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EL教学指导书模拟电子资料
模拟电子实验指导书
实验一集成运算放大器波形发生器1
实验二晶体管共射极单管放大器6
实验三LC正弦波振荡器13
实验四电压—频率转换电路16
实验五直流稳压电源-集成稳压器17
展晓龙
2013年1月22日
实验一集成运算放大器波形发生器
—、实验目的1.学习用集成运放构成正弦波、方波和三角波发生器。
2.学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。
二、实验原理
由集成运放构成的正弦波、方波和三角波发生器有多种形式,本实验选用最常用的,线路比较简单的几种电路加以分析。
1.RC桥式正弦波振荡器(文氏电桥振荡器)
图9—1为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路,同时兼作选频网络,R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器Rw,可以改变负反馈深度,以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
Dl、Ds采用硅管(温度稳定性好),且要求特性匹配,才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接是为了削弱二极管非线性的影响,以改善波形失真。
电路的振荡频率fo=1/2πRC
起振的幅值条件RF/R1≥2
式中RF=RW十R2十(R3‖rD),rD—二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻RF(调RW),使电路起振,且波形失真最小。
如不能起振,则说明负反馈太强,应适当加大RF。
如波形失真严重p则应适当减小RF。
改变选频网络的参数C或R,即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换,而调节R作量程内的频率细调。
2.方波发生器
由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器,一般均包括比较器和RC积分器两大部分。
图9—2所示为由迟回比较器及简单RC积分电路组成的方波—三角波发生器。
它的特点是线路简单,但三角波的线性度较差。
主要用于产生方波,或对三角波要求不高的场合。
该电路的振荡频率fo=1/[2RfCfLn(1+2R2/R1)
式中R1=R1′+RW′R=R2′+RW″
方波的输出幅值Uom=±Uz
三角波的幅值Ucm=[R2/(R1+R2)]Uz
调节电位器RW(即改变R2/R1).可以改变振荡频率.但三角波的幅值也随之变化。
如要互不影响,则可通过改变Rf(或Cf)来实现振荡频率的调节。
3.三角波和方波发生器
如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统,如图9-3所示,则比较器输出的方波经积分器积分可得到三角波,三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波、方波发生器。
由于采用运放组成的积分电路,因此可实现恒流充电,使三角波线性大大改善。
电路的振荡频率Fo=[R2/4R1(Rf+RW)Cf]
方波的幅值U′cm=±Uz
三角波的幅值Ucm=(R1/R2)Uz
调节Rw可以改变振荡频率,改变出值R1/R2可调节三角波的幅值。
三、实验设备与器件
1.土12V直流电源2.双踪示波器
3.交流毫伏表4.频率计
5.μA741×22DW7×1、2CP×2
电阻器、电容器若干。
四、实验内容
1.RC桥式正弦波振荡器
按图9-1连接实验电路,输出端接示波器。
1)接通土12V电源,调节电位器Rw,使输出波形从无到有,从正弦波到出现失真。
描绘Uo的波形,记下临界起振、正弦波输出及失真情况下的Rw值,分析负反馈强、弱对起振条件及输出波形的影响。
2)调节电位器Rw,使输出电压Uo幅值最大且不失真,用交流毫伏表分别测量输出电压Uo、反馈电压U+和U-,分析研究振荡的幅值条件。
3)用示波器或频率计测量振荡率fo,然后在选额网络的两个电阻R上并联同一阻值电阻,观察记录振荡频率的变化情况,并与理论值进行比较。
4)断开二极管D1、D2,重复2)的内容,将测试结果与2)进行比较,分析D1、D2的稳幅作用。
2.方波发生器按图9—2连接实验电路。
1)将电位器Rw调至中心位置,用双踪示波器观察并描绘方波Uo及三角波Uc的波形(注意对应关系),测量其幅值及频率,记录之。
2)改变Rw动点的位置,观察Uo、Uc幅值及额率变化情况。
把动点调至最上端和最下端,测出频率范围,记录之。
3)将Rw恢复至中心位置,将一只稳压管短接,观察Uo波形,分析Dz的限幅作用。
3.三角波和方波发生器
按图9—3连接实验电路。
1)将电位器Rw调至合适位置,用双踪示波器观察并描绘三角波输出Uo及方波输出Uo′,测其幅值、频率及Rw值,记录之。
2)改变Rw的位置,观察对Uo、Uo′幅值及频率的影响。
3)改变Rw(或R2),观察对Uo、Uo′幅值及频率的影响。
五、实验报告
1.正弦波发生器
1)列表整理实验数据,画出波形,把实测频率与理论值进行比较
2)根据实验分析RC振荡器的振幅条件
3)讨论二极管D1、D2的稳幅作用。
2.方波发生器
1)列表整理实验数据,在同一座标纸上,按比例画出方波和三角波的波形图(标出时间和电压幅值)。
2)分析Rw变化时,对Uo波形的幅值及频率的影响。
3)计论Dz的限幅作用。
3.三角波和方波发生器
1)整理实验数据,把实测频率与理论值进行比较。
2)在同一座标纸上,按比例画出三角波及方波的波形,并标明时间和电压幅值。
3)分析电路参数变化(R1,R2和Rw)对输出波形频率及幅值的影响。
六、预习要求
1.复习有关RC正弦波振荡器、三角波及方波发生器的工作原理,并估算图9-1、9—2、9—3电路的振荡频率。
2.设计实验表格
3.为什么在RC正弦波振荡电路中要引入负反馈支路?
