实验
信号的基本运算单元——减法器
学时 1
实验介绍 实验指南 实验资料

一、实验目的

1. 熟悉在分析运算电路时“虚短”、“虚断”的概念;

2. 掌握集成运算放大器的基本特性及测量方法

3. 掌握减法器的基本结构和工作原理。

二、实验仪器

1. VSS

2. VCC

3. Ground

4. 流电压源

5. 普通电阻

6. 运算放大器 UA741CD

7. 交流电压表

8. 通道示波器

三、实验原理

1.集成运算放大器基本特性

集成运算放大器符号如图1所示。

                                                                                                              

图1 集成运放的电器符号

设运算放大器“+”和“-”两输入端输入信号分别为u+u-,它们的差为uid=u+ - u-,输出信号为uo,则集成运放的电压传输特性如图2所示。

                                                  

                                                                    a)实际电压传输特性                                                                  (b)理想电压传输特性

    
                                                                                                                             2 集成运放的电压传输特性

由图2(a)集成运放的实际电压传输特性知,集成运放可工作在线性区(|uid|<Uim)和非线性区(|uid|Uim)。在线性区,曲线的斜率为电压放大倍数Aud;在非线性区只有两种电压输出。通常集成运算放大器电压增益极高,所以线性区曲线的斜率极为陡峭,即使输入毫伏级以下的信号,也足以使输出电压饱和。

图2(b)为集成运放的理想电压传输特性,该理想电压传输特性显示了运算放大器作为电压比较器的工作方式,可用于判别u+u-电位的大小。

由集成运放的电压传输特性可知:集成运放的工作方式有两种,其一为线性放大方式,在此方式下,为保证输入一定范围电压信号的线性放大,必须减小运算放大器的电压增益,因此集成运算放大器必须工作在负反馈状态下;其二为电压比较器方式,此时运算放大器必须工作在开环或正反馈状态。

2.集成运算放大器的“虚断”、“虚短”原则

理想集成运算放大器特性如下:①开环电压增益为无穷大;②输入阻抗为无穷大;③输出阻抗为0;④带宽为无穷大;⑤共模抑制比为无穷大;⑥输入偏置电流为0;⑦输入失调电压、输入失调电流及它们的漂移均为0。

基于上述理想运放的基本特性,在进行电路分析时,要灵活应用“虚短”、“虚断”两个原则。

(1)“虚短”原则

理想运算放大器工作在线性状态时有:uo=Aud (u+ - u-),而Aud→∞,所以

u+ - u- =uo/Aud 0

上式表明,理想运算放大器工作在线性放大方式时,同相输入端的电位u+与反相输入端电位u-一样,好似它们两者“短路”一样。

理想运算放大器工作在非线性状态时,因为uoAud (u+ - u-),则u+ u-

“虚短”表示理想运放工作在线性状态时两输入端的电位相等。当某一个输入端的实际电位为“地”电位时,另一端可称之为“虚地”。

“虚短”原则只适用于运算放大器的线性应用状态,即运算放大器工作在负反馈状态下。

(2)“虚断”原则

由于理想运放的输入阻抗为无穷大,因此运放的两个输入端无电流流进(流出),如同两个输入端从运算放大器中“断开”了一样。

该法则适用于理想运放的所有工作状态(线性和非线性工作状态)。

3.信号的基本运算单元--减法器

在信号的处理运算单元中,常用的有:加法器、减法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器等,通过这些基本运算单元可以构建十分复杂的信号处理系统。下面对减法器的功能进行说明。

减法器电路如图3所示。


3  减法器电路原理图

由“虚短”和“虚断”的定义可知:

un=up

列出节点电压方程得到:



整理后得

R1=R2=R3=Rf时,上式化简为:

uo=ui2-ui1



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