加法器及差分放大器项目实验报告

加法器及差分放大器项目实验报告

一、项目内容和要求 （一）、加法器 1、任务目的：

（1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理；

（3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容：

2.1 设计一个反相加法器电路，技术指标如下：

（1）电路指标

运算关系:UO(5Ui12Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。

（2）设计条件

电源电压Ec=±5V； 负载阻抗RL5.1K

（3）测试项目

A：输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压；

B：输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号，测试两种输入组合情况下的输出电

压波形。

C：输入信号Ui10V，改变Ui2的幅度，测量该加法器的动态范围。

D：输入信号Ui10V，Ui2为正弦波,1V，改变正弦波的频率，从1kHz逐渐增加，步长为

2kHz，测量该加法器的幅频特性。

2.2 设计一个同相加法器电路，技术指标如下： （1）电路指标

运算关系：UOUi1Ui2。 （2）设计条件

电源电压Ec=±5V； 负载阻抗RL5.1K （3）测试项目

A：输入信号Ui11V,Ui21V，测试4种组合下的输出电压；

B：输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号，测试两种输入组合情况下的输出电压

波形。

（二）、差分放大器

1、任务目的：

（1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理；

（3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容

2.1 设计一个基本运放差分放大器电路，技术指标如下： （1）电路指标

运算关系:UO5(Ui1Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。 （2）设计条件

电源电压Ec=±5V； 负载阻抗RL5.1K （3）测试项目

A：输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压；

B：输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.5V信号，测试两种输入组合情况下的输出

电压波形。

二、设计及调试

（一）、电路设计 1、反相加法器

U0=-Rf*If

U0=-Rf*(Ui1/R1+Ui2/R2) 输出电压与输入电压反相

R3在电路中起平衡作用（R3=R1//R2//Rf） 2、同相加法器

U0=(1+Rf/R’)Ui

输出电压与输入电压同相

R在电路中起平衡作用（R3=R1//R2//Rf） 3、差分放大器

差分放大电路可以有效的抑制“零点漂移” U0=[(R1+Rf)/R1]*[R3/(R2+R3)]-(R2/R1)*U1 R1=R2,R3=Rf,U0=-(R2/R1)*(Ui1-Ui2)

（二）、电路仿真 1、加法器

1.1反相加法器

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据:

B.i1i2电压波形

仿真电路：

仿真测试波形：

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （蓝色波形） 输出： U0发生直流偏移，向下偏2.5V（红色波形）

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （蓝色波形） 输出： U0发生直流偏移，向上偏2.5V（红色波形）

C.输入信号Ui10V，改变Ui2的幅度，测量该加法器的动态范围 仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度0.1V正弦波（蓝色波形） 输出：U0=0.2V(最大值)，频率1KHz正弦波（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度2V正弦波（蓝色波形）

输出：U0=3.998V，频率1KHz正弦波，顶部发生失真现象（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度2.5V正弦波（蓝色波形）

输出：U0=4.671V（最大值），频率1KHz正弦波，顶部和底部均发生失真现象

（红色波形）

动态范围：4.671V~3.746V

D.输入信号Ui10V，Ui2为正弦波,1V，改变正弦波的频率，从1kHz逐渐增加，步长

为2kHz，测量该加法器的幅频特性

仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为1KHz的正弦波（蓝色波形） 输出：U0=2V（最大值），频率为1KHz的正弦波（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为3KHz的正弦波（蓝色波形）

输出：U0=2V（最大值），频率为1KHz的正弦波（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为31KHz的正弦波（蓝色波形）

输出：U0=1.92V（最大值），频率为1KHz的正弦波，幅度开始减小（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为31KHz的正弦波（蓝色波形）

