 理論估算值 實際測量值 3.98V 6.03V 3.28V 2.75V 2.98mA 3.86V 6.24V 3.18V 3.06V 2.87mA 2.2 動態(tài)參數(shù)實測 實際測量值 參數(shù) 開路 70.7mV 1.1V 15.56 2.468kΩ =2kΩ 70.7mV 620.5mV 8.776 2.468kΩ 2.432kΩ 3.總結與討論 (1)共射組態(tài)放大器會使輸入輸出電壓反相。 (2)會影響輸出電阻、放大倍數(shù)。 二、集成運算放大器 1.實驗目的 (1)加深對集成運算放大器的基本應用電路和性能參數(shù)的理解。 (2)了解集成運算放大器的特點，掌握集成運算放大器的正確使用方法和基本應用電路。 (3) 掌握由運算放大器組成的比例、加法、減法、積分和微分等基本運算電路的功能。 (4)進一步熟悉仿真軟件的使用。 2.實驗內容 (1)電路仿真 集成運放是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合器件。當外部接入有不同的線性或非線性元器件組成的輸入負反饋電路時，可以靈活的實現(xiàn)各種函數(shù)關系 ，在線性應用方面，可組成加法、減法、比例。積分、微分、對數(shù)等模擬運算電路。 在大多數(shù)情況下，將運放視為理想的，即在一般討論中，以下三條基本結論是普遍使用的： ①開環(huán)電壓增益 ②運放的兩個輸入端電壓近似相等，即，稱為“虛短”。 ③運放的同相和反相兩個輸入端的電流可視為零，即，稱為“虛斷”。 應用理想運放的三條基本原則，可簡化運放電路計算，得出本次實驗結論。 1.1反相比例電路 顯然，輸入電壓與輸出電壓反相，且滿足 1.2同相比例電路 顯然，輸入電壓與輸出電壓同相，且滿足 1.3同相加法電路 顯然，輸入電壓與輸出電壓同相，且滿足如下關系式： 1.4反相加法電路 考核內容：搭建電路一滿足關系 顯然，輸入電壓與輸出電壓反相，且滿足如下關系式： 1.5減法電路 1.6反相積分電路 顯然，輸入電壓與輸出電壓反相，且滿足如下關系式： (2) 實驗室實測 3.總結與討論 (1)誤差分析：本次試驗結果接近理論值，誤差很小，主要由于仿真計算和電阻的誤差所致，可以較好地完成實驗。 (2)接線時注意集成塊的針腳位置與方向，注意電流大小，防止燒壞運放。 三、RC正弦波振蕩器 1.實驗目的 (1)學習RC正弦波振蕩器的組成及其振蕩條件和原理。 (2)學會使用、調試振蕩器。 2.實驗內容 (1)電路仿真 考核內容：搭建一RC振蕩電路。 RC橋式振蕩電路是一種較好的正弦波產生電路，適用于產生頻率小于1MHz，頻率范圍寬，波形較好的低頻振蕩信號。 因為沒有輸入信號，為了產生正弦波，必須在電路里加入正反饋。下圖是用運算放大器組成的電路，圖中,構成負反饋支路，，，，的串并聯(lián)選頻網絡構成正反饋支路并兼作選頻網絡，二極管構成穩(wěn)幅電路。調節(jié)電位器可以改變負反饋的深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。二極管，要求溫度穩(wěn)定性好且特性匹配，這樣才能保證輸出波形正負半周對稱，同時接入以消除二極管的非線性影響。 電路起振后，由于元件參數(shù)的不穩(wěn)定性，如果電路增益增大，輸出幅度將越來越大，最后由于二極管的非線性限幅，這必然產生非線性失真。反之，如果增益不足，則輸出幅度減小，可能停振，為此振蕩電路要有一個穩(wěn)幅電路。圖中兩個二極管主要是利用二極管的正向電阻隨所加電壓而改變的特性，來自動調節(jié)負反饋深度。 可見，產生了相當穩(wěn)定的正弦波信號。 (2) 實驗室實測 調整示波器到有正弦輸出 3.總結與討論 可以通過調節(jié)滑動變阻器來控制振蕩器的起振與輸出正弦波的幅度。 四、方波發(fā)生器 1、實驗目的 1.了解電壓比較器的工作原理并熟悉遲滯比較器的原理和功能。 2.學習用集成運算放大器組成矩形波發(fā)生器方法。 2.實驗內容 輸出高電平時間： 輸出低電平時間： 振蕩頻率： 占空比： 可見調節(jié)電位器改變的大小，即可調節(jié)輸出脈沖的寬度。 (1)電路仿真 考核內容：搭建一方波發(fā)生器電路。 