为什么要增加二极管D1和D2?
它们是怎样稳幅的?
4.电路参数变化对图9-2、9-3产生的方波和三角波频率及电压幅值有什么影响?
(或者:
怎样改变图9—2、9—3电路中方波及三角波的频率及幅值?
)
5.在波形发生器各电路中,“相位补偿”和“调零”是否需要?
为什么?
6.怎样测量非正弦波电压的幅值?
实验二晶体管共射极单管放大器
一、实验目的
1.学会放大器静态工作点的调试方法,分析静态工作点对放大器性能的影响。
2.掌握放大器电压放大倍数、输入电阻输出电阻及最大不失真输出电压的测试
方法。
3.熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。
二、实验原理
图2—l为射极偏置放大电路(分压式工作点稳定电路)实验电路图。
它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路,并在发射极中接有电阻RE,以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号Ui后,在放大器的输出端便可得到一个与Ui相位相反,幅值被放大了的输出信号Uo,从而实现了电压放大。
在图2-1电路中,当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的基极电流IB时(一般5一10倍),则它的静态工作点可用下式估算
电压放大倍数Au
输入电阻
Ri=Rb1∥Rb2∥R’I
输出电阻Ro≈RC由于电子器件性能的分散性比较大,因此在设计和制作晶体管放大电路时,离不开测量和调试技术。
在设计前应测量所用元器件的参数,为电路设计提供必要的依据,在完成设计和装配以后,还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。
一个优质放大器,必定是理论设计与实验调整相结合的产物。
因此,除了学习放大器的理论知识和设计方法外,还必须掌握必要的测量和调试技术。
放大器的测量和调试一般包括:
放大器静态工作点的测量与调试,消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
1.放大器静态工作点的测量与调试
1)静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点,应在输入信号Ui=0的情况下进行,即将放大器输入端与地端短接,然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表,分别测量晶体管的集电极电流Ic以及各电极对地的电位UB、UC和UE。
一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压,然后算出IC的方法,例如,只要调出UE即可用IC≈IE=UE/RE算出IC(也可根据IC=(UCC-UC)/RC,由UC确定IC),同时也能算出UBE=UB—UE,UCE=UC—UE。
为了减小误差,提高测量精度,应选用内阻较高的直流电压表。
2)静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电报电流IC(或UCE)的调整与测试。
静态工作点是否合适,对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如工作点偏高,放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真,此时UO的负半周将被削底,如图2—2(a)所示;如工作点偏低则易产生截止失真,即UO的正半周被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显),如图2—2(b)所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试,即在放大器的输入端加入一定的Ui,检查输出电压UO的大小和波形是否满足要求。
如不满足,则应调节静态工作点的位置。
改变电路参数UCC、RC、RB(RB1、BB2)都会引起静态工作点的变化,如图2—3所示。
但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点,如减小RB2,则可使静态工作点提高等。
最后还要说明的是,上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的,应该是相对信号的幅度而言,如信号幅度很小,即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。
所以确切地说,产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。
