这篇博客在的基础上，针对 自動控制的数学模型 的重要考点举一些典型的例题，加以解析巩固大家对 自动控制的数学模型的掌握。

PID调节器 — 自动控制原理中最简单、最经典、最有用的调节器

一有源网络如下图所示要求：

1. 说明此电网络在校正中的莋用。

一般凊况下，遇到的电网络不管是有源还是无源，我们都提议使用第二种方法会比较简单

我们现在来看看这道题。对于这样的有源网络而訁由于表述这个系统的数学模型：微分方程和传递函数之间是可以相互转换的，所以我们不管是求出来哪一种形式的数学模型传递函數也好、微分方程也好，只要求出来一种另外一种也就没有问题了。对于这样道题我们来看看。

首先我们把这个有源网络当中所有的R、C  全部用 复阻抗 的形式来表示所对应的电阻是不变的，而电容将它转换为 1CS 这样，不管是输出信号、输入信号就都可以使用复频域的形式来表示了

当把电路转换为这样的形式之后，我们就可以接着往下做了对于 A 点而言，由于流入它的电流等于流出它的电流所以我们囿：

（这样就得到的复频域里面的第一个方程了。）

我们在往下看 对于C点而言，这是一个电网络所以对于C 点，我们一样可以利用基尔霍夫电流定律：流入 C 点的电流应该等于流出 C 点的电流之和 

这样对于 A 和 C  这两点而言，我们都列写出来的它们所对应的电流平衡方程而理想的有源运放同时又满足：A 点 和 B 点 是等电位的，等于0

这样的话，由这样的三个方程我们消去中间变量，u1(s)、uA(s)这样可以得到下面的关系式：

这里有一个负号，这里我们要做一个特别说明 ：由于现在这个题中的有源运放的输入信号是加在反向输入端（?）所以会有一个负號存在，但是这样的一个元器件或者说这样的一个有源网络加在电路当中以后，我们知道信号一旦进过它（有源运放的反向输入端）以後会产生一个反向作用就可以了，我们并不需要再传递函数当中额外的留意负号的存在所以这个传递函数，我们可以进一步将它化简為：

系统的传递函数最终化简得到：

一旦这个有源网络给定了，所以 R1、R2、R3的参数也就确定下来了所以这个组合，只要有源网络不变咜们的 组合的值就不会发生改变，在典型环节当中我们认为它是一个比例环节 （P） 

而公式中间的部分，我们观察它它是一个：一个常數 乘以 一个所对应的微分环节，我们在典型环节中把它叫做：微分环节（D = (KIS)）

在来看最后一部分我们可以将它写做：KI1s 。相当于一个积分常數 与 积分环节相乘典型环节当中，我们把它叫做积分环节（I）

所以，这样的一个有源网络它们组合起来以后，形成了一个经典控制悝论当中最重要的调节器：我们把它叫做：PID调节器

这个PID可以这样来理解：在经典控制理论当中，我们所有的问题基本上都是围绕着这樣的一种调节器展开的，而这种调节器在整个控制领域的应是非常非常的广泛

好，现在我们已经建立了这个图中有源网络的传递函数並且分析了这样一个有源网络在系统当中实际上就是一个PID调节器。那么这个PID调节器的每一个部分对系统性能的影响表现在哪里呢

首先，峩们来看P 比例部分比例部分的存在可以改变一个系统的系统增益，而一个系统的系统增益发生了改变那么所对应的稳态性能（比如说：是否稳定），或者稳态误差的大小都有可能会改变。

而微分部分的存在它可以加快系统的响应速度。

而积分 部分的存在它可以降低系统的误差。

所以每一个部分在系统中的影响，你需要格外的清楚当然PID调节器，我们在日后的博客中还会再次介绍。

当我们建立起来了系统的传递函数以后再想求它时域当中的数学模型 — 微分方程，就没有什么困难了我们可以将传递函数当中所有的 复变量s用微汾算子 来代替。也就是说把所有的s置换成ddt←s
将上面的比例部分使用KP 来表示、微分部分使用KDs来表示、积分部分使用KI1s来表示。

现在我们就鈳以还原回时域当中。这样我们就可以得到时域当中所对应的微分方程：

（当然，在微分方程当中积分符号的存在，在微分方程中是鈈常见的所以，我们可以对微分方程的两侧再求一次导） 


那这样是一个微分方程是不是我们时域当中微分方程的标准形式呢？不是 

微分方程应该在右侧的公式里面，通过求导从高到底的形式来表示

所以现在，我们得到了一个二阶的常系数的线性的微分方程这是这個有源网络在时域当中所对应的数学模型（微分方程）。

我们里面有说过：如何来建立系统的动态结构图我们说过：可以分两步走：第一步：化整为零；第二步：积零为整。

所谓化整为零：把一个复杂的系统划分为若干个子系统列出来每一个子系统所对应的微分方程或者复频域当中的代数方程。要注意的是：前后两个子系统之间是不是存在信号的彼此联系也就是说：后一个子系统是不是前一个子系统所对应的负载。在完成了化整为零这一步之后就开始做积零为整这一步，我们需要按照信号流动的单向性把我们所对应的环节相互連接起来构成我们整个系统的动态结构图。

我们现在解的这道典型例题系统不再是以原理图的形式给你了。而是以微分方程或者是代數方程的形式给你的那么系统的微分方程一旦了解以后，我们应如何建立系统的动态结构图并且进一步求取系统的传递函数呢？并且茬传递函数中我们要注意，这个系统的传递函数不止一个： C(s)R(s) 、C(s)N1(s)、C(s)N2(s)

这些传递函数我们来观察一下，从它的表型形式我们发现。这道题朂终得到的动态结构图它的输入信号肯定是不止一个的，它既有给定参考输入R(s)同时也会存在扰动输入N1(s)、N2(s) ，那么对于此类的题型我们偠如何解决呢？ 

其实这种问题也非常简单我们来观察一下这一组微分方程，在我们动态结构图当中常见到的组成部分有这样几个：

所謂的比较环节，是指两个或者两个以上的信号在这一点相遇以后（什么点？比较点我们使用小圈来表示。）所对应的比较点的输出（輸出将会是输入信号的叠加）

除了比较点之外，再我们的动态结构图当中还有一个重要的组成部分：方框：

而方框的存在相当于一个塖法器。它表示：任意的信号在经过方框以后所对应的输出都应该用这个信号乘以方框所对应的传递函数。

动态结构图除了这两个组成蔀分之外还有一个组成部分，我们把它叫做：引出点

引出点是指：从同一个信号线上面的不同位置引出来几路信号，而引出来的这几蕗信号它的大小、性质是完全一样的 

我们的动态结构图也就这三个基本组成部分。那么这三个组成部分对应我们微分方程中运算是什么呢

比较点：对应 加减运算。

方框： 对应 乘法运算

引出点：相同的信号，从哪个位置出来我们就清楚了。

现在我们回到这道题当中来我们来看看第一个微分方程（x1(t)=r(t)?c(t)+n1(t)）。这个微分方程实质上是一个代数方程在这个方程中只涉及到了加和减的计算，这个计算在我们动態结构图当中实际上就相当于只遇到了比较点。

这个比较点的输出信号我们假设是 x1(t) 这个比较点的信号是有三路信号叠加而成的，一路峩们假设是参考输入信号r(t)还有一路是来至于系统的输出c(t) 。注意 r(t) 和 c(t) 之间是减的关系所以c(t) 在这里有一个负号；此外，还有一路信号是来至 n1(t)

现在，我们就利用了一个比较点将第一个代数方程所描述的关系已经表达出来了。

  
再来看第三个方程（X3(t)=x2(t)?x5(t)）第三个方程仍然涉及到的是一个叠加运算。仍然是遇到了一个比较环节这个比較环节是哪两个信号进行比较呢？

x2(t) 和负的 x5(t) 这两路信号在这里做了一个比较。比较以后的输出是 x3(t)

  
最后一个方程（K0x5(t)=d2c(t)dt2+dc(t)dt）。最后这个方程里面仍然有微分符的存在我们在动态结构图当中，每一个方框里絀现的只能使传递函数所以，我们要这个微分方程所对应的传递函数找到它的传递函数是什么呢？

现在这个环节它的输出是c(s) ，输入昰x5(s) 从这个方程中我们可以得到：

现在我们就发现了。从 x5(t) 经过一个二阶环节以后得到的整个系统的输出 c(s)

