减法运算电路设计[指南]

减法运算电路设计[指南]

减法运算电路设计

一、实验目的

1、了解运算放大器在信号放大和模拟运算方面的应用。

2、掌握运算放大器的正确使用方法。

3、掌握基本放大电路的设计方法。

4、了解如何设计用两个集成运算放大器来设计加法器。二、实验仪器

示波器、信号源、+12V和-12V的直流稳压电源、万用表。

三、实验器件

HA17741运放、电阻、导线。

四、实验原理

集成运算放大器是高增益的直流放大器，在它的输入端和输出端之间加上不同的反馈网络，就可以实现各种不同的电路功能。可实现放大功能及加、减、微分、积分、对数、乘、除等模拟运算功能及其他非线性功能;将正、负两种反馈网络相结合，还可以产生各种模拟信号的功能。

本实验着重以输入和输出之间施加线性负反馈网络后所具有的运算功能进行研究。理想运放在线性运用时具有以下重要性:

1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零，即I+=I-=0。

2..理想运放在线性放大时，两输入端电压近似相等，即U+=U-

在电路中我采用了如下图所示，两个运放电路，第一个是反向比例运放，第二个是加法电路，通过反向比例运放电压从U+变为U-，在通过加法电路进行叠加就构成了减法电路了。

减法电路的电压运算的推导:

根据理想运放的同相和反相输入端电流近似为零，即I+=I-=0和理想运放在线性放大时，两输入端电压近似相等，即U+=U-可得

U+=U-

I+=I-=0

U1—U-/R= U—U0/Rf

第一个运放Uo1=-(Rf/R1*Ui1+Rf/R2*Ui2)，

第二个运放Uo=-(Rf/R1*Ui1+Rf/R2(-Ui2))=Rf/R2*Ui2-Rf/R1*Ui1

其中R1=R2=Rf=30K

五、实验电路图

V40

2 Vrms V660 Hz 12 V 0? R5R693R3V2XSC130kΩ30kΩ12 V

1120kΩG7TABCDU1U2R15R2220kΩ1030kΩV3

OPAMP_5T_VIRTUALOPAMP_5T_VIRTUALXMM163 Vrms 1860 Hz 12V10? R412 V 410kΩV5R712 V 010kΩ0

六、实验内容及步骤

用运算放大器HA17741完成本次实验的设计题目——减法器。HA17741的工作电压为+12V、-12V。

设计的加法器电路如图所示，其中取电阻R=20K R1=R2=Rf=30K R0=10K可得U0=Ui2-Ui1

分别输入交流和交流信号、交流和直流信号、直流和直流信号，验证输出和输入是否满足关系U0=Ui2-Ui1，还有就是每种输入信号时输入较大的信号观察波形是否失真，失真时是否满足关系式U0=Ui2-Ui1。

应当注意的是:输入两个交流信号频率相同(使用滑动变阻器分压原理可以得到两个同频率信号)。

步骤:1.设计好本次试验所需的电路图;

2.检查电路是否连通，并在Multism软件上仿真出来观察其波形变化;

3.在试验箱上验证仿真的正确性，并记录下原始数据;

4.在未失真时测量三种信号的输入和输出，并记录数据(要求每种信

号各测量10组数据)。

七、实验数据记录及处理

交流-交流

交Ui2 0.5v 0.43v 0.35v 265mv 0.34v 225mv 205mv 250mv 295mv 0.34v 流交Ui1 0.42v 0.37v 0.3v 228mv 0.3v 192mv 174mv 215mv 250mv 290mv 流交Uo(v) 76mv 67mv 54mv 40mv 52mv 34mv 31mv 38mv 45mv 52mv 流

理U o’(v) 80mv 60mv 50mv 37mv 40mv 33mv 31mv 35mv 45mv 50mv 论

值

绝|Uo-Uo’| 4mv 7mv 4mv 3mv 12mv 1mv 0mv 0mv 0mv 2mv 对

误

差

相|Uo-Uo’|/Uo’ 0.05 0.117 0.08 0.081 0.3 0.303 0 0 0 0.04 对

误

差

交流-直流

交流 Ui2(v) 3.0 4.0 4.5 5.0 6.5

直流 Ui1v) 2.0 2.0 3 2.0 2.0

交直流 Uo 1.01 2.03 1.508 3.06 4.66

理论值Uo’ 1.0 2.0 1.5 3.0 4.5

绝对误差 |Uo-Uo’| 0.01 0.03 0.08 0.06 0.16

相对误差 |Uo-Uo’|/Uo’ 0.01 0.015 0.053 0.02 0.036

直流-直流

直Ui2(v) 2.0 3.0 4.002 4.002 4.0 4.998 5.0 5.0 2.998 2.998 流

直Ui1(v) 0.998 1.0 1.003 2.0 3.0 3.0 3.998 5.0 5.0 4.001 流

直Uo(v) 1.007 2.001 3.0 2.008 1.011 2.007 1.017 0.023 -1.978 0.985 流

理Uo’(v) 1.002 2.0 2.999 2.002 1.0 1.998 1.002 0 -2.002 -1.003 论值

绝|Uo-Uo’| 0.005 0.001 0.001 0.006 0.011 0.009 0.015 0.023 0.024 0.018 对

误

差

相|Uo-Uo’|/Uo’ 0.005 0.0005 0.0003 0.0029 0.011 0.0045 0.0149 0 0.0119 0.0179 对

误

差

八、实验误差分析

在对运算电路进行分析时，均认为集成运放为理想运放。然而在实际上，利用运放构成运算电路时，由于开环差模增益Aod、差模输入电阻rid和共模抑制

比KCMR的存在，以及输入失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂

d(UIO)/d(T)、d(IIO)/d(T)均不为零，必然造成误差。对于反向比例运算电路，开

环差模增益Aod和差模输入电阻rid愈大，相对误差的数值愈小;对于同相比例

运算电路，开环差模增益Aod和共模抑制比KCMR愈大，相对误差的数值愈小;

在集成运放同相输入端和反向输出端外接电阻相同情况下，失调温漂愈小，输出

电压愈大(不失真情况)，相对误差的数值愈小。当然在测量数据时，由于元件和仪器本身也存在一定的误差，读数还存在偶然误差;导致最终结果存在一定的

不可避免的误差。

九、实验总结

在做这个实验之前，我首先遇到的问题是如何来设计电路图，在模电课上老师给我们讲了可以用两个集成运放来设计加法、减法、比例等运算电路，但是真

正当你自己来设计的时候往往不知道如何下手，于是我仔细的研读了课文中关于

加法和减法器的原理和特性，并在同学的帮助之下设计出来了电路图。然后就是

在电脑上面进行仿真，仿真的时候突然发现出来的图形跟自己想象的和书上的不一样，然后我就逐步减小输入的信号，调节输出波形的档位，渐渐地波形开始变化，数值也满足了关系式。总之做完这个实验体会挺多的，要做好一件事也不是一件容易的事，需要你花时间、需要你肯投入、需要你反复地去尝试。

交流-交流

直流-直流

交流-直流