南京铁道职业技术学院创新电子培训项目：加法器*师：****名：***二〇一三年三月二十五日目录一、实验目的 (3)二、实验设备 (3)三、实验原理 (3)1.加法电路 (3)(1) 反相加法电路 (3)(2) 同相加法电路 (5)2.差分放大电路 (6)四、实验过程 (7)1.双电源反相加法器电路 (7)(1) 双电源反相加法器直流测试电路 (7)(2) 双电源反相加法器交流测试电路 (16)(3) 双电源反相加法器动态范围测试 (22)2.单电源反相加法器电路 (29)3.双电源同相加法器电路 (29)(1) 双电源同相加法器直流测试电路 (29)(2) 双电源同相加法器交流测试电路 (37)4.单电源同相加法器电路 (42)5.双电源差分放大器电路 (43)(1)双电源差分放大器直流测试电路 (43)(2)双电源差分放大器交流测试电路 (50)6.单电源差分放大器电路 (56)五、实验结果 (57)六、实验心得 (57)加 法 器一、实验目的1.掌握运算放大器线性电路的设计方法。

2.熟悉掌握Multisim 软件对运算放大器进行仿真的用法及仿真分析的方法。

3.能正确判断和分析电路在仿真中的故障并正确解决。

4.理解运算放大器的工作原理。

二、实验设备三、实验原理１.加法电路（1）反相加法电路反相加法器电路是根据“虚断”和“虚短”的概念，运用节点电流法推导而出。

由“虚断”可得n i f i i i i i +++== 21； 再根据“虚短”可得111R u i i =，222R u i i =，…，nin n R u i =； )(2211nin i i f f f o R uR u R u R i R u +++-=-= 。

图1 反相加法运算电路R为平衡电阻，阻值为输入端所有电阻的反相加法电路亦可以由叠加原理进行推导，4并联值。

（2）同相加法电路同相放大器的推导与反相放大器类似，同样使用“虚断”和“虚短”的概念，可由叠加原理和节点电流法推导而出：o fU R R RU ⋅+=2；)(2121221i i i U U R R R U U -⋅++=22111212i i U R R R U R R R ⋅++⋅+=；令21U U =，解上式得)(22111212i i fo U R R R U R R R RR R U ⋅++⋅++=；当f R R R R ===21时，有21i i o U U U +=。

图2 同相加法运算电路2.差分放大电路（减法电路）差分放大电路是使用“虚断”和“虚短”的概念，由叠加法推导而出：2434in U R R R U ⋅+=+；oin U R R R U R R R U ⋅++⋅+=-2111212 ；又因为-+=U U ，整理后得：11224341210in in U R RU R R R R R R U ⋅-⋅+⋅+=；当31R R =，42R R =时有)(2112in in o U U R R U --=。

图3 差分放大运算电路四、实验过程1.双电源反相加法器（1）双电源反相加法器直流测试电路在电脑中运行Multisim 软件并新建仿真文件，选用集成运算放大器LM358系列中的LM358AD ，选用E24系列的电阻，设定运算关系:)25(21i i O U U U +-=，输入阻抗Ω≥Ω≥K R K R i i 5,521，电源为Ec 为5±V ，负载阻抗Ω=K R L 1.5，信号为V U V U i i 5.0,5.021±=±=的直流稳压电源。

搭出双电源反相加法器电路原理图，并进行仿真。

○1当V U V U i i 5.0,5.021+=+=时图4 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021+=+=时原理图接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图5 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021+=+=时仿真仪器接法及万用表读数由于均为直流电压，所以并未使用示波器，数据不够精确，但从万用表的读数中依旧可以看出设定的运算关系初步确定能够实现，误差较小。

○2当V U V U i i 5.0,5.021-=+=时图6 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021-=+=时原理图接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图7 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021-=+=时仿真仪器接法及万用表读数由于均为直流电压，所以并未使用示波器，数据不够精确，但从万用表的读数中依旧可以看出设定的运算关系再次确定能够实现，误差较小。

○3当V U V U i i 5.0,5.021+=-=时图8 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021+=-=时原理图接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图9 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021+=-=时仿真仪器接法及万用表读数由于均为直流电压，所以并未使用示波器，数据不够精确，但从万用表的读数中依旧可以看出设定的运算关系基本确定能够实现，误差较小。

○4V U V U i i 5.0,5.021-=-=时图10 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021-=-=时原理图接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图11 双电源反相加法器电路V U V U i i 5.0,5.021-=-=时仿真仪器接法及万用表读数由于均为直流电压，所以并未使用示波器，数据不够精确，但从万用表的读数中依旧可以看出设定的运算关系确定能够实现，误差较小。

