集成运算放大器实验报告2.4.1 比例、加减运算电路设计与实验由运放构成的比例、求和电路，实际是利用运放在线性应用时具有“虚短”、“虚断”的特点，通过调节电路的负反馈深度，实现特定的电路功能。
一、实验目的1．掌握常用集成运放组成的比例放大电路的基本设计方法； 2．掌握各种求和电路的设计方法；3．熟悉比例放大电路、求和电路的调试及测量方法。
二、实验仪器及备用元器件 （1）实验仪器（2）实验备用器件三、电路原理集成运算放大器，配备很小的几个外接电阻，可以构成各种比例运算电路和求和电路。
图2.4.3（a ）示出了典型的反相比例运算电路。
依据负反馈理论和理想运放的“虚短”、“虚断”的概念，不难求出输出输入电压之间的关系为 1f o i i R A R υυυυ==-2.4.1式中的“-”号说明电路具有倒相的功能，即输出输入的相位相反。
当1f R R =时，o i υυ=-，电路成为反相器。
合理选择1f R R 、的比值，可以获得不同比例的放大功能。
反相比例运算电路的共模输入电压很小，带负载能力很强，不足之处是它的输入电阻为1i R R =，其值不够高。
为了保证电路的运算精度，除了设计时要选择高精度运放外，还要选择稳定性好的电阻器，而且电阻的取值既不能太大、也不能太小，一般在几十千欧到几百千欧。
为了使电路的结构对称，运放的反相等效输入电阻应等于同相等效输入电阻，R R +-=,图2.4.3（a ）中，应为1//P f R R R =，电阻称之为平衡电阻。
(a) 反相比例运算电路 (b) 同相比例运算电路图2.4.3 典型的比例运算电路图2.4.3（b ）示出了典型的同相比例运算电路。
其输出输入电压之间的关系为 1(1)f o i i R A R υυυυ==+2.4.2由该式知，当0f R =时，o i υυ=，电路构成了同相电压跟随器。
同相比例运算电路的最大特点是输入电阻很大、输出电阻很小，常被作为系统电路的缓冲级或隔离级。
同样，为了保证电路的运算精度，要选择高精度运放和稳定性好的电阻器，而且电阻的取值一般在几十千欧到几百千欧。
为了使电路的结构对称，同样应满足1//P f R R R =。
图2.4.4（a ）为典型的反相求和电路，利用叠加原理和线性运放电路“虚短”、“虚断”的概念可以求得1212()f f o i i R R R R υυυ=-+2.4.3当满足12R R R ==时，输出电压为 12()f o i i R Rυυυ=-+ 2.4.4实现比例求和功能。
当满足12f R R R ==时，，输出电压为12()o i i υυυ=-+ 2.4.5实现了两个信号的相加运算。
电路同样要求12////P f R R R R =。
该电路的性能特点与反相运算电路相同。
(a) 反相求和运算电路 (b) 同相求和运算电路图2.4.4 典型的求和运算电路同理，对于图2.4.4（b ）所示的同相求和电路，当电路满足12////f R R R R =的条件下，可以得到输出电压为1212f f o i i R R R R υυυ=+2.4.6当12f R R R ==时12o i i υυυ=+ 2.4.7 同相求和电路的特点、设计思路与同相比例运算电路类似。
图2.4.5（a ）为单运放减法电路，利用叠加原理和线性运放电路“虚短”、“虚断”的概念，且12////f R R R R =时，可以求得1212f f o i i R R R R υυυ=-+2.4.8(a) 单运放减法运算电路 (b) 双运放减法运算电路图2.4.5 典型的减法运算电路当12f R R R ==时21o i i υυυ=- 2.4.9实现了两个信号的减法运算。
图2.4.5（b ）为双运放减法电路。
大家可以自行分析，电路应该满足什么条件，才能够实现12o i i υυυ=-的功能。
四、设计任务【v1、v2参考输入信号】1、设计一个反相比例放大电路，要求放大倍数为-10倍；2、设计一个放大倍数为11的同相比例放大电路；3、设计一个反相求和电路，实现1210()o υυυ=-+功能；4、设计一个求和电路，完成1210()o υυυ=+；5、设计一个求和电路，要求124o υυυ=-；6、设计能够实现0.5o i υυ=的电路。
五、实验要求 1、实验前的准备 （1）电路设计根据理论和上述任务要求，自行设计实现电路，计算出电路中各个元件的参数。
（2）用Multisim 仿真软件进行仿真。
选择一组输入电压。
用虚拟仪器测量：输入电压、输出电压的幅值，填入自行设计的表格内。
验证上述理论设计的正确性，并与理论计算结果进行比较。
（3）测试方案的设计 自拟实验步骤、方法。
2、实验任务（1）检查实验仪器；检测器件和导线； （2）根据自行设计的电路图选择实验器件； （3）根据自行设计的电路图插接电路； （4）根据自行设计的测试方案； 选择仿真时的一组输入电压值。
在输入端加输入信号，测量输入、输出信号的幅值并记录，并与仿真结果、估算结果比较；U1ALM324N321141R168kΩR210kΩR310kΩR468kΩR510kΩV1100mVrms100Hz 0°VCC 12VVEE -12VV2100mVrms 100Hz 0°XSC1ABCDG T3、实验后的总结（1）根据设计技术指标及实验记录总结实验体会。
（2）分析误差产生的原因。
六、思考题1、反相求和电路与反相比例放大电路在电路结构和函数运算式上有何异同之处？2、同相求和电路和同相比例放大电路在电路结构和比例系数上有何异同？3、估算值、仿真值、测量值三者相同吗？若不相同分析产生误差的原因。
