模拟电子技术实验讲义

一、实验目的

（l）了解双踪示波器、低频信号发生器、稳压电源、晶体管毫伏表及万用表的基本工作原理和主要技术指标。

（2）掌握用双踪示波器测量信号的幅度、频率、相位和脉冲信号的有关参数。 （3）掌握低频信号发生器和晶体管毫伏表的正确使用方法。

（4）掌握万用表的使用方法，学会用万用表判断二极管、三极管的电极和性能的方法。

二、实验原理

在电子技术实验里，测试和定量分析电路的静态和动态的工作状况时，最常用的电子仪器有：示波器、低频信号发生器、直流稳压电源、晶体管毫伏表、数字式（或指针式）万用表等，如图1－1所示。

图1－l 电子技术实验中测量仪器、仪表连接图

示波器：用来观察电路中各点的波形，以监视电路是否正常工作，同时还用于测量波形的周期、幅度、相位差及观察电路的特性曲线等。

低频信号发生器：为电路提供各种频率和幅度的输人信号。 直流稳压电源：为电路提供电源。

晶体管毫伏表：用于测量电路的输人、输出信号的有效值。

数字式（或指针式）万用表：用于测量电路的静态工作点和直流信号的值。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块

1

（6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1稳压电源

接通电源开关，调电压调节旋钮使两路电源分别输出＋3Ⅴ和+12v，用数字式万用表“DCV”档测量输出电压的值。

分别使稳压电源输出＋30v、±15V，重复上面过程。

2．晶体管亳伏表

是一种专门用来测量交流小信号电压的电子仪表。测量频率范围10Hz—1MHz，量程范围从1mV—300V, 误差范围一般不超出5%。使用时应注意根据被测信号大小选择适当的量程，应以指针偏转不低于满量程的三分之一为宜。输入端连线应注意区分信号端与接地端的正确接法。从仪表上可读出电压值和相应的标准分贝值。要注意量程与刻度值间的换算关系，以免产生读数错误。

3．低频信号发生器

该仪器可输出正弦波、方波和矩形波，频率范围从10Hz—1MHz，可同时显示输出信号的有效值和频率大小。输出端口可根据模拟电路和数字电路实验的要求选择相应端口，较为适合作为实验用。

（l）信号发生器输出频率的调节方法

按下“频率倍乘”波段开关，配合面板上的“频率调节”和“频率微调”旋钮可使信号发生器输出频率在10Hz～1MHz的范围改变。输出信号的频率显示在“频率显示器”上，单位的指示灯亮。

（2）信号发生器输出幅度的调节方法

“电压输出”端是仪器频率信号的输出端。由“波形选择” 开关选择输出信号的波形，按下“衰减”开关和“幅度”旋钮便可在输出端得到所需的电压，其输出为0-10v的范围。 “TTL输出”端输出TTL脉冲波，由“脉宽调节”旋钮调节脉宽。 “单脉冲输出”端输出单脉冲信号，按一下键输出一个单脉冲。 （3）低频信号发生器与毫伏表的使用

使信号发生器输出正弦波信号，其频率为lkHz；调节“输出调节”旋钮，使输出电压显示屏5Ⅴ，分别置分贝衰减开关于0dB、20dB、40dB、60dB、80dB档，用毫伏表分别测出相应的电压值。

4．双踪示波器

该仪器是一种可同时观测两路信号的示波器。其垂直通道频率响应为20MHz，灵敏度为5mV/div，扩展时达1mV/div。时间与幅度测量误差不大于5%，最高扫描速度达0.5μS/div。输入阻抗约1MΩ，最大电压小于400VP-P值。信号接入在信号要求不高的场合，通常选用开路电缆线，连接时要分清测量端和接地端，切勿接错。一般黑端接地。

我们可用它来测量一个信号的幅度、周期，通过f=1/T 可求出信号的频率；也可以测量

2

直流电压的大小。如果利用示波器的双踪工作方式，还可以求出两个同频信号的相位差。

（l）使用前的检查与校准

先将示波器面板上各键置于如下位置：“触发方式”开关位于“AOTU”；“触发源”开关位于“INT”； “ DC，CND，AC”开关位于“GND”；“垂直工作方式”开关位于“CH1(或CH2)”；“内触发”开关位于“CH1(或CH2)”；“TIME／DIV”旋钮位于“0.5ms／div”档。开启电源后，示波器屏幕上应显示一条扫描线，调节“辉度”、“聚焦”各旋钮使屏幕上观察到的扫描线细而清晰。调节“水平位移”和“垂直位移”旋钮，使扫描线位于示波器显示屏的中心。将“ DC，CND，AC”开关位于“AC”。然后用同轴电缆将校准信号输出端“CAL”与CH1(或CH2)通道的输人端相连接。屏幕上出现校准信号。

（2）交流信号电压幅值的测量

将“ DC，CND，AC”开关位于“AC”，然后用同轴电缆将低频信号发生器信号输出端与CH1(或CH2)通道的输人端相连接。

使低频信号发生器产生信号频率为1kHz、信号幅度为5v，适当选择示波器灵敏度选择开关“ⅤOLTS／DIV”的位置，使示波器屏上能观察到完整的正弦波。如果波形叠加在一起，可以调节“LEVEL”旋钮，使波形稳定。则此时“ⅤOLTS／DIV”旋钮所指示的值表示显示屏上纵向每格的电压值，根据被测波形在纵向高度所占格数便可读出电压的数值，将信号发生器的“衰减”置于表1－1中要求的位置并测出其结果记人表中。

表1－1 输出衰减（dB） 示波器（ⅤOLTS／DIV）位置 峰峰波形高度（格） 峰峰电压（伏） 电压有效值（伏） 0 20dB 40dB 60dB

注意：若使用10：l探头电缆时，应将探头本身的衰减置考虑进去。

（3）交流信号频率的测量

将示波器扫描速率中的“微调”旋钮置于校准位置，在预先校正好的条件下，此时扫描速率开关“TIME/DIV”的刻度值表示显示屏横向坐标每格所表示的时间值。根据被测信号波形在横向所占的格数直接读出信号的周期，若要测量频率只需将被测的周期求倒数即为频率值。按表1－2所示频率，由信号发生器输出信号，用示波器测出其周期计算频率，并将所测结果与已知频率比较。

表1－2

信号频率（kHz） 扫描速度（TIME/DIV） 一个周期占有水平格数 信号频率 （4）两个波形同步观察

“垂直工作方式”开关位于“ALT”（交替）或“CHOP”（断续）使就可以观察两个波形。（“ALT”用于观察频率高的信号，“CHOP”用于观察频率低的信号。）“内触发”位于“VERT MODE”

3

1 5 10 100 200

5 用万用表检查晶体管

（1）用万用表判断二极管的质量与极性

根据二极管单向导电特性，用万用表“二极管及通断测试”档进行测量（注意：红表笔的极性为＋）。用红表笔与黑表笔碰触二极管的两个电极，表笔经过两次对二极管的交换测量，若一次显示屏上无示数（二极管反向截止），另一次显示屏上显示二极管正向导通压降的近似值，则可认定被测二极管是好的。当显示屏上显示二极管正向导通压降的近似值时，黑表笔接的是二极管的负极，另一端为正极。

（2）用万用表判断三极管的电极与质量

①判断晶体三极管基极b。以NPN型晶体三极管为例，用红表笔接某一个电极，黑表笔分别碰触另外两个电极，若测量结果是显示屏上读数都为二极管的正向导通压降，则可断定第一次测量中红表笔所接电极为基极。

②判断晶体三极管发射极e和集电极c。确定三极管基极b后，再测量e、c极间的电阻，然后交换表笔重测一次，两次测量的结果应不相等，其中电阻值较小的一次为正常接法，正常接法对于NPN型管，红表笔接的是c极，黑表笔接的是c极，对于PNP管，黑表笔接的是e极，而红表笔接的是c极。

五、思考题

1 使用示波器时若要达到如下要求应调节哪些旋钮和开关？ （1）波形清晰，亮度适中； （2）波形稳定；

（3）移动波形位置；

（4）改变波形的显示个数； （5）改变波形的高度； （6）同时观察两路波形。

2用示波器测量信号的频率与幅值时，如何来保证测量精度？ 3示波器触发来源分为“内部” “外部”，其作用是什么？如何正确使用？

4双踪示波器的“断续”和“交替”工作方式之间的差别是什么？

5晶体管毫伏表能否测量20Hz以下的正弦信号，在使用时应注意什么？

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实验二 单管放大电路

一、实验目的

（l）学习如何设置放大器的静态工作点及其调整方法；

（2）学习放大器的放大倍数、频率响应、输人电阻和输出电阻的测量方法； （3）掌握放大器电路的设计、安装及凋试方法； （4）进一步熟悉晶体管参数的测试。

二、实验原理

1．放大器的静态工作点

放大器静态工作点的设置与调整是十分重要的，静态工作点的合理设置能使放大器工作稳定可靠。

（1）静态工作点的选择

首先应使放大器产生的非线性失真最小，动态范围最大。在放大器中，由于晶体管特性的非线性，当静态工作点选择不当，输人信号的变化范围进人晶体管非线性区域时，就会引起非线性失真。如图2-1所示为放大器电路及其晶体管的输人输出特性曲线。从图上可以看出晶体管的输人特性曲线iB~uBE，输出的特性曲线iC~uCE均为非线性；因此可以得出两点结论：

①输人信号的幅度较小，适当提高工作点电流就会降低非线性失真，但以输人信号不进入饱和区为限。

②静态工作电流相同时，输人信号的幅度越小，非线性失真也越小。

图2-1 晶体管放大器电路图及晶体管的输人、输出特性

再者当静态工作点选择不当时，输人信号正半周进人饱和区，或是负半周进人截止区，从而引起输出信号产生限幅失真，如图2-2所示。从图上分析，输人信号变化范围不应超过交流负载线A、B两点。因此为了扩大输出动态范围，放大器的静态工作点Q应选在交流负载线的中点。

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图2-2放大器负载线

（2）静态工作点的选择对放大器增益的影响

晶体管一般采用微变等效电路，放大器的电压放大倍数为：

uoRL Auuirbe式中rbe是晶体管的共发射极输人阻抗，它与工作电流有关，可写为：

rberbb(1)26(mV) IEQ式中rbb是晶体管基区电阻，基本上不随工作电流而变，IEQ是发射极静态工作电流。由上面分析可知，静态工作点将影响输出波形的非线性、放大器的最大输出幅度及放大倍数。因而选择工作点时，应首先在负载上得到所需的幅度及非线性要求的情况下尽可能获得最大增益。

（3）静态工作点的设置

为了稳定静态工作点，一般采用分压式偏置电路及电流负反馈电路来设置静态工作点。如图2-3所示。图中晶体管发射极上接了一个电阻RE，基极上接了两个分压电阻Rb1和Rb2。这种设置使静态工作点温度稳定性高。其原因在于晶体管基极电位UBQ基本上由Rb1和Rb2决定，即

UBQRb2VCC

Rb1Rb2图2-3 分压式偏置及电流负反馈放大电路

由于IBQ本身比较小，Rb1和Rb2的数值又取得不大，可近似认为UBQ为恒定值。当温度变化时，晶体管ICQ变化，例如ICQ随温度升高变大，那么UEQ肯定随之升高，由于UBQ不变，就必然使UBEQ减小，从而引起IBQ减小，则ICQ要相应减小一些，结果ICQ随温度升高而增加的部分将大部分被IBQ的减小所抵消，起到了稳定静态工作点的作用。