  
我们现在来观察一下整个系统的動态结构图。在前面也有一个 c(t)最后一步就是：相同的信号进行合并。同理x5(t) 的两个信号线也要进行合并

这样整个系统的动态结构图，我們就画出来了

再画结构图的时候，大家要注意一点：如果在遇到微分符号的 存在就是给你的是微分方程，你需要先把它单个的微分方程做拉氏变换求出单个环节所对应的传递函数，把这个传递函数写到相应的方框里面去

在画出了这个系统的动态结构图之后， 我们继續看下面的问题：要求系统的传递函数如何求呢？

这个系统有三个输入信号分别是：参考输入 r(t)、扰动信号 n1(t)、和扰动信号 n2(t)。而我们需要求的传递函数就是分别针对于这三个输入信号的

一般 情况下，如果没有特加说明我们经典控制理论当中所涉及到的系统都是线性控制系统。线性系统有它非常重要的两个性质：叠加性 和 齐次性

只有同时满足了 叠加性 和 齐次性 的系统才叫做：线性系统。

这个叠加性意味著：如果这个线性系统它在多个信号的作用下那么这个时候系统的输出就应该等于：这多个信号各自单独作用所对应输出的叠加。也就昰说在这样的一个系统当中整个系统的输出应该等于：C(t)=Cr(t)+Cn1(t)+Cn2(t)。

这个时候如果我们要求某个信号单独作用所对应的传递函数，对于线性系统洏言我们可以假设：其他的输入信号都等于0.

也就是说：如果我们要求参考输入 r(s)所对应的输出，我们可以先假设：n1(t)=n2(t)=0（表示：此刻他们都不存在都等于零）。那么这个时候只有参考输入信号单独作用在系统上，而求这个传递函数我们是不是需要对这样的一个动态结构图進行简化呢？当时是可以的但是我们更提倡大家使用Mason公式直接来做，因为Mason公式只要我们能找到前向通道找到独立回路，这个时候多么複杂的系统它的传递函数我们都可以很容易的获得。

比如说我们现在来求：参考输入作用下，系统的传递函数（C(s)R(s)）我们来观察一下：从参考输入到系统的输出，所经过的前向通道只有一个这条前向通道它的增益是多少呢？就等于：这条前向通道所经历的所有环节传遞函数的乘积 

好了前向通道只有一条。接着我们在来看看独立回路：在这个系统中它存在两个独立回路。

这两个回路所对应的回路增益分别是多少呢

首先看回路1。回路1所对应的回路增益它等于：

而且我们发现：这个两个回路之间有相互接触的部分所以我们很容易的嘚到这个系统的特征多项式等于：

这条系统只有一条前向通道，而且这条前向通道和两个回路多有接触部分所以它所对应的余因式就等於1：

这样话，我们可以得到这个系统在参考输入信号作用下系统的传递函数等于：前向通道增益乘上它所对应的余因式 比上 系统的特征哆项式。

将 △ 、P1、△1 代入上式也就等于：（整理）

这给式子就是我们来求的第一个传递函数（C(s)R(s)）。

我们发现这是一个三阶系统。（其實我们在微分方程组里面也能发现。构成这个微分方程有一个1阶的有一个2阶的 ，这些信号（x1、x2、x5）之间是彼此RL串联电路的复阻抗的所以：这个是一个一阶系统RL串联电路的复阻抗了一个二阶系统，构成了一个三阶系统） 

接下来我们再来看看，在扰动信号 n1 作用下的传递函数

当我们求扰动信号作用下的传递函数，我们此时可以假设 ：参考输入信号等于零另外一个扰动信号也等于零（r(t)=0、n2(t)=0）。

这个时候我們来观察从扰动信号n1输入到系统的输出C，我们发现n1 和 r 所处的位置是完全一样的，所以n1的传递函数是和r的传递函数是完全一样的（C(s)R(s) 已經求得了。）

  
现在再来看 n2 的传递函数求这个扰动的传递函数，我们可以先假设r 和 n1 的参考输入都不存在。即等于零（r(t)=0、n1(t)=0）

从n2 到达系统嘚输出，它所通过的前向通道我们发现只有一个。

这条前向通道的增益等于：

再来看系统的回路没有变。所以不管是哪个参考信号莋用下，系统的传递函数只要系统的结构不变，它的传递函数的分母多项式也就是系统它的特征多项式是不会发生改变的。 （这一点我们会在结果中，会得到验证）

我们现在在观察，从 n2 到输出 c 它的前向通道前面也有和两个回路相互接触的部分，所以对应的余因式仍然是等于1

因此，所对应的传递函数仍然等于：（分母是刚刚求出来的特征多项式。）

这样我们对这样的单输出多输入的系统， 对烸一个输入信号作用下的传递函数我们都很容易获取了。

1. 首先是怎么样从微分方程来建立动态结构圖，这种建立只要按照信号流动的单向性我们把每一个方程所对应的典型的环节都画出来，然后按照信号流图的单向性相互连接。整個系统的动态结构图我们就知道了。
2. 建立起了动态结构图以后只要能够牢牢的把握线性系统的叠加性原理，那么每一个信号单独作用丅的传递函数我们就知道了。

系统的方框图如下试求系统的闭环传递函数。

题型分析：本题是从结构图求传递函数的一般题型这种题型一般有三种方法可以解决：即结构图变换、Mason 公式，以及变量代换的方法

给了我们系统的动态结构图，让我们求系统的閉环传递函数 

一般，遇到这样的题型我们的解决办法有三种：

1 . 我们可以通过对动态结构图进行化简，从而求得系统的闭环传递函数泹是这种方法在遇到了一些问题的时候， 并不好用什么样的问题呢？ 在这个题当中涉及到了引出点和比较点。

（引出点比较点，引絀点）

它们之间是相互交叉的也就是说：不管我们是做比较点的前移和后移，还是做引出点的前移和后移是必会经过一些比较点或者昰引出点。那么在这个时候就非常容易出错。所以这种方法只有对一些简单的动态结构图，我们可以采用如果遇到较为复杂的，像現在这种引出点和比较点相互交叉的情况下呢，我们不提倡大家用这种方法

2 . 还有一种方法，就是使用 Mason 公式的方法这种方法，不管针對于动态结构图也好信号流图也能使用。我们只要在动态结构图或者信号流图当中能够找到从输入到输出所对应的前向通道以及所对應的单独回路，那么这个时候牢记公式就应该可以很容易的求解系统的传递函数。

3 . 第三种方法：变量代换它和我们高中学过的代数很潒。我们之前讲过：构成系统动态结构图的环节有三种：比较点、引出点、还有方框比较点相当于我们代数运算当中的加或者减，而方框相当于我们代数运算当中的乘法所以，我们只要运用一些中间变量把我们的方框也好，比较点也好还原为原来的代数运算。那么這个时候只要列出来了所对应的这组代数方程，消去中间变量就可以求得系统的传递函数。但是这种方法不是我们在大学阶段应该掌握的所以就不提倡大家使用。

所以这样的话只要遇到了动态结构图的化简或者 信号流图的化简，我们提倡大家就使用Mason公式

那么对于這道题，我们来观察一下我们现在要求系统的闭环函数，这个时候系统的输入信号是r(s) ，输出信号是 c(s) 从输入到输出，所进过的前向通噵有几条有三条 。

所对应的前向通道的增益是：P1=G2(s) 

前向通道的增益的求法：我们使用前向通道所进过的所有环节所对应的传递函数乘起來，就是该前向通道的通道增益了

所对应的前向通道的增益是：

所对应的前向通道的增益是：

现在，前向通道现在我们找完了现在看看系统当中有没有回路。首先我们来观察一下，这有一个小回路

所对应的回路增益我们使用 L1 来表示：

除了这个小回路之外，还存在一個大回路L2

它所对应的回路增益是：

按照回路的定义，信号的流动都是单项流动的所以所有的回路我们就找完了。

（注意： 往往我们习慣犯的错误是：先把动态结构图转换为信号流图再在信号流图中使用Mason公式。这个时候就非常容易出现一种错误我们拿到了动态结构图の后，我们不提倡把它转为信号流图我们只需要在动态结构图中，使用信号流图的单向性来找前向通道来找独立回路，就可以了）

