1、電子技術基礎實驗范例電子技術基礎實驗范例 模擬電子技術實驗模擬電子技術實驗 哈爾濱工程大學電工電子實驗教學中心哈爾濱工程大學電工電子實驗教學中心 實驗四實驗四 集成運放電路應用及調(diào)測集成運放電路應用及調(diào)測 一、一、實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 二、低通濾波器原理及電路設計過程二、低通濾波器原理及電路設計過程 三、低通濾波器測試步驟和數(shù)據(jù)處理三、低通濾波器測試步驟和數(shù)據(jù)處理 四、實驗驗收四、實驗驗收 實驗實驗4 4采取采取考試考試的形式。的形式。 不用準備預習報告，但可準備不用準備預習報告，但可準備一頁一頁A4A4紙大小的參考資料紙大小的參考資料 （只能手寫）。（只能手寫）。 本次實驗需焊接，必須自帶電烙鐵

2、、本次實驗需焊接，必須自帶電烙鐵、烙鐵架、烙鐵架、萬用表。萬用表。 在閱讀本在閱讀本PPTPPT之前請認真閱讀實驗考試說明和實驗流程。之前請認真閱讀實驗考試說明和實驗流程。 考試內(nèi)容：考試內(nèi)容：有源有源低通濾波電路低通濾波電路 設計與調(diào)試實驗設計與調(diào)試實驗 一、實驗內(nèi)容 實驗須知實驗須知 進離實驗室均須刷卡，按準考證座位號就坐。進離實驗室均須刷卡，按準考證座位號就坐。 要求：拿到要求：拿到題簽及試卷題簽及試卷，根據(jù)題目要求設計，根據(jù)題目要求設計 電路所需元器件并根據(jù)電路所需元器件并根據(jù)元件單元件單領取器件，并領取器件，并 完成濾波電路的焊接和測量調(diào)試過程。完成濾波電路的焊接和測量調(diào)試過程。 實

3、驗室提供元件：實驗室提供元件：LM324,LM324,電阻及電容若干電阻及電容若干 一、實驗內(nèi)容一、實驗內(nèi)容 二、二、低通濾波器原理及電路設計過程低通濾波器原理及電路設計過程 三、低通濾波器測試步驟和數(shù)據(jù)處理三、低通濾波器測試步驟和數(shù)據(jù)處理 四、實驗驗收四、實驗驗收 所需完成設計電路為所需完成設計電路為二階壓控電壓源低通濾波電二階壓控電壓源低通濾波電 路。路。 二階壓控型低通有源濾波器將電容二階壓控型低通有源濾波器將電容C C接到集成運放的輸出端，接到集成運放的輸出端， 形成正反饋。選擇合適的電路參數(shù)有可能改善形成正反饋。選擇合適的電路參數(shù)有可能改善 附近的幅頻附近的幅頻 特性。特性。 0 f

4、 二階壓控電壓源二階壓控電壓源LPFLPF性能指標性能指標 (1) 通帶電壓放大倍數(shù)通帶電壓放大倍數(shù) 1 1 f up R A R 通帶電壓放大倍數(shù)是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)通帶電壓放大倍數(shù)是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù), , LPFLPF通帶電壓放大倍數(shù)是通帶電壓放大倍數(shù)是f=0f=0時時( (即直流時即直流時) )電路的電壓放大電路的電壓放大 倍數(shù)。倍數(shù)。 2 ( ) 1 (3)() up u up A A s AsCRsCR （2）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù) （3）品質(zhì)因數(shù)）品質(zhì)因數(shù)Q 將特征頻率將特征頻率f=f0時的電壓放大倍數(shù)的模與通帶電壓放大倍數(shù)時的電壓放大倍數(shù)的模與通帶電壓放