(4)静态工作点的调整

描述静态工作点的参数是ICQ、UCEQ和IBQ，一般用数字式万用表测出就可以了，如果

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不满足要求，可调整Rb1，使其达到设计要求。在具体测试时，一定要考虑测试仪表对被测电路的影响，为此应注意下面问题：①仪表输人阻抗应远大于被测两点的等效阻抗；②测试应在没有交变信号时进行；③测电流时为了不动电路可用测电压的方法，再由电压换算为电流；④测试时最好用示波器监视输出，以防电路振荡。

2．放大器的基本性能

放大器的基本性能包括电压放大倍数、频率响应、输人阻抗及输出阻抗等参数。 （l）电压放大倍数的测量

电压放大倍数的测量实质上是输人电压ui与输出电压uo的有效值Ui和Uo的测量。实际测试时，应注意在被测波形不失真和测试仪表的频率范围符合要求的条件下进行。将测得的Ui和Uo值代人下式，则可得到电压放大倍数：

Auuo ui（2）频率响应的测量

频率响应的测量实质上是对不同频率时放大倍数的测量，测试方法有逐点法和扫频法两种。

①逐点法。测试方框图如图2-4所示。用一个可变频率的正弦信号源，将其输出信号作为被测放大器的输人信号，并保持幅度恒定，改变信号源的频率，用晶体管毫伏表测出对应的输出电压值，将所测各频率点的输出电压值连成曲线，即为该放大器的频率响应。

图2-4 逐点法测试频率特性方框图

②扫频法。利用专门的仪器——频率特性测试仪，它能给出幅度恒定，频率连续变化的扫频信号，加到被测放大器的输入端，同时被测放大器的输出经峰值检波后送至扫频仪视频输人端，将被测放大器的频率响应显示在荧光屏上，其基本测试方框图如图2-5所示。采用扫频法，速度快、便于调整，但需要满足所需频率范围的专用设备。

图2-5 扫频法测试频率特性 图2-6输人电阻的测试原理图

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（3）输人电阻的测量

放大器输人电阻的大小，反映放大器消耗前级信号功率的大小，是放大器的重要指标之—。测试原理如图2-6所示。在放大器的输人回路中串联一个已知电阻R，加人交流电压后，在放大器输人端产生一个电压ui。则 Riuuiui，而 iis，

Rii则 RiUiR 。

UsUi所以放大器输人的电阻的测量，实际上是通过测量串联在输人回路中已知电阻R两端的电压Us和Ui并对其进行计算求出其输人电阻Ri。测量输人电阻Ri的另一种方法是替代法，测量电路如图2-7所示。先测出l端到地的电压，然后，开关拨到2端，测2端到地的电压，同时调节电位器Rp，使2端的电压与l端的相同，则Rp的阻值即为放大器的输人电阻Ri的值。

图2-7用替代法测量Ri的原理图

（4）输出电阻的测量

放大器输出电阻的大小反映了放大器带动负载的能力。当放大器与负载连接时，对负载来说，放大器就相当于一个信号源，而这个等效信号源的内阻Ro就是放大器的输出电阻。Ro越小，放大器输出等效电路就越接近于恒压源，带负载的能力就越强。放大器输出电阻的测

量电路，如图2-8所示。当接人负载时，

RousuoL 图2-8 输出电阻的测试原理 iouoL RL而 ioUoR1RL 当负载开路时， oUoL因此，放大器输出电阻的测量，实际上是通过测量放大器输出开路时的电压Uo及接上负

载后的输出电压UoL值，并进行计算求出放大器的输出电阻。

3 防止寄生振荡的几点考虑

设计安装放大器时，经常会遇到寄生振荡的问题，为了防止寄生振荡应考虑下面的问题。 （l）多级放大电路一般都是由同一电源供电，电源的内阻使各级之间相互耦合，特别是信号强的末级对前级的影响尤为严重，为了防止这种影响，一般除要求低内阻的电源外，还应在各级之间加退耦电路。如图2-9所示。

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图2-9 多级放大器去耦电路

（2）地线电阻应尽量小，地线应该用较粗的线。如用印刷电路板，地线应尽量加宽。电源的输入线尽量靠近末级，以防大电流在地线中流过而引起级间耦合。

（3）防止元器件之间相互耦合，在布局上末级应尽置远离第一级，信号的输人引线要远离信号的输出线，防止输出信号耦合到输人级而引起振荡。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 基本单元电路的测量。 电路如图2-10所示。

图2-10 单管放大器实验电路

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（l）直流工作点的调整与测量

调节电位器改变Rw1为某一合适值（如使UCQ＝7.5v），测量直流工作点参数UEQ、UBQ

的电压值。

计算： IEQUEQRe ICQVCCUCQRC UCEQUCQUEQ

将实测的UCEQ与计算的UCEQ进行对比分析。

（2）测量放大器最大不失真输出电压

调节电位器改变Rw1和输入信号Us，用示波器观察输出电压波形，使输出为最大不失真正弦波形，测量此时的静态集电极电流ICQ和最大不失真输出电压UoL。

（3）观察不同的静态工作点时输出波形 ①工作点合适时的输出波形

不加输入信号，调节Rw1使静态集电极电流ICQ＝2mA。测量UCQ、UEQ、UBQ，并计算ICQ、UCEQ的值。（方法是：测量Re两端的直流电压，然后将此电压除以相应的电阻Re，即ICQ＝IEQ＝UEQ/Re）。在电路输入端接入f＝1kHz，Us＝8mV（有效值）的正弦信号，在输出端负载RL上用示波器观察输出波形并记录。

②工作点偏高时的输出波形

调节Rw1，使工作点偏高（即ICQ1>ICQ），测量相应的静态工作点参数。接输入信号观察输出波形，若没有明显失真，可适当增加Us。

③工作点偏低时的输出波形

调节Rw1，使工作点偏低（即ICQ1测 量 数 据 给定条件 UBQ（v） UEQ（v） UCQ（v） 输 出 波 形 UCEQ（v） ICQ（mA） 计 算 数 据 Q点合适时 2V Us=8mV Q点偏高时 2.9V Us=8mV Q点偏低时 0.6V Us=40mV 表2－1

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（4）放大倍数的测量，测量电路如图2-11所示。

图2-11 放大器放大倍数测试连线图

在电路输入端接入f＝1kHz，Us＝8mV（有效值）的正弦信号，在输出端负载RL上用示波器监视输出波形，在波形无明显失真时，用晶体管毫伏表测量放大器的输出电压值UoL，计算AuLuoL。 ui（5）输人电阻的测量

输人回路中串人一个与输入电阻Ri阻值相近的电阻R，本实验采用的串联电阻为1kΩ。用晶体管毫伏表测试Us、Ui的值，即可求得

RiUiR

UsUi（6）输出电阻的测量

将放大器输出端与负载电阻RL断开，用晶体管毫伏表测出开路电压Uo值，然后接上负载电阻RL，测得输出电压UoL值，即可求得

UoRo1URL

oL（7）放大器频率特性的测量

采用逐点进行测量，测试时要保持输人信号的幅度固定为Us＝8mV不变，改变输入信号的频率后，要用毫伏表在输出端测量相应的输出电压UoL，同时用示波器监视输出信号的波形不产生失真。将上述测量结果记入表2－2。

输入信号频率f（kHz） 0.1 0.2 0.5 0.8 1 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 输入电压 Ui（mV） 输出电压 UoL（mV） 放大倍数 表2－2

2.放大器的设计

（1）设计要求

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Au＝40，Ri＝3kΩ，Ro＝100Ω，Vopp＝6V，fL＝100Hz；Rs＝50Ω, RL=1kΩ；Ec＝12Vβ≥60，rbb＝100Ω，Vces ＝1V。根据放大器的指标要求，确定图2－10中的所有电阻、电容的设计数值。

（2）仿真

通过软件模拟仿真，修改电阻、电容的设计数值，以满足放大器设计指标的要求。 ① 瞬态分析

记录静态工作点数值；观察输出波形失真情况，测量不失真输出波形；改变输出负载电阻的大小，观察放大器输出波形幅度变化情况。 ② 交流分析

测量带宽、增益、输入电阻和输出电阻。

（3）安装设计好的电路，调整工作点使其能稳定工作，然后，测试带宽、增益、输入电阻和输出电阻等参数的值，使其达到设计要求。

五、思考题

1 实验电路的参数Re、RL及VCC变化，对输出信号的动态范围有何影响？如果输人信号加大，输出信号的波形将产生什么失真？

2 本实验在测量放大器放大倍数时，使用晶体管毫伏表，而不用万用表，为什么？ 3 测一个放大器的输人电阻时，若选取的串人电阻过大或过小，则会出现测试误差，请分析测试误差。

4 在示波器屏幕上显示NPN型和PNP型两种晶体管输出信号波形，两种晶体管的饱和失真波形有什么区别？为什么？

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实验三 场效应管放大电路

一、实验目的

（l）掌握场效应管放大器的性能和特点。 （2）熟悉恒流源负载放大器的工作原理。 （3）进一步热悉放大器动态参数的测试方法。

二、实验原理

1．放大器的静态工作点

场效应管是一种电压控制型器件，按结构可分为绝缘栅型和结型两大类型。由于场效应管栅源间处于绝缘或反向偏置，所以输入电阻很高（一般在百兆欧以上）。又由于场效应管是一种单极型器件，因此具有稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小等特点。并且制造简单，便于大规模集成，应用较为广泛。

图3－1 场效应管实验电路图

实验电路如图3－1所示，场效应管采用3DJ6G型号，电路为自给偏压共源放大器，自给偏压的大小为

UGSIDRW1

调节源极电阻Rw1的大小，可以调节放大器的静态工作点。为保证场效应管工作在恒流区，要求

UDSUPUGS

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放大器的电压增益为

AVgmRL

式中gm为场效应管的跨导

gmRL为等效负载电阻

2IDSSUPUCS1UP RLRD∥rDS∥RL

放大器的输入电阻约等于栅极电阻，即

RiRg

输出电阻为

RORD∥rDS

式中rDS为场效应管的输出电阻，约为几十kΩ至几百kΩ之间。

结型场效应管放大器的增益较低，提高增益的有效途径式采用恒流源负载。这种电路是利用场效应管在恒流区动态电阻rDS较大这一特性。恒流源负载电路如图3－2所示，通过调节电位器Rw1、Rw2，可以改变两管的栅源电压UGS、漏源电压UDS，以保证两管均工作于恒流区。这种电路合适于负载电阻较大的情况。

图3－2恒流源负载FET放大器

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块

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（6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 调试测量静态工作点

按图3－1所示接好电路，调节源极电位器Rw1，使得IDQ＝2mA，测量漏源电压UDS与栅源电压UGS，检查是否工作于恒流区。

2 测量电压增益和输出电阻

输入交流信号ƒ＝1kHz, Ui＝50～100mV，观察输出波形。在不失真的条件下测量输入电压Ui，空载输出电压Uo，有载输出电压UL。计算出电压增益Ao、AL和输出电阻Ro。

3 测量输入电阻并研究毫伏表内阻对测量结果的影响

（1）采用测输出电压的办法（间接测量法）测量输入电阻。在放大器的输入端串接电阻RS＝510kΩ，电路如图3－1所示。从A端输入信号，测得放大器的输入电压为UL。改