（2）双电源反相加法器交流测试电路在电脑中运行Multisim 软件并新建仿真文件，选用集成运算放大器LM358系列中的LM358AD ，选用E24系列的电阻，设定运算关系:)25(21i i O U U U +-=，输入阻抗Ω≥Ω≥K R K R i i 5,521，电源为Ec 为5±V ，负载阻抗Ω=K R L 1.5，信号的正弦波有效值为频率的稳压直流源为V KHz U V U i i 1.0,1,5.021±。

搭出双电源反相加法器电路原理图。

○1当V KHz U V U i i 1.0,1,5.021有效值为频率+=的正弦波时图12 V U i 5.01+=,2i U 为频率KHz 1，有效值V 1.0的正弦波时的原理图接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图13 V U i 5.01+=,2i U 为频率KHz 1，有效值V 1.0的正弦波时仿真仪器接法及万用表读数图14 V U i 5.01+=,2i U 为频率KHz 1，有效值V 1.0的正弦波时的仿真示波器读数 仿真结果表明电路运行正常，设定的运算关系能够实现，波形输出正常放大没有失真。

且误差较小。

○2当V KHz U V U i i 1.0,1,5.021有效值为频率-=的正弦波时图15 V U i 5.01-=,2i U 为频率KHz 1，有效值V 1.0的正弦波时的原理图接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图16 V U i 5.01-=,2i U 为频率KHz 1，有效值V 1.0的正弦波时仿真仪器接法及万用表读数图17 V U i 5.01-=,2i U 为频率KHz 1，有效值V 1.0的正弦波时的仿真示波器读数仿真结果表明电路运行正常，设定的运算关系能够实现，波形输出正常放大没有失真。

且误差较小。

（3）双电源反相加法器动态范围测试在电脑中运行Multisim 软件并新建仿真文件，选用集成运算放大器LM358系列中的LM358AD ，选用E24系列的电阻，设定运算关系:)25(21i i O U U U +-=，输入阻抗Ω≥Ω≥K R K R i i 5,521，电源为Ec 为5±V ，负载阻抗Ω=K R L 1.5，信号V U i 01=，改变2i U 的幅度，搭出双电源反相加法器电路原理图，测量该加法器的动态范围。

图18 动态测试原理图根据理论计算，输出波形峰值最大为5V，换算后得输入有效值最大为1.76V，此时，输出应在饱和状态。

为了验证理论正确性，在电路中接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图19 输入为1.76V时动态测试仿真仪器接法及万用表读数图20输入为1.76V时动态测试的仿真示波器读数由示波器可见，在1.76V的时候，波形出现了失真，上波峰的最大值为3.9V。

明显可以发现有一定的直流电压作用在平衡点上，运算放大器存在零点漂移现象。

由上波峰的最大值为3.9V可以推出输入最大有效值为1.37V。

而在实际的仿真中发现饱和电压为1.40V。

图21 输入为1.40V时动态测试仿真仪器接法及万用表读数图22输入为1.40V时动态测试的仿真示波器读数为了进一步了解运算放大器的零点漂移现象，又进行了下组仿真，设定输入交流电压为1pV，可以近似看成0V的输入，查看输出波形。

图23 输入为1pV时动态测试仿真仪器接法及万用表读数图24输入为1pV时动态测试的仿真示波器读数仿真表明电路存在一个约为17.5mV的零点漂移。

另外其他的多次仿真数据如下表。

序号输入信号输出信号备注1 1pV 1.96pV 存在17.5mV的漂移2 1uV 1.96uV 漂移现象仍严重3 1mV 1.961mV 漂移现象开始减小4 1V 1.961V 漂移现象可以忽略5 1.40V 2.742V 饱和状态6 1.7V 3.199V 失真2.单电源反相加法器电路单电源反相加法器电路在多次的仿真后发现其各种特性与双电源反相加法器电路极其相似，虽然在稳定性和误差方面略微不如双电源反相加法器电路，但并不对整体产生影响。

所以，就不再进行累述。

3.双电源同相加法器电路（1）双电源同相加法器直流测试电路在电脑中运行Multisim 软件并新建仿真文件，选用集成运算放大器LM358系列中的LM358AD ，选用E24系列的电阻，设定运算关系:21i i O U U U +=，电源为Ec 为5±V ，负载阻抗Ω=K R L 1.5，信号为V U V U i i 1,121±=±=的直流稳压电源。

搭出双电源反相加法器电路原理图，并进行仿真。

○1当V U V U i i 1,121+=+=时图25 双电源同相加法器电路V U V U i i 1,121+=+=时原理图接入仿真仪表中的万用表和示波器，并进行仿真。

图26 双电源同相加法器电路V U V U i i 1,121+=+=时仿真仪器接法及万用表读数由于均为直流电压，所以并未使用示波器，数据不够精确，但从万用表的读数中依旧可以看出设定的运算关系初步确定能够实现，误差较小。