输出：U0=1.67V（最大值），频率为1KHz的正弦波，幅度减小（红色波形）

测试值及幅频特性曲线：

1.2同相加法器

A.输入信号Ui11V,Ui21V，测试4种组合下的输出电压 仿真电路：

仿真测试数据：

B.Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V形

仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（绿色波形）

输出：U0=0.999766V（有效值），频率1KHz的正弦波，向上偏移1V（红色波形）

输入：Ui1=-1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（绿色波形）

输出：U0=-0.999761V，频率1KHz的正弦波，向下偏移1V（红色波形）

2、差分放大器

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 仿真电路：

仿真测试数据：

B.i1i2电压波形

仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=-0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（红色波形） 输出：U0=2.163V，频率1KHz正弦波，顶部发生失真现象（黄色波形）

输入：Ui1=0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（红色波形）

输出：U0=-2.337V，频率1KHz正弦波，底部发生失真现象（黄色波形）

（三）、电路焊装和调试

1、元器件清单

1.2同相加法器

2、电路调试结果及结果分析 2.1反相加法器

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试结果:

结果分析：实际测量结果比仿真测量结果偏小，当两个输入信号均为0.5V时，理论输出

应该是-3.4V，而我们的测试值只有-2.98V，最后检查电路时发现由于我们在提供芯片的电压上串接了一个1K电阻和一个发光二级管，再加上电源输入端到4脚、

8脚的导线比较长（产生了1.46V的压降）所以芯片的工作电压其实并没有±5V，因此输出值会普遍偏小。

B.输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号，测试两种输入组合情况下的输出

压波形

硬件电路输出波形：

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （黄色波形）

输出： U0发生直流偏移，向下偏2.5V（绿色波形）

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （黄色波形）

输出： U0发生直流偏移，向上偏2.5V（绿色波形）

结果分析：在这个测试项目的进行下，我们发现硬件焊接的电路测试值很不稳定，总是

在0.6V之内上下波动，最后发现外界信号对电路输出只有很大的干扰，当我们把手放在输入端上，输出电压值都会发生跳动，经比较计算，我们的测试值在误差范围内是正确的

C.输入信号Ui10V，改变Ui2的幅度，测量该加法器的动态范围 硬件电路输出波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度1.29V正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.21V，频率1KHz正弦波，顶部发生失真现象（绿色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度1.41V正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.53V，频率1KHz正弦波，顶部和底部同时失真（绿色波形）

动态范围2.53V~2.21V

结果分析：在做仿真的时候，当Ui2=2.0V时，波形便发生失真，而在硬件电路的测试中，

Ui2=1.29V便出现顶部失真现象，由于我们电路的实际放大倍数为2.2，而仿真的是2，而且实际电路中导线的压降又不可避免(导线太长)，因此，静态工作点会更加偏低，会在较小的输入电压情况下发生失真。

D.输入信号Ui10V，Ui2为正弦波,1V，改变正弦波的频率，从1kHz逐渐增加，步长为

2kHz，测量该加法器的幅频特性

硬件电路测试波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为1KHz的正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.08V，频率为1KHz的正弦波（绿色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为5KHz的正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.02V，频率为5KHz的正弦波，开始出现交越失真（绿色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为39KHz的正弦波（黄色波形）

输出：U0=0.70V，频率为5KHz的正弦波，幅度明显下降（绿色波形）

硬件电路测试数据：

结果分析：硬件电路测试值较仿真测试值曲线不够平滑，电路本身存在干扰，仪器仪表

又具有一定的误差范围，因此相对于仿真，实际电路与理论值会有一定大的误差。

2.2同相加法器

A.输入信号Ui11V,Ui21V，测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试值：

结果分析：硬件电路测试值与仿真电路测试值相比略微渐小，由于硬件电路的运放芯片

LM358工作电压经过导线送入，而导线上有压降，所以工作电压较理论值要小，所以输出会跟随被影响，也会减小。

B.输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号，测试两种输入组合情况下的输出电压

形

硬件电路输出波形：

输入：Ui1=1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（黄色波形）

输出：U0=0.925V，频率1KHz的正弦波，向上偏移1V（绿色波形）

输入：Ui1=1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（黄色波形） 输出：U0=-0.934V，频率1KHz的正弦波，向下偏移1V（绿色波形）