'变信号的大小，从B端输入，测得输出电压为UL，则放大器的输入电阻为

'ULRiRS 'ULUL（2）采用测量输入电压的办法（直接测量法）测量输入电阻，在图3－1中，从B －B′端输入信号，测出信号源输出电压US和放大器的输入电压Ui，则放大器的内阻为，

Ri

4 测量放大器的通频带

UiRS

UsUiBWfHfL

五、思考题

1 测量栅源电压UGS时，能否把万用表的两表笔并接在G、S两级上？为什么？

2 场效应管放大器的输入耦合电容为什么比晶体管电路小的多？它的数值怎样确定？

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实验四 负反馈放大电路

一、实验目的

（l）掌握放大器频率特性的测量方法；

（2）加深理解负反馈对放大器放大倍数、输人阻抗、输出阻抗和频率特性的影响。

二、实验原理

由于晶体管的参数会随着环境温度改变而改变，不仅放大器的工作点、放大倍数不稳定，还存在失真、干扰等问题。为改善放大器的这些性能，常常在放大器中加人反馈环节。根据输出端取样方式和输入端比较方式的不同，可以把负反馈放大器分成四种基本组态：电流串联负反馈、电压串联负反馈、电流并联负反馈和电压并联负反馈。见图4－l。

图4－1 负反馈示意图

下面主要结合实验内容介绍负反馈对放大器性能的影响。

1 负反馈降低了放大器的增益

如果原放大器输人为Us，加人负反馈后放大器输人信号为Ui，反馈电压为Uf。则

UiUsUf UsUiUf

UfFUo

式中F＝Uf/ Uo称为反馈系数。

若原放大器的放大量为A＝Uo/ Ui加人负反馈后的放大量为Af，则

AfUoUoUoUoA

UUsUU11AFoFUoUoFifAAl＋AF为衡量反馈强弱的重要物理量，称为反馈深度。

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通过上面的分析可知，引人负反馈会使放大器放大倍数降低，这是缺点。但是事物是一分为二的，负反馈虽然使放大倍数下降，但它改善了放大器的其他性能，因此负反馈在放大器中仍获得广泛的应用。

2 负反馈提高了放大器增益的稳定性

电源电压、负载电阻及晶体管参数的变换都会使放大器的增益发生变化，加人负反馈后可使这种变化相对变小，即负反馈可以提高放大器增益的稳定性，可解释如下：如果AF>>1，则Af≈

1。由此可知，强负反馈时放大器的放大量是由反馈网络确定的，而与原放大器的F放大量无关。为了说明放大器放大量随着外界变化的情况，通常用放大倍数的相对变化量来评价其稳定性。 对式AfA，进行微分可得：

1AFdAfdA于是得

11AF2AfA1 1AFA1AFA1AFAfAfA1 A1AFA，因此，负反馈提高了放

1AF这表示有负反馈使放大倍数的相对变化减小为元反馈时的

大器增益的稳定性。而且反馈深度愈大，放大倍数稳定性愈好。

3 负反馈展宽了放大器的频带

阻容耦合放大器的幅频特性，在中频范围放大倍数较高，在高低频率两端放大倍数较低，开环通频带为BW，引人负反馈后，放大倍数要降低，但是高、低频各种频段的放大倍数降低的程度不同。

如图4－2。对于中频段，由于开环放大倍数较大，则反馈到输人端的反馈电压也较大，所以闭环放大倍数减小很多。对于高、低频段，由于开环放大倍数较小，则反馈到输人端的反馈电压也较小，所以闭环放大倍数减小得少。因此，负反馈的放大器整体幅频特性曲线都下降。但中频段降低较多，高、低频段降低较少，相当于通频带加宽了。

图4－2 负反馈对频率特性的影响

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4 负反馈使放大器的输入、输出阻抗发生变化

由于串联反馈是在原放大器的输入回路串接了一个反馈电压，因而提高了放大器的输入阻抗；而并联反馈是增加原放大器的输入电流，因而降低了放大器的输入阻抗。电压反馈使放大器的输出阻抗降低；而电流反馈使放大器的输出阻抗变大。此外，负反馈对输入电阻和输出电阻影响的程度和反馈深度有关，反馈深度愈大，影响越大。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

双级串联电压负反馈放大器的电路图如图4－3所示。

图4－4 双级串联电压负反馈放大器

1 调整直流工作点

调节电位器Rw1使放大器工作于合适的直流工作点，测量并记录参数

18

参数 测试值

UB1 UC1 UE1 UB2 UC2 UE2 2 负反馈对放大器性能的影响 阿颠三倒四地从私人堵塞阿斗werafsv 虽然法国萎缩司法三三fesfwscv司法司法

分别在放大器开环状态（未引入负反馈）和闭环状态（引入负反馈）下测量放大器的电压增益、输入电阻、输出电阻和通频带，通过对测量数据的分析，进一步加深负反馈对放大器影响的理解。输入信号参数为ƒ＝1kHz，Us＝2mV。

在下表中记录测量的数据，并计算。 参数 输入电压Ui（mV） 测 量 值 输出电压Uo（mV） 输出电压UoL（mV） 下限截止频率f（ LkHz）上限截止频率f（ HkHz） 计 算 值 放大倍数Au 输入电阻Ri 输出电阻Ro 通频带fbw 开环 闭环 3 负反馈放大器的设计

（1）设计要求

设计一个放大器，要求闭环放大倍数为30倍，反馈深度为10，上限截止频率为ƒHf＝400kHz。因为放大器的放大倍数要求不高，可以采用两级放大，电路参考图4－4，确定电阻、电容值。

（2）仿真

通过软件模拟仿真，修改电阻、电容的设计数值，以满足放大器设计指标的要求。 （3）安装设计好的电路，调整工作点使其能稳定工作，然后，测试放大倍数、频带等参数的值，使其达到设计要求。

五、思考题

1 负反馈对放大器性能的改善程度取决于反馈深度|1＋AF|，|1＋AF|是否越大越好，为什么？

2在调试过程中哪些器件对放大器性能的影响最明显，为什么？

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实验五 差动放大电路设计

一、实验目的

（l）掌握差动放大电路的工作原理与性能特点。 （2）理解差动放大电路对共模信号的抑制作用。 （3）学习差动放大电路性能指标的测试方法。

二、实验原理

差动放大电路广泛应用于模拟集成电路中，它具有很高的共模抑制比。诸如由电源波动、温度变化等外界干扰都会引起工作点不稳定，他们都可以看作是一种共模信号。差动放大电路能抑制共模信号的放大，对上述变化有良好的适应性，使放大器有较高的稳定度。

1．典型差动放大电路

如图5－1所示为一个典型差动放大电路。电路两边对称，RE为两管公用发射极电阻，RW为调零电位器。静态时，调节RW可使两管静态电流相等，输出电压UO＝UC1－UC2＝0。

图5－1 差动放大电路

20

如果输入一个信号UId，对地而言则是一对大小相等而极性相反的差模信号

1UI1UI2UId，在T1和T2完全对称的情况下，则有ICQ1增大了IC，UCQ1减少了

2UC；同时ICQ2减少了IC，UCQ2增加了UC，故UodVC1VC22VC。如果忽

略信号源内阻，则差模电压放大倍数Avd为：

AvdUod2Uod12Uod12Avd1UId2UId1UId1RL22RBrbe1(1)RW2式中，RLRC1//端处于中间位置。

RL 1(RBrbe)(1)RW2RL，RBRi1//Rb1，Avd为T1的电压放大倍数，且调零电位器滑动2如果输入一对大小相等极性相同的共模信号UICUI1UI2，则两管电流同时增大，相应IC随之增大，导致RE上的电压降便又随之增大且为单管电流增量的两倍，故RE对共模信号起着很强的负反馈作用。输出端由于各单管输出电压同时减少，且增量相等，故总输出UOC0，几乎对共模信号无放大作用，其单边输出增益也很小。可推导出：

Avc1Avc2RC1RBrbe(1)RW2(1)RE2

其中RC＝RC1＝RC1。

一般

2(1)RERBrbe故上式可简化为：

1(1)RW 2AVC1AVC2RC 2Re晶体管因温度、电源电压等变化引起的工作点变化，在差动放大器中相当于加入了共模信号。因此，差动放大器能大大抑制温度、电源电压等变化对工作点的影响。

2 共模抑制比

在差动放大器中常用共模抑制比来衡量放大器的性能。其定义为：

21

KCMR或

Avd AvcAvd(dB) AvcKCMR(dB)20lgKCMR越大，表示电路对称性越好，对漂移的抑制能力也就越强。

3 差动放大器输入、输出的4种组态

差动放大器有两个输入端和两个输出端。同样，输出也分双端输出和单端输出方式。组合起来,有四种连接方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出。

（1）双端输入、双端输出

前面讨论就是双端输入、双端输出的情况，适用于输入、输出均不能接地的场合。双端输入、双端输出差动放大器，其放大倍数和单管放大倍数相同，实际上是通过牺牲一个管子的放大倍数去换取低温漂的效果。

（2）双端输入、单端输出

差模放大倍数是双端输入、双端输出的一半，输入电阻相同，输出电阻为一半。

这时共模放大倍数不为0，但由于RE对共模信号有很强的抑制作用，所以共模放大倍数也很小。

双端输入，单端输出适用于将双端输入信号转换成单端输出的场合。 （3）单端输入、双端输出

所谓单端输入，是指将输入端中一端接地。等效于双端输入、双端输出的情况，将输入分解为差模和共模，分别进行处理。

单端输入、双端输出适用于将单端输入转换成双端输出或负载不允许接地的场合。 （4）单端输入、单端输出

就相当于双端输入，单端输出。 注意输入与输出之间的相位关系。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 测试差动放大电路

22

（1） 调试测量静态工作点 将两个三极管的输入端接地，即使UI＝0，用万用表测量输出UO，调节RW2，使UO＝0。测量并记录两个三极管的各极直流电压值。

参数 测试值 （2） 测量差模放大倍数 ①双端输入

在电路的两个输入端加入Ui1＝Ui2＝10mV的差模信号，构成双端输入电路（由信号发生器输出交流信号ƒ＝1kHz,，Ui＝20mV，分别加在Ui1和Ui2之间）。分别测量两个三极管输出端的单端输出电压Uod1和Uod2的值，计算出双端输出差模电压Uod＝Uod1-Uod2。注意输出电压的极性。计算单端输出差模增益和双端输出差模增益。

②单端输入

输入端Ui1接地，在Ui2端加入交流信号ƒ＝1kHz,，Ui＝20mV，测出Uod1、Uod2的值，计算Uod和放大倍数。将测量和计算数据填入下表

输出方式 输入方式 双端 Ui＝20mV 单端 Ui＝20mV 测量值 单端输出 双端输出 计算值 单端增益 双端增益 UB1 UC1 UE1 UB2 UC2 UE2

（3） 测量共模放大倍数

将两端Ui1和Ui2相连，在Ui1与地之间加入交流信号ƒ＝1kHz,，Ui＝500mV，构成共模输入电路。分别测量输出电压Uoc1和Uoc2的值，计算出双端输出共模电压Uoc＝Uoc1-Uoc2。注意输出电压的极性。计算单端输出共模增益和双端输出共模增益。