如需满足较大信号幅度的要求,静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
图2-3电路参数对静态工作点的影响2.放大器动态指标测试
放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。
1)电压放大倍数Av的测量
调整放大器到合适的静态工作点,然后加入输入电压Ui,在输出电压UO不失真的情况下,用交流毫伏表测出Ui和UO的有效值Ui和UO,则
AV=UO/Ui2)输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻,按图2-4电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R,在放大器正常工作的情况下,用交流毫伏表列出UO和Ui,则根据输入电阻的定义可得
Ri=Ui/Ii=Ui/(UR/R)=[Ui/(Uo-Ui)]R
图2—4输入、输出电阻测量电路
测量时应注意:
①由于电阻两端没有电路公共接地点,所以测量R两端电压UR时必须分别测出U0和Ui,然后按UR=Uo-Ui求出UR值。
②电阻R的值不宜取得过大或过小,以免产生较大的测量
3)输出电阻RO的测量
按图2-4电路,在放大器正常工作条件下,测出输出端不接负载RL的输出电压Uo和接入负载后的输出电压UL,根据
UL=[RL/(RO+RL)]UO即可求出RoRO=[(UO/UL)-1]RL
在测试中应注意,必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
4)最大不失真输出电压UOPP的测量(最大动态范围)
如上所述,为了得到最大动态范围,应将静态工作点调在交流负载线的中点。
为此在放大器正常工作情况下,逐步增大输入信号的幅度,并同时调节RW(改变静态工作点),用示波器观察Uo,当输出波形同时出现削底和缩顶现象(如图2-5)时,说明静态工作点已调在交流负载线的中点。
然后反复调整输入信号,使波形输出幅度最大,且无明显失真时,用交流毫伏表测出Uo(有效值),则动态范围等于
/2Uo。
或用示波器直接读出UOPP
图2-5静态工作点正常,输入信号太大引起的失真
5)放大器频率特性的测量
放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数Av与输入信号频率f之间的关系曲线。
单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图2-6所示,Avm为中频电压放大倍数,通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的
/2倍,即0.707Avm所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH,则通频带
fBW=fH–fL
放大器的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数Av。
为此,可采用前述测AV的方法,每改变一个信号频率,测量其相应的电压放大倍数,测量时应注意取点要恰当,在低频段与高频段应多测几点,在中频段可以少测几点。
此外,在改变频率时,要保持输入信号的幅度不变,且输出波形不得失真。
6)干扰和自激振荡的消除参考实验附录
三、实验设备与器件1.+12V直流电源2.函数信号发生器3.双踪示波器4.交流毫伏表5.直流电压表6.直流毫安表
7.频率计8.万用电表
9.晶体三极管3DG6×1(β=50一100)或9013×1(管脚排列如图2—6、2-7所示)电阻器、电容器若干
四、实验内容
实验电路如图2—l所示。
各电子仪器可按实验一中图1—1所示方式连接,为防止干扰,各仪器的公共端必须连在一起,同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线,若使用屏蔽线,则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。
1.测量静态工作点
接通电源前,先将Rw调至最大,函数信号发生器输出旋钮旋至零。
接通+12V电源、调节Rw,使Ic=2.0mA(即UE=2.0V),用直流电压表测量UB、UE、Uc及用万用电表测量RB2值。
记入表2—1。
表2—1IC=2mA
测量值
计算值
UB(V)
UE(V)
UC(V)
RB2(KΩ)
UBE(V)
UCE(V)
IC(mA)
2.测量电压放大倍数在放大器输入端加入频率为1KHz的正弦信号Ui,调节函数信号发生器的输出旋钮使Ui=10mV,同时用示波器观察放大器输出电压Uo的波形,在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的Uo值,并用双踪示波器观察Uo和Ui的相位关系,记入表2—2。