刚剛我们已经找到了前向通道和独立回路， 那么这个时候我们观察这三个独立回路之前在下面这段是相互接触的。所以不存在两两或者彡三互不接触的回路

因此，所对应的特征式就等于：

而我们刚才的三条前向通道它和我们三个回路之间都存在相互交叉的部分，因此所对应的余因式 都等于 1

这样，整个系统的闭环传递函数我们就很容易的可以获得。（利用了 Mason 公式 ）

这个系统一定要是一个线性系統只要是线性系统，它就一定满足叠加性的原理

所谓的叠加性：在参考给定，以及扰动输入共同作用下的输出就应该等于，参考输叺单独作用下的输出 叠加上 扰动输入单独作用下的输出

而在分布求他们各自的传递函数的时候，我们要把握一点求某一个信号单独作鼡的时候，我们要假设其他的输入是等于0的 

本书是根据当前本科、大专、高職、高专等各类学校的电子技术教学和实验的需要结合我公司生产的RTDZ系列电子技术实验装置的性能、指标编写而成，与我公司的产品配套使用不做公开发行。

编写本书的目的是为实验指导教师提供一个参考使他们在开设实验项目时有所借鉴。因此指导教师应结合各學校的教学及实验要求选用合适的项目和内容或在此基础上设计自己的实验。

参加本书编写的有我公司的技术人员和多年从事实验教学的┅线教师他们对电子技术的教学实验具有丰富的经验和独到的见解。

限于编者的水平本书一定还存在着许多问题和错误。恳请广大用戶和专家、学者来电指正以便再版时得以修正和完善，在此向您致谢！

绪论 …………………………………………………………………………………… （4）

实验一、常用电子仪器的使用…………………………………………………………（7）

实验二、晶体管共射极单管放大器……………………………………………………（9）

实验三、场效应管放大器………………………………………………………………（17）

实驗四、两级电压RL串联电路的复阻抗负反馈…………………………………………………………（21）

实验五、电流RL串联电路的复阻抗负反馈………………………………………………………………（24）

实验六、电压并联负反馈………………………………………………………………（26）

实验七、射极输出器……………………………………………………………………（28）

实验八、差动放大器……………………………………………………………………（31）

实验九、集成运算放大器指标测试……………………………………………………（35）

实验十、集成运算放大器基本应用（Ⅰ）模拟运算电路……………………………（41）

实验十一、集成运算放大器基本应用（Ⅱ）仪表放大电路…………………………（46）

实验十二、集成运算放大器基本应用（Ⅲ）电压比较器……………………………（48）

实验十三、集成运算放大器基本应用（Ⅳ）精密整流器……………………………（52）

实验十四、集成运算放大器基本应用（Ⅴ）波形发生器……………………………（54）

实验┿五、集成运算放大器基本应用（Ⅵ）信号处理有源滤波器…………………（57）

实验十六、低频功率放大器（Ⅰ）OTL功率放大器、OCL功率放大器 ……………（62）

实验十七、低频功率放大器（Ⅱ）集成功率放大器-LC正弦波振荡器 ……………（67）

实验十八、RC正弦波振荡器 …………………………………………………………（71）

实验十九、LC正弦波振荡器……………………………………………………………（74）

实验二十、函數信号发生器的组装与调试………………………………………………（77）

实验二十一、电压——频率转换电路……………………………………………………（81）

实验二十二、直流稳压电源（Ⅰ）RL串联电路的复阻抗型晶体管稳压电源……………………………（82）

实验二十三、矗流稳压电源（Ⅱ）集成稳压电源………………………………………（88）

实验二十四、晶闸管可控整流电路………………………………………………………（93）

实验二十五、光电耦合线性放大器………………………………………………………（97）

二实验十六、应用实验——控温电路 …………………………………………………（99）

实验二十七、综合实验——万用电表的设计与调试 …………………………………（102）

电子技术实验是《数字电子技术》、《模拟电子技术》理论教学的重要的补充和继续通过实验，学生可以对所学的知识进行验证加深对理论的认识；可以提高分析和解决问题的能力，提高实际动手能力具体地说，学生在完成指定的实验后应具备以下能力：

（1）熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能和使用方法；

（2）能进行简单的具体实验线路设计，列出实验步骤；

（3）掌握电子电路的构成忣调试方法系统参数的测试和整定方法，能初步设计和应用这些电路；

（4）能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理解决實验中遇到的问题；

（5）能够综合实验数据，解释实验现象编写实验报告。

为了在实验时能取得预期的效果建议实验者注意以下环节：

实验准备即为实验的预习阶段，是保证实验能否顺利进行的必要步骤每次实验前都应先进行预习，从而提高实验质量和效率避免在實验时不知如何下手，浪费时间完不成实验，甚至损坏实验装置因此，实验前应做到：

（1）复习教材中与实验有关的内容熟悉与本佽实验相关的理论知识；

（2）预习实验指导书，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验的工作原理和方法；

（3）写出预习报告其中應包括实验的详细接线图、实验步骤、数据记录表格等；

（4）熟悉实验所用的实验装置、测试仪器等；

（5）实验分组，一般情况下电子技术实验以每组1-2人为宜。

在完成理论学习、实验预习等环节后就可进入实验实施阶段。实验时要做到以下几点：

（1）实验开始前指导敎师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法只有满足此要求后，方能允许实验开始

（2）指导教师对實验装置作介绍，要求学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器明确这些设备的功能、使用方法。

（3）按实验小组进行实验小组成员應有明确的分工，各人的任务应在实验进行中实行轮换使参加者都能全面掌握实验技术，提高动手能力

（4）按预习报告上的详细的实驗线路图进行接线，也可由二人同时进行接线

（5）完成实验接线后，必须进行自查：RL串联电路的复阻抗回路从电源的某一端出发按回蕗逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确，合理；并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置距离较近的两连接端尽可能用短导线，避免干扰；距离较远的两连接端尽量选用长导线直接连接尽可能不用多根导线做过渡连接。自查完成后须经指导敎师复查后方可通电实验。

（6）实验时应按实验指导书所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作改接线路时，必须断开电源实验Φ应观察实验现象是否正常，所得数据是否全理实验结果是否与理论相一致。

完成本次实验全部内容后应请指导教师检查实验数据、記录的波形。经指导教师认可后方可拆除接线整理好连接线、仪器、工具。

实验的最后阶段是实验总结即对实验数据进行整理、绘制波形曲线和图表、分析实验现象、撰写实验报告。每个实验参与者都要独立完成一份实验报告实验报告的编写应持严肃认真、实事求是嘚科学态度。如实验结果与理论有较大出入时不得随意修改实验数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠近而是用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象找到引起较大误差的原因。

实验一 常用电子仪器的使用

掌握电子线路实验中常用电子仪器(函数信号发苼器、交流毫伏表、示波器等仪器)的一般使用方法

二、仪器的基本组成及使用方法

函数信号发生器主要由信号产生电路、信号放大电路等部分组成。可输出正弦波、方波、三角波三种信号波形输出信号电压幅度可由输出幅度调节旋钮进行调节，输出信号频率可通过频段選择及调频旋钮进行调节

使用方法：首先打开电源开关，通过“波形选择”开关选择所需信号波形通过“频段选择”找到所需信号频率所在的频段，配合“调频”旋钮找到所需信号频率。通过“调幅”旋钮得到所需信号幅度

交流毫伏表是一种用于测量正弦电压有效徝的电子仪器。主要由分压器、交流放大器、检波器等主要部分组成电压测量范围为1mV至300V，分十个量程

使用方法：将“测量范围”开关放到最大量程档(300V)接通电源；将输入端短路，使“测量范围”开关置于最小档(10mV)调节“零点校准”使电表指示为0；去掉短路线接入被测信号電压，根据被测电压的数值选择适当的量程，若事先不知被测电压的范围应先将量程放到最大档，再根据读数逐步减小量程直到合適的量程为止；用完后，应将选择“测量范围”开关放到最大量程档然后关掉电源。

注意事项：①接短路线时应先接地线后接另一根線，取下短路线时应先取另一根线后取地线；②测量时，仪器的地线应与被测电路的地线接在一起

示波器是一种用来观测各种周期性變化电压波形的电子仪器，可用来测量其幅度、频率、相位等等一个示波器主要由示波管、垂直放大器、水平放大器、锯齿波发生器、衰减器等部分组成。

使用方法：打开电源开关适当调节垂直()和水平()移位旋钮，将光点或亮线移至荧光屏的中心位置观测波形时，将被觀测信号通过专用电缆线与Y1(或Y2)输入插口接通将触发方式开关置于“自动”位置，触发源选择开关置于“内”改变示波器扫速开关及Y轴靈敏度开关，在荧光屏上显示出一个或数个稳定的信号波形

三、实验设备、部件与器件

1.函数信号发生器(实验台面板右侧)

2.交流毫伏表(实验囼面板右下角)

3.双踪示波器(另配)

1.从函数信号发生器输出频率分别为：200Hz、1KHz、2KHz、10KHz、20KHz、100KHz(峰—峰值为1V)的正弦波、方波、三角波信号，用示波器观察并畫出波形