5、大倍數(shù) 之比稱為之比稱為Q值。值。Q值決定了值決定了f0附近電壓放大倍數(shù)的補償效果。附近電壓放大倍數(shù)的補償效果。 Q值越高，補償?shù)男Ч矫黠@。值越高，補償?shù)男Ч矫黠@。 而而Q值的大小只取決于值的大小只取決于Aup的大小。的大小。 1 3 up Q A 3 up A 出于出于Q值的需要，通常情況下要求值的需要，通常情況下要求 從圖中可以看出，從圖中可以看出， Q值越高，在值越高，在f0處的處的 放大倍數(shù)越大，放大倍數(shù)越大， 補償越大。補償越大。 （4 4）幅頻特性）幅頻特性 2 00 1 1 () up u A A ff j fQ f 對應特征頻率對應特征頻率 0 1 2 f RC 由于是二階

6、低通濾波器，所以在幅頻特性曲線的過渡區(qū)，由于是二階低通濾波器，所以在幅頻特性曲線的過渡區(qū)， 放大倍數(shù)的下降速率為放大倍數(shù)的下降速率為-40dB/10-40dB/10頻程。頻程。 電路參數(shù)的設計過程電路參數(shù)的設計過程 設計一般過程：設計一般過程： 1 1、根據(jù)衰減的要求確定濾波器的、根據(jù)衰減的要求確定濾波器的階數(shù)階數(shù)。 要想獲得好的濾波特性，一般需要較高的階數(shù)。要想獲得好的濾波特性，一般需要較高的階數(shù)。 2 2、根據(jù)題目要求設計電路中元器件的、根據(jù)題目要求設計電路中元器件的具體數(shù)值具體數(shù)值。 設計一低通濾波電路，其截止頻率為設計一低通濾波電路，其截止頻率為3KHz3KHz， Q Q值為值為0.7

7、, 0.7, 處的衰減速率不低于處的衰減速率不低于30dB/1030dB/10頻程。頻程。 0 ff 設計范例一設計范例一 情況一：情況一：Q Q值為值為0.70.7 設計步驟：設計步驟： 1 1、由衰減速率及、由衰減速率及Q Q值確定電路為值確定電路為二階壓控電壓源二階壓控電壓源 低通濾波電路。低通濾波電路。 2 2、確定電路組成形式如下圖。、確定電路組成形式如下圖。 （1）根據(jù)特征頻率）根據(jù)特征頻率f0選取電容選取電容C和電阻和電阻R的值。的值。 電容電容C的大小一般不超過的大小一般不超過1uF，電阻，電阻R取值為取值為K數(shù)量級，數(shù)量級， 本例中設電容本例中設電容C的取值為的取值為0.03

8、3 uF。說明：說明：考試過程中，題簽考試過程中，題簽 中可能會改變電容的選值，需要根據(jù)題簽給定的電容進行設計。中可能會改變電容的選值，需要根據(jù)題簽給定的電容進行設計。 根據(jù)根據(jù)Q值定義，值定義， 時電壓放大倍數(shù)與通帶電壓放大倍數(shù)時電壓放大倍數(shù)與通帶電壓放大倍數(shù) 的比值為的比值為0.7，則截止頻率與特征頻率相同，即，則截止頻率與特征頻率相同，即 。 0 6 11 3 220.033 10 fkHz RCR 0 ff 因此有因此有 1592R 計算得計算得 ，電阻，電阻R取取標稱值標稱值為為1.6 K。 3 3、確定元器件取值、確定元器件取值 0p ff （2 2）根據(jù)值求）根據(jù)值求A Aup

9、up及確定電阻 及確定電阻R R1 1和和R Rf f的值的值 1 11.57 f up R A R 依題意依題意 1 0.7 3 up Q A 則則 又因為集成運放兩輸入端的外接電阻需對稱，可得又因為集成運放兩輸入端的外接電阻需對稱，可得 1 1 11.57 / /2 F F R R RRRRR 解得解得 1 8.81,5.02 F RkRk 考慮標稱值的問題，因此取考慮標稱值的問題，因此取R R1 1=9.1=9.1 K K，R RF F=5.1K=5.1K。 特殊強調(diào)：特殊強調(diào)：在搭建電路的時候，電阻電容必須使用在搭建電路的時候，電阻電容必須使用標稱值。標稱值。 元件表 R19.1k1個