顯然，產生了占空比可調的方波信號。 (2) 實驗室實測 五、多級負反饋放大電路 1、實驗目的 1.掌握Multisim 13仿真研究多級負反饋放大電路。 2.學習集成運算放大器的應用，掌握多級集成運放電路的工作特點。 3.研究負反饋對放大器性能的影響，掌握負反饋放大器的性能工作指標的測試方法。 4.測試開閉環(huán)的電壓放大倍數(shù)，輸入電阻，輸出電阻，反饋網絡的電壓反饋系數(shù)和通頻帶。 5.比較電壓放大倍數(shù)在開閉環(huán)的差別。 6.觀察負反饋對非線性失真的改善作用。 2、實驗內容 在電子電路中，將輸出量（輸出電壓或輸出電流）的一部分或全部通過一定的電路形式作用到輸入回路，用來影響其輸入量（放大電路的輸入電壓或輸入電流）的措施稱為反饋。 若反饋的結果使凈輸入量減小，則稱之為負反饋；反之，稱之為正反饋。若反饋存在于直流通路，則稱為直流反饋；若反饋存在于交流通路，則稱為交流反饋。 交流負反饋有四種組態(tài)：電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋。若反饋量取自輸出電壓，則稱之為電壓反饋；若反饋量取自輸出電流，則稱之為電流反饋。 輸入量、反饋量和凈輸入量以電壓形式相疊加，稱為串聯(lián)反饋；以電流形式相疊加，稱為并聯(lián)反饋。 (1)電路仿真 1.1 測試電路的開環(huán)基本特性 ①調節(jié)J1，使開關A端與B端相連。 ②將信號發(fā)生器輸出調為1kHz、20mV（峰峰值）正弦波，然后接入放大器的輸入端到網絡的波特圖儀。 ③保持輸入信號不變，用示波器觀察輸入和輸出的波形。 ④接入負載RL，用示波器分別測出Vi、VN、Vf、Vo。 ⑤將負載RL開路，保持輸入電壓Vi的大小不變，用示波器測出輸出電壓Vo’。 1.2 測試電路的閉環(huán)基本特性 ①調節(jié)J1，使開關A端與P端相連。 ②將信號發(fā)生器輸入調為1kHz、20mV（峰峰值）正弦波，接入放大器的輸入端，得到網絡的波特圖。 ③接入負載RL，逐漸增大輸入信號Vi，使輸入電壓Vo達到開環(huán)時的測量值，然后用示波器分別測出Vi、VN和Vf的值。 ④將負載RL開路，保持輸入電壓Vi的大小不變，用示波器分別測出Vo’的值。 ⑤閉環(huán)式放大器的頻率特性測試同開環(huán)時的測試。 Vi/mV VN/mV Vf/mV V’0/V V0/V A’v Av Ri/Ω RO/Ω FV Fl/Hz Fh/kHz 開環(huán)測試 9.993 0.871 21.087 1.990 1.648 199.1 164.9 11K 975 0.012 1.525 41.246 理論計算 ------- ------ ------ ----- ----- 58.7 55.3 32.7K 287 ------ 0.512 122.86 閉環(huán)測試 33.487 21.700 22.460 1.749 1.655 52.2 49.4 28.4K 267 0.013 0.549 151.18 開環(huán)通頻帶BW=41.25kHz2，閉環(huán)通頻帶理論值BWF=122.86kHz，閉環(huán)通頻帶實際測量BW=151.18kHz 3.總結與討論 (1)引入負反饋明顯展寬了通頻帶，但降低了放大倍數(shù)。 (2)引入電壓串聯(lián)負反饋增大了輸入電阻，減小了輸出電阻。 六、有源濾波器 1、實驗目的 (1)熟悉RC有源濾波器的設計方法。 (2)掌握濾波器上下限頻率的測試方法，了解濾波器在實際中的應用。 2、實驗內容 由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定范圍內的頻率通過，抑制或者急劇衰減頻率范圍以外的信號。因受到運算放大器帶寬的限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍。根據頻率范圍可分為低通、高通、帶通和帶阻四種濾波器。 (1)電路仿真 1.1低通濾波器 =1.00v時的仿真數(shù)據 輸入頻率/Hz 100 150 200 250 300 400 600 800 1000 Vo/v 1.58 1.57 1.55 1.55 1.51 1.31 0.92 0.57 0.38 Av 1.58 1.57 1.55 1.55 1.51 1.31 0.92 0.57 0.38 Av/dB 3.929 3.895 3.803 3.799 3.584 2.341 -0.801 -4.884 -8.468 1.2高通濾波器 顯然，只有高頻信號才有較大增益。 1.3帶通濾波器 顯然，只有特定頻率信號才有增益。 1.4帶阻濾波器 顯然，只有一小段特定頻率段的信號增益極小，無法通過。 (2) 實驗室實測 1.1低通濾波器 =1.00v時的實測數(shù)據 輸入頻率/Hz 100 150 200 250 300 400 600 800 1000 Vo/v 1.68 1.70 1.70 1.68 1.68 1.54 1.05 0.69 0.475 Av 1.68 1.70 1.70 1.68 1.68 1.4 1.05 0.69 0.475 Av/dB 4.51 4.61 4.61 4.51 4.51 2.92 0.42 -3.223 -6.47 3.總結與討論 七、用運算放大器組成萬用表的設計 1.實驗目的 (1)綜合利用所學知識，根據設計要求設計由運算放大器、二極管整流電路及電流表組成的萬用表電路圖，搭出實際電路并組裝調試，提高實驗綜合能力和實際動手能力。 (2)熟悉萬用表各常見功能的測試電路原理和方法。 (3)進一步體會運算放大器的應用，了解其優(yōu)勢。 2.設計指標與要求 ①直流電壓表 滿量程 +30V ②直流電流表 滿量程 50mA ③交流電壓表 滿量程 30V,50Hz~1KHz ④交流電流表 滿量程 50mA ⑤歐姆表 滿量程分別為 1kΩ，10kΩ，100kΩ 3.基本原理 1.1 運算放大器的工作原理 運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端，如圖1所示，其中標有“+”號的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端)，另一只標有“一”號的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負端，如果先后分別從這兩個輸入端輸入同樣的信號，則在輸出端會得到電壓相同但極性相反的輸出信號：輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相，而與反相輸入端的信號反相。 圖1 運算放大器的電路符號 運算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的。運算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應用這些特性可以獲得很多獨特的用途，總的來說，這些特性可以綜合為兩條： ①運算放大器的放大倍數(shù)為無窮大。 ②運算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。 首先，運算放大器的放大倍數(shù)為無窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會有與正的或負的電源一樣高的輸出電壓本來應該是無窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準確地說，如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高，哪怕只高極小的一點，運算放大器的輸出端就會輸出一個與正電源電壓相同的電壓；反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運算放大器的輸出端就會輸出一個與負電源電壓相同的電壓(如果運算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零)。 其次，由于放大倍數(shù)為無窮大，所以不能將運算放大器直接用來做放大器用，必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端(稱為負反饋)來降低它的放大倍數(shù)。