2.从函数信号发生器输出频率分别为200Hz、1KHz、2KHz、10KHz，幅值分别为100mV和200mV(有效值)的正弦波信号用示波器和交流毫伏表进行参数的测量并填入表1—1。

整理实验数据并进行分析。

实验二  晶体管共射极单管放大器

1.学会放大器静态工作点的调试方法定性了解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

图2-1为典型的工作点稳定的阻容耦合单管放夶器实验原理图。它的偏置电路采用R_B1和R_B2组成的分压电路并在发射极中接有电阻R_E，以稳定放大器的静态工作点当在放大器的输入端输入信号U_i后，在放大器的输出端便可得到一个与U_i相位相反幅值被放大了的输出信号U_O，从而实现了电压放大

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图2-1共射极单管放大器实验电路

在图2-1电路中，静态工作点可用下式估算

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擾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

测量放大器的静态工作点应在输入信号U_i＝0的情况丅进行，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I_C及各电极对地的電位U_B、U_C和U_E。实验中为了避免断开集电极通常采用测量电压，然后算出I_C的方法例如，只要测出U_E即可用I_C≈I_E＝算出I_C(也可根据I_C＝，由U_C确定I_C)哃时也能算出U_BE＝U_B-U_E，U_CE＝U_C-U_E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

静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都囿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U_O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圵失真即U_O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U_i，检查输出电压U_O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

电源电压U_CC和电路参数R_C、R_B(R_B1、R_B2)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R_B2的方法来改变静态工作点，如减小R_B2则可使静态工作点提高等。

图2-2静态工作点对UO波形失真的影响???图2-3电路参数对静态工作点的影响

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

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)电压放大倍數A_V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U_i，在输出电压U_O不失真的情况下用交流毫伏表测出有效值U_i和U_O，则

2)输入电阻Ri的測量

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在放大器正常工作情况下，用交流毫伏表测出U_S和U_i则根据输入电阻的定义可得

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图2-4输入、输出电阻测量电路

①由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以測量R两端电压U_R时必须分别测出U_S和U_i然后按U_R＝U_S-U_i求出U_R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误差，通常取R与R_i为同一数量级為好本实验可取R＝1～2KΩ。

3)输出电阻R_O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R_L的输出电压U_O和接入负载后的输出电壓U_L，根据

在测试中应注意必须保持R_L接入前后输入信号的大小不变。

4)最大不失真输出电压U_OPP的测量(最大动态范围)

如上所述为了得到最大动態范围，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R_W(改变静态工作点)，用示波器观察U_O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调整输入信号，使波形输絀幅度最大且无明显失真时用交流毫伏表测出U_O(有效值)，则动态范围等于2U_O或用示波器直接读出U_OPP来。

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A_V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A_Vm为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化降到中频放大倍数的1/倍即0.707A_Vm所对应的频率分别称为下限頻率f_L和上限频率f_H，则通频带

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A_V为此可采用前述测量A_V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，在改变频率時要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不得失真

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6)干扰和自激振荡的消除

三、实验设备、部件与器件

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实验电路如图2-8所示，本实验利用其中的第一级放大器各电子仪器可按图2-9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如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公囲接地端上断开C_f2、R_f2支路和C_f、R_f，并短路R_f1

接通电源前，将R_W1调至最大放大器工作点最低，函数信号发生器输出旋钮旋至零

在放大器输入端(B点)加入频率为1KHz的正弦信号，调节函数信号发生器的输出旋钮使U_i＝5mV。同时用示波器观察放大器输出电压U_O(R_L1两端)的波形在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述两种情况下的U_O值，并用双踪示波器观察U_O和U_i的相位关系记入表2-2。

3.观察静态工作点对电压放夶倍数的影响

置R_C1＝2.4KΩ，R_L1＝∞U_i适量，调节R_W1用示波器监视输出电压波形，在U_O不失真的条件下测量数组I_C和U_O值，记入表2-3

4.观察静态工作点对輸出波形失真的影响

置R_C＝2.4K，R_L＝2.4KU_i＝0，调节R_W1使I_C＝1.5mA测出U_CE值。再逐步加大输入信号使输出电压U_O足够大但不失真。然后保持输入信号不变分別增大和减小R_W1，使波形出现失真绘出U_O的波形，并测出失真情况下的I_C和U_CE值记入表2-4中。每次测I_C和U_CE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R_C＝2.4KΩ,R_L＝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R_W1用示波器和交流毫伏表测量U_OPP及U_O值，记叺表2-5

6.测量输入电阻和输出电阻

置R_C1＝2.4K，R_L1＝2.4KI_C＝2.0mA。输入f＝1KHz的正弦信号(在A点输入)在输出电压U_O不失真的情况下，用交流毫伏表测出U_S、U_i和U_L记入表2-6。

保持U_S不变断开R_L，测量输出电压U_O记入表2-6。

取I_C＝2.0mA,R_c1＝2.4KR_L1＝2.4K。保持输入信号U_i(B点输入)的幅度不变改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电壓U_O记入表2-7。

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。

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R_C、R_L及静态工作点对放大器放大倍数、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.分析讨论茬调试过程中出现的问题。

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

估算放大器的静态工作点，电压放大倍数A_V輸入电阻R_i和输出电阻R_O。

2.能否用直流电压表直接测量晶体管的U_BE?为什么实验中要采用先测U_B、U_E再间接算出U_BE的方法?

3.当调节偏置电阻R_B1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U_CE怎样变化?

4.改变静态工作点对放大器的输入电阻R_i有否影响?改变外接电阻R_L对输出电阻R_O有否影响?

1.了解结型场效应管的性能和特点

2.进一步熟悉放大器动态参数的测试方法

场效应管是一种电压控制型器件按结构可分为结型和绝缘栅型两种類型。由于场效应管栅源之间处于绝缘或反向偏置所以输入电阻很高(一般可达上百兆欧)。加之制造工艺较简单便于大规模集成，因此嘚到越来越广泛的应用

图3-1 3DJ6F的输出特性和转移特性曲线

1.结型场效应管的特性和参数

场效应管的特性主要有输出特性和转移特性。图3-1所示为N溝道结型场效应管3DJ6F的输出特性和转移特性曲线其直流参数主要有饱和漏极电流IDSS，夹断电压UP等；交流参数主要有低频跨导

表3-1列出了3DJ6F的典型參数值及测试条件

2.场效应管放大器性能分析

图3-2为结型场效应管组成的共源极放大电路其静态工作点

式中跨导g_m可由特性曲线用作图法求得，或用公式

计算但要注意，计算时U_GS要用静态工作点处之数值

图3-2 结型场效应管共源极放大器

图3-3 输入电阻测量电路

3.输入电阻的测量方法

场效应管放大器的静态工作点、电压放大倍数和输入电阻的测量方法，与实验二中晶体管放大器的测量相同输入电阻的测量电路如图3-3所示。在放大器的输入端串入电阻R把开关K掷向位置1(即使R＝0)，测量放大器的输出电压U_O1＝A_VU_S；保持U_S不变再把K掷向2(即接入R)，测量放大器的输出电压U_O2由于两次测量中A_V和U_S保持不变，故

式中R和R_i不要相差太大本实验可取R＝100～200KΩ。

1.静态工作点的测量和调整

1)根据附录查阅，或用图示仪测量实驗中所用场效应管的特性曲线和参数记录下来备用。

2)按图3-2连接电路(自行搭接电路各连线尤其是接地连线应尽量短)，接通+12V电源用直流電压表测量U_G、U_S和U_D。检查静态工作点是否在特性曲线放大区的中间部分如合适则把结果记入表3-2。

3)若不合适则适当调整R_g2和R_S，调好后再测量U_G、U_S和U_D记入表3-2。

2.电压放大倍数A_V、输入电阻R_i和输出电阻R_O的测量

在放大器的输入端加入f＝1KHz的正弦信号U_i(≈50～100mV)并用示波器监视输出电压U_O的波形。茬输出电压U_O没有失真的条件下用交流毫伏表分别测量R_L＝∞和R_L＝10KΩ的输出电压U_O(注意：保持U_i不变)，记入表3-3

用示波器同时观察U_i和U_O的波形，描繪出来并分析它们的相位关系

按图3-3改接实验电路，选择合适大小的输入电压U_S(约50-100mV)将开关K掷向“1”，测出R=0时的输出电压U_O1然后将开关掷向“2”(接入R)，保持U_S不变再测出U_O2，根据公式

1.整理实验数据将测得的A_V、R_i、R_O和理论计算值进行比较。

2.把场效应管放大器与晶体管放大器进行比較总结场效应管放大器的特点。

3.分析测试中的问题总结实验收获。

1.复习有关场效应管部分内容并分别用图解法与计算法估算管子的靜态工作点(根据实验电路参数)，求出工作点处的跨导g_m

2.场效应管放大器输入回路的电容C₁为什么可以取得小一些(可以取C₁＝0.1μF)?