10、 RF5.1k1個 R1.6k2個 C0.033uF2個 運放LM3241個 設計范例二設計范例二 設計一低通濾波電路，其截止頻率設計一低通濾波電路，其截止頻率 為為1KHz,Q 1KHz,Q 值值 為為1.0, 1.0, 處的衰減速率不低于處的衰減速率不低于30dB/1030dB/10頻程。頻程。 0 ff p f 情況二：情況二：Q Q值不為值不為0.70.7 設計過程：設計過程： 1 1、由衰減速率及、由衰減速率及Q Q值確定電路為二階壓控電壓源值確定電路為二階壓控電壓源 低通濾波電路。低通濾波電路。 2 2、確定電路組成形式如下圖。、確定電路組成形式如下圖。 分析：若分析：若Q值不等于

11、值不等于0.7，則需根據(jù)二階壓控電壓源，則需根據(jù)二階壓控電壓源LPF 的頻率特性計算的頻率特性計算f0與與fp之間的關系，計算式如下之間的關系，計算式如下 2 00 1 1 () up u A A ff j fQ f 根據(jù)通帶截止頻率的定義，對應根據(jù)通帶截止頻率的定義，對應f=fp時公式中分母的模時公式中分母的模 為為 ，由此計算得，由此計算得f0與與fp之間的關系之間的關系(對應對應Q取不同值取不同值)。2 fp=1.272f0 fp=1.430f0 fp=1.485f0 Q Q=1.0=1.0 Q Q=1.5=1.5 Q Q=2.0=2.0 3 3、確定元器件取值、確定元器件取值 當然，除

12、了表中的值之外，當然，除了表中的值之外，Q Q還可以取其他的值，所以需要掌握具體的計算方法。還可以取其他的值，所以需要掌握具體的計算方法。 （2）根據(jù)特征頻率）根據(jù)特征頻率f0選取電容選取電容C和電阻和電阻R的值。的值。 電容電容C的大小一般不超過的大小一般不超過1uF，電阻，電阻R取值為取值為K數(shù)量級，數(shù)量級， 設電容設電容C的取值為的取值為0.1uF， 0 6 11 0.786 220.1 10 fkHz RCR 因此有因此有 計算得計算得R=2.02 K ，取標稱值為，取標稱值為2K。 （1）此題中截止頻率為）此題中截止頻率為1KHz，Q值為值為1.0，查表得對應，查表得對應 截止頻率與

13、特征頻率關系為：截止頻率與特征頻率關系為：fp=1.272f0 ，則特征頻率，則特征頻率 為為0.786KHz。 （2）根據(jù)值求）根據(jù)值求Aup及確定電阻及確定電阻R1和和Rf的值的值 1 12 f up R A R 依題意依題意 1 1.0 3 up Q A 則則 又因為集成運放兩輸入端的外接電阻需對稱，可得又因為集成運放兩輸入端的外接電阻需對稱，可得 1 1 12 / /2 F F R R RRRRR 解得解得R1=RF= 8K因此取標稱值因此取標稱值R1=RF=8.2 K。 一、實驗內(nèi)容一、實驗內(nèi)容 二、低通濾波器原理及電路設計過程二、低通濾波器原理及電路設計過程 三、低通濾波器測試步驟

14、和數(shù)據(jù)處理三、低通濾波器測試步驟和數(shù)據(jù)處理 四、實驗驗收四、實驗驗收 ( (一一) )實驗電路板實驗電路板 實驗中采用的電路板與實驗三運放實驗的相同，此處就不再介紹實驗板具體結(jié)構(gòu)了。實驗中采用的電路板與實驗三運放實驗的相同，此處就不再介紹實驗板具體結(jié)構(gòu)了。 （二）低通放大電路焊接舉例（二）低通放大電路焊接舉例 負反饋電阻負反饋電阻R Rf f 輸入信號輸入信號U Ui i 接電阻接電阻R R 1111腳接黑導線腳接黑導線 接電源接電源-12v-12v 4 4腳接紅導線腳接紅導線 接電源接電源+12v+12v 接地接地 信號輸出端信號輸出端 UoUo 正反饋濾波正反饋濾波 電容電容C C 實驗中