如圖2中左圖所示，的作用就是將輸出的信號返回到運算放大器的反相輸入端，由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的，所以會減小電路的放大倍數(shù)，是一個負反饋電路，電阻也叫做負反饋電阻。 圖2 運算放大器的反饋電阻接法 還有，由于運算放大器的輸入電阻為無窮大，所以運算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣，如果我們想象在運算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無窮大的電阻，那么加在這個電阻兩端的電壓是不能形成電流的，沒有電流，根據歐姆定律，電阻兩端就不會有電壓，所以我們又可以認為在運算放大器的兩個輸人端電壓是相同的。 1.2運算放大器調零電路原理 由于集成運放的輸入失調電壓和輸入失調電流的影響，當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度,要求對失調電壓和失調電流造成的誤差進行補償，這就是運算放大器的調零?！罢{零”技術是使用運放時必須掌握的。特別是在作直流放大器用時，由于輸入失調電壓和失調電流的影響，當運放的輸入為零時，輸出不為零，將影響運算放大器的精度，嚴重時使運算放大器不能正常工作。調零的原理是，在運放的輸入端外加一個補償電壓，以抵消運放本身的失調電壓，達到調零的目的。有些運放已經引出調零端，只需要按照器件的規(guī)定，接入調零電路進行調零即可，例如本實驗所用到的HA17741。 下面以HA17741為例，圖1給出了常用外部調零電路。它的調零電路由-12V電源、50kΩ的電阻和調零電位器組成。調零時應將電路接成閉環(huán)，將兩個輸入端接“地”，調節(jié)調零電位器，使輸出電壓為零。 圖1 調零電路 1.3萬用表工作原理及參考電路 ①直流電壓表 圖1為同相端輸入，高精度直流電壓表電原理圖。 圖1 直流電壓表 表頭電流I與被測電壓Ui的關系為: 應當指出：圖1適用于測量電路與運算放大器共地的有關電路。此外，當被測電壓較高時，在運放的輸入端應設置衰減器。 ②直流電流表 圖2是浮地直流電流表的電原理圖。在電流測量中，浮地電流的測量是普遍存在的，例如：若被測電流無接地點，就屬于這種情況。為此，應把運算放大器的電源也對地浮動，按此種方式構成的電流表就可象常規(guī)電流表那樣，串聯(lián)在任何電流通路中測量電流。 表頭電流I與被測電流I1間關系為: 可見，改變電阻比（R1／R2），可調節(jié)流過電流表的電流，以提高靈敏度。如果被測電流較大時，應給電流表表頭并聯(lián)分流電阻。 圖2 直流電流表 ③交流電壓表 由運算放大器、 二極管整流橋和直流毫安表組成的交流電壓表如圖3所示。被測交流電壓Ui加到運算放大器的同相端，故有很高的輸入阻抗，又因為負反饋能減小反饋回路中的非線性影響，故把二極管橋路和表頭置于運算放大器的反饋回路中，以減小二極管本身非線性的影響。 圖3 交流電壓表 表頭電流I與被測電壓Ui的關系為 電流I全部流過橋路，其值僅與Ui／R1有關， 與橋路和表頭參數(shù)（如二極管的死區(qū)等非線性參數(shù)）無關。表頭中電流與被測電壓ui的全波整流平均值成正比，若ui為正弦波，則表頭可按有效值來刻度。被測電壓的上限頻率決定于運算放大器的頻帶和上升速率。 ④交流電流表 圖4為浮地交流電流表，表頭讀數(shù)由被測交流電流i的全波整流平均值I1AV決定，即 圖4 交流電流表 如果被測電流I1為正弦電流，即，則上式可寫為： 則表頭可按有效值來刻度。 ⑤歐姆表 圖5為多量程的歐姆表。 圖5 歐姆表 在此電路中，運算放大器改用單電源供電，被測電阻RX跨接在運算放大器的反饋回路中，同相端加基準電壓UREF。 ∵ UP＝UN＝UREF I1＝IX 即 流經表頭的電流： 由上兩式消去(UO－UREF) 可得： 可見，電流I與被測電阻成正比，而且表頭具有線性刻度，改變R1值，可改變歐姆表的量程。這種歐姆表能自動調零，當RX＝0時，電路變成電壓跟隨器，UO＝UREF，故表頭電流為零，從而實現(xiàn)了自動調零。 