结果分析：硬件测试电路与仿真结果较为相似，但是波形不太稳定，在零点几V的范围

内来回跳动，后来在检查电路后发现是由于存在干扰信号，而且示波器工作也不太稳定。

2.3差分放大电路

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据：

B.i1i2出电压波形

硬件电路测试波形：

输入：Ui1=0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（黄色波形） 输出：U0=0.2V，频率1KHz正弦波，发生直流偏移，底部发生失真现象（绿色波

形）

输入：Ui1=-0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（黄色波形）

输出：U0=1.8V，频率1KHz正弦波，发生直流偏移，顶部发生失真现象（绿色波

形）

结果分析：偏移幅度不够大，由于放大倍数不同，且运放芯片性质决定可以放

大到的最大电压不能达到理论值。

三、小结

这个项目我们小组有以下不足：1.电路排版过于拥挤，导致板子背面焊锡大块出现；2.测试硬件路 仪表使用不够熟练。相对于其他组，我们组有以下优势：1.测试电路任务明确；2.测试值误差小。通过这次实验，对各个仪表又有了一个熟悉的过程，掌握了加法器和差分放大器的基本功能，能利用加法器和差分放大器设计出有一定倍数的正反向放大电路。

四、仪器设备清单

A3组：XXX XX XX XXXX年XX月XX日

加法器及差分放大器项目实验报告

一、项目内容和要求 （一）、加法器 1、任务目的：

（1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理；

（3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容：

2.1 设计一个反相加法器电路，技术指标如下：

（1）电路指标

运算关系:UO(5Ui12Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。

（2）设计条件

电源电压Ec=±5V； 负载阻抗RL5.1K

（3）测试项目

A：输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压；

B：输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号，测试两种输入组合情况下的输出电

压波形。

C：输入信号Ui10V，改变Ui2的幅度，测量该加法器的动态范围。

D：输入信号Ui10V，Ui2为正弦波,1V，改变正弦波的频率，从1kHz逐渐增加，步长为

2kHz，测量该加法器的幅频特性。

2.2 设计一个同相加法器电路，技术指标如下： （1）电路指标

运算关系：UOUi1Ui2。 （2）设计条件

电源电压Ec=±5V； 负载阻抗RL5.1K （3）测试项目

A：输入信号Ui11V,Ui21V，测试4种组合下的输出电压；

B：输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号，测试两种输入组合情况下的输出电压

波形。

（二）、差分放大器

1、任务目的：

（1）掌握运算放大器线性电路的设计方法； （2）理解运算放大器的工作原理；

（3）掌握应用仿真软件对运算放大器进行仿真分析的方法。 2、任务内容

2.1 设计一个基本运放差分放大器电路，技术指标如下： （1）电路指标

运算关系:UO5(Ui1Ui2)。 输入阻抗Ri15K,Ri25K。 （2）设计条件

电源电压Ec=±5V； 负载阻抗RL5.1K （3）测试项目

A：输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压；

B：输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.5V信号，测试两种输入组合情况下的输出

电压波形。

二、设计及调试

（一）、电路设计 1、反相加法器

U0=-Rf*If

U0=-Rf*(Ui1/R1+Ui2/R2) 输出电压与输入电压反相

R3在电路中起平衡作用（R3=R1//R2//Rf） 2、同相加法器

U0=(1+Rf/R’)Ui

输出电压与输入电压同相

R在电路中起平衡作用（R3=R1//R2//Rf） 3、差分放大器

差分放大电路可以有效的抑制“零点漂移” U0=[(R1+Rf)/R1]*[R3/(R2+R3)]-(R2/R1)*U1 R1=R2,R3=Rf,U0=-(R2/R1)*(Ui1-Ui2)