15、將不限定考生實驗中將不限定考生 使用哪一個運放。使用哪一個運放。 以以Q=0.7Q=0.7的設計范例一為例搭建測試電路的設計范例一為例搭建測試電路 （三）電路連接測量步驟（三）電路連接測量步驟 注意：如果正負電源加反，注意：如果正負電源加反，LM324LM324將燒壞！將燒壞！ 如果正負電源只加了一個，靜態(tài)不為如果正負電源只加了一個，靜態(tài)不為0 0！ 如果沒有共地，運放不能正常工作！如果沒有共地，運放不能正常工作！ 正負電源是否加對，直接決定實驗能否做出來。正負電源是否加對，直接決定實驗能否做出來。 LM324LM324采用采用 雙電源供電雙電源供電12V 1 1、電源供電、電源供電 A A

16、B B C C A-A-主路主路 正極正極 B-B-地地 C-C-從路從路 正極正極 將三根電源線連接到儀器的各端子。將三根電源線連接到儀器的各端子。 紅線是電源主路的正極，紫線是電源紅線是電源主路的正極，紫線是電源 從路的負極，綠線接公共端。從路的負極，綠線接公共端。 （1）雙電源供電連接方式）雙電源供電連接方式 紅色接線紅色接線 主路正極主路正極 接接4管腳管腳 黑夾子接到黑夾子接到 電路板的電路板的 “地地”，實，實 現(xiàn)現(xiàn)“共地共地” 紫色接線從紫色接線從 路負極接路負極接11 管腳管腳 注意區(qū)分線的顏色！注意區(qū)分線的顏色！ （2 2）通電觀察）通電觀察 接上電源之后，觀察電路是否有異常

17、現(xiàn)象，如集接上電源之后，觀察電路是否有異?，F(xiàn)象，如集 成塊冒煙、發(fā)燙或有異常氣味等，應立即切斷電成塊冒煙、發(fā)燙或有異常氣味等，應立即切斷電 源，檢查電路，排除故障。源，檢查電路，排除故障。 （3 3）驗證雙電源是否正確加到）驗證雙電源是否正確加到LM324LM324中中 選用萬用表直流電壓選用萬用表直流電壓50v50v檔位測量，先將紅表筆接檔位測量，先將紅表筆接4 4 管腳，黑表筆接地，萬用表讀數(shù)應為管腳，黑表筆接地，萬用表讀數(shù)應為12V12V，說明，說明4 4管管 腳對地電位是腳對地電位是+12v+12v。 反過來，紅表筆接地，黑表筆接反過來，紅表筆接地，黑表筆接1111管腳，萬用表讀管腳，

18、萬用表讀 數(shù)為數(shù)為12V12V，說明，說明1111管腳對地電位是管腳對地電位是-12v-12v。 2 2、靜態(tài)工作點、靜態(tài)工作點測量測量測量輸入信號測量輸入信號U Ui i=0=0時的輸出時的輸出U Uo o 為保證為保證Ui=0Ui=0，用導線將輸入端與，用導線將輸入端與“地地”點相連。點相連。 用萬用表測量用萬用表測量 輸出電壓輸出電壓U Uo o ， ， 理論值為理論值為0V0V。 藍色短路藍色短路 線將輸入線將輸入 端接地端接地 如果萬用表測得輸出端電壓如果萬用表測得輸出端電壓+12v+12v，說明，說明1111管腳的負極電管腳的負極電 壓沒有加進去，若為壓沒有加進去，若為-12v-1

19、2v，則是，則是4 4管腳的正壓沒有加進去。管腳的正壓沒有加進去。 如果是其他值，如果是其他值， 有可能是因為輸有可能是因為輸 入端未接地的問入端未接地的問 題或是電路中有題或是電路中有 虛焊點。虛焊點。 濾波器的濾波特性其實就是電路的幅頻特性曲線的測試過程。濾波器的濾波特性其實就是電路的幅頻特性曲線的測試過程。 從題目的要求和幅頻特性曲線圖可以看出，動態(tài)特性需要測從題目的要求和幅頻特性曲線圖可以看出，動態(tài)特性需要測 量量AupAup和放大倍數(shù)和放大倍數(shù)隨頻率變化的效果。隨頻率變化的效果。 3 3、動態(tài)特性、動態(tài)特性-濾波器濾波特性的測量濾波器濾波特性的測量 A A、設計和搭接分壓電路、設計和

