2.5 集成运放的非线性应用

1.整理所测数据与理论值相比较。 2.绘出过零电压比较器和滞回电压比较器传输特性与输入输出波形。 3.画出通过实验修改后的扩展内容电路图，标出各器件参数。 4.整理分析仿真结果和实测结果，画出扩展内容（1） （2）的传输特性和（3） （4）的输出波形； 5.分析扩展内容中你所设计电路的工作原理、输出波形、计算频率； 6.总结心得体会。
二、实验任务
（一） 基本实验任务 1. 利用运算放大器组成过零电压比较器，测量其输入输出的关系。 2. 利用运算放大器组成滞回电压比较器，测量其输入输出的关系。 3. 测量过零电压比较器和滞回电压比较器的传输特性。 （二）扩展实验任务 1.用运算放大器构成一个基准电压为 2V 的电压比较器。 2.用运算放大器构成一个迟滞比较器。 3.用运算放大器构成一个既能产生矩形波又能产生三角波的电路。 （建议电容选用 0.01F） 4.用运算放大器构成能产生锯齿波的电路。 （建议电容选用 0.01F）
五、实验预习要求
（一） 基本实验任务 1.学习过零电压比较器的工作原理，画出输入为正弦波时对应的输出波形。
2.学习滞回电压比较器的工作原理，若选择稳压值为 6V 的稳压管，取 R1=R2，计算上、下限 门限电压：U+H，U+L。
3.画出滞回电压比较器输入为正弦波时对应的输出波形。
2
4.若要加大回差电压，提高抗干扰能力，应如何调整哪个参数？ （二） 扩展实验任务 1.复习运算放大器开环应用时的分析方法； 2.复习各种电压比较器的电路结构及传输特性； 3.复习矩形波发生器、三角波发生器和锯齿波发生器的电路结构、工作原理、输出波形及输出 频率的计算； 4.利用 Multisim 对预习中设计电路进行仿真，调整确定器件参数。
表 5.2.5.1 过零电压比较器
过零比较器 Ui 波形 UO 波形 阈值电压 传输特性
3.滞回电压比较器 按图 5.2.5.2 接成滞回电压比较器。用示波器观察比较器的传输特性曲线及波形。用函数发生 器从输入端加入 2V/1kHZ 的三角波信号，示波器的 CH1 和 CH2 分别接比较器的输入端和输出端， 适当调节 CH1 和 CH2 通道的量程，将观察到的现象记录到表 5.2.5.2 中。
七、实验注意事项
1.运算放大器接入15 伏电源：即正电源的负极和负电源的正极连接后，与实验电路的接地端 相连。 2.运算放大器输出端不能接地。 3.ui=0 是将运算电路的输入端接地，不能将信号源的输出端接地！ 4.尽量选择实验室中已有的元件参数。 5.事先设计好测试用表格，选择好测试仪器。
八、实验报告要求
表 5.2.5.2 滞回电压比较器 滞回电压比较器 Ui 波形 UO 波形 阈值电压 传输特性
3
（二）扩展实验内容及步骤 1.根据仿真确定的电路和器件进行电路连线，构成满足要求的电路。 2.选择合适的仪器进行电路测试。 3.对各电路列出合适的表格，选定合适的输入电压，测量输出电压的大小或波形。 （1）基准电压为 2V 的电压比较器。 （选定合适的输入电压，测量输出电压的波形，画出传输 特性） 。 （2）滞回比较器。 （选定合适的输入电压，测量输出电压的波形，画出传输特性） 。 （3）既能产生矩形波又能产生三角波的电路。 （用示波器观察其波形，并测试其频率）改变哪 个元件，可以改变其波形频率，调整并计算。 （4）产生锯齿波的电路。 （用示波器观察其波形，并测试其频率）改变哪个元件，可以改变其 波形频率，调整并计算。
2.5
集成运放的非线性应用
一、实验目的
1. 进一步理解集成运算放大器的基本性质、特点及使用方法。 2. 了解基本电压比较器、滞回电压比较器的构成及设计方法。 3. 学习电压比较器传输特性的测试方法。 4. 观察电压比较器的信号处理过程。 5. 进一步了解运算放大器开环及引入正反馈时的应用特点。 6. 学会用运放构成电压比较器，矩形波、三角波、锯齿波发生器。
六、实验指导
（一）基本实验内容及步骤 1.按照选定的运算放大器的管脚接线图接好正、负电源。 2.过零电压比较器 按图 5.2.5.1 接成过零电压比较器。用示波器观察比较器的传输特性曲线。用函数发生器从输 入端加入 2V/1kHZ 的正弦波信号， 示波器的 CH1 和 CH2 分别接比较器的输入端和输出端， 适当调 节 CH1 和 CH2 通道的量程，将观察到的现象记录到表 5.2.5.1 中。
三、基本实验条件
（一） 仪器仪表 1.双路稳压电源 2.数字万用表 3.示波器 4.函数发生器 （二） 器材器件 1．集成运算放大器（建议：LM324） 2.定值电阻器 3.电容器 4.双向稳压管（建议：6V） 5.二极管 6.100k 电 位 器 2只
ui
1台 1台 1 台 1 台
1 块 若干 1只 1只 2只 ∞ +
4பைடு நூலகம்
uo uo +Uom ui -Uom (b)
四、实验原理
1
（a）
图 5.2.5.1 过零比较器
（一） 基本实验任务 电压比较器是一种常见的信号幅度处理电路，在越限报警、波形整形、信号产生及模数转换等 各方面均有广泛的应用。 电压比较器的功能是能够将一个输入信号与一个参考电压进行大小比较，并用输出电平的高、 低表示比较结果。电压比较器的特点是运算放大器工作在开环或正反馈状态，输入输出之间呈现非 线性传输特性。 基本单限电压比较器只有一个阈值电压（比较电压） ，根据比较电压接入的输入端的不同，其 传输特性不同。基本电压比较器抗干扰能力较差。图 5.2.5.1（a）所示的过零比较器就是典型的 一种。其参考电压 UR=U+=0，当 Ui>0 时，输出为负饱和值，当 Ui<0 时，输出为正饱和值。理想传 输特性如图 5.2.5.1（b）所示。图中的二极管起到保护运放输入端的作用。 滞回电压比较器的特点是具有两个阈值电压。 当输入逐渐由小增大或由大减小时， 阈值电压是 不同的。滞回电压比较器具有很好的抗干扰能力。图 5.2.5.2（a）所示为滞回电压比较器。电路通 过 R1、R2 引入正反馈。双向稳压管将输出电压限制 在UZ 上。比较器的输出高电平为+UZ，输出低电平 +UZ 10k R ∞ 为-UZ，则上、下限门限电压为：
UH R1 UZ R1 R2 U L R1 UZ R1 R2
ui
UR R1 10k
+ R2 (a)
+
uo 6V
U+ -UZ (b)
U+
其传输特性如图 5.2.5.2（b）所示。 （二） 扩展实验任务
图 5.2.5.2
滞回电压比较器
当运算放大器开环或接入正反馈时，其传输特性为非线性。此种状态下的运算放大器工作在非 线性状态,称之为运算放大器的非线性应用。运算放大器非线性应用时选择合理的电路结构和外接 器件,可构成各种电压比较器和各种信号产生电路。