七、实验报告要求1、画出实验电路，整理实验数据；2、将实验结果与理论计算值比较，分析产生误差的原因。
2.4.2 积分、微分电路的设计与实验一、实验目的1. 了解由集成运放组成的积分运算、微分运算电路的基本运算关系；2. 掌握积分运算、微分运算电路的设计方法；3. 熟悉积分运算、微分运算电路的调试及测量方法。
二、实验仪器及备用元器件（1）实验仪器序号名称型号备注1 函数信号发生器（2）实验备用器件三、电路原理积分运算的典型形式为 o iKdt υυ=⎰ 2.4.10利用电容两端的电压和流过电容的电流关系，可以得到如图2.4.6（a ）所示积分电路。
图中1(0)toio dt RC υυυ=-+⎰ 2.4.11式中(0)o υ为0t =时电容上的初始电压。
根据式（2.4.11）知，当i υ为不同形式的信号时，就会得到不同形式的输出电压o υ。
如：当输入信号i V υ=，即为直流恒压的情况下，输出电压为1o V t RCυ=-⨯ 2.4.12 工作波形如图（b ）所示。
（a ） （b ） （c ）图2.4.6 积分运算电路及其工作波形当输入信号i υ是幅度为V 的方波时，则在运放为非饱和的情况下，输出电压将变为三角波，见图（c ）所示。
大家可以自行分析输出电压的振幅值om V 。
同理，当输入信号正弦信号时，在正弦稳态情况下，输出信号将为同频率的余弦波，即实现了超前相移90o的功能。
由于微分运算与积分运算呈现对偶关系，所以将积分电路中的电阻、电容对调，既可以实现微分功能。
微分电路如图2.4.7所示。
输出、输入的关系为2 数字示波器3 数字万用表4 交流毫伏表序号名称说明 备注 1 模拟集成运放块 LM324 2 电阻 见附件 3 电容见附件iodRCdtυυ=- 2.4.12图2.4.7 微分电路图 2.4.8 实际微分电路对于微分电路，通常应该满足2TRC的条件，其中T为输入信号的周期。
在实际电路中，为了解决直流漂移和高频噪声等问题，通常情况下在C支路中串接一个电阻R1，在R支路两端并接一个电容C1。
如图2.4.8所示。
四、设计任务1、设计能够将1kHz、峰—峰值为4V正负半周对称的方波转换为三角波的积分运算电路；2、设计能够将1kHz的矩形波转换为尖峰脉冲波的电路；五、实验要求1、实验前的准备（1）电路设计根据理论和上述设计任务要求，自行设计实现电路，计算出电路中各个元件的参数。
（2）用Multisim仿真软件进行仿真。
A）当输入信号的幅度为2V、频率为500Hz且正负半周对称的方波的情况下，用虚拟示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。
B）当输入信号的峰峰值为4V、频率分别为200Hz、500Hz、1000Hz正弦波的情况下，用虚拟示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。
C）当输入信号的幅度为5V、频率为200Hz矩形波的情况下，用虚拟示波器观察微分运算电路输入、输出信号XFG1U1ALM324N32114112VVEE-12VR110kΩR210kΩC11µFXSC1A BExt Trig++__+_波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。
D）当输入信号的幅度为5V、频率分别为100Hz、200Hz、500Hz正弦波的情况下，用虚拟示波器观察微分运算电路输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内。
（3）测试方案的设计自拟实验步骤、方法及测试表格。
2、实验任务（1）检查实验仪器；检测器件和导线；（2）根据自行设计的电路图选择实验器件；（3）根据自行设计的电路图插接电路；（4）根据自行设计的测试方案，完成下述实验任务：【加入表格】A）当输入信号的幅度为2V、频率为500Hz且正负半周对称的方波的情况下，用示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。
B）当输入信号的峰峰值为4V、频率分别为200Hz、500Hz、1000Hz正弦波的情况下，用示波器观察积分运算电路的输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。
C）当输入信号的幅度为5V、频率为200Hz矩形波的情况下，用示波器观察微分运算电路输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。
D）当输入信号的幅度为5V、频率分别为100Hz、200Hz、500Hz正弦波的情况下，用示波器观察微分运算电路输入、输出信号波形，并记录其峰值和相位，填入自行设计的表格内，并与仿真结果、估算结果进行比较。
3、实验后的总结（1）根据设计技术指标及实验记录总结实验体会。
（2）分析误差产生的原因。
六、思考题1、有源积分电路和无源积分电路的主要区别？2、积分电路可以将方波转换为三角波，那么当改变方波的频率时，三角波会发生何种变化？当改变方波的峰值时，三角波又有何种变化？3、在向积分器输入正弦波时，若逐渐增加输入信号的频率，输出信号将如何变化？4、在向微分器输入正弦波时，若逐渐增加输入信号的频率，输出信号将如何变化？七、实验报告要求1. 画出自行设计的实验电路，整理实验数据；2. 将实验结果与理论计算值比较，分析产生误差的原因。