20、搭接分壓電路 LPFLPF通帶電壓放大倍數(shù)是通帶電壓放大倍數(shù)是f=0f=0時電路的電壓放大倍數(shù)，因此時電路的電壓放大倍數(shù)，因此 需要測量需要測量f=0f=0時電路的增益，即直流電壓放大倍數(shù)，需時電路的增益，即直流電壓放大倍數(shù)，需另外另外 設計和搭接分壓電路。設計和搭接分壓電路。 采用采用1k1k和和11k11k電阻組成電阻組成分壓分壓電路電路 分分+12V+12V直流電源電壓，從而得到所直流電源電壓，從而得到所 需直流輸入電壓需直流輸入電壓UiUi。電路如右圖所。電路如右圖所 示。示。 注意：注意：理論上該電路分的直流輸入理論上該電路分的直流輸入 電壓電壓UiUi應該為應該為1V1V，但是在連

21、入低通，但是在連入低通 濾波器電路后，電壓值會減小，所濾波器電路后，電壓值會減小，所 以需要用萬用表測得實際電壓后作以需要用萬用表測得實際電壓后作 為輸入為輸入Ui.Ui. （1 1）通帶電壓放大倍數(shù)的測量）通帶電壓放大倍數(shù)的測量 R2 R1 搭建分壓電路，搭建分壓電路， 藍色短路線將藍色短路線將 Vcc引入分壓引入分壓 分壓電路實現(xiàn)分壓電路實現(xiàn) B B、測試通帶電壓放大倍數(shù)、測試通帶電壓放大倍數(shù)A Aupup 輸入端接入直流電壓，用萬用表測量輸出端電壓。輸入端接入直流電壓，用萬用表測量輸出端電壓。 用萬用表測量分壓電路電壓為用萬用表測量分壓電路電壓為 1V1V( (如圖如圖) )，測量輸出電

22、壓值為，測量輸出電壓值為 1.63V1.63V。 計算電路直流電壓放大倍數(shù)為計算電路直流電壓放大倍數(shù)為 1.63 1.63 1 o u i U A U 此即為通帶電壓放大倍數(shù)此即為通帶電壓放大倍數(shù)AupAup。 與理論設計與理論設計AupAup大小基本一致大小基本一致 請自行計算請自行計算AupAup誤差。誤差。 利用信號發(fā)生器提供交流的輸入信號利用信號發(fā)生器提供交流的輸入信號UiUi。輸入正弦波信號，。輸入正弦波信號， 頻率頻率1kHz1kHz，信號幅度是，信號幅度是1V1VP-P P-P。 。 （2 2）交流幅頻特性曲線的測量）交流幅頻特性曲線的測量 幅頻特性曲線是測試電路電壓放大倍數(shù)隨頻

23、率的變化過程，因幅頻特性曲線是測試電路電壓放大倍數(shù)隨頻率的變化過程，因 此需要測量不同輸入信號頻率下對應的電壓放大倍數(shù)。此需要測量不同輸入信號頻率下對應的電壓放大倍數(shù)。 初始頻率的確定初始頻率的確定需要需要 根據(jù)具體設計選題要求根據(jù)具體設計選題要求 來選擇，但是必須要來選擇，但是必須要 小于特征頻率，使信號小于特征頻率，使信號 能在通帶內(nèi)。能在通帶內(nèi)。 另外關于另外關于VppVpp和和VrmsVrms的的 問題，對于正弦波來說，問題，對于正弦波來說， 都可以，但是要保證輸都可以，但是要保證輸 入輸出讀的是相同的參入輸出讀的是相同的參 數(shù)。數(shù)。 在示波器上觀測輸入輸出波形在示波器上觀測輸入輸出波