（二）、电路仿真 1、加法器

1.1反相加法器

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据:

B.i1i2电压波形

仿真电路：

仿真测试波形：

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （蓝色波形） 输出： U0发生直流偏移，向下偏2.5V（红色波形）

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （蓝色波形） 输出： U0发生直流偏移，向上偏2.5V（红色波形）

C.输入信号Ui10V，改变Ui2的幅度，测量该加法器的动态范围 仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度0.1V正弦波（蓝色波形） 输出：U0=0.2V(最大值)，频率1KHz正弦波（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度2V正弦波（蓝色波形）

输出：U0=3.998V，频率1KHz正弦波，顶部发生失真现象（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度2.5V正弦波（蓝色波形）

输出：U0=4.671V（最大值），频率1KHz正弦波，顶部和底部均发生失真现象

（红色波形）

动态范围：4.671V~3.746V

D.输入信号Ui10V，Ui2为正弦波,1V，改变正弦波的频率，从1kHz逐渐增加，步长

为2kHz，测量该加法器的幅频特性

仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为1KHz的正弦波（蓝色波形） 输出：U0=2V（最大值），频率为1KHz的正弦波（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为3KHz的正弦波（蓝色波形）

输出：U0=2V（最大值），频率为1KHz的正弦波（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为31KHz的正弦波（蓝色波形）

输出：U0=1.92V（最大值），频率为1KHz的正弦波，幅度开始减小（红色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为31KHz的正弦波（蓝色波形）

输出：U0=1.67V（最大值），频率为1KHz的正弦波，幅度减小（红色波形）

测试值及幅频特性曲线：

1.2同相加法器

A.输入信号Ui11V,Ui21V，测试4种组合下的输出电压 仿真电路：

仿真测试数据：

B.Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V形

仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（绿色波形）

输出：U0=0.999766V（有效值），频率1KHz的正弦波，向上偏移1V（红色波形）

输入：Ui1=-1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（绿色波形）

输出：U0=-0.999761V，频率1KHz的正弦波，向下偏移1V（红色波形）

2、差分放大器

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 仿真电路：

仿真测试数据：

B.i1i2电压波形

仿真电路：

仿真测试波形：

输入：Ui1=-0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（红色波形） 输出：U0=2.163V，频率1KHz正弦波，顶部发生失真现象（黄色波形）

输入：Ui1=0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（红色波形）

输出：U0=-2.337V，频率1KHz正弦波，底部发生失真现象（黄色波形）

（三）、电路焊装和调试

1、元器件清单

1.2同相加法器

2、电路调试结果及结果分析 2.1反相加法器

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试结果:

结果分析：实际测量结果比仿真测量结果偏小，当两个输入信号均为0.5V时，理论输出

应该是-3.4V，而我们的测试值只有-2.98V，最后检查电路时发现由于我们在提供芯片的电压上串接了一个1K电阻和一个发光二级管，再加上电源输入端到4脚、

8脚的导线比较长（产生了1.46V的压降）所以芯片的工作电压其实并没有±5V，因此输出值会普遍偏小。

B.输入信号Ui10.5V,Ui2为正弦波1KHz,0.1V信号，测试两种输入组合情况下的输出

压波形

硬件电路输出波形：

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （黄色波形）

输出： U0发生直流偏移，向下偏2.5V（绿色波形）

输入： Ui1=0.5V，Ui2为频率1KHz，幅度为0.1V的正弦波信号 （黄色波形）

输出： U0发生直流偏移，向上偏2.5V（绿色波形）

结果分析：在这个测试项目的进行下，我们发现硬件焊接的电路测试值很不稳定，总是

在0.6V之内上下波动，最后发现外界信号对电路输出只有很大的干扰，当我们把手放在输入端上，输出电压值都会发生跳动，经比较计算，我们的测试值在误差范围内是正确的

C.输入信号Ui10V，改变Ui2的幅度，测量该加法器的动态范围 硬件电路输出波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度1.29V正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.21V，频率1KHz正弦波，顶部发生失真现象（绿色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为频率1KHz，幅度1.41V正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.53V，频率1KHz正弦波，顶部和底部同时失真（绿色波形）