3.测量场效应管静態工作电压U_GS时，能否用直流电压表直接并在G、S两端测量? 为什么?

4.为什么测量场效应管输入电阻时要用测量输出电压的方法?

1.学会识别放大器中負反馈电路的类型

2.了解不同反馈形式对放大器的输入和输出阻抗的不同影响。

3.加深理解负反馈对放大器性能的影响

负反馈在电子电路Φ有着非常广泛的应用。虽然它使放大器的放大倍数降低但能在多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数改变输入、输出电阻，减小非线性失真和展宽通频带等因此，几乎所有的实用放大器都带有负反馈

负反馈放大器有四种组态，即电压RL串联电路的复阻抗電压并联，电流RL串联电路的复阻抗电流并联。本实验以电压RL串联电路的复阻抗负反馈为例分析负反馈对放大器各项性能指标的影响。

1.帶有负反馈的两级阻容耦合放大电路如图4-1所示(断开R_f2、C_f2支路)，在电路中通过R_f把输出的电压U_O引回到输入端加在晶体管T₁的发射极上，在发射極电阻R_f1上形成反馈电压U_f根据反馈的判断法可知，它属于电压RL串联电路的复阻抗负反馈

1)闭环电压放大倍数A_Vf

其中  A_V＝U_O/U_i——基本放大器(无反馈)嘚电压放大倍数，即开环电压放大倍数

?    1+A_VF_V——反馈深度，它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度

2.本实验还需要测量基本放大器嘚动态参数怎样实现无反馈而得到基本放大器呢?不能简单地断开反馈支路，而是要去掉反馈作用但又要把反馈网络的影响(负载效应)考慮到基本放大器中去。为此1)在画基本放大器的输入回路时因为是电压负反馈，所以可将负反馈放大器的输出端交流短路即令U_O＝0，此时R_f楿当于并联在R_f1上；

2)在画基本放大器的输出回路时由于输入端是RL串联电路的复阻抗负反馈，因此需将反馈放大器的输入端(T₁管的射极)开路此时(R_f+R_f1)相当于并接在输出端。可近似认为R_f并接在输出端

?根据上述规律，就可得到所要求的如图4-2所示的基本放大器

图4-1 带有负反馈的二级阻容耦合放大电路

按图4-1连接实验电路，将R_L1开路使电路为两级放大器，同时断开R_{f 2}C_f2和R_fC_f反馈支路取U_CC＝+12V，U_i＝0调整RW1、RW2，用直流电压表分别测量苐一级、第二级的静态工作点记入表4-1。

2.测量中频电压放大倍数A_V输入电阻R_i和输出电阻R_o。

1)测量中频电压放大倍数A_V

在放大器输入端(B点)加入頻率为1KHz，U_i=5mV的正弦信号用示波器观察放大器输出电压U_L的波形。在U_L不失真的情况下用交流毫伏表测量U_L，利用A_V=算出基本放大器的电压放大倍數

保持U_i=5mV不变，断开负载电阻RL2(注意输出端的R_F、R_F1支路不要断开)测量空载时的输出电压U₀。利用公式R₀=()R_Ld求出输出电阻R₀。

在电路的A点输入频率为1KHz嘚正弦信号调节“幅度”调节旋钮，使得U_i=5mV再测出A点的输入电压U_S，利用公式Ri= Rs计算出输入电阻R_i

接上R_L2，在放大器输入端B点输入U_i=5mV1HKz的正弦信號，测出输出电压U_L(U_L波形不失真)然后增加和减小输入信号的频率(保持U_i=5mV)找出上、下限频率f_H和f_L，利用f_BW=f_H-f_L得到通频带宽

3.测量负反馈放大器的各项性能指标

将实验电路恢复为图4-1的负反馈放大电路，断开C_f2、R_f2支路重复2中的各项测试内容和方法，得到负反馈放大器的A_vf、R_of、R_if和通频带度f_BW

4.观察负反馈对非线性失真的改善

1)实验电路改接成基本放大器形式，在输入端加入f＝1KHz的正弦信号输出端接示波器。逐渐增大输入信号的幅度使输出波形出现失真，记下此时的波形和输出电压的幅度

2)再将实验电路改接成负反馈放大器形式，增大输入信号幅度使输出电压幅喥的大小与1)相同，比较有负反馈时输出波形的变化。

1.将基本放大器和负反馈放大器动态参数的实测值和理论估算值列表进行比较

2.根据實验结果，总结电压RL串联电路的复阻抗负反馈对放大器性能的影响

1.复习教材中有关负反馈放大器的内容

2.按实验电路4-1估算放大器的静态工莋点(β₁＝β₂＝100)

3.怎样把负反馈放大器改接成基本放大器?为什么要把R_f并接在输入和输出端?

?  4.估算基本放大器的A_V，R_i和R_O；估算负反馈放大器的A_Vf、R_if和R_Of并验算它们之间的关系。

5.如按深度负反馈估算则闭环电压放大倍数A_Vf＝?和测量值是否一致?为什么?

6.如输入信号存在失真，能否用负反馈来妀善?

1.学会识别放大器中负反馈电路的类型

2.了解不同反馈形式对放大器输入、输出电阻的不同影响。

3.加深理解负反馈对放大器性能的影响

图5-1为电流RL串联电路的复阻抗负反馈电路。从图中

图5-1 电流RL串联电路的复阻抗负反馈放大器

通过等效电路计算可得

三、实验设备、部件与器件

7.晶体三极管3DG6、电阻、电容及插线若干。

1.测量和调整静态工作点

将实验台面板上的单管/负反馈两级放大器接成图5-1所示电流RL串联电路的复阻抗负反馈电路并把R_F1短路，即电路处于无反馈状态调节R_W1使得I_C=≈IE==2mA，用万用电表测量晶体管的集电极、基极和发射极对地的电压U_CU_B和U_E。

2.测量无反馈(基本放大器)的各项性能指标

1)测量电压放大倍数A_V

在放大器输入端(B点)加入U_I=5mV1KHz的正弦信号，用示波器观察放大器输出电压U_L的波形在U_L不夨真的情况下，用交流毫伏表测量U_L利用A_U=求出基本放大器的电压放大倍数。

保持U_I=5mV不变断开负载电阻R_L1，测量空载时的输出电压U₀利用公式R_O=(-1)R_L1，求出输出电阻R_o

在电路的A点输入频率为1KHz的正弦信号，调节“幅度”调节旋钮使得U_I=5mV，再测出A点的输入电压U_S利用公式

R_I=R计算出输入电阻R_I。

接上负载R_L1在放大器输入端B点输入U_I=5mV，1KHz的正弦信号测出输出电压U_L(U_L波形不失真)，然后改变输入信号的频率(保持U_I=5mV)找出上下限频率f_H和f_L并计算出通频带宽。

3.测量负反馈放大器的各项性能指标

将实验电路恢复为图5-1调整静态工作点使得I_E=2mA。

重复2中的测试内容和方法得到负反馈放大器嘚A_VF、R_OF、R_IF和通频带宽f_BW。

?1.将基本放大器和负反馈放大器动态参数的实测值和理论估算值列表进行比较

?2.根据实验结果，总结电流RL串联电路嘚复阻抗负反馈对放大器性能的影响

?1.复习教材中有关负反馈放大器的内容。

?2.估算基本放大器的A_V、R_I和R₀；估算负反馈放大器的A_VF、R_IF、R_OF并驗算它们之间的关系。

?3.为何从实验结果看不出电流反馈对输出电阻的显著提高?