24、形 輸入端加入正弦信號，用示波器的第輸入端加入正弦信號，用示波器的第1 1路（黃線）顯示輸入路（黃線）顯示輸入 信號，第信號，第2 2路（藍線）顯示輸出信號，通過示波器測量讀數(shù)路（藍線）顯示輸出信號，通過示波器測量讀數(shù) 可以算出可以算出 交流放大倍數(shù)交流放大倍數(shù)AuAu接近理論設計值。接近理論設計值。 o u i 1.68 =1.58 1.06 U A U （3 3） 測量濾波電路幅頻特性測量濾波電路幅頻特性 在交流放大倍數(shù)測量的基礎上，采用在交流放大倍數(shù)測量的基礎上，采用逐點法逐點法測量濾波電路測量濾波電路 幅頻特性。保持輸入信號幅度不變，從低頻幾十幅頻特性。保持輸入信號幅度不變，從低頻幾十

25、HzHz開始，開始， 逐點增大輸入信號頻率，到輸出信號幅度減小到幾乎為零。逐點增大輸入信號頻率，到輸出信號幅度減小到幾乎為零。 并將所測得數(shù)據(jù)記入設計數(shù)據(jù)表格中。并將所測得數(shù)據(jù)記入設計數(shù)據(jù)表格中。 計算數(shù)據(jù)表格中每一頻率點的電壓放大倍數(shù)。計算數(shù)據(jù)表格中每一頻率點的電壓放大倍數(shù)。 f(kHz) Ui Uo Au 頻率點的個數(shù)自行選取，但務必能夠反映電路特性，頻率點的個數(shù)自行選取，但務必能夠反映電路特性， 并能夠計算得到濾波器的并能夠計算得到濾波器的相關參數(shù)相關參數(shù)。 提問：提問： 請再回顧一下有哪些參數(shù)需要計算，才能驗證設請再回顧一下有哪些參數(shù)需要計算，才能驗證設 計是否滿足要求。計是否滿足要求

26、。 測量放大倍數(shù)（或者輸出電壓）降為中頻段的測量放大倍數(shù)（或者輸出電壓）降為中頻段的0.7070.707倍時倍時 對應的頻率點，即為截止頻率。記錄該點輸入輸出電壓。對應的頻率點，即為截止頻率。記錄該點輸入輸出電壓。 （4 4）測量濾波電路截止頻率）測量濾波電路截止頻率 描繪描繪頻率特性曲線頻率特性曲線（對數(shù)幅頻特性）。將測量結(jié)果與題目（對數(shù)幅頻特性）。將測量結(jié)果與題目 要求的通帶電壓放大倍數(shù)要求的通帶電壓放大倍數(shù)AupAup、截止頻率和、截止頻率和Q Q值進行比較，值進行比較， 計算誤差以及衰減速率的大小。計算誤差以及衰減速率的大小。 （5 5）數(shù)據(jù)處理）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)有一組測量計算數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)不

27、全）如表現(xiàn)有一組測量計算數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)不全）如表1 1所所 示：示： f( (k kHz)Hz) 1 12 23 33.23.23.53.54 45 56 68 81010 1.541.411.050.990.880.740.510.370.210.13 使用使用MATLABMATLAB軟件，繪制低通濾波器軟件，繪制低通濾波器對數(shù)幅頻特性曲線對數(shù)幅頻特性曲線如下：如下： 下降衰減速率的計算舉例下降衰減速率的計算舉例 此處為了方便繪圖使用此處為了方便繪圖使用MatlabMatlab軟件，軟件， 該軟件使用不是必須的，但是繪圖該軟件使用不是必須的，但是繪圖 方法必須要會。方法必須要會。 請在課下認真研究請在課下認真研究半對數(shù)坐標。半對數(shù)坐標。( (坐坐 標系橫軸取對數(shù)頻率標系橫軸取對數(shù)頻率) ) 因此，我們?nèi)∏氨碇幸虼耍覀內(nèi)∏氨碇?.2k3.2kHzHz（截止頻率之后的某點）（截止頻率之后的某點）- -6k6kHzHz 這這一段頻率范圍來計算下降斜率。一段頻率范圍來計算下降斜率。 20lg(0.37)20lg(0.99)8.6360.087 31.315 lg(6000)lg(3200)3.7783.505 對數(shù)坐標系中，當頻率對數(shù)坐標系中，當頻率ffp時，時，低通濾波器的低通濾波器的20lgAu-lgf之之 間應呈線性關系