（4）计算共模抑制比

根据共模抑制比的定义，算出该电路在双端输出和单端输出两种情况下的共模抑制比。

2 差动放大电路的设计

（1）设计要求

增益Aud20，双电源VCC12V、VEE12V供电，采用双端输入双端输出工作方式，要求工作点电流ICQ0.5mA，负载RL10K。

（2）仿真

通过软件模拟仿真，修改电阻、电容的设计数值，以满足放大器设计指标的要求。 （3）安装设计好的电路，调整电路，测试参数使其达到设计要求。

23

五、思考题

1 为什么要求输入为零时，输入端一定要接地？

2 双端输入时，为什么不能用毫伏表直接跨接在两个输出端直接测出双端输出电压？ 3 为什么差动放大器既可以加交流信号，也可以加直流信号进行测试？

实验六 集成运算放大器应用（一）——加减运算电路设计

一、实验目的

（l）掌握运算放大器构成比例、求和运算电路的结构特点。 （2）掌握集成运算放大器的设计方法。

二、实验原理

运算放大器是具有两个输人端、一个输出端的高增益、高输人阻抗的电压放大器。在它的输出端和输人端之间加上反馈网络，则可实现各种不同的电路功能，如反馈网络为线性电路时，运算放大器的功能有：放大、加、减、微分和积分等；如反馈网络为非线性电路时可实现对数、乘和除等功能；还可组成各种波形形成电路，如正弦波、三角波、脉冲波等波形发生器。在线性应用中，分析电路遵循的原则是：虚短和虚断。

虚短：认为流入运放两个输入端的电流近似为零。 虚断：认为运放两个输入端的电压近似相等（U+≈U。 －）

使用运算放大器时，调节零点和相位补偿是必须注意的两个问题。为了提高集成运算放大器的运算精度，消除因失调电压和失调电流引起的误差，必须采取调零技术，保证运算放大器输人为零时，输出也为零。一般运算放大器具有外接调零端，例如F007或μA741，它的调零电路如图6－1所示。

图6－1 μA741调零电路

1 反相比例放大器

电路如图6－2所示，当开环增益为∞（大于104以上）时，反相比例放大器的闭环电压增益为：

AufuoRF uiR1由上式可知，选用不同的电阻比值

RF，Auf可以大R1于l，也可以小于1，若取RF＝R1，则放大器的输出电压等于输入电压的负值，也称为反相跟随器。

图6－2 反相比例放大器

24

2 同相比例放大器

电路如图6－3所示，当运算放大器开环增益足够大时（大于104），同相比例放大器的闭环电压增益为：

Auf1RF R1由上式可知，Auf恒大于l。若R1→∞时，Auf为1，于是同相比例放大器转变为同相跟随器。

图

图6－3 同相比例放大器

3．加法器

电路如图6－4所示。当运算放大器开环增益足够时，运算放大器的输人端为虚地，三个输入电压可以彼此地通过自身的输入回路电阻转换为电流，能精确地实现代数相加运算。根据虚断和虚短的概念，有

Ui1Ui2Ui3UO R1R2R3RFRFRFRFUOUUURi1Ri2Ri3 图6－4 加法器电路

231

4 减法器

电路如图6－5所示。当运算放大器开环增益足

够大时，输出电压Uo为：

uoRFui2ui1 R1在电阻值严格匹配的情况下，电路具有较高的共模抑制能力。

图6－5 减法器电路

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台

25

（2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1反相放大器

图6－6 反相比例放大器

实验电路按图6－6连接，使其满足下列关系式：

UO10Ui

在该比例放大器的输人端加人下列电压值 DC： Ui（V） Uo（V） Uo/Ui

AC：f＝lkHz Ui（V） Uo（V） Uo/Ui

测出放大器的输出电压值。

2 同相跟随器

26

－0.5 －0.2 0 0.2 0.5 －0.5 －0.2 0.2 0.5 实验电路按图6－7连接，使其满足下列关系式：

UOUi

在该放大器的输人端加人下列电压值,

图6－7 同相跟随器

Ui（V） Uo（V） Uo/Ui

3 反相加法器

实验电路按图6－8连接，使其满足下列关系式

－0.5 －0.2 0 0.2 0.5 UO10(Ui1Ui2)

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图6－8 加法器电路

在该放大器的输人端加人下列电压值,加人Ui1＝0.5V，Ui2＝1V，Ui3＝1.5V时，测出输出电压值Uo。

输入 Ui1（V） 0.5 0.5

4 设计加减法电路

Ui2（V） 0.5 －1 输出 Uo（V） 放大倍数 Uo/Ui （1）设计一个加法电路，使其满足下列关系式：UO3(2Ui1Ui2)。

①输入信号Ui1、Ui2都是频率为1kHz的正弦信号，幅度分别为U1p-p＝100mV，U2p-p＝200mV，观测输出是否满足设计要求。

②输入信号Ui1是频率为1kHz，幅度为U1p-p＝100mV的正弦信号，Ui2是直流电压（＋0.5V），观测输出是否满足设计要求（注意输入信号中有直流电压使输出信号中含有直流分量后与输出为纯交流信号的不同）。

（1）设计一个加法电路，使其满足下列关系式：

UO10Ui12Ui24Ui3

通过软件模拟仿真，修改电路中电阻值，以满足设计指标的要求。安装设计好的电路，加人Ui1＝0.5V，Ui2＝1V，Ui3＝1.5V时，测出输出电压值Uo。

五、思考题

28

（1）运算放大器作比例放大时，R1与RF的阻值误差为±10%，试问如何分析和计算电压增益的误差。

（2）运算放大器作精密放大时，同相输人端对地的直流电阻要与反相输人端对地的直流电阻相等，如果不相等，会引起什么现象，请详细分析。

（3）为什么交流电压放大器不需要调零？

实验七 集成运算放大器应用（二）——积分与微分电路设计

一、实验目的

（l）掌握运算放大器构成积分、微分电路的结构特点。 （2）掌握集成运算放大器的设计方法。

二、实验原理

1 积分器

电路如图7－1所示，当运算放大器的开环增益足够大时，可认为：

iRiC

其中

iRdutui ， iCCo

dtR1图7－1 积分器电路

将其代人上式，则

uot如果电容器两端的初始值电压为零，则

1uitdt R1C 29

uot当输入信号ui(t)为幅度U的阶跃电压时

1t0uitdt R1C11Ut0Ut RCRCuot1RCt0Udt此时输出电压uo(t)的波形是随时间线性下降，如图7－2所示。如果输人信号ui(t)为幅度U的矩形波，其输出电压uo(t)的波形为三角波，如图7－3所示。

图7－2 积分电路输入与输出波形 图7－3 输入方波时积分器输入与输出波形

实际电路中，通常在积分电容两端并接反馈电阻RF，用做直流负反馈，目的是减小集成运算放大器输出端的直流漂移。但是反馈电阻的存在将影响积分器的线性关系，为了改善线性特性，反馈电阻一股不宜太小，但太大又对抑制直流漂移不利，因而反馈电阻应取适中值。

2 微分电路

电路如图7－4所示。当运算放大器的开环增益足够大时，可得出下列关系：

i1tCduit dtduit dtuotRFiFtRFC因此实现了输出电压与输人电压的微分C关系。当输人电压ui(t)＝Umsinωt时，输出电压：

uot＝－UmRFCcost

实际电路中，应在C2两端并联电阻R2，在C1一端串人电阻R1解决直流漂移、高频噪声等问题。具体电路见图7－5所示。

30

图

7

－

4

微

分

电

路

图7－5 实际微分电路

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台

（3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 积分器

实验电路按图7－6连接。

输人信号Ui为正弦信号，幅度为2V，频率分别为100Hz、500Hz，lkHz时，用双踪示波器同时观察Ui及Uo，记录Uo的幅度和Ui相的相位。

输人信号Ui为方波信号，幅度在±2V之间交替变化，频率为200Hz。用双踪示波器同时观

察Uo和Ui的波形，并记录幅度值。

图7－6 积分电路

2 微分器

实验电路按图7－7连接，为了防止振荡及噪声，实际电路中附加C2。

①在输人端加人正弦信号，其峰峰值为5V，频率分别为100Hz、200Hz、500Hz，用双踪示波器同时观察Ui和Uo，详细记录其峰值和相位。

②输人信号Ui改为三角波信号，其幅度为5Ⅴ，频率为500Hz，用双踪示波器观察Ui和Uo，详细记录输人和输出波形以及它们相互间的相位关系。

图7－7微分电路

3 设计反相积分器

设计一个反相积分器，积分时间常数为2ms。 （1）输入信号为方波，频率为1kHz，，幅度Up-p＝6V，观测输出信号的幅度，与理论

31

值相比较。

（2）改变积分器的时间常数，使之增大或减小，观测输出信号的幅度的变化及失真情况，进一步掌握积分时间常数RC对输出的影响。

4 设计反相微分器

设计一个反相微分器，时间常数为1ms。 （1）输入信号为三角波，频率为1kHz，，幅度Up-p＝2V，观测输出信号的幅度，与理论值相比较。若输出有振荡，对电路进行改进，直至振荡基本消除。

（2）改变输入信号的频率，使之增大或减小，观测输出信号的幅度的变化及失真情况，进一步掌握当输入信号频率变化时微分器时间常数RC对输出的影响。

五、思考题

（l）运算放大器接成积分器时，在积分电容两端跨接电阻RF，试分析为什么能减少输出端的直流漂移？

（2）分析同相积分器的原理，并与反相积分器进行比较，分析有何优缺点。

实验八 集成运算放大器应用（三）——波形发生电路设计

一、实验目的

（1）学习用运放组成方波、三角波发生器。

（2）观测方波、三角波发生器的波形、幅度和频率。

（3）通过自行设计正弦波变三角波电路，进一步熟悉波形变换电路的工作原理及参数计算和调试方法。

二、实验原理

方波、三角波发生电路组成框图如图8－1所示。

图8－1 方波、三角波发生器组成框图

1 方波发生器

图8－2（a）是一种简单的方波发生器，电路由迟滞比较电路和积分电路构成。

图中运放和电阻R1、R2组成反相迟滞比较电路。通过正反馈网络R1、R2从输出电压取得基准电压VR。R、C组成积分电路，产生比较电压UC(t)。双向稳压管DZ和限流电阻R3组成双向限幅电路，控制输出幅度为±UZ。电路中输出电压波形Uo，电容两端电压UC的波

32

形如图8－2（b）所示，由此可以计算出振荡周期为：

R1T2RCln12R2 

图8－2 方波发生器

2 方波、三角波发生器

电路如图8－3（a）所示。图中运放A1和电阻R1、R2组成同相迟滞比较电路，运放A2

和电阻R、C组成反相有源积分电路。电路波形如图8－3（b）所示，由此可以计算出振荡周期为：

T4RCR1 R2

图8－3 方波、三角波发生器

R的阻值在调整方波－三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用C改变频率的范围，R实现频率的微调。

方波的输出幅值应近似等于电源电压＋UCC。三角波的输出幅值应不超过电源电压＋UCC。电阻R的值变化可以实现幅度微调，但会影响方波－三角波的频率。

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3 锯齿波发生器

对三角波发生电路作适当修改，使积分电路具有不同的充放电时间常数，便可构成锯齿波发生器。如图8－4所示。

图8－4 锯齿波发生器

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 测量方波－三角波发生器的参数

按实验电路图接线，构成方波－三角波发生器，用示波器观测Uo1和Uo2的波形。

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测量方波的幅值、频率及频率的调节范围。

测量三角波的峰值及峰值调节范围，并观察在调节三角波峰值时，波形有什么变化。

2 设计振荡频率为500Hz的方波发生器，输出幅度为±6V。设计电路，并用软件仿真确定电路中电阻、电容的值，按照设计的电路图搭接电路，达到设计要求。

3设计振荡频率为1kHz的三角波发生器或者锯齿波发生器，要求第一级输出的矩形波的占空比为20%。设计电路，并用软件仿真确定电路中电阻、电容的值，按照设计的电路图搭接电路，达到设计要求。