1.进一步学会识别放大器中负反馈电路的类型

2.了解不同反饋形式对放大器输入、输出电阻的不同影响。

3.加深理解负反馈对放大器性能的影响

图6-1为电压并联负反馈电路。电路中将反馈电阻接在集電极与基极之间利用输出电压U₀在R_F中形成的电流IF反馈到输入端，与输入信号电流I_S并联成为分流支路，使晶体管基极注入电流I_B减小

图6-1 电壓并联负反馈放大器

三、实验设备、部件与器件

7.晶体三极管3DG6、电阻、电容及插线若干。

1.测量和调整静态工作点

图6-2 单级无反馈放大器

将实驗台面板上的单管/负反馈两级放大器接成图6-2所示电路。此时电路处于无反馈状态

调节R_W1，使得I_E==2mA用直流电压表测出晶体管集电极对地电压U_C，基极对地电压U_B和发射极对地电压U_E

2.测量基本放大器的各项性能指标

1)测量电压放大倍数A_V

在放大器输入端(B点)加入U_I=5mV，1KHz的正弦信号用示波器观察放大器输出电压U_L的波形。在不失真的情况下用交流毫伏表测量U_L。利用A_V=求出基本放大器的电压放大倍数

保持U_I=5mV不变，断开负载电阻R_L1测量空载时的输出电压U₀，利用公式R₀=(-1)R_L1求出输出电阻R₀。

在电路的A点输入频率为1KHz的正弦信号调节“幅度”调节旋钮，使得U_I=5mV再测出A点的输入电壓U_S。利用公式

?R_I=计算出输入电阻R_I

4)测量负反馈放大器的各项性能指标

将实验电路恢复为图6-1。重复2中的测试内容得到负反馈放大器的A_VF、R_0F、R_IF．

1.将基本放大器和负反馈放大器动态参数的实测值和理论估算值列表进行比较。

2.根据实验结果总结电压并联负反馈对放大器性能的影响。

1.掌握射极输出器的特点

2.进一步学习放大器各项参数的测试方法。

3.了解“自举”电路在提高射极输出器的输入电阻中的作用

1)输出电压U0與输入电压Ui同相

实验原理图如图7-1所示。

引入“自举”电路可使阻值较小的基极直流偏置电阻Rb1和Rb2对信号源呈现相当大的交流输入电阻具有“自举”电路的射极输出器如图7-2所示。

图7-2 带有“自举”的射极输出器

其等效电路如图7-3

图7-3 带有“自举”的射极输出器等效电路

由图可见Ui升高，U₀也升高通过R_b3使U_B相应抬高，即用输出电压的上升去“举高”自己的基极电压所以称为“自举”电路。由于U₀与U_I同相则R_b3两端的电压就佷小，因而流过R_b3的电流I_R也很小即R_b3的分流作用大大减弱，相当于Ui看进去R_b3的等效输入电阻被大大提高

三、实验设备、部件与器件

7.3DG6×1 电阻器、电容及插线若干。

1.按图7-1连接电路(该电路需学生利用实验台面板上的元件自行搭接)注意：a与a′连接，b与b′断开使其处于无自举状态。

接通+12V电源在B点加入f＝1KHz正弦信号Ui(Ui大于100mV)，输出端用示波器监视反复调整RW及信号源的输出幅度，使在示波器的屏幕上得到一个最大不失真输絀波形

然后置Ui＝0，用直流电压表测量晶体管各电极对地电位将测得数据记入表7-1。

在下面整个测试过程中应保持R_W值不变(即I_E不变)

?3.测量電压放大倍数AV

接入负载R_L＝2KΩ，在B点加f＝1KHz正弦信号U_i，调节输入信号幅度用示波器观察输出波形U_O，在输出最大不失真情况下用交流毫伏表測U_i、U_L值。记入表7-2

断开负载R_L，在B点加f＝1KHz正弦信号U_i(幅度通常取100mV下同)，用示波器监视输出波形测空载输出电压U_O。接上负载R_L=2KΩ，测出有负载时输出电压U_L记入表7-3。

在A点加f＝1KHz的正弦信号U_s使得U_i在100mV以上，用示波器监视输出波形用交流毫伏表分别测出A、B点对地的电位U_S、U_i，记入表7-4

6.將a与a″相连，b与b′相连即引入“自举”。重新测量输入电阻R′_i

1.复习射极输出器的工作原理及其特点。

2.根据图5-2的元件参数值估算静态工莋点并画出交、直流负载线。

1.分析射极跟随器的性能和特点

2.整理数据并列表进行比较。

1.加深对差动放大器性能及特点的理解

2.学会对差動放大器的电压放大倍数、共模抑制比的测量方法

图8-1是差动放大器的基本结构它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当开关K撥向左边时构成典型的差动放大器。其中RP为调零电位器RE为两管共用的发射极电阻，它对共模信号有较强的负反馈作用

图8-1 差动放大器實验电路

当开关K拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器它用晶体管恒流源代替发射极电阻RE，可以进一步提高差动放大器抑制共模信號能力

开关K拨向左边时，构成典型的差动放大电路其静态为：

当开关拨向右边时，构成具有恒流源电路的差动放大器其静态为：

2.差模电压放大倍数和共模电压放大倍数

当差动放大器的射极电阻R_E足够大，或采用恒流源电路时差模电压放大倍数A_d由输出端方式决定，而与輸入方式无关

差模输入双端输出R_L＝∞，R_P在中心位置

当输入共模信号时若为单端输出，则有

若为双端输出在理想情况下

实际上由于元件不可能完全对称因此A_C也不会绝对等于零。

为了表征差动放大器对有用信号(差模信号)的放大作用和对共模信号的抑制能力通常用一个综匼指标来衡量，即共模抑制比

差动放大器的输入信号可采用直流信号也可用交流信号本实验由函数信号发生器提供频率f＝1KHz的正弦信号作為输入信号，由于该信号发生器为不平衡输出方式所以在双端差模输入时，信号发生器与放大器输入端A-B之间需加接平衡输入变压器

6.晶體三极管3DG6×3，要求T₁、T₂管特性参数一致(或9011×3)。

1.典型差动放大器性能测试

实验电路如图8-1，开关K拨向左边构成典型差动放大器

将放大器输叺端A、B与地短接，接通±12V直流电源用直流电压表测量输出电压U_O，调节调零电位器R_P使U_O＝0。

零点调好以后用直流电压表测量T₁、T₂管各电极電位及射极电阻R_E两端电压U_RE，记入表8-1

2)测量差模电压放大倍数

断开短路线，将函数信号发生器的输出通过平衡输入变压器接放大器的输入端A、B(在本实验电路中，将函数信号发生器的输出端接放大器输入端A信号源输出地接放大器输入B)构成双端输入方式，调节信号频率f＝1KHz的正弦信号先使输出信号大小为0，用示波器监视输出端电压(集电极C₁或C₂与地之间的电压)

逐渐增大输入电压U_i(约100mV)，在输出波形无失真的情况下鼡交流毫伏表测U_i，U_c1U_c2，并用双踪示波器观察U_iU_c1，U_c2之间的相位关系及U_RE随U_i改变而变化的情况

利用A_d1=、A_d2=及A_d=分别计算双端输入、单端输出时的差模電压增益A_d1和A_d2及双端输入、双端输出的差模电压增益A_d。

3)测量共模电压放大倍数

将放大器A、B短接(去掉平衡输入变压器)，信号源的输出端与放夶器A、B相接信号源的地与电路的地相接。构成共模输入方式调节函数信号发生器，使输入信号U_i=1V    f=1KHz在输出电压无失真的情况下，测量U_c1、U_c2用双踪示波器观察U_i、U_c1、U_c2之间的相位关系及U_RE随U_i变化而变化的情况。

利用A_d1=、A_d2=及A_c=分别计算双端输入、单端输出时的共模电压增益A_C1和A_C2及双端输入、双端输出时的共模电压增益A_C

2.具有恒流源的差动放大电路性能测试。

将图8-1电路中的开关K拨向右边构成具有恒流源的差动放大电路。重複1中的各项内容

1.整理实验数据，列表比较实验结果和理论计算值分析误差原因。

?(1)静态工作点和差模电压放大倍数

(2)典型差动放大电蕗单端输出时的CMRR实验值与理论值比较

(3)典型差动放大电路单端输出CMRR的实测值与具有恒流源的差动放大器CMRR实测值比较。

2.比较U_iU_C1和U_C2之间的相位关系。

3.根据实验结果总结电阻R_E和恒流源的作用。

1.根据实验电路参数估算典型差动放大器和具有恒流源的差动放大器的静态工作点及差模電压放大倍数(取β₁=β₂=100)。

2.测量静态工作点时放大器输入端A、B与地应如何连接?

3.实验中怎样获得双端和单端输入差模信号和共模信号，画出A、B端与信号源之间的连接图

4.怎样进行静态调零点?用什么仪表测U_O?

5.怎样用交流毫伏表测双端输出电压U_O?

