集成运放的应用电路实验

4.2.2　集成运放的应用电路实验

1）实验目的

（1）熟悉频域信号处理电路的原理。

（2）熟悉由运放组成的频域信号处理电路（滤波电路、移相电路）的分析与设计方法。

2）实验原理

滤波器是一种能使有用频率信号顺利通过而同时抑制无用频率信号的电路。利用运算放大器与无源元件R、L、C构成的有源滤波器，由于运放具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻等特点，使滤波器具有一定的电压放大作用和输出缓冲作用。滤波电路通常可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。实验电路原理图如图4.2.5所示。

图4.2.5　有源滤波器的原理图

图中开关B打开，开关A向下扳，构成一阶有源低通滤波器:

特征角频率:ω₀＝1/R₁C₁，即f₀＝1/2πR₁C₁

电路的传输特性:其中A₀＝1＋（R_f/R）

电路的相频特性为:φ（ω）＝－arctan（ω/ω0）

图中开关B闭合，开关A向上扳，构成一阶有源高通滤波器:

特征角频率:ω₀＝1/R₂C₂，即f₀＝1/2πR₂C₂；电路的传输特性:，其中A_o＝1＋R_f/R；电路的幅频特性为:电路的相频特性为:φ（ω）＝90°－arctan（ω/ω₀）。

3）实验器材

（1）运算放大器:1个；

（2）电阻:2个；

（3）可调电阻:100kΩ2个；

（4）电容:2个；

（5）开关:2个；

（6）测试仪器仪表:交流电压源、波特图仪、示波器各1台，电压表1只。

4）实验内容及步骤

（1）按图4.2.5所示原理图创建电路，并将电路文件命名、存盘。

（2）低通滤波电路的性能分析和设计。

交流电源提供1kHz、幅值10V的正弦信号，开关A向下扳，B打开，该电路传输函数的频率特性表达式:A_u（jω）＝_________。电路的幅频特性的表达式为:｜A_u（jω）｜＝_____________，电路的相频特性的表达式为:φ（ω）_______。电路的特征角频率ω₀＝__________。用合适的测试仪器观察滤波电路的工作情况，在图4.2.6中画出电路的幅频响应和相频响应，并测量电路在ω₀和10ω₀处电路的增益和相位填入表4.2.3中。

图4.2.6　滤波电路的幅频响应和相频响应

表4.2.3　数据记录表3

（3）试在原电路的基础上，设计一个特征频率f₀＝10kHz的一阶低通滤波器，并验证电路的正确性，将符合设计要求的电路命名、保存。

（4）移相电路性能分析与设计

调整电路中元件的参数，可改变电路的相移，用示波器观察根据（3）所设计电路的频率特性，该电路相移φ（ω）的变化范围是__________。若输入信号是当要求电路的相移是45°，而且要求电路有15倍的放大倍数，设计电路参数，并验证电路的正确性，将符合设计要求的电路存盘。

（5）高通滤波电路的性能分析和设计

开关B闭合，开关A向上扳，构成一阶有源高通滤波器。交流电源提供1kHz、幅值10V的正弦信号，电路参数如图4.2.5，该电路传输函数的频率特性表达式:A_u（jω）＝_____________。电路的幅频特性的表达式为:｜A_u（jω）｜＝_______________电，路的相频特性的表达式为:φ（ω）＝_____________。电路转折频率ω₀＝___________。用合适的测试仪器观察滤波电路的工作情况，在图4.2.7中画出电路的幅频响应和相频响应，并测量电路在ω₀和10ω₀处电路的增益和相位，将结果填入表4.2.4中。

图4.2.7　滤波电路的幅频响应和相频响应

表4.2.4　数据记录表4

试设计一个特征频率f₀＝20kHz、放大倍数为9的一阶高通滤波器，并用合适的测试方法进行测试，将符合设计要求的电路命名、保存。

5）实验报告要求

（1）分析电路工作原理。

（2）整理各项理论和实验数据，分析实验结果，得出结论，并画出相关的曲线图。

（3）将根据步骤（3）和（5）要求设计电路的测试数据与理论值比较，验证电路的正确性。如存在问题，提出相应的改进措施。

（4）回答思考题。

6）思考题

（1）说明电路中的运算放大器T的作用。

（2）观察一阶滤波器滤波波形，当信号过特征频率后，信号衰减率只有20dB/十倍程，滤波效果不够好，如何改善？