五、思考题

1 分析图8－4工作原理，导出电压（V）与频率的关系式。 2 设计一正弦波变换为三角波电路，要求如下：

（1）输人信号频率为500Hz、有效值在1V－3V范围内的正弦波。 （2）要求输出电压是峰峰值为6V的三角波，其频率与输人信号相同。

实验九 RC有源滤波电路设计

一、实验目的

（l）熟悉用运放构成有源低通、高通滤波器。 （2）掌握滤波器的设计方法。 （3）进一步熟悉幅频特性的测试。

二、实验原理

滤波器是模拟信号处理地常用单元。由R、C元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。和无源滤波器相比，RC有源滤波器的主要优点是：截止频率（或中心频率）调节方便；可提供通带内一定的增益；输出阻抗低，便于级联组合为高阶滤波器，或由高通及低通滤波器组合成带通或带阻滤波器。但因受运算放大器频带，这类滤波器主要用于低频范围。目前有源滤波器的最简工作频率只能达到lMHz左右。根据对频率范围的选择不同，可分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。按滤波器逼近函数不同，又分巴特沃斯（Butterwoth）、切比雪夫（Chebyshev）滤波器和椭圆（Eliptic）滤波器。这里主要介绍通常具有最大平坦响应的巴特沃斯二阶滤波器的工程实用设计方法。

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图9－1 滤波器的幅频特性

1 二阶有源低通滤波器

典型的二阶有源滤波器如图9－2所示，抑制尖峰脉冲，反馈回路可增加C3，C3的容量一般为2pF~51pF。

图9－2 二阶有源低通滤波器

其传递函数的关系式为

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Ass2式中，AUf、n、Q分别表示如下：

2AUfnnQ

2snAUf1RfR1

nR1R2C1C2R1R2C1C2

QC2R1R21AUfR1C1

当Q＝0.707时，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器。在设计中，一般R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则

nQ1 RC1

3AUfn、Q分别由R、C值和运放增益的变化来单独调整，相互影响不大，因此该设计法

对要求特性保持一定n而在较宽范围内变化的情况比较适用。

2 二阶有源高通滤波器

高通滤波器与低通滤波器具有完全的对偶性，把图9－2中R1和C1、R2和C2位置互换就能构成如图9－3所示的二阶有源高通滤波器，二者的参数表达式和特性也有对偶性。

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图9－3 二阶有源高通滤波器

二阶有源高通滤波器的传递函数为

Ass2AUfs2nQ

2sn式中，AUf、n、Q分别表示如下：

AUf1RfR

n1R1R2C1C2

Q1/n

R2C1C21AUfR2C21 RC在设计中，一般R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则

nQ1

3AUf设计参数时。先确定截止频率fH。通常电容C的容量宜在微法数量级以下，R的值一般为几百千欧以内，由于电容容值档量级较少，常先选用C值，再利用n、AUf、Q等公式计算电阻R的值。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 设计一个二阶有源低通滤波器，具有巴特沃斯特性，已知fH＝1kHz。通过计算确定参数，并用软件仿真，以达到设计要求。连接电路测试滤波器的幅频响应，将结果填入下表。

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Vi＝0.1V的正弦信号 信号频率（Hz） Vo(V) 20lg∣Vo/Vi∣dB 2 设计一个二阶有源高通滤波器，具有巴特沃斯特性，已知fH＝100Hz。通过计算确定参数，并用软件仿真，以达到设计要求。连接电路测试滤波器的幅频响应，将结果填入下表。

Vi＝0.1V的正弦信号 信号频率（Hz） Vo(V) 20lg∣Vo/Vi∣dB 3 设计一个弱信号放大器，频率范围为（0～1.5）kHz，为了抑制噪声，需要将高于1.5 kHz的信号去除，用滤波器进行设计。要求AUf＝2，阻带区以20dB/十倍频程的斜率衰减。实验调整，测量滤波器的性能参数及幅频特性。

50 100 300 500 700 1k 2k 5k 50 100 300 500 700 1k 2k 5k 五 思考题

1 低通滤波器中为什么要节调零电位器，说明接入调零电位器后可改善滤波器的哪些性能

2高通滤波器的上限截止频率受受哪些因素影响，采取什么措施减小这些影响。

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实验十 直流稳压电源设计

—、实验目的

1 加深理解串联型直流稳压电路的工作原理。 2 掌握串联型直流稳压电路技术指标的测量方法。 3 熟悉串联型直流稳压电路的特性。

二、实验原理

1 直流稳压电源的基本原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图10－1所示。各部分电路的作用如下：

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图10－1 直流稳压电源基本组成框图

（l）电源变压器T的作用是将电网220Ⅴ的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P2=η，式中η为变压器的效率。

（2）整流滤波电路 整波滤波电路Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路将脉动直流电压的纹波减小或滤除，输出直流电压U1。常用的整流滤波电路由全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图10－2(a)、(b)和(c)。各滤波电容C满足：

RL1C(3~5)T 2式中T为输人交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。

图10－2几种常见整流滤波电路

（3）稳压电路

采用输出电压连续可调的串联型稳压电源，串联反馈式稳压电路由基准电压源、取样电路、比较放大电路和调整电路四部分组成。在分析这种电路时，要抓住调整电路中的调整管和比较放大电路中的放大器件均工作在线性区这一特点来进行。

基本电路如图10－4所示， R36与BG5组成BG6的基准电压，R41，RW10，R42组成了输出电压取样电路，由于D5的存在，所以BG8发射极的电位是恒定的，通过BG7的控制，使输出电压稳定，RW10是一个可变阻器，调整它就可改变取样值，从而使输出电压也将发生变化。这种电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。

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图10－4串联型稳压电路

2 稳压电源的性能指标

稳压电源的性能指标分为两种：一种是特性指标，一种是质量指标。测试电路如图10－5所示。

图10－5 稳压电源的性能指标测试电路

（1）特性指标

① 输入电压及其变化范围

② 输出电压Uo及其调节范围Uomax~ Uomin。

③ 额定输出电流Iomax（指电源正常工作时的最大输出电流）以及过流保护值。在测量Uo的基础上，逐渐减小负载RL，直到Uo下降5％，此时负载RL中的电流即为Iomax。

（2）质量指标

① 稳压系数Sr和电压调整率Ku

稳压系数：在负载电流、温度系数不变的情况下，输入电压的变化±10％引起输出电压的相对变化，即

SrUo/Uo

Ui/Ui电压调整率：输入电压的变化10％引起输出电压的相对变化，即

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KuUo Uo稳压系数Sr和电压调整率Ku说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。

②输出电阻Ro和电流调整率Ki 输出电阻：在输入电压不变的情况下，输出电压的变化量与输出电流变化量之比的绝对值，即

RoUoIo

电流调整率：输出电流从0变到最大值Iomax时所产生的输出电压相对变化值，即

KiUo Uo输出电阻Ro和电流调整率Ki说明负载电流变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。

③纹波电压

纹波电压是指叠加在输出电压Uo上的交流分量。用示波器观测其峰－峰值。一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值，但因纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量纹波电压存在一定误差。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 测量稳压电源的性能指标

按照电路图10－6接好实验板，检查无误后，接通电源

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图10－6 串联型直流电源电路图

（1）测量稳压电源的输出电压及其调节范围

调节变压器，使变压器输出电压UI为220V，选择适当的负载RL，使稳压电路输出电流IL≈Iomax/2左右。调节取样电阻RW10观察输出电压Uo的变化情况，如果Uo的值能跟随RW10线性变化，说明稳压电路正常工作。否则，检查电路，直至正常工作。测量Uo的最大值Uomax和最小值Uomin，并记录。

（2）测量稳压系数

首先将变压器输出电压UI为220V，调节取样电阻RW10使输出电压为规定值，换上适当的输出电阻RL。调节变压器输出电压UI＝242V，测出此时的稳压电源输出电压Uo1，再调节变压器输出电压UI＝198V，测出此时的稳压电源输出电压Uo2。根据Sr的公式计算。

（3）测量纹波电压

用示波器观测其峰－峰值，并记录。也可用毫伏表测量有效值，但不准确。

2 设计一个直流稳压电源

要求：输入交流电压50Hz、220V；输出直流电压为12V；输出电流0～500mA；电压调整率小于10mV；内阻小于0.1Ω；纹波电压峰－峰值小于5mV。通过计算确定电路参数。用软件仿真，测试其性能参数，并加以改进。

五、思考题

1 采用串联型稳压电路能否使负载电流发生变化时输出电压绝对不变。

2稳压电源输出电压不正常或输出电压不随取样电位器而变，应如何检查才能找出原因。

实验十一 集成稳压电源设计

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—、实验目的

1选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源。 2掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

二、实验原理

直流稳压电源的基本原理和直流稳压电源性能指标的测试方法在实验十中已经介绍，集成直流稳压电源与串联型直流稳压电源的稳压电路部分不同，这里选用可调式三端集成稳压器CW317，其参数特性为：Uo＝1.2～37V，Iomax＝1.5A，最小输入输出压差(Ui－Uo）min＝3V，最大输出压差(Ui－Uo）max＝40V。

CW317的外部封装和内部电路框图如图11－1

图11－1 CW317的外部封装和内部电路框图

参考电路如图11－2所示

图11－2用CW317设计直流稳压电源的参考电路】

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台

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（3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 设计一个集成直流稳压电源

要求：输入交流电压50Hz、220V；输出直流电压为Uo＝＋3～＋9V， Iomax＝0.8A，最

－

小输入输出压差ΔUo≤5mV，Sr≤3×103。

通过计算，选择适当的整流二极管和滤波电容，并用软件仿真。连接电路后，测量性能参数以达到设计要求。

2 设计一个集成直流稳压电源

要求：输入交流电压50Hz、220V；输出直流电压为Uo＝＋5～＋12V， Iomax＝1A，纹波电压≤5mA，电压调整率Ku≤3%，Ki≤1%。

通过计算，选择适当的整流二极管和滤波电容，并用软件仿真。连接电路后，测量性能参数以达到设计要求。

五、思考题

1 说明集成稳压器扩展输出电流或做恒流源应用时的电路。

实验十二 集成功率放大电路设计

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一、实验目的

（l）了解集成功率放大器的工作原理及使用方法。 （2）掌握集成功率放大器主要性能指标的测试方法。 （3）了解功率放大器对负载匹配的要求。

二、实验原理

在一些电子设备中，常常要求放大电路的输出级能够带动较重负载，因而要求放大电路有足够的输出功率，这种放大电路统称为功率放大电路。对功率放大电路的要求与电压放大电路有所不同，主要从以下几个方面考虑：

（1）能根据负载的要求，提供所需的输出功率； （2）具有较高的效率； （3）尽量减小非线性失真。

基于上述要求，功率放大器的主要指标有：

（1）最大不失真输出功率Pomax

最大不失真输出功率是指在正弦输人信号下，输出不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和电流有效值的乘积。在测量时，可用示波器观察负载电阻上的波形，在输出信号最大且满足失真度要求时，测量输出电压的有效值，即可得Pomax＝Uo2／RL。