3.观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置RC=2.4KΩ,RL=∝,Ui适量,调节RW,用示波器监视输出电压波形,在UO不失真的条件下,测量数组Ic和Uo值,记入表2—3。
表2—3RC=2.4KΩRL=∝Ui=mV
IC(mA)
2.0
Uo(V)
AV
测量Ic时,要先将信号源输出旋钮旋至零(即使Ui=0)。
4.观察静态工作点对输出波形失真的影响
置Rc=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,Ui=0,调节RW使IC=2.0mA,测出UCE值,再逐步加大输入信号,使输出电压Uo足够大但不失真。
然后保持输入信号不变,分别增大和减小RL,使波形出现失真,绘出Uo的波形,并测出失真情况下的IC和UCE值,记入表2-4中。
每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
5.测量最大不失真输出电压
置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,按照实验原理4)中所述方法,同时调节输入信号的幅度和电位器RW,用示波器和交流毫伏表测量UOPP及UO值,记入表2-5。
表2—5RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ
IC(mA)
Uim(mV)
Ucm(V)
Uopp(V)
*6.测量输入电阻和输出电阻
置Rc=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,Ic=2.OmA。
输入f=1KHz的正弦信号,在输出电压Uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出U0,Ui和UL记入表2-6。
保持U0不变,断开RL,测量输出电压UO,记入表2-6。
表2-6IC=2mARc=2.4KΩRL=2.4KΩ
UO
(mV)
Ui
(mV)
Ri(KΩ)
UL
(V)
UO
(V)
Rc(KΩ)
测量值
计算值
测量值
计算值
*7.测量幅频特性曲线取IC=2.OmA,Rc=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。
保持输入信号Ui(或UO)的幅度不变,改变信号源频率f,逐点测出相应的输出电压Uo,记入表2—7。
表2—7
fLfofn
f(KHz)
UO(V)
Av=Uo/Ui
为了频率f取值合适,可先粗测一下,找出中频范围,然后再仔细读数。
说明:
本实验内容较多,其中6、7可作为选作内容。
五、实验报告
1.列表整理测量结果,并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较(取一组数据进行比较),分析产生误差原因。
2.总结Rc,RL及静态工作点对放大器电压放大格数、输入电阻、输出电阻的影响。
3.讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
4.分析讨论在调试过程中出现的问题。
六、预习要求
1.阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。
假设:
3DG6
的β=100,RB1=20KΩ,RB2=60KΩ,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。
估算放大器的静态工作点,电压放大倍数AV,输入电阻Ri和输出电阻Ro.
2.阅读实验附录中有关放大器干扰和自激振荡消除内容。
3.能否用直流电压表直接测量晶体管的UBE?
为什么实验中要采用测UB、UE,再间接算出UBE的方法?
4.怎样测量RB2阻值?
5.当调节偏置电RB2,使放大器输出波形出现饱和或截止失真时,晶体管的管压降UCE怎样变化?
6.改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有否影响?
改变外接电阻RL对输出电阻Ro有否影响?
7.在测试AV,Ri和Ro时怎样选择输入信号的大小和频率?
为什么信号频率一般选1KHz,而不选100KHz或更高?
8.测试中,如果将函数信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位(即各仪器的接地端不再连在一起),将会出现什么问题?
实验三LC正弦波振荡器
一、实验目的1.掌握变压器反馈式LC正弦波振荡器的调整和测试方法。
2.研究电路参数对LC振荡器起振条件及输出波形的影响。
二、实验原理LC正弦波振荡器是用L、C元件组成选频网络的振荡器,一般用来产生1MHZ以上的高频正弦信号。