动态范围2.53V~2.21V

结果分析：在做仿真的时候，当Ui2=2.0V时，波形便发生失真，而在硬件电路的测试中，

Ui2=1.29V便出现顶部失真现象，由于我们电路的实际放大倍数为2.2，而仿真的是2，而且实际电路中导线的压降又不可避免(导线太长)，因此，静态工作点会更加偏低，会在较小的输入电压情况下发生失真。

D.输入信号Ui10V，Ui2为正弦波,1V，改变正弦波的频率，从1kHz逐渐增加，步长为

2kHz，测量该加法器的幅频特性

硬件电路测试波形：

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为1KHz的正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.08V，频率为1KHz的正弦波（绿色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为5KHz的正弦波（黄色波形） 输出：U0=2.02V，频率为5KHz的正弦波，开始出现交越失真（绿色波形）

输入：Ui1=0V，Ui2为幅度为1V，频率为39KHz的正弦波（黄色波形）

输出：U0=0.70V，频率为5KHz的正弦波，幅度明显下降（绿色波形）

硬件电路测试数据：

结果分析：硬件电路测试值较仿真测试值曲线不够平滑，电路本身存在干扰，仪器仪表

又具有一定的误差范围，因此相对于仿真，实际电路与理论值会有一定大的误差。

2.2同相加法器

A.输入信号Ui11V,Ui21V，测试4种组合下的输出电压 硬件电路测试值：

结果分析：硬件电路测试值与仿真电路测试值相比略微渐小，由于硬件电路的运放芯片

LM358工作电压经过导线送入，而导线上有压降，所以工作电压较理论值要小，所以输出会跟随被影响，也会减小。

B.输入信号Ui11V,Ui2为正弦波1KHz,1V信号，测试两种输入组合情况下的输出电压

形

硬件电路输出波形：

输入：Ui1=1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（黄色波形）

输出：U0=0.925V，频率1KHz的正弦波，向上偏移1V（绿色波形）

输入：Ui1=1V，Ui2为频率1KHz，幅度1V的正弦波（黄色波形） 输出：U0=-0.934V，频率1KHz的正弦波，向下偏移1V（绿色波形）

结果分析：硬件测试电路与仿真结果较为相似，但是波形不太稳定，在零点几V的范围

内来回跳动，后来在检查电路后发现是由于存在干扰信号，而且示波器工作也不太稳定。

2.3差分放大电路

A.输入信号Ui10.5V,Ui20.5V，测试4种组合下的输出电压 仿真测试数据：

B.i1i2出电压波形

硬件电路测试波形：

输入：Ui1=0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（黄色波形） 输出：U0=0.2V，频率1KHz正弦波，发生直流偏移，底部发生失真现象（绿色波

形）

输入：Ui1=-0.5V，ui2为频率1KHz，幅度0.5V的正弦波（黄色波形）

输出：U0=1.8V，频率1KHz正弦波，发生直流偏移，顶部发生失真现象（绿色波

形）

结果分析：偏移幅度不够大，由于放大倍数不同，且运放芯片性质决定可以放

大到的最大电压不能达到理论值。

三、小结

这个项目我们小组有以下不足：1.电路排版过于拥挤，导致板子背面焊锡大块出现；2.测试硬件路 仪表使用不够熟练。相对于其他组，我们组有以下优势：1.测试电路任务明确；2.测试值误差小。通过这次实验，对各个仪表又有了一个熟悉的过程，掌握了加法器和差分放大器的基本功能，能利用加法器和差分放大器设计出有一定倍数的正反向放大电路。

四、仪器设备清单

A3组：XXX XX XX XXXX年XX月XX日