（2）功率增益

功率增益定义为AP10lgPo，其中，Po为输出功率，Pi为输人功率。 Pi（3）直流电源供给功率PE

电源供给的功率定义为电源电压和它所提供的电流平均值的乘积，即PE＝E2／RL。 （4）效率η

放大器的效率是指提供给负载的交流功率与电源提供的直流功率之比，即η＝Pomax／PE。

功率放大电路可以由分立元件组成，也可由线性集成功率放大器组成。集成功率放大器克服了晶体管分立元件功率放大器的诸多缺点，其性能优良，稳定可靠，而且所用外围元件少，结构简单，调试方便。它的内部电路一般也由前置级、中间级、输出级和偏置电路等组成，与电压放大器不同的是其输出功率大、效率高。而且集成功放的内部电路中还常设有过流、过压及过热保护电路；以保证其在大功率状态下能够安全可靠地工作。

集成功率放大器的种类很多，下面介绍LM386集成功率放大器。

LM386是一种低电压通用型集成功率放大器，其内部由输人级、中间级和输出级等组成，对外有8个引脚。其典型应用电路如图12－1所示。

电路为单端输人方式，输人信号由C1为接人同相输人端3脚，反相输人端2脚接地。管脚1、8开路时，其内部的负反馈最强，整个电路的电压放大倍数为20，若在1、8脚之间外接旁路电容，可使电压放大倍数提高到200。在实际使用中，常常在1、8脚之间外接阻容串联电路，通过调节电阻的大小使电路的电压放大倍数在20～200之向变化。5脚外接电容C3为功放输出耦合电容，以便构成OTL电路。R1、C4是频率补偿电路，用以消除负载电感在高频时产生的不良影响，改善功放的高频特性并防止高频自激。

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图12－1LM386典型应用电路

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

实验电路与图12－1电路相同。电源电压UCC＝＋6V，若固定电压放大倍数，可使1、8脚开路，使AU＝20。

按照图12－1搭接电路，对集成功率放大器的主要特性参数进行测试。

（1）负载电阻RL＝1 kΩ，在输出达到最大不失真条件下，测量电压增益AU、输出功率Po、输人电阻Ri、电源供给功率PE、效率η、输人功率Pi、功率增益AP。（在测量PE时，可在电源与电路的电源引脚之间串接一个电流表，直接测量电源为电路所提供的电流。）

（2）负载电阻RL＝8.2Ω，当功率放大电路在最大不失真条件下，测量电压增益AU、输出功率Po、输人电阻Ri、电源供给功率PE、效率η、输人功率Pi、功率增益AP。

（3）对接人不同负载所测量的数据进行分析，掌握功率放大与电压放大各自不同的特 点，以及功率放大器对负载匹配的要求。

五、思考题

1在测量集成功率放大器在某一条件下的输出功率时，为什么要使输出达到撮大不失真状态？

2是否负载上得到的电压越大功率也越大？得到最大功率的条件是什么？

实验十三 负反馈放大电路仿真设计

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一、实验目的

（l）学习EWB仿真软件的使用。

（2）掌握用EWB仿真模拟电路的方法。

（3）加深理解负反馈放大电路的各项性能指标。

二、实验原理

EWB（Electronic Workbench）软件是加拿大Interactive Image Tehnologies公司推出的专门用于电子线路仿真的 “虚拟电子工作台”，EWB6.0版本叫做Multisim 2001。该软件提供了一个集成化的原理图输入工具、数模混合仿真、波形显示、图形化输入、智能化连线、层次化设计。并且它在桌面上提供了万用表、示波器、函数发生器、频谱仪、字符发生器、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、交流表等仪器仪表。它的界面直观，易学易用。利用“虚拟电子工作台”，在计算机上，就可以完成电路的原理性、扩展性和开发性实验和研究。

EWB不仅可以完成电路的瞬态和稳态、时域和频域、器件的线性和非线性、电路的噪声和失真等常规电路的分析，而且还提供了离散傅立叶、电路零极点、传递函数、灵敏度、容错分析、最差情况分析、蒙特卡罗分析等14种电路分析方法，并且有故障模拟和数据存储功能。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 本实验可选用实验四负反馈放大器的电路。 （1）创建电路。

（2）测试静态工作点，判断三极管是否正常工作。 （3）分别测出开环，闭环增益Au,Auf,并验证 AufAu 。

1AuFu（4）用波特仪测量开环，闭环的上下限截止频率，并验证

fHffH(1AuFu) fLffL 。

1AuFu （5）验证电压串联负反馈的输入电阻，输出电阻的关系式。

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（6）记录输出原理图，静态工作点，开环、闭环输出波形，开环，闭环幅频特性曲线。 （7）计算出Au,Auf,fH,fHf,fL,fLf,RO,ROf,Ri,Rif，与理论值进行比较，并得出结论。 （8）将仿真测量结果与实际测量结果相比较，分析误差。

2 用分立元件设计一个 交流放大电路，用于指示仪表中放大弱信号，具体指标如下： （1）工作频率：f＝30Hz～30k Hz （2）信号源：Ui＝10mV（有效值），内阻Rs＝50Ω。

（3）输出要求：Uo≥1V（有效值）,输出电阻小于10Ω，输出电流Io≤1Ma(有效值)。 （4）输入要求：输入电阻大于20kΩ。

AufAu（5）工作稳定性：当电路元器件改变时，若10%，则1%

AuAuf按要求设计电路，确定电阻、电容值。用EWB软件对设计电路进行仿真，测量电路性

能参数，如不符合设计要求，对电路中的电阻、电容值进行改进，使之符合要求。

实验十四 差动放大电路仿真设计

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一、实验目的

（l）掌握用EWB仿真模拟电路的方法。

（2）加深理解差动放大电路的各项性能指标。

二、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

三、实验内容及步骤

1 本实验可选用实验五差动放大器的电路。 （1）创建电路。

（2）测试静态工作点，判断三极管是否正常工作。

（3）差模放大特性分析，测量差模放大电路的交流特性参数。 （4）共模抑制特性分析。

（5）将仿真测量结果与实际测量结果相比较，分析误差。

2设计一个双端输入－双端输出差动直流放大电路，当输入信号Uid＝100mV，输出电压不小于2V，KCMR<40Db，内阻Rs＝40kΩ, 负载电阻RL＝120kΩ。

3设计一个带有恒流源的单端输入－单端输出差动放大电路，当输入信号f＝1kHz，Uid

＝20mV，Aud>10，KCMR<40dB，内阻Rid>10kΩ,负载电阻RL＝20kΩ。

按要求设计电路，确定电阻、电容值。用EWB软件对设计电路进行仿真，测量电路性能参数，如不符合设计要求，对电路中的电阻、电容值进行改进，使之符合要求。

实验十五 积分与微分电路仿真设计

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一、实验目的

（l）掌握用EWB仿真模拟电路的方法。

（2）加深理解积分电路和微分电路的各项性能指标。

二、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

三、实验内容及步骤

1选用实验七中的积分放大电路。 （1）创建电路。

（2）加入输入信号，用示波器观察并记录输出信号。

（3）改变输入信号，观察输出信号的变化。 （4）改变电路中电阻和电容的值，观察输出信号的变化。 （5）将仿真测量结果与实际测量结果相比较，分析误差。

2选用实验七中的微分放大电路。 （1）创建电路。

（2）加入输入信号，用示波器观察并记录输出信号。

（3）改变输入信号，观察输出信号的变化。 （4）改变电路中电阻和电容的值，观察输出信号的变化。 （5）将仿真测量结果与实际测量结果相比较，分析误差。

3 设计一个积分放大电路，将幅值为2V，周期为1ms的方波变换成三角波。

4设计一个将三角波转换成方波的反相微分电路，其输入三角波信号的斜率为0.01V/μs。其最大输出电压范围UOM＝±10V。

按要求设计电路，确定电阻、电容值。用EWB软件对设计电路进行仿真，测量电路性能参数，如不符合设计要求，对电路中的电阻、电容值进行改进，使之符合要求。

实验十六 波形发生电路仿真设计

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一、实验目的

（l）掌握用EWB仿真模拟电路的方法。

（2）加深理解正弦波、方波、三角波和锯齿波电路的各项性能指标。

二、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

三、实验内容及步骤

1 设计一个振荡频率f＝500Hz的RC正弦振荡电路。

2 设计一正弦波变换为三角波电路，要求如下：输人信号频率为500Hz、有效值在1V－3V范围内的正弦波。输出电压是峰峰值为6V的三角波，其频率与输人信号相同。

3设计一个方波－三角波－正弦波发生器，要求：频率范围为100Hz～1kHz, 1kHz～10kHz；输出电压为方波Uopp≤24V，三角波Uopp＝6V，正弦波Uopp>1V；波形特性：方波tr<30μs（1kHz，最大输出时）。

按要求设计电路，确定电阻、电容值。用EWB软件对设计电路进行仿真，测量电路性能参数，如不符合设计要求，对电路中的电阻、电容值进行改进，使之符合要求。

实验十七 可录放扩音机设计

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一、实验目的

（1）了解功率放大器的工作原理和使用特点。 （2）学习功率放大器电路指标的测量方法。 （3）了解语音芯片的工作原理和使用特点。

二、实验原理

设计一个主要由语音芯片和集成运算放大器组成的语音扩音电路。该电路的原理框图如图17－1所示。

图17－1 录放机电路框图

输入信号由话筒输入，经前置放大电路放大，可以直接通过功率放大电路输出；也可以在录音键和放音键的控制下，经过语音电路，完成录音或放音功能，再通过功率放大电路输出。

其中，前置放大电路为测量用小信号放大电路。采用改进的共射级放大电路。 语音电路主要通过按键的控制实现对语音信号的录音和放音功能。语音电路由ISD1420语音芯片构成。

功率放大电路的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高，非线性失真尽可能小。功率放大电路由UTC2003（TDA2003）集成功放构成。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

1 实验电路图 如图17－2。按照电路图焊接元件。应注意二极管的极性，电解电容的极性及电阻的阻值。

2 检查无误后接通+12V电源，进行调试。调试时注意先进行基本单元电路的调试，然后再系统联调。

（1）功率放大电路的调试与测量

静态电路调试。输入端对地短路，用示波器观察输出端有无振荡，如有振荡，应加相位补偿电容消除振荡现象。

功率参数测试。（输出端接 RL=4Ω） ① 测量最大不失真功率POM

在输入端加入f=1kHz的正弦信号UI，幅值从零逐渐变大。观察输出波形，当输出电压UO的波形出现临界削波时，测量此时RL两端的最大不失真输出电压UOM，则

POM=

2UOMRL

② 测量电源供给的平均功率PV

近似认为电源供给电路的功率即为PV，所以在测试UOM的同时只要在供电回路里串入一只直流电流表测出直流电源提供的平均电流IC，即可求出PV。

PV=UCC•IC

此平均电流IC也就是静态电源电流。 ③ 计算效率η

=④ 计算电压增益AU

POM PVAU=

UOM UI ⑤ 测量放大器的频率特性

用逐点法测量。在放大器的输入端加输入信号UI，保持其幅度不变，改变其频率，用毫伏表测出对应的输出电压值UO，将所测各频率点对应的输出电压值连成曲线，即为放大器的频率响应。

（2）语音电路的调试

按下电源开关键，整个电路上电，可以开始进行工作。 按下放音键，则电路开始放音操作；若语音芯片内部存储器的数据已经播放完毕而此键还没有抬起，则自动进行循环播放，直到按键抬起为止。