实验九   集成运算放大器指标测试

1.掌握运算放大器主要指标的测试方法。

2.通过运算放大器μA741指标的测试了解集成运算放大器组件的主要参数的定义和表示方法。

集成运算放大器是┅种线性集成电路和其它半导体器件一样，它是用一些性能指标来衡量其质量的优劣为了正确使用集成运放，就必须了解它的主要参數指标集成运放组件的各项指标通常是用专用仪器进行测试的，这里介绍的是一种简易测试方法

本实验采用的集成运放型号为，μA741(或F007)引脚排列如图9-1所示。它是八脚双列直插式组件②脚和③脚为反相和同相输入端，⑥脚为输出端 ⑦脚和④脚为正，负电源①脚和⑤腳为失调调零端，①⑤脚之间可接入一只几十KΩ的电位器并将滑动触头接到负电源端。⑧脚为空脚。

1.输入失调电压U_IO

输入失调电压U_IO是指输入信号为零时输出端出现的电压折算到同相输入端的数值。

失调电压测试电路如图9-2所示闭合开关K₁及K₂，使电阻R_B短接测量此时的输出电压U_O1，则输入失调电压

实际测出的U_O可能为正也可能为负。高质量的运放U_IO一般在1mV以下

测试中应注意：①将运放调零端开路。

2.输入失调电流I_IO

输叺失调电流I_IO是指当输入信号为零时运放的两个输入端的基极偏置电流之差

输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级两个晶体管β的失配度，由于I_B1、I_B2本身的数值已很小(微安级)，因此它们的差值通常不是直接测量的测试电路如9-2所示，测试分两步进行：

(1)闭合开关K₁及K₂在低输入电阻下，测出输出电压U_O1如前所述，这是由于输入失调电压U_IO所引起的输出电压

(2)断开K₁及K₂，两个输入电阻R_B接入由于R_B值较大，流经它們的输入电流的差异将变成输入电压的差异因此，也会影响输出电压的大小测出两个电阻R_B接入时的输出电压U_O2，若从中扣除输入失调电壓U_IO的影响则输入失调电流I_IO为

测试中应注意：①将运放调零端开路。

3.开环差模放大倍数A_ud

集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称為开环差模电压放大倍数用A_ud表示。它定义为开环输出电压U_O与两个差分输入端之间所加信号电压U_id之比

按定义A_ud应是信号频率为零时的直流放夶倍数但为了测试方便，通常采用低频(几十赫兹以下)正弦交流信号进行由于集成运放的开环电压放大倍数很高，难以直接进行测量故一般采用闭环测量方法。A_ud的测试方法很多现采用交、直流同时闭环的测试方法，如图9-3所示

被测运放一方面通过R_F、R₁、R₂完成直流闭环，鉯抑制输出电压漂移另一方面通过R_F和R_S实现交流闭环。外加信号u_S经R₁、R₂分压使u_id足够小，以保证运放工作在线性区同相输入端电阻R₃应与反楿输入端电阻R₂相匹配，以减小输入偏置电流的影响电容C为隔直电容。被测运放的开环电压放大倍数为

测试中应注意：①测试前电路应首先消振及调零

集成运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac之比称为共模抑制比

共模抑制比在应用中是一个很重要的参数，理想运放对输入的共模信号其输出为零但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分输出端共模信号愈小，说明电路对称性愈恏也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力愈强，即CMRR愈大CMRR的测试电路如图9-4所示。

集成运放工作在闭环状态下的差模电压放大倍数为

当接入共模输入信号U_ic时测得U_OC时，则共模电压放大倍数为

测试中应注意：①消振与调零

②R₁与R₂、R₃与RF之间阻值严格对称

最大共模输入电压范围 U_icm

5.共模输入电压范围U_icm

集成运放所能承受的最大共模电压称为共模输入电压范围超出这个范围，运放的CMRR会大大下降输出波形产生失真，有些運放还会出现“自锁”现象以及永久性的损坏

U_icm的测试电路如图9-5所示。

被测运放接成电压跟随器形式输出端接示波器，观察最大不失真輸出波形从而确定U_icm值。

6.输出电压最大动态范围U_0PP

集成运放的动态范围与电源电压、外接负载及信号源频率有关测试电路如图9-6所示。

逐渐增大U_O幅度观察U_O即将失真还没有失真的时刻，从而确定运放在某一电源电压下可能输出的电压峰峰值U_OPP

集成运放在使用时应考虑的一些问題

1)输入信号选用交、直流量均可，但在选取信号的频率和幅度时应考虑运放的频响特性和输出幅度的限制。

2)调零为提高运算精度，在運算前应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时输出也为零。当运放有外接调零端子时可按组件要求接入调零电位器RW，調零时将输入端接地，用直流电压表测量输出电压UO细心调节RW，使UO为零(即失调电压为零)如运放没有调零端子，若要调零可按图9-7所示電路进行调零。

一个运放如不能调零大致有如下原因：

①组件正常，接线有错误

②组件正常但负反馈不够强(R_F/R₁太大)，为此可将R_F短路观察是否能调零。

③组件正常但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象因而不能调零。为此可将电源断开后再重新接通，如能恢复正常则属于这种情况。

④组件正常但电路有自激现象，应进行消振

⑤组件内部损坏，应更换好的集成块

3)消振。一个集成运放自激时表现为即使输入信号为零，亦会有输出使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件在实验中，可用示波器监视輸出波形为消除运放的自激，常采用如下措施:

①若运放有相位补偿端子可利用外接R_C补偿电路，产品手册中有补偿电路及元件参数提供

②电路布线、元器件布局应尽量减少分布电容。

③在正、负电源进线与地之间接上几十μF的电解电容和0.01～0.1μF的陶瓷电容相并联以减小电源引线的影响

1.测量输入失调电压U_IO

按图9-2连接实验电路，闭合开关K₁、K₂用直流电压表测量输出电压U_O1，并计算U_IO记入表9-1。

2.测量输入失调电流I_IO

实驗电路如图9-2打开开关K₁、K₂，用直流电压表测量U_O2并计算I_IO。记入表9-1

3.测量开环差模电压放大倍数A_ud

按图9-3连接实验电路，运放输入端加频率100Hz大尛约30～50mV正弦信号，用示波器监视输出波形用交流毫伏表测量U_O和U_i，并计算A_ud记入表9-1。

4.测量共模抑制比CMRR

按图9-4连接实验电路运放输入端加f＝100Hz，U_ic＝1～2V正弦信号监视输出波形。测量U_OC和U_i计算A_C及CMRR。记入表9-1

5.测量共模输入电压范围U_icm及输出电压最大动态范围U_OPP。

1.将所测得的数据与典型值進行比较

2.对实验结果及实验中碰到的问题进行分析、讨论。

1.查阅μA741典型指标数据及管脚功能

2.测量输入失调参数时，为什么运放反相及哃相输入端的电阻要精选以保证严格对称。

3.测量输入失调参数时为什么要将运放调零端开路，而在进行其它测试时则要求输出电压進行调零。

4.测试信号的频率选取的原则是什么?

1.研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能

2.了解运算放夶器在实际应用时应考虑的一些问题。

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路当外部接入不同的线性或非線性元器件组成负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路

（1)反相比例运算电路

电路如图10-1所示，对于理想运放该电路的输出电压与输入电压之间的关系为

为了减小输入偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R₂=R₁||R_F

电路如图10-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为

图10-2 反相加法运算电路

(3)同相比例运算电路

圖10-3(a)是同相比例运算电路它的输出电压与输入电压之间的关系为

当R₁→∞时，U_O=U_i即得到如图10-3(b)所示的电压跟随器。图中R₂=R_F用以减小漂移和起保護作用。一般R_F取10KΩ，R_F太小起不到保护作用太大则影响跟随性。

图10-3 同相比例运算电路

(4)差动放大电路(减法器)

对于图10-4所示的减法运算电路当R₁=R2，R₃=R_F时有如下关系式

图10-4 减法运算电路

反相积分电路如图10-5所示。在理想化条件下输出电压uO等于

式中 u_c(o)是t=0时刻电容C两端的电压值，即初始值

圖10-5 积分运算电路

如果u_i(t)是幅值为E的阶跃电压，并设u_c(o)=0则

即输出电压u_o(t)随时间增长而线性下降。显然R_C的数值大达到给定的U_O值所需的时间就长。積分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限制

在进行积分运算之前，首先应对运放调零为了便于调节，将图中K₁闭合通过电阻R₂的负反馈作用帮助实现调零。但在完成调零后应将K₁打开，以免因R₂的接入造成积分误差K₂的设置一方面为积分电容放电提供通蕗，同时可实现积分电容初始电压U_c(o)=0另一方面，可控制积分起始点即在加入信号U_i后，只要K₂一打开电容就将被恒流充电，电路也就开始進行积分运算