二極管D起保護電表的作用，如果沒有D，當RX超量程時，特別是當RX→∞，運算放大器的輸出電壓將接近電源電壓，使表頭過載。有了D 就可使輸出鉗位，防止表頭過載。調整R2，可實現(xiàn)滿量程調節(jié)。 1.4總電路圖 如圖，為設計的總電路圖。 電路說明：黑框以外部位是萬用表的內部結構，黑框以內是四種可能的待測元件。四種 功能的切換是以開關S1、S3、S4、S6的控制完成的，其中在圖示初始狀態(tài)下，開關S1賦予控制鍵A，其余三個的控制鍵是B，這就能有四種組合方式，從而達到四種電表的測量功能。 A B 電表類型 1 0 直流電流 0 1 交流電壓 1 1 直流電壓 0 0 交流電流 其中1表示對應鍵在初始態(tài)下按下，0表示初態(tài)。 黑框中以類似的方式快速切換，便于仿真的進行。 4.測試 1.1直流電流的測量結果(A=1,B=0) 測量電流是根據歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測電流轉化為相應的待測電壓，再進行測量。 測量電壓 絕對誤差 相對誤差 輸入 電流 4mA 3.9992mA 0.0008mA 0.020% 6mA 5.9992mA 0.0008mA 0.013% 8mA 7.9992mA 0.0008mA 0.010% 電阻 R1 30V/60mA=0.5KΩ R2 2.5KΩ 電表選用量程 0 —— 60 mA 1.2交流電流的測量結果(A=0,B=0) 測量電壓 絕對誤差 相對誤差 輸入 電流 4.235mA 0.235mA 5.875% 6.357mA 0.357mA 5.950% 8.475mA 0.475mA 5.935% 電阻 R1 30V/60mA=0.5KΩ R2 2.5KΩ 電表選用量程 0 —— 60 mA 1.3直流電壓的測量結果(A=1,B=1) 測量電壓 絕對誤差 相對誤差 輸入 電壓 6V 6.0025V 0.0025V 0.042% 8V 8.0015V 0.0015V 0.019% 10V 10.003V 0.003V 0.03% 電阻 R1 30V/60mA=0.5KΩ 電表選用量程 0 —— 60 mA 1.4交流電壓的測量結果(A=0,B=1) 測量電壓 絕對誤差 相對誤差 輸入 電壓 5.040V 0.599V 9.98% 7.2015V 0.7985V 9.98% 9.0020V 0.9980V 9.98% 電阻 R1 30V/60mA=0.5KΩ 電表選用量程 0 —— 60 mA 1.5歐姆表的測量結果 測量電壓 絕對誤差 相對誤差 輸入 電阻 600Ω 601.8Ω 1.8Ω 0.31% 9KΩ 9.02KΩ 0.02KΩ 0.22% 80KΩ 80.35KΩ 0.35KΩ 0.44% 電阻 R1 1KΩ R2 2.9KΩ 電表選用量程 0 —— 1mA（忽略了Rm的影響） 5.總結及經驗體會 作為一名學生，我想學習的目的不在于通過結業(yè)考試，而是為了獲取知識，獲取工作技能。換句話說，在學校學習是為了能夠適應 社會的需要，通過學習保證能夠完成將來的工作，為社會作出貢獻。然而步出象牙塔步入社會是有很大落差的，能夠以進入公司實習來作為緩沖，對我而言是一件幸事，通過實習工作了解到工作的實際需要，使得學習的目的性更明確，得到的效果也相應的更好通過對萬用表電路的設計，我深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。對此課程的設計，我不但深入學習了理論知識，最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學以致用的真諦，也明白老師為什么要求我們做好這個課程設計的原因。他是為了教會我們如何運用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。在整個設計到電路的焊接以及調試過程中，我個人感覺調試部分是最難的，因為你理論計算的值在實際當中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達到最好。而參數(shù)的調試是一個經驗的積累過程，沒有經驗是不可能在短時間內將其完成的。