按下录音键，则电路开始对麦克输入的语音信号进行录音操作；当按键抬起或语音

芯片内部存储器已录满时，则电路停止录音。另外，录音操作优于放音操作，若在放音过程中按下录音键，则电路立即停止放音，进入录音状态。

功能切换键抬起时可以对麦克输入语音信号进行音量放大，音源为前置放大电路的输出

信号；按键按下时对语音芯片内部的语音信号进行音量放大。

3 试听

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系统联调与各项性能指标测试完后，可以模拟试听效果；用语音信号代替信号源，用喇叭代替RL（RL=4Ω）进行试听。

4 选做测量整机的放大倍数和功率。

实验十八

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电表电路设计

一、实验目的

（l）掌握模拟集成繁用表的安装，调试过程，并了解电流表、电压表的内阻上的不同。 （2）掌握电桥测量，表头刻度等电路的设计技巧。

二、实验原理

普通的模式电表中最常见的是以磁电式电流表（又称表头）作为指示器，它具有灵敏度高、准确度高、刻度线性以及受外磁场和温度影响小等优点，但其性能还不能达到较为理想的程度。某些测量电路中，要求电压表有很高的内阻，而电流表的内阻却很低， 直流电压表或需要测量微小的电压、电流等。

将集成运放与磁电式电流表结合，可构成内阻大于10MΩ/V的电压表和内阻小1Ω的微安表等性能优良的 电子测量仪器。

1直流电压表和电流表

（1）直流电压表

根据被测直流电压是从运放正相输入端还是反相输入端接入，可将直流电压表分为同相输入式和反相输入式两种。将表头接在运放的输出端，被测直流电压Ux接于反相输入端，构成反相输入式直流电压表；把被测信号Ux接于同相端，则构成如图18－1所示的同相输入式直流电压表，图（a）是原理电路，图（b）是扩大成为多文件量程的实际电路。

图18－1同相输入式直流电压表

下面分析18－1（b）所示电路的工作原理。在放大器的输出端接有量程为150mV的电压表，它由200μA表头和750Ω的电阻（包括表头内阻）串联而成。当输入电压Ux=50mV时，输出

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Uo(1RF25)Ux(1)25mV150mV R15电压表达到满量程。

由电阻分压器来扩大量程，分压后的各文件电压在同相输入端的值U+均不超过25mV。显然，由于同相输入方式的运放输入电阻非常大，所以此电路可看作是内阻无穷大的直流电压表，它几乎不从被测电路吸收电流。

反相输入式电压表与同相输入式电压表的差别在于它的放大倍数为

RF，表头在输R1出端的极性应与图18－1相反，而且输入电阻不能达到很大。

（2）直流电流表

直流电流表测量的实质是将直流电流换成电压。仿照直流电压表的构成原理，电流表是把表头接在运放的输出端，通过改变反馈电阻即可改变电流表的量程。由于电流表希望内阻越小越好，所以被测电流Ix常由运放的反相输入端加入。

这里介绍将表头接在反馈回路的直流电流表，其原理电路如图18－2（a）。电阻RM为表头内阻，表头流过的电流就是被测电流，即

If=Ix

且与表头内阻RM无关。

电流表的内阻很小，约为

RiRM

1Auo其中AUO为运放的开环电压放大倍数。

图18－2（b）为高灵敏度直流电流表电路。由虚短原则U-=U+，可推导得表头流过的电流与被测电流的关系为

I(1R1)Ix R2

图18－2直流电流表电路

可见，被测电流Ix小于流过表头的电流I，所以提高了电流表的灵敏度。利用运放和100μA的表头构成的直流电流表，适当选取参数，可达到量程为10μA、内阻小于1Ω的高精度，这是普通微安表所达不到的。

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2 由运放构成的线性整流电路

在对交流电压和电流进行测量时，常常是先将它们进行整流，从交流量变换成直流量，然后再测量。将二极管整流接在运放的反馈回路中，即得到图18－3所示全波整流电路。

当输入电压Ui为正半周时，因运放为反相输入方式，其输出Uo为负半周，二极管V2和V4导通，负载RL上电压为正，即UL>0；当输入Ui<0时，Uo>0，二极管V1和V3导通，负载电压仍为正，即UL>0，因而得到全波整流电压。二极管伏安特性的非线性影响很小可忽略不计，因而实现线性整流。负载电压平均值与输入电压有效值（因输入为正弦电压）之间的关系为

UL=0.9Ui

利用整流电路和微安表可构成交流电压表和电流表。 图18－3精密全波整流电路

3交流电压表和电流表

（1）交流电压表

精密半波整流交流电压表电路如图18－4所示，它由精密半波整流电路和分压电阻构成。因为被测电压为交流，所以接在运放输出端的是交流电压表。

图18－4精密半波整流交流电压表

图18－4点画线框内部分即为精密半波整流电路，它相当于量程为50mV ,内阻接近无穷大的交流电压表。当同相输入端电压的有效值为U+=50mV时，流过微安表的电流平均值I为200μA。输出电压为半波整流电压，其平均值为 Uo0.45(1RFR)U0.45(1F)KiUx R1R1其中，Ux为被测交流电压有效值，Ki为不同量程的分压系数。图中流过微安表的电流I是

被测交流电压经整流而形成的，与Ux成正比，所以测量I即是测量Ux。由于I为直流，故交流电压表的刻度是均匀的。根据式5-5-6，可计算出各分压电阻的阻值。

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（2）交流电流表

将图18－3的精密全波整流电路稍加改动，即可构成如图18－5所示的交流电流表。

图18－5交流电流表

图18－5（a）中微安表头是经过整流桥接入反馈电路的，所以流过表头的为全波整流电流，它指示的是电流的平均值I，若被测电流为正弦电流，则

I=0.9Ix

其中，Ix为被测电流有效值。上式说明，微安表的指示只取决于Ix，而与微安表内阻及二极管的非线性无关，因此其刻度也是均匀的，具有较高的测量精度。

若要测量较大电流，则需扩大电流表的量程，图18－5（b）即为一个多量程的交流电流表。起测量的实质是将被测电流经已知电阻转换成电压，再利用电压表进行测量。

4电阻测量电路

普通万用表的欧姆档有测量精度不高的问题：当被测电阻Rx与该档的 等效内阻（即中值

电阻）RZ比较接近时，测量值较准确，但当Rx>>RZ时，只能大致估计Rx的阻值，因为刻度不均匀。利用运放构成的欧姆表，可使测量电阻的精度大大提高，并可获得线性刻度。

(1)线性刻度欧姆表

由反相比例接法的运放及其外围电路构成的欧姆表如图18-6所示。

图18－6线性刻度欧姆表

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被测电阻Rx作为运放的负反馈电阻接在输出端和反相输入端之间。输入信号电压UZ固定，取自稳压管。不同阻值的输入电阻R1组成不同的电阻量程。当UZ和R已知时，有输出电压

UoRxUz R1UoR1 Uz 上式表明，Uo与被测电阻RX成正比，由线性欧姆刻度的电压表即可读出电阻RX的阻值

Rx式中Uo<0.

欧姆表的刻度程线性是由于它测量的实质是将电阻转换成直流电压，再用电压表测量，所

以此电路亦称欧姆-电压转换器。

由于输入端失调引起的不平横，可用开关S2对运放进行调零来调整，以提高测量精度。

（2）电桥测量电路

图18－7所示为利用电桥平衡原理测量电阻的欧姆表电路，它实质上是一个差动输入运算放大器电路。

图18－7电桥测量电路

被测电阻Rx接在同相输入端与地之间。运放的输入为电桥的电源，调节电阻RP的大小，使输出电压为零，相当于电桥平衡。由差动比例运算关系的条件，可导出

RxR2 RPR1即 RxR2RPKoRP R1 其中，Ko为欧姆表的倍率，当R2取不同阻值时，即构成不同倍率的电阻档量程。RP为带有刻

度指示的可变电阻。

这种平衡电桥测量电路大大提高了精度，测量结果与输入无关，其精度取决于RP的线性度

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以及调零的准确与否。二极管V1、V2起输出限幅保护的作用，R/2为电源Us的限流电阻。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套

四、实验内容及步骤

设计一个模拟集成万用表。技术要求指针如下： (1) 直流电压测量范围：（0～15V）±5﹪ (2) 直流电流测量范围：（0～10mA）±5﹪

(3) 交流电压测量范围及频率范围：有效值（0～5V）±5﹪;50Hz～1kHz (4) 交流电流测量范围：有效值（0～10mA）±5﹪ (5) 欧姆表测程：0～1kΩ

(6) 要求自行设计Vcc和-VEE直流稳压电源（不含整流与滤波电路） (7) 要求采用模拟集成电路，器件自选

(8) 采用50μA或100μA直流表，要求测试出其内阻RM数值。

五、思考题

1 电压表内阻不够高，而电流表内阻不够低，则所设计的繁用表在测量时会有什么影响？ 2指针中直流电压的测量最高值15V，依据什么而定，若要求直流电压测量范围为（0～20V），则电路应怎样修改？

3影响交流表的测量频率有那些因素？为什么？

实验十九 ispPAC可编程模拟器件应用

一、实验目的

（l）熟悉ispPAC10、ispPAC20可编程器件的结构、功能。 （2）掌握ispPAC10、20应用放大器的设计方法。 （3）学会ispPAC放大器各项指标的测试方法。

二、实验原理

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1 ispPAC10器件介绍

在系统可编程模拟电路（In-System Programmability Programmable Analog Circuits 简称ispPAC）是美国Lattice 公司在本世纪末的新发明，它具有三种可编程性能。1.可编程功能：通过软件设计，可实现放大、叠加、滤波、积分等功能。2.可编程互联：能把器件中的多个功能块进行互联，能对电路进行重构，具有百分之百的电路布通率。3.可编程特性：能调整电路的增益、带宽和阀值。这一技术的诞生，翻开了模拟电路设计的新篇章，为电子设计自动化（Electronic Design Automatic 简称EDA）技术的应用开拓了更广阔的前景。从本章起，将介绍器件、设计软件、设计方法、应用及实验开发系统。本实验将介绍ispPAC10在系统可编程模拟器件的结构特性、功能、应用范围等，是Lattice 公司的第一批在系统可编程模拟电路。

ispPAC10器件的结构如图19－1所示，由四个基本单元电路，模拟布线池，配置存储器，参考电压，自动校正单元和ISP接口组成，如图19－3所示。器件用5伏单电源供电，内部产生2.5伏参考电压。基本单元电路称为PAC块(PACblock)，它由两个仪用放大器(IA1、IA2)和一个输出放大器(OA1)组成，并配以电阻、电容构成一个真正的差分输入、差分输出(即每个仪用放大器都有两个输入端，输出放大器也有两个输出端)的基本单元电路，如图19－2所示。电路的输入阻抗为10欧姆，共模抑制比为69dB，增益可以为-10~10的20种选择，输出放大器的电容CF可以为