根据LC调谐回路的不同连接方式,LC正弦波振荡器又可分为变压器反馈式(或称互感耦合式)、电感三点式和电容三点式三种。
图16—l为变压器反馈式LC正弦波振荡器的实验电路。
其中晶体三极管Tl组成共射放大电路,变压器Tr的原绕组L1(振荡线圈)与电容C组成调谐回路,它既做为放大器的负载,又起选频作用,副绕组L2为反馈线圈,Ls为输出线圈。
该电路是靠变压器原、副绕组同名端的正确连接(如图中所示),来满足自激振荡的相位条件,即满足正反馈条件。
在实际调试中可以通过把振荡线圈L1或反馈线圈L2的首、末端对调,来改变反馈的极性。
而振幅条件的满足,一是靠合理选择电路参数,使放大器建立合适的静态工作点,其次是改变线圈L2的匝数,或它与L1之间的耦合程度,以得到足够强的反馈量。
稳幅作用是利用晶体管的非线性来实现的。
由于LC并联谐振回路具有良好的选频作用,因此输出电压波形一般失真不大。
振荡器的振荡频率由谐振回路的电感和电容决定
fo=1/(2π√LC)
式中L为并联谐振回路的等效电感(即考虑其它绕组的影响)。
振荡器的输出端增加一级射极跟随器,用以提高电路的带负载能力。
三、实验设备与器件1.十12V直流电源2.双踪示波器3.交流毫伏表4.直流电压表
5.频率计6.振荡线圈
7.晶体三极管3DG6×1(9013×1)3DGl2×1(9013×1)电阻器、电容器若干。
四、实验内容
按图16—1连接实验电路。
电位器Rw置最大位置,振荡电路的输出端接示波器。
1.静态工作点的调整
1)接通UCC=+12V电源,调节电位器Rw,使输出端得到不失真的正弦波形,如不起振,可改变L2的首末端位置,使之起振。
测量两管的静态工作点及正弦波的有效值比,记入表15—1。
2)把Ew调小,观察输出波形的变化。
测量有关数据,记录之。
3)调大Rw,使振荡波形刚刚消失,测量有关数据,记录之。
表15—l
UB
(V)
UE
(V)
Ic
(mA)
Uo
(V)
Uo波形
Rw居中
T1
Uo
T2
Rw小
T1
Uo
T2
Rw大
T1
Uo
T2
根据以上三级数据,分析静态工作点对电路起振、输出波形幅度和失真的影响。
2.观察反馈量大小对输出波形的影响
置反馈线圈L2于位置“0”(无反馈)、“1”(反馈量不足)、“2”(反馈量合适)、“3”(反馈量过强)时测量相应的输出电压波形,记入表15—2。
表15—2
L2为止
”od
”1”
“2”
“3”
Uo波形
Uo
t
Uo
t
Uo
t
Uo
t
3.验证相位条件
改变线圈L2的首、末端位置,观察停振现象;
恢复L2的正反馈接法,改变L1的首末端位置,观察停振现象。
4.测量振荡频率
调节Rw使电路正常起振,同时用示波器和频率计测量以下两种情况下的振荡频率fo,记入表15—3。
谐振回路电容1)C=1000PF。
2)C=100PF。
表15—3
C(PF)
1000
100
F(KHz)
5.观察谐振回路Q值对电路工作的影响
谐振回路两端并入R=5.1KΩ的电阻,观察R并入前后振荡波形的变化情况。
五、实验报告
1.整理实验数据,并分析讨论:
1)LC正弦波振荡器的相位条件和幅值条件。
2)电路参数对LC振荡器起振条件及输出波形的影响。
2.讨论实验中发现的问题及解决办法。
六、预习要求
1.复习教材中有关LC振荡器的内容。
2.LC振荡器是怎样进行稳幅的?
在不影响起振的条件下,晶体管的集电极电流是大一些好,还是小一些好?
3.为什么可以用测量停振和起振两种情况下晶体管的UBE变化,来判断振荡器是否起振?
实验四电压—频率转换电路
一、实验目的
了解电压一频率转换电路的组成及调试方法
二、实验电路
如图17—l所示
上述电路实际上就是一个方波、锯齿波发生电路,只不过这里是通过改变输入电压Ui的大小来改变波形频率,从而将电压参量转换成频率参量。
三、实验设备与器件
1.±12V直流电源2.双踪示波器
3,交流毫伏表4.直流电压表
5.频率计6.μA741×2、2DW7×l、4148×1
四、实验内容
1.按图17—1接线,用示波器监视Uo波形
2.按下表的内容,测量电路的电压一频率转换关系
Ui(V)
1
2
3
4
5
6
用示波器测得
T(ms)
f(Hz)
用频率计测得
f(Hz)
五、实验报告
作出电压一频率关系曲线,并讨论其结果。
六、预习要求
1.指出图17—1中电容器C的充电和放电回路。
2.定性分析用可调电压Ui改变Uo频率的工作原理。
3.电阻R4和R5的阻值如何确定?
当要求输出信号幅值为12Up-p,,输入电压值为3V,输出频率为3000Hz,计算出R4、R5的值。
实验五直流稳压电源-集成稳压器
一、实验目的
1.研究集成稳压器的特点和性能指标的测试方法。
2.了解集成稳压器扩展性能的方法。
二、实验原理
随着半导体工艺的发展,稳压电路
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