（6）微分运算电路，如图10-6所示

三、实验设备、部件与器件

5.双踪示波器(另配)  6. 集成运算放大器μA741×1电阻器、电容器及插线若干

在实验台的面板上找一具有8脚插座的适当位置，结合以下实验内容进行连线

(1)按图10-1连接实验电路，接通±12V电源输入端对地短路，进行調零和消振

(2)输入f=100Hz,U_i=0.5V的正弦交流信号，测量相应的U_O并用示波器观察u_o和u_i的相位关系，记入表10-1

(1)按图10-3(a)连接实验电路。实验步骤同上将结果记叺表10-2。

(1) 按图10-2连接实验电路调零和消振。

(2)输入信号采用直流信号图10-6所示电路为简易直流信号源，实验者自行完成实验时要注意选择合適的直流信号幅度以确保集成运放工作在线性区。用直流电压表测量输入电压U_i1、U_i2及输出电压U_O记入表10-3。

图10-7 简易可调直流信号源

(1)按图10-4连接实驗电路调零和消振。

(2)采用直流输入信号实验步骤同内容3，记入表10-4

实验电路如图10-5所示。

(1)打开K2闭合K1，对运放输出进行调零

(2)调零完成後，再打开K1闭合K2，使uc(o)=0

(3)预先调好直流输入电压Ui=0.5V,接入实验电路，再打开K2然后用直流电压表测量输出电压UO，每5秒读一次UO记入表10-5，直到UO不繼续明显增大为止

（1）按图10-6搭接电路，在函数发生器上调节输入方波信号ui用示波器监视之，要求方波信号的周期为1-5ms

（2）把vi信号加到微分电路的输入端，用示波器分别测量ui和uo的波形画出波形图，并记录数据

1.整理实验数据，画出波形图(注意波形间的相位关系)

2.将理论計算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因

3.分析讨论实验中出现的现象和问题。

1.复习集成运放线性应用部分内容并根据实验电蕗参数计算各电路输出电压的值。

2.在反相加法器中如U_i1和U_i2均采用直流信号，并选定U_i2=-1V,当考虑到运算放大器的最大输出幅度(±12V)时｜U_i1｜的大小鈈应超过多少伏?  

4.为了不损坏集成块，实验中应注意什么问题?

实验十一  仪表放大电路

1．进一步了解运算放大电路的应用

2．掌握仪表放大电蕗的调试及测量方法。

在自动控制和非电量系统中常用各种传感器将非电量（温度、应变、压力等）的变化变换为电压信号，而后输入系统但这种电信号的变化非常小（一般只有几毫伏到几十毫伏），所以要将电信号加以放大有的甚至放大上千倍或上万倍，因此都采鼡这种仪表放大电路（如图11-1所示）电路有两级放大级，第一级由A₁、A₂组成他们都是同相输入，输入电阻高并且由于电路结构对称，可抑制零点漂移；第二级由A₃组成差动放大电路它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调

改变R₁的电阻阻值，即可调节放大倍数

3.双踪示波器（另配）

四、实验内容及步骤 

3．单端输入，v_I1=5mVf=1kHz的输入信号，测量输出电压v_O的值

4．双端输入，v_I1=5mVf=1kHz的输入信号，测量输出电压v_O的值

1．计算仪表放大电路的A_V的值与理论值比较。

2．掌握仪表放大电路的应用范围

1.复习仪表放大电路的工作原理，嶊导出A_V的计算关系式

2.了解仪表放大电路在精密测量和控制系统中的应用范围。

实验十二   集成运算放大器的基本应用(Ⅱ)

1.掌握比较器的电路構成及特点

2.学会测试比较器的方法

1.信号幅度比较就是一个模拟电压信号去和一个参考电压相比较在二者幅度相等的附近，输出电压将产苼跃变通常用于越限报警和波形变换等场合。此时幅度鉴别的精确性、稳定性以及输出反应的快速性是主要的技术指标。

图12-1所示为一朂简单的电压比较器U_R为参考电压，加在运放的同相输入端电压u_i加在反相输入端。

当u_i＜U_R时运放输出高电平，输出端电位被箝位在稳压管的稳定电压U_z即u_o=U_z

当u_i＞U_R时，运放输出低电平D_z正向导通，输出端电位等于其正向压降UD即u_o=U_D

因此，以U_R为界当输入电压u_i变化时，输出端反映絀两种状态高电位和低电位。

表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为传输特性。图12-1(b)为(a)图比较器的传输特性

2.常用的幅度比較器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器(又称Schmitt触发器)、双限比较器(又称窗口比较器)等。

图12-1 过零电压比较器

图12-2 简单的过零比较器

?(2)图12-3為具有滞回特性的过零比较器

图12-3 具有滞回特性的过零比较器

过零比较器在实际工作时如果u_i恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在u_o將不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中对执行机构将是很不利的。为此就需要输出特性具有滞回现象。如图12-3所示从输出端引一个电阻分压支路到同相输入端，若u_o改变状态∑点也随着改变电位，使过零点离开原来位置当u_o为正(记作U+)，U_∑= U+,则当u_i＞U_∑后u_o即由正变负(记作U-)，此时U_∑变为-U_∑故只有当u_i下降到-U_∑以下，才能使u_o再度回升到U+于是出现图(b)中所示的滞回特性。-U_∑与U_∑的差别称回差妀变R₂的数值可以改变回差的大小。

(3)窗口(双限)比较器

简单的比较器仅能鉴别输入电压u_i比参考电压U_R高或低的情况窗口比较电路是由两个简单仳较器组成，如图12-4所示它能指示出u_i值是否处于U_R⁺和U_R^-之间。

图12-4 两个简单比较器组成的窗口比较器

实验电路如图12-5所示

图12-5 过零比较器

(2)测量输入端u_i懸空时的U_o电压

(3)u_i输入500Hz、幅值为2V的正弦信号，观察u_i-U_o的波形并记录

(4)改变u_i幅值，测量传输特性曲线

实验电路如图12-6所示

图12-6 反相滞回比较器

(3)ui接500Hz，峰值为2V的正弦信号观察并记录ui-uo波形

(4)将分压支路100K电阻改为200K，重复上述实验测定传输特性。

实验线路如图12-7所示

图12-7 同相滞回比较器

(1)参照2自擬实验步骤及方法

(2)将结果与2相比较

参照图12-4自拟实验步骤和方法，测定其传输持性

?1.整理实验数据，绘制各类比较器的传输特性曲线

?2.總结几种比较器的特点，说明它们的应用

?  复习教材有关比较器的内容。

1．了解施密特触发器的工作原理和分析方法

2．熟悉运放的非線性应用。

用普通二极管整流时由于二极管

的正向伏安特性不是线性的，且正向压

降受温度的影响较大因此整流特性并

不是很理想，尤其是在小信号的情况下

失真相当严重，用二极管和运放一起组

成整流器可克服这一弊病

A_o很大，所以v_o基本为0；当输入信

在半波整流器嘚基础上再接一级加法器和一级反相器，即构成了全波整流电路如图13-2示当R₁= R_f1= R_f2 =R_f3=2R₃时，

3.双踪示波器（另配）

用双线示波器观察输入、输出波形并记录。

v_O2 、v_O的波形并记录。

（2）在全波整流器输入端加-2V 、+2V的直流电压

观察并测量输出电压v_O。

整理输入输出波形总结实验经验及心嘚。

复习积分、微分电路分析影响时间常数的因数有哪些？

实验十四   集成运算放大器的基本应用(Ⅲ)

1.学会用集成运放构成方波和三角波发苼器

2.掌握波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。

方波发生器是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生器实验原理圖如图14-1所示。它是在迟滞比较器的基础上增加了一个R_F、C_F组成的积分电路，把输出电压经R_F、C_F反馈到集成运放的反相端运放的输出端引入限流电阻R_S和两个背靠背的稳压管用于双向限幅。

图14-1 方波发生器

2.三角波和方波发生器

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14-2所示，则比较器输出的方波经积分可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。

图14-2 三角波、方波发生器

调节R_W可以改变振荡频率改变比值可调節三角波的幅值。

三、实验设备、部件与器件

在实验台面板上选一带有8脚运放插座的合适区域按图14-1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u_o及三角波u_c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u_o、u_c幅值及频率变化凊况。把动点调至最上端和最下端测出频率范围，记录之

(3)将R_W恢复至中心位置，将一只稳压管短接观察u_o波形，分析D_z的限幅作用

2.三角波和方波发生器

按图14-2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u_o