1pF~62pF的128种选择，反馈电阻可以图19－1 ispPAC10的结构图 接通或断开。每个PAC块都可以单独使用，也可以采用级联、反馈的方式构成

电路以实现复杂的模拟电路功能。利用基本单元电路的组合，可以实现放大、求和、积分、滤波等功能。不必在器件外部连接电阻、电容元件；可以构成双二阶滤波器、梯型滤波器（如巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器）等复杂功能的模拟模块。这些功能的设计、仿真和下载都可以很方便地通过后面要介绍的软件PAC-Designer 来实现。

ispPAC10器件的引脚分布如图19－1所示，具体说明见表19－1。

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图19－2 基本单元电路图

表1-1-1 ispPAC10引脚介绍

引脚号 引脚符号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 OUT2+ OUT2- IN2+ IN2- TDI TRST VS TDO TCK TMS IN4- INT+ OUT4- OUT4+ OUT3+ OUT3- IN3+ IN3- CMVin 引 脚 功 能 差分输出端口2的正脚，差分输出电压为Vout+ - Vout- 差分输出端口2的负脚，差分输出电压为Vout+ - Vout- 差分输入端口2的正脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 差分输入端口2的负脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 串行接口逻辑输入脚，输入数据TCK为上升沿有效 串行接口逻辑复位脚，异步控制，低电平有效 正电源脚，接5伏直流电压正极 串行接口逻辑输出脚，输出数据TCK为下降沿有效 串行接口逻辑时钟输入脚，当该脚不工作时，器件的模拟特性更优 串行接口逻辑模式选择脚 差分输入端口4的负脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 差分输入端口4的正脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 差分输出端口4的负脚，差分输出电压为Vout+ - Vout- 差分输出端口4的正脚，差分输出电压为Vout+ - Vout- 差分输出端口3的正脚，差分输出电压为Vout+ - Vout- 差分输出端口3的负脚，差分输出电压为Vout+ - Vout- 差分输入端口3的正脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 差分输入端口3的负脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 共模电压外部输入脚，当共模电压设为外部输入时，该脚的电压将代替原来的参考电压VREFout（2.5V） 20 21 22 23 24 25 26 27 CAL GND VREFout TEST TEST IN1- IN1+ OUT1- 数字输入脚，进行自动校准，上升沿有效 接地 参考电压输出，与地之间要接0.1uF的旁路电容 测试脚，接地即可 测试脚，接地即可 差分输入端口1的负脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 差分输入端口1的正脚，差分输入电压为Vin+ - Vin- 差分输出端口1的正脚，差分输出电压为Vout+ - Vout-

28 OUT1+ 差分输出端口1的负脚，差分输出电压为Vout+ - Vout- 注意：1. 所有的差分输入输出脚都标了正负号，只是用作极性参考，连接时可以互换连接。2. 所有的差分输出脚，在内部都是实联，当两个仪用放大器不接差分输入脚时，差分输出脚将被作为低阻抗参考电压输出，此时不能将差分输出两端口短接。3. 当差分输入端口的信号是单端输入时，差分输入端口的另一个引脚要接直流共模电压，通常是参考电压。

基本单元电路PAC块是在系统可编程模拟电路的重要组成部分，ispPAC10由四个PAC块组成，ispPAC20包含两个PAC块。它在电路中起着放大、叠加、积分、滤波等作用,也可称为滤波加法（Filtering/Summation，简称FilSum）PAC块。

2 ispPAC20器件介绍

ispPAC20是Lattice家族的又一成员，它的内部结构图如图4-1所示，由两个PAC块、一个8位数模转换器、两个比较器、二通道选择器、极性控制器、模拟布线池，配置存储器，参考电压，自动校正单元和ISP接口等部件组成，见图19－3。它不仅包含模拟的基本单元电路还包含一些常用数字电路的基本器件，使之除了能实现放大、求和、积分、滤波等功能外，还能完成模数混合的较复杂功能，如精密压控振荡器、电压监控器、温度监控器、波形发生器等。模拟信号的输入输出及内部连接都是采用全差分结构，这样可以提高信噪比，降低失真。器件用5伏单电源供电，内部产生2.5伏参考电压。

ispPAC20的两个PAC块和PAC10的PAC块差不多。只是PAC块1的一图19－3 ispPAC20 结构个仪用放大器的前端有一个二路通道选择器,由外部引脚MSEL来控制，当MSEL接高电平时，选通通道b，当MSEL接低电平时，选通通道a，用软件进行仿真时可以通过软件对MSEL进行设置，但实际电路需要外部电平控制。PAC块2的一个仪用放大器的前端有一个极性控制器，由外部引脚PC来控制，当PC为低电平时，极性不反向；为高电平时，极性反向（这里要把PC的应用方式设置为外部管脚），用软件进行仿真时可以通过软件对PC进行设置，但实际电路需要外部电平控制。PAC块2的增益调节范围为-1~-10，这可以通过改变PC管脚的电平来达到-10~10的增益。DAC的应用方式有四种，其中内部置数和外部并行输入最为常用。当设置为内部置数时，外部引脚DMode 接低电平，ENPSI接低电平；当设置为外部并行输入时，外部引脚DMode 接高电平，ENPSI接低电平，当输入数据改变时，要给管脚CS发一个脉冲，它的上升沿将新数据锁存，使之有效。

ispPAC20器件采用PLCC封装，共44脚，其引脚分布如图1-2-1所示，具体说明见表19－2。

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引脚号 1、12、29 2 3 4 引脚符号 GND VREFout TEST ENSPI 接模拟地 引 脚 功 能 参考电压输出，与地之间要接0.1uF的旁路电容 测试脚，接地即可 SPI使能输入脚，当接高电平时，导致串行端口运行SPI模式。它内部下拉接地，无输入时，为低电平。 5 MSEL 通道选择起逻辑输入脚，从A、B两通道中选一路接PAC块，高电平时选B，低电平时选A。它内部下拉接地。 6、7、8、9、IN 15、16 17、25、40 VS 差分输入脚，每个端口有两个，一正一负，如端口IN2有IN2+、IN2-两输入脚。差分输入电压为Vin+ - Vin- 正电源脚，接5伏直流电压正极，要接在一起，且加1uF和0.1Uf的旁路电容 10、11、13、OUT 14 18 TDI 差分输出脚，每个端口有两个，一正一负，如端口OUT2有OUT2+、OUT2-两输入脚。差分输出电压为Vout+ - Vout- JTAG和SPI串行接口逻辑输入脚，输入数据TCK为上升沿有效（JTAG），内部上拉为高电平 19 20 21 22 TMS TCK PC 串行接口逻辑模式选择脚，只用在JTAG接口。内部上拉为高电平 串行接口逻辑时钟输入脚，当该脚不工作时，器件的模拟特性更优 极性控制输入脚。内部下拉为低电平 片选输入，SPI模式数据和DAC并行接口时钟。内部上拉为高电平 CS TDO DMODE 23 24 JTAG和SPI串行接口逻辑输出脚，输出数据TCK为下降沿有效（JTAG） DAC模式逻辑输入，高电平时，DAC从并行接口D0-D7以CS为锁存信号接收数据。内部下拉为低电平 26 27、28 30、31 32到39 41、42 43 WINDOW CPOUT CPIN D0-D7 DACOUT CMVin 窗体比较器逻辑输出，有设计者配置比较逻辑 分别为两个比较器的逻辑输出 差分输入端口，一正一负，可与比较起相联 DAC的8位并行输入脚，D0位低位，D7为高位，由CS锁存 DAC的差分电压输出，Vout=Vout+-Vout- 共模电压外部输入脚，当共模电压设为外部输入时，该脚的电压将代替原来的参考电压VREFout（2.5V） 44 CAL 数字输入脚，进行自动校准，上升沿有效 表19－2 ispPA20引脚介绍

ispPAC20中的DACPACcell是一个8位电压输出的DAC。接口方式可自由选择为：8位的并行方式；串行JTAG寻址方式；串行SPI寻址方式。在串行方式中，数据总长度为8位，D0处于数据流的首位，D7为最末位。DAC的输出是完全差分形式，可以与器件内部的比较器或仪用放大器相连，也可以直接输出。无论采用串行还是并行的方式，DAC的编码均为以下表格所示：

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在ispPAC20中还有两个可编程的、双差分比较器。比较器的基本工作原理与常规的比较器相同，当正的输入端电压对负的输入端为正时，比较器的输出为高电平，否则为低电平。比较器还有一些可选择的功能。

三、实验仪器及设备

（1）低频信号发生器 1台 （2）晶体管毫伏表 1台 （3）双踪示波器 1台 （4）双路稳压电源 1台 （5）数字式万用表 l块 （6）微型计算机系统 1套 （7）EDA实验箱

四、实验内容及步骤

1 简单增益设计

在该例中，四个PAC块相互。PAC块1和PAC块2都只用一个仪用放大器分别实现3倍和9倍增益；PAC块3和PAC块4用两个仪用放大器叠加，分别实现20倍和15倍增益。见下图：

IN1输入，OUT1输出。增益为3。 IN2输入，OUT2输出。增益为9。

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IN3输入，OUT3输出。增益为15。 IN4输入，OUT4输出。增益为20。

2 级联增益

在这个例子中，用两个PAC块实现较高增益。PAC块1和PAC块2级联实现47倍增益，PAC3和PAC4实现133倍增益。

IN1 输入，OUT2输出，增益为47。 IN3 输入，OUT4输出，增益为133。

3 分数增益

在这个例子中，PAC块1和PAC块2分别实现3/5和9/7倍增益，PAC块3和PAC块4级联实现7/24倍增益。见下图：

IN1输入，OUT1输出。增益为3/5。 IN2输入，OUT2输出。增益为9/7。 IN3输入，OUT3输出。增益为24/7。

4 四路加法器

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在这例子中,用三个PAC块实现四路加法器,可以实现Y=K6*（K8*（K3*S2+K4*S1）+K7*S4）+K5*S3，S1、S2、S3、S4为四路输入信号，Y为输出信号，K3、K4、K5、K6、K7、K8为各个仪用放大器的增益，这里都为1，所以可表示为Y=S1+S2+S3+S4。

当OUT3作为输出时，Y=K6*（K8*（K3*S2+K4*S1）+K7*S4）+K5*S3=K4*K6*K8*S1+K3*K6*K8*S2+K6*K7*S4+K5*S3；当OUT4作为输出时，Y=（K8*（K3*S2+K4*S1）+K7*S4）=K4*K8*S1+K3*K8*S2+K7*S4；当OUT2作为输出时，Y=K3*S2+K4*S1。K值在这里是1，在设计时可设为-10~10的非零整数，S1，S2，S3，S4分别由IN1，IN2，IN3，IN4输入口输入。

5 积分电路实验

在这个例子中，PAC块1、3、4都作为2.5参考电压输出，即PAC块的仪用放大器不与输入/输出线连接。PAC块2作为积分电路，将反馈电容设为61.59Pf，当IN2输入口输入频率为8KHz左右的方波，用示波器接OUT2进行观察，可看到积分曲线。

6 切比雪夫滤波器

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这个例子实现的是四阶低通切比雪夫滤波器，它的通带波纹为0.5dB，截止频率为44KHz。它是由调用宏产生的，即鼠标左键点击菜单“Tools”中的“Run Macro„”项，在弹出的对话框中选择“ispPAC10_Ladder.exe”，点击“OK”按钮，再在弹出的Ladder Filter Generator对话框的Ripple栏选择Chebyshev_0.5dB，然后在Cutoff Frequency栏选择

44.00KHz，最后点击“Generate Schematic”按钮。

信号由IN1输入，OUT3输出，达到低通滤波的效果。

五、思考题

1 所设计的放大倍数一定。输入信号的大小是否可以是任意值？

2 不论是直流还是交流放大器，输出始终与放大倍数成比例关系？为什么？ 3 用ispPAC20